DE20104431U1

DE20104431U1 - Sensor electrode device, sensor arrangement and device for amperometric and / or potentiometric, in particular pharmacological site and / or drug testing

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Publication number: DE20104431U1
Application number: DE20104431U
Authority: DE
Original assignee: Iongate Biosciences GmbH
Current assignee: Iongate Biosciences GmbH
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2001-03-15
Publication date: 2001-10-31
Anticipated expiration: 2011-03-16

Description

Sensorelektrodeneinrichtung, Sensoranordnung und Vorrichtung zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, insbesondere pharmakologischen Wirkort- und/oder WirkstofftestungSensor electrode device, sensor arrangement and device for amperometric and/or potentiometric, in particular pharmacological, site of action and/or active substance testing

Die Erfindung betrifft eine Sensorelektrodeneinrichtung, eine Sensoranordnung und eine Vorrichtung für die amperometrische und/oder potentiometrische, insbesondere pharmakologisehe Wirkort- und/oder Wirkstofftestung.The invention relates to a sensor electrode device, a sensor arrangement and a device for amperometric and/or potentiometric, in particular pharmacological, site of action and/or active substance testing.

Erörtert werden daneben auch deren Verwendung in einem Verfahren zur, insbesondere pharmakologischen, Wirkort- und/oder Wirkstofftestung sowie ein Verfahren zur insbesondere pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung selbst.Also discussed are their use in a method for, in particular pharmacological, site of action and/or active ingredient testing as well as a method for, in particular pharmacological site of action and/or active ingredient testing itself.

Bevor Genussmittel, Medikamente und andere Präparate zur Anwendung bei Mensch, Tier und Pflanze kommen können, müssen im Hinblick auf die Zulassung auf dem Markt bestimmte Kriterien hinsichtlich des Nachweises ihrer Wirksamkeit und/oder ihrer Unbedenklichkeit, also hinsichtlich ihrer Nebenwirkungen, erfüllt werden. Entsprechend sind im Stand der Technik unterschiedliche Verfahren und Messeinrichtungen bekannt, mit denen entsprechende Eigenschaften bestimmter Wirkstoffe quantitativ und qualitativ analysiert und beschrieben werden können.Before stimulants, medicines and other preparations can be used on humans, animals and plants, certain criteria must be met in order to be approved for the market in terms of proof of their effectiveness and/or safety, i.e. in terms of their side effects. Accordingly, various methods and measuring devices are known in the state of the art with which the corresponding properties of certain active ingredients can be quantitatively and qualitatively analyzed and described.

Andererseits ist es oft wünschenswerte, vorgegebene und bekannte Wirkstoffe an einem bestimmten Wirkort zu applizieren, z.B. an einem bestimmten Protein, an einer Zelle, einem Gewebe oder dergleichen, um die Funktionsweise dieses Wirkortes zu beeinflussen und/oder zu untersuchen.On the other hand, it is often desirable to apply predetermined and known active substances to a specific site of action, e.g. to a specific protein, cell, tissue or the like, in order to influence and/or investigate the functioning of this site of action.

Übliche Experimente am Gesamtorganismus sind aufgrund der Komplexität der Organismen und ferner aufgrund ethischer undConventional experiments on the whole organism are not feasible due to the complexity of the organisms and also due to ethical and

Ämtsaktenzeichen: 201 04 431.5Official reference number: 201 04 431.5

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moralischer Umstände oft bedenklich, und die damit erzielten Ergebnisse haben eine nur beschränkte Aussagekraft.moral circumstances are often questionable, and the results obtained have only limited significance.

Folglich wurden Verfahren und Einrichtungen entwickelt, mit deren Hilfe eine isolierte Betrachtung der Wirkungsweise zu testender Wirkstoffe auf isolierte Wirkzentren oder eine Untersuchung der Wirkzentren selbst - insbesondere im Rahmen eines Deorphaningprozesses bei unbekannter Funktion des Wirkzentrums - möglich ist. Dabei werden bestimmte Gewebe, isolierte Zellen und/oder andere biologische Einheiten, zum Beispiel Proteine oder dergleichen, in isolierter Art und Weise einer Betrachtung zugänglich gemacht. Es sind zum Beispiel Techniken bekannt, die unter Verwendung von Farbstoffen arbeiten und sich ändernde Bindungsspezifitäten ausnutzen und darstellen. Falls diese Vorgehensweise überhaupt möglich ist, ist sie aber dahingehend nachteilig, dass ihr oft nur ein geringes Auflösungsvermögen und eine geringe Empfindlichkeit dabei aber eine hohe Fehleranfälligkeit zukommen .Consequently, methods and devices have been developed which enable an isolated observation of the mode of action of active substances to be tested on isolated active sites or an investigation of the active sites themselves - particularly as part of a deorphaning process when the function of the active site is unknown. In this process, certain tissues, isolated cells and/or other biological units, for example proteins or the like, are made accessible for observation in an isolated manner. For example, techniques are known which work using dyes and exploit and display changing binding specificities. If this procedure is possible at all, it has the disadvantage that it often has only a low resolution and low sensitivity and is highly susceptible to errors.

Andererseits sind aber auch elektrophysiologische Methoden bekannt, zum Beispiel die sogenannten Patchclamp-Technik oder Voltageclamp-Technik, bei welcher zum Beispiel Zellen isoliert einer elektrophysiologischen Untersuchung zugänglieh sind. Bei diesem Vorgehen werden native Zellen unterschiedlichen Bedingungen ausgesetzt und es werden bestimmte elektrische Aktivitäten, die durch die Zellen über die darin enthaltenen Organellen und/oder Proteine oder dergleichen vermittelt werden, gemessen. Trotz der dabei erzielbaren hohen Genauigkeit sind diese bekannten elektrophysiologischen Methoden dahingehend nachteilig, dass sie oft eine nur geringe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse liefern, aufgrund ihres hohen messtechnischen Aufwandes und ihrer Störanfälligkeit für einen schnellen, automatisierbaren und/oder breiten Einsatz ungeeignet sind und aufgrund der in der Regel nativen Umgebung der zu untersuchenden Objekte gewisseOn the other hand, electrophysiological methods are also known, for example the so-called patch clamp technique or voltage clamp technique, in which, for example, isolated cells are accessible for electrophysiological examination. In this procedure, native cells are exposed to different conditions and certain electrical activities that are mediated by the cells via the organelles and/or proteins or the like contained therein are measured. Despite the high level of accuracy that can be achieved, these known electrophysiological methods have the disadvantage that they often only provide low reproducibility of the results, are unsuitable for rapid, automated and/or widespread use due to the high measurement effort and susceptibility to interference, and require certain

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 ³ Official reference number: 201 04 431.5 ³

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Probleme bei der Diskriminierung unerwünschter Signalanteile aufweisen.have problems in discriminating unwanted signal components.

Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, eine Sensorelektrodeneinrichtung, eine Sensoranordnung sowie eine Vorrichtung zur amperometrischen und/oder potentiometrischen pharmakologischen Wirkstofftestung oder dergleichen zu schaffen, bei welchen auf besonders einfache und gleichwohl zuverlässige Art und Weise eine rasche Wirkstofftestung, insbesondere in Massenbetrieb, unter vertretbaren Kosten möglich ist.The invention is therefore based on the object of creating a sensor electrode device, a sensor arrangement and a device for amperometric and/or potentiometric pharmacological active substance testing or the like, in which rapid active substance testing is possible in a particularly simple and yet reliable manner, in particular in mass operation, at reasonable costs.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sensorelektrodeneinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des An-Spruchs 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Sensoranordnung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 21 und bei einer gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 32 gelöst.The object is achieved according to the invention by a sensor electrode device with the characterizing features of claim 1. Furthermore, the object is achieved according to the invention in a generic sensor arrangement by the characterizing features of claim 21 and in a generic device by the characterizing features of claim 32.

Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung, Sensoranordnung und der Vorrichtung sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Unteransprüche.Advantageous further developments of the sensor electrode device, sensor arrangement and device according to the invention are the subject of the respective dependent subclaims.

Die erfindungsgemäße Sensorelektrodeneinrichtung, insbesondere für eine Biosensoranordnung oder dergleichen, zur amperometrischen und/oder potentiometrischen pharmakologischen Wirkstofftestung oder dergleichen weist mindestens einen zumindest zum Teil im Wesentlichen elektrisch leitfähigen E-lektrodenbereich auf. Die erfindungsgemäße Sensorelektrodeneinrichtung ist ausgebildet, zumindest im Betrieb zumindest teilweise in einem, insbesondere im Wesentlichen wässrigen, Messmedium angeordnet zu werden. Des Weiteren ist die erfindungsgemäße Sensorelektrodeneinrichtung ausgebildet, zumindest im Betrieb eine Mehrzahl oder Vielzahl Primärträger mit zu einer elektrischen Aktion aktivierbaren im Wesentlichen biologischen Einheiten, insbesondere Membranproteinen oderThe sensor electrode device according to the invention, in particular for a biosensor arrangement or the like, for amperometric and/or potentiometric pharmacological drug testing or the like, has at least one electrode area that is at least partially electrically conductive. The sensor electrode device according to the invention is designed to be arranged at least partially in a measuring medium, in particular an essentially aqueous one, at least during operation. Furthermore, the sensor electrode device according to the invention is designed to have a plurality or multiplicity of primary carriers with essentially biological units that can be activated for an electrical action, in particular membrane proteins or

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 4Official reference number: 201 04 431.5 4

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dergleichen, in im Wesentlichen unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft, insbesondere des Elektrodenbereichs, anzuordnen, insbesondere anzulagern. Dabei ist zumindest der Elektrodenbereich erfindungsgemäß im Wesentlichen festkörperartig und/oder festkörperunterstützt ausgebildet. Des Weiteren ist dabei erfindungsgemäß der Elektrodenbereich ausgebildet, zumindest im Betrieb gegenüber dem vorzusehenden Messmedium und/oder gegenüber den Primärträgern im Wesentlichen elektrisch isoliert zu sein.the like, in essentially the immediate spatial vicinity, in particular of the electrode region, in particular to be attached. In this case, at least the electrode region is designed according to the invention to be essentially solid-body-like and/or solid-body-supported. Furthermore, the electrode region is designed according to the invention to be essentially electrically insulated from the measuring medium to be provided and/or from the primary carriers, at least during operation.

Es ist somit eine Kernidee der vorliegenden Erfindung, zumindest den Elektrodenbereich der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung im Wesentlichen festkörperartig und/oder festkörperunterstützt auszubilden. Dadurch wird der Sensorelektrodeneinrichtung und insbesondere dem vorgesehenen Elektrodenbereich davon eine besonders hohe mechanische Stabilität gegeben, wodurch ein besonders robuster und störunanfälliger Betrieb im Rahmen der Wirkort- und/oder Wirkstoff testung möglich ist.It is therefore a core idea of the present invention to design at least the electrode region of the sensor electrode device according to the invention essentially as a solid body and/or with solid body support. This gives the sensor electrode device and in particular the intended electrode region thereof a particularly high mechanical stability, which enables particularly robust and interference-free operation in the context of site of action and/or active ingredient testing.

Erst durch die Festkörperunterstützung wird eine Aktivierung z.B. von Membranproteinen durch einen Konzenentrationssprung möglich. Dies kann insbesondere im Rahmen eines schnellen und/oder kontinuierlichen Lösungsaustauschs erfolgen, wodurch - insbesondere bei amperometrsichen Messungen - ein hoher Signalpegel und somit eine hohe Empfindlichkeit erreichbar sind. Aufgrund der Robustheit durch die Festkörperunterstützung sind auch eine leichtere Handhabung und ein bequemer Einbau möglich.Only with the solid-state support is the activation of membrane proteins, for example, possible through a concentration jump. This can be done in particular as part of a rapid and/or continuous solution exchange, whereby - especially with amperometric measurements - a high signal level and thus high sensitivity can be achieved. Due to the robustness provided by the solid-state support, easier handling and convenient installation are also possible.

Ein weiterer Kernaspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Elektrodenbereich so auszubilden, dass er zumindest im Betrieb gegenüber dem Messmedium und/oder gegenüber den Primärträgern im Wesentlichen elektrisch isoliert ausgebildet ist. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die Sensorelektrodeneinrichtung im Wesentlichen als kapazitiv gekoppelte Elektrode eingesetzt werden kann. Dies hat insbe-Another key aspect of the present invention is to design the electrode region in such a way that it is essentially electrically insulated from the measuring medium and/or from the primary carriers, at least during operation. This measure ensures that the sensor electrode device can essentially be used as a capacitively coupled electrode. This has particular

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5Official reference number: 201 04 431.5

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sondere im Hinblick auf das Signal-zu-Rauschverhältnis, also im Hinblick auf die Nachweisgenauigkeit erhebliche Vorteile. Des Weiteren ist bei der kapazitiven Kopplung der Elektrodenbereich der Sensorelektrodenanordnung oder -einrichtung im Wesentlichen an keiner chemischen Umsetzung beteiligt, wie das zum Beispiel bei einer typischen elektrochemischen Halbzelle der Fall wäre.There are significant advantages, particularly with regard to the signal-to-noise ratio, i.e. with regard to the detection accuracy. Furthermore, with capacitive coupling, the electrode area of the sensor electrode arrangement or device is essentially not involved in any chemical conversion, as would be the case with a typical electrochemical half-cell, for example.

Der Elektrodenbereich besitzt vorteilhafterweise mindestens eine Elektrode. Diese kann zum einen jeweils selbst als mechanisch stabiler Materialbereich ausgebildet sein, insbesondere als Platte, als Draht und/oder dergleichen.The electrode region advantageously has at least one electrode. This can itself be designed as a mechanically stable material region, in particular as a plate, as a wire and/or the like.

Andererseits kann der Elektrodenbereich einen Träger aufweisen, der insbesondere festkörperartig ausgebildet ist. Dann ist es möglich, dass die Elektrode jeweils als Materialbereich oder -schicht auf einem Oberflächenbereich oder der Oberfläche dieses Trägers ausgebildet ist, insbesondere in im Wesentlichen zusammenhängender Art und Weise. Dabei ist es dann insbesondere vorgesehen, dass die Elektrode durch die Festkörperunterstützung durch den Träger mechanische Stabilität erlangt. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass gegebenenfalls hochwertige Materialien zum Beispiel als dünne Schicht auf dem Träger aufgebracht werden können, so dass sich in betriebswirtschaftlicher Hinsicht die Möglichkeit einer Einwegsensor-elektrodeneinrichtung bietet, die zu erschwinglichen Preisen herstellbar und auf dem Markt verwertbar ist. Gegebenenfalls kann der Träger, insbesondere der Elektrodenbereich, wiederverwendet werden, wobei insbsondere ein erneuerter Isolationsbeereich, z.B. eine neue Thiolschicht, notwendig werden kann.On the other hand, the electrode region can have a carrier which is in particular designed as a solid body. It is then possible for the electrode to be designed as a material region or layer on a surface region or the surface of this carrier, in particular in an essentially continuous manner. In this case, it is then particularly provided that the electrode achieves mechanical stability through the solid support provided by the carrier. This procedure has the advantage that high-quality materials can be applied to the carrier as a thin layer, for example, so that from a business point of view there is the possibility of a disposable sensor electrode device which can be manufactured at affordable prices and used on the market. If necessary, the carrier, in particular the electrode region, can be reused, whereby in particular a renewed insulation region, e.g. a new thiol layer, may be necessary.

Vorzugsweise weist die Elektrode mindestens ein metallisches Material auf oder ist- aus einem solchen Material gebildet. Dabei wird vorteilhafterweise insbesondere ein chemisch inertes Edelmetall verwendet, vorzugsweise Gold oder dergleichen. Denkbar sind insbesondere auch Platin oder Silber.Preferably, the electrode comprises at least one metallic material or is formed from such a material. In this case, a chemically inert noble metal is advantageously used, preferably gold or the like. Platinum or silver are also conceivable.

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 Iongate Biosciences GmbHOfficial reference number: 201 04 431.5 Iongate Biosciences GmbH

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Andererseits kann es auch vorteilhaft sein, dass die Elektrode nicht oder nicht rein metallisch ausgebildet ist und zum Beispiel mindestens ein im Wesentlichen leitfähiges Metalloxid oder dergleichen aufweist. Es bietet sich zum Beispiel Indiumzinnoxid und/oder dergleichen an, weil dieses insbesondere gegenüber Strahlung zumindest im sichtbaren Bereich und im UV-Bereich vergleichsweise unempfindlich ist, zumindest im Vergleich zu reinen Metallelektroden.On the other hand, it can also be advantageous for the electrode not to be metallic or not to be purely metallic and, for example, to have at least one essentially conductive metal oxide or the like. Indium tin oxide and/or the like is suitable, for example, because it is comparatively insensitive to radiation, at least in the visible range and in the UV range, at least in comparison to pure metal electrodes.

Der Träger zur Aufnahme der Elektrode weist vorteilhafterweise ein im Wesentlichen elektrisch isolierendes Material auf oder ist aus einem solchen gebildet. Des Weiteren oder alternativ ist es von Vorteil, dass das Material des Trägers im Wesentlichen chemisch inert ist. Vorteilhafterweise bietet sich als Material ein Glas oder dergleichen an. Dabei kann die Form die einer Platte oder dergleichen sein. Die chemische Inertheit verhindert eine Veränderung sowohl des Trägers als auch eine Verunreinigung des Messmediums während des Messprozesses. Durch die Wahl eines elektrisch isolierenden Trägers wird gewährleistet, dass sämtliche Messsignale im Wesentlichen aus dem Bereich der Elektrode stammen.The carrier for holding the electrode advantageously has a substantially electrically insulating material or is made of such a material. Furthermore or alternatively, it is advantageous that the material of the carrier is substantially chemically inert. Glass or the like is advantageously suitable as the material. The shape can be that of a plate or the like. The chemical inertness prevents a change in both the carrier and contamination of the measuring medium during the measuring process. By choosing an electrically insulating carrier, it is ensured that all measurement signals originate substantially from the area of the electrode.

Eine besonders einfache Anordnung der Sensorelektrodeneinrichtung ergibt sich, wenn die Elektrode im Wesentlichen als auf der Oberfläche des Trägers abgeschiedene Materialschicht ausgebildet ist. Es kann sich dabei um eine aufgedampfte oder gesputterte Materialschicht handeln. Die Materialschicht zur Ausbildung der Elektrode hat vorzugsweise eine Schichtstärke von etwa 10 bis 200 nm.A particularly simple arrangement of the sensor electrode device results when the electrode is essentially formed as a material layer deposited on the surface of the carrier. This can be a vapor-deposited or sputtered material layer. The material layer for forming the electrode preferably has a layer thickness of approximately 10 to 200 nm.

Zwischen der Materialschicht für die Elektrode und der Oberfläche des Trägers kann gegebenenfalls eine Haftschicht von Vorteil sein. Insbesondere beim Aufbringen einer Goldelektrode auf Glas ist eine zwischenliegende Haftschicht aus Chrom oder dergleichen von Vorteil. Die Haftschicht hat vor-An adhesive layer between the material layer for the electrode and the surface of the carrier can be advantageous. In particular when applying a gold electrode to glass, an intermediate adhesive layer made of chromium or the like is advantageous. The adhesive layer preferably has

»&bgr; S-i » βSi

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teilhafterweise eine vergleichsweise geringe Schichtdicke, vorzugsweise von etwa 5 nm.advantageously a comparatively small layer thickness, preferably of about 5 nm.

Zur Ausbildung der kapazitiven Elektrode und der dazu notwendigen Isolation des Elektrodenbereichs von Messmedium und/oder von den Primärträgern ist vorzugsweise mindestens ein Isolationsbereich ausgebildet, durch welchen zumindest im Betrieb der Elektrodenbereich, insbesondere die Elektrode, im Wesentlichen elektrisch isolierbar ist, insbesondere in Bereichen davon, welche im Betrieb zum mechanischen Konatkt mit dem Messmedium und/ oder mit den Primärträgern vorgesehen sind.To form the capacitive electrode and the necessary insulation of the electrode region from the measuring medium and/or from the primary carriers, preferably at least one insulation region is formed, by means of which the electrode region, in particular the electrode, can be substantially electrically insulated at least during operation, in particular in regions thereof which are intended for mechanical contact with the measuring medium and/or with the primary carriers during operation.

Es kann von Vorteil sein, den Isolationsbereich zumindest teilweise schichtartig, insbesondere mehrschichtig, auszubilden. Dadurch werden die Isolationswirkung verstärkt und die Herstellung vereinfacht. Um im Betrieb eine möglichst hohe Rate angelagerter und/oder angeordneter Primärträger im Bereich der Sensorelektrodeneinrichtung zu erhalten ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung vorgesehen, dass zumindest der Oberflächenbereich des Isolationsbereichs derart abgestimmt ausgebildet ist, dass zumindest im Betrieb eine Anlagerung und/oder Anordnung von Primärträgern am Oberflächenbereich des Isolationsbereichs begünstigt wird, insbesondere in mit der Oberfläche der Primärträger kompatibler Art und Weise. Das bedeutet, dass je nach Oberflächenbeschaffenheit der Primärträger der Oberflächenbereich des Isolationsbereichs der Sensorelektrodeneinrichtung entsprechend angepasst ausgebildet ist, so dass sich die Primärträger begünstigt am Oberflächenbereich des Isolationsbereichs anlagern und dort auch verbleiben.It can be advantageous to form the insulation region at least partially in layers, in particular in multiple layers. This increases the insulation effect and simplifies production. In order to achieve the highest possible rate of deposited and/or arranged primary carriers in the region of the sensor electrode device during operation, according to a preferred embodiment of the sensor electrode device according to the invention, at least the surface region of the insulation region is designed in such a way that, at least during operation, an accumulation and/or arrangement of primary carriers on the surface region of the insulation region is promoted, in particular in a manner compatible with the surface of the primary carrier. This means that, depending on the surface properties of the primary carriers, the surface region of the insulation region of the sensor electrode device is designed to be adapted accordingly, so that the primary carriers are favorably deposited on the surface region of the insulation region and also remain there.

Im Hinblick auf eine besonders ausgeprägte kapazitive Kopp lung der Sensorelektrodeneinrichtung im Messbetrieb ist es vorgesehen, dass der Isolationsbereich zumindest teilweise als Monoschicht, Monolage oder dergleichen und/oder als AbWith regard to a particularly pronounced capacitive coupling of the sensor electrode device during measurement operation, it is intended that the insulation region is at least partially designed as a monolayer, monolayer or the like and/or as a

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folge davon ausgebildet ist. In diesem Fall ist die auf die Fläche bezogene spezifische elektrische Kapazität der Elektrodengrenzschicht besonders hoch. Besonders einfach gestaltet sich die Anordnung und Ausbildung der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung, wenn die Schicht oder die Schichten des Isolationsbereichs inbesondere als sich spontan selbstorganisierende Schichten, insbesondere Monoschichten, als Self-Assembling-Schichten, insbesondere Monoschichten oder dergleichen, ausgebildet sind oder werden. Dabei werden in vorteilhafter Art und Weise die Neigung und das Bestreben bestimmter, im Wesentlichen flüssiger oder flüssig gelöster Ausgangsstoffe ausgenutzt, auf einer Oberfläche unter Einfluss der Wechselwirkung mit der Struktur der Oberfläche spontan und selbstorganisierend eine geordnete und/oder schichtartige Struktur auszubilden, die unter bestimmten Umständen und bei bestimmten Stoffklassen zur Ausbildung besonders dünner und gegebenenfalls einlagiger Schichten oder Monoschichten, insbesondere von Molekülen, führt.as a result thereof. In this case, the specific electrical capacity of the electrode boundary layer relative to the area is particularly high. The arrangement and design of the sensor electrode device according to the invention is particularly simple if the layer or layers of the insulation region are or will be designed in particular as spontaneously self-organizing layers, in particular monolayers, as self-assembling layers, in particular monolayers or the like. In this case, the tendency and the desire of certain, essentially liquid or liquid-dissolved starting materials to spontaneously and self-organize an ordered and/or layer-like structure on a surface under the influence of the interaction with the structure of the surface are advantageously exploited, which under certain circumstances and with certain classes of material leads to the formation of particularly thin and possibly single-layer layers or monolayers, in particular of molecules.

Dabei ist es von Vorteil, wenn als Unterschicht oder als unterster und der Elektrode im Wesentlichen zugewandter Bereich des Isolationsbereichs eine Schicht aus einer organischen Thioverbindung vorgesehen ist. Im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften bietet sich dabei vorzugsweise die Verwendung eines langkettigen Alkanthiols und/oder an. Besonders bevorzugt ist dabei die Zugrundelegung eines C18-Alkans, also Oktadekanthiol.It is advantageous if a layer of an organic thio compound is provided as the lower layer or as the lowest region of the insulation region that essentially faces the electrode. With regard to the electrical properties, the use of a long-chain alkanethiol and/or is preferred. The use of a C18 alkane, i.e. octadecanethiol, is particularly preferred.

Bei dieser Vorgehensweise wird ausgenutzt, dass auf bestimmten Edelmetalloberflächen, zum Beispiel Gold, Silber und Platin, aus einer organischen Lösung, welche entsprechende Thioverbindung in Lösung enthält, aufgrund einer spezifischen Wechselwirkung der Thiogruppe mit den Oberflächenatomen der Edelmetallelektrode eine kovalent gebundene Monoschicht auf der Elektrodenoberfläche entstehen kann, die bei entsprechender Geometrie der Thioverbindung eine hexagonalThis procedure takes advantage of the fact that on certain precious metal surfaces, for example gold, silver and platinum, a covalently bound monolayer can be formed on the electrode surface from an organic solution containing the corresponding thio compound in solution due to a specific interaction of the thio group with the surface atoms of the precious metal electrode, which, with the appropriate geometry of the thio compound, forms a hexagonal

Amtsciktenzeichen: 201 04 431.5 ⁹ Official registration number: 201 04 431.5 ⁹

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dichte Packung auszubilden vermag, wodurch eine besonders geringe Restleitfähigkeit der Edelmetalloberfläche in Bezug auf das vorzusehende Messmedium realisierbar ist.dense packing, whereby a particularly low residual conductivity of the precious metal surface in relation to the intended measuring medium can be achieved.

Andererseits ist es vorgesehen, dass als Oberschicht oder als oberster und von der Elektrode im Wesentlichen abgewandter Bereich oder Oberflächenbereich des Isolationsbereichs eine Schicht einer amphiphilen organischen Verbindung vorgesehen ist, insbesondere eines Lipids und/oder dergleichen.On the other hand, it is provided that a layer of an amphiphilic organic compound, in particular a lipid and/or the like, is provided as the upper layer or as the uppermost region or surface region of the insulation region which is essentially facing away from the electrode.

Durch dieses Vorgehen wird ebenfalls eine Anordnung und Strukturierung der Oberfläche des Isolationsbereichs erzwungen. Die amphiphilen Verbindungen besitzen zumindest einen Bereich, der im Wesentlichen polar ausgebildet ist, so dass sich im Messmedium, welches insbesondere wässrige Natur besitzt, eine gewisse partielle Lösbarkeit ergibt. Andererseits besitzen amphiphile organische Verbindungen einen unpolaren oder hydrophoben Bereich, dessen Anordnung in einem wässrigen Messmedium energetisch weniger bevorzugt ist.This procedure also forces an arrangement and structuring of the surface of the isolation area. The amphiphilic compounds have at least one area that is essentially polar, so that a certain partial solubility results in the measuring medium, which is particularly aqueous in nature. On the other hand, amphiphilic organic compounds have a non-polar or hydrophobic area, the arrangement of which is energetically less preferred in an aqueous measuring medium.

Durch diese Phänomene bildet sich bevorzugt eine Schichtstruktur aus, bei welcher die polaren oder wasserlöslichen Bereiche der amphiphilen Verbindung dem wässrigen Messmedium zugeordnet sind, wogegen sich die unpolaren oder hydrophoben Bereiche der amphiphilen organischen Verbindung vom wässrigen Messmedium abgewandt anordnen. Es kann sich somit eine Monoschicht ausbilden, die insbesondere den Oberflächenbereich des Elektrodenbereichs bildet. Dies geschieht bevorzugt in Kombination mit einer Alkanthiolmonoschicht als Unterschicht, so dass sich als Isolationsbereich im Wesentlichen zumindest teilweise eine Doppelschicht zweier Monoschichten oder Monolagen ergibt.These phenomena preferably result in the formation of a layer structure in which the polar or water-soluble regions of the amphiphilic compound are assigned to the aqueous measuring medium, whereas the non-polar or hydrophobic regions of the amphiphilic organic compound are arranged facing away from the aqueous measuring medium. A monolayer can thus form, which in particular forms the surface region of the electrode region. This preferably takes place in combination with an alkanethiol monolayer as a base layer, so that the insulation region essentially at least partially results in a double layer of two monolayers or monolayers.

Die so ausgebildete Abfolge zweier Monoschichten hat gewisse strukturelle Ähnlichkeiten mit bestimmten Membranstrukturen, die aus biologischen Systemen bekannt sind, so dass man der so ausgebildeten Abfolge zweier Monoschichten - nämlich der der Elektrode zugewandten Alkanthiolmonoschicht und der dar-The sequence of two monolayers formed in this way has certain structural similarities with certain membrane structures known from biological systems, so that the sequence of two monolayers formed in this way - namely the alkanethiol monolayer facing the electrode and the

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über angeordneten Lipidmonoschicht - eine gewisse Membranstruktur zuordnen kann. Aufgrund des zugrundeliegenden Festkörperträgers bezeichnat man diese Membranstruktur auch als festkörperunterstützte Membran SSM (SSM: solid supported membrane). Diese Membranstruktur SSM hat im Hinblick auf die Anordnung und Eigenschaft der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung als kapazitiv gekoppelte Elektrode besonders günstige Eigenschaften.a certain membrane structure can be assigned to the lipid monolayer arranged above it. Due to the underlying solid carrier, this membrane structure is also referred to as a solid supported membrane (SSM). This membrane structure (SSM) has particularly favorable properties with regard to the arrangement and properties of the sensor electrode device according to the invention as a capacitively coupled electrode.

Insbesondere weist derjenige Bereich, welcher durch den die Elektrode isolierenden und/oder abdeckenden Bereich des Isolationsbereichs definiert wird, die eben beschriebene Membranstruktur in vorteilhafter Weise auf. Dabei ist es von Vorteil, dass diese Membranstruktur zumindest teilweise eine spezifische elektrische Leitfähigkeit von etwa G_m ~ 1 100 nS/cm² besitzt. Des Weiteren ergibt sich in vorteilhafter Weise eine spezifische elektrische Kapazität von etwa C_m ~ 10 - 1000 nF/cm². Schließlich ist alternativ oder ergänzend eine Fläche für die Membranstruktur von etwa A « 0,1 - 50 mm² vorgesehen. In particular, the region defined by the region of the insulation region that insulates and/or covers the electrode advantageously has the membrane structure just described. It is advantageous that this membrane structure at least partially has a specific electrical conductivity of approximately G _m ~ 1 100 nS/cm ² . Furthermore, a specific electrical capacitance of approximately C _m ~ 10 - 1000 nF/cm ² is advantageously obtained. Finally, alternatively or additionally, an area of approximately A « 0.1 - 50 mm ² is provided for the membrane structure.

Die hohe spezifische Kapazität C_m ist von besonderem Vorteil im Hinblick auf eine durchzuführende amperometrische Wirkstofftestung, bei welcher initiierte elektrische Aktionen der im Wesentlichen biologischen Einheiten als elektrische Ströme, nämlich als Verschiebungsströme oder kapazitive Ströme gemessen werden.The high specific capacitance C _m is of particular advantage with regard to amperometric drug testing, in which initiated electrical actions of the essentially biological units are measured as electrical currents, namely as displacement currents or capacitive currents.

Im Hinblick auf das Signalrauschverhältnis ist ein entsprechender Abdichtwiderstand im Bereich von wenigen Nanosiemens von besonderem Vorteil.With regard to the signal-to-noise ratio, a corresponding sealing resistance in the range of a few nanosiemens is particularly advantageous.

Dieser kann gemäß einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung auch durch Aufbringen einer Teflonschicht, zum Beispiel direkt auf die Metallelektrode, erreicht werden. Ein derartiges Vorgehen ist zum Beispiel für potentiometrische Wirkstofftestungen vollsten-According to another embodiment of the sensor electrode device according to the invention, this can also be achieved by applying a Teflon layer, for example directly onto the metal electrode. Such a procedure is, for example, completely suitable for potentiometric drug testing.

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dig ausreichend, da es hier nicht auf eine hohe elektrische Kapazität ankommt, sondern wegen der Spannungsmessung auf den hohen Abdichtwiderstand.dig sufficient, since it is not a question of a high electrical capacity, but of the high sealing resistance due to the voltage measurement.

Besonders einfache geometrische Verhältnisse ergeben sich, insbesondere im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse, wenn der Träger, die Elektrode und/oder der Isolationsbereich und/oder deren Ober- oder Grenzflächenbereiche zumindest teilweise im Wesentlichen planar ausgebildet sind, insbesondere auch auf mikroskopischer Ebene oder Skala. Die Planarität gewährleistet, dass bestimmte Feldstärkeeffekte an Kanten oder Spitzen, die zum Durchbruch des Abdichtwiderstands führen könnten, ausbleiben. Des Weiteren ergibt sich im Hinblick auf den Austausch des vorzusehenden Messmediums im Betrieb der Vorteil einer homogenen Grenzflächenverteilung. Etwaige Protuberanzen oder Kavitäten würden an der Grenzfläche zwischen dem Isolationsbereich und dem Messmedium zu Konzentrationsinhomogenitäten führen, die sich unter Umständen nachteilig auf erreichte Nachweis- oder Messergebnisse auswirken könnten. Die Planarität, insbesondere der metallischen Grenzflächen, kann durch entsprechende Herstellungsverfahren, zum Beispiel durch epitaktisches Aufwachsen, Annealen oder dergleichen gewährleistet werden.Particularly simple geometric relationships arise, particularly with regard to the reproducibility of the measurement results, if the carrier, the electrode and/or the insulation area and/or their surface or interface areas are at least partially essentially planar, in particular also on a microscopic level or scale. The planarity ensures that certain field strength effects at edges or tips that could lead to the sealing resistance breaking down are avoided. Furthermore, with regard to the exchange of the measuring medium to be provided during operation, there is the advantage of a homogeneous interface distribution. Any protuberances or cavities would lead to concentration inhomogeneities at the interface between the insulation area and the measuring medium, which could potentially have a detrimental effect on the detection or measurement results achieved. The planarity, in particular of the metallic interfaces, can be ensured by appropriate manufacturing processes, for example by epitaxial growth, annealing or the like.

Zur externen Kontaktierung der Sensorelektrodeneinrichtung, zum Beispiel mit einem äußeren Messkreis oder dergleichen, ist ein Kontaktbereich vorgesehen, wobei insbesondere eine entsprechende Isolation zur Vermeidung sonstiger Kurzschlüsse, insbesondere in Bezug auf das Messmedium, ausgebildet ist!For external contacting of the sensor electrode device, for example with an external measuring circuit or the like, a contact area is provided, wherein in particular a corresponding insulation is formed to avoid other short circuits, in particular with respect to the measuring medium!

Besonders vorteilhaft im Hinblick auf einen hohen Durchsatz bei entsprechend durchzuführenden Wirkort- und/oder Wirkstofftests ist es, wenn die erfindungsgemäße Sensorelektrodeneinrichtung so ausgebildet ist, dass sie, zumindest im Betrieb, gegenüber Flüssigkeitsströmungen mit hohen Strömungsgeschwindigkeiten, vorzugsweise im Bereich von etwa &ngr; =It is particularly advantageous with regard to a high throughput in the case of appropriately conducted site of action and/or active substance tests if the sensor electrode device according to the invention is designed such that it is resistant, at least during operation, to liquid flows with high flow velocities, preferably in the range of approximately v =

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0,1 - 2 m/s im Wesentlichen konstante mechanische, elektrische und/oder strukturelle Eigenschaften, insbesondere im Bereich der Membranstruktur und/oder insbesondere im Hinblick auf die Anlagerung und/oder Anordnung von Primärträgern, aufweist. Diese geforderte und vorteilhafte Konstanz der mechanischen, elektrischen und/oder strukturellen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung und insbesondere der darin vorgesehenen Membranstruktur ergibt sich bereits inhärent aus den zuvor genannten Maßnahmen zur Ausbildung der Elektrode und der die Elektrode abdeckenden Isolationsschichten, insbesondere in Form von SeIf-Assembling-Monoschichten aus einem Alkanthiol auf Gold mit einer entsprechenden Monoschicht aus Lipid in einem wässrigen Medium.0.1 - 2 m/s has essentially constant mechanical, electrical and/or structural properties, in particular in the region of the membrane structure and/or in particular with regard to the deposition and/or arrangement of primary carriers. This required and advantageous constancy of the mechanical, electrical and/or structural properties of the sensor electrode device according to the invention and in particular of the membrane structure provided therein already results inherently from the aforementioned measures for forming the electrode and the insulation layers covering the electrode, in particular in the form of self-assembling monolayers of an alkanethiol on gold with a corresponding monolayer of lipid in an aqueous medium.

Die erfindungsgemäße Sensorelektrodeneinrichtung kann z.B. in einem Verfahren zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, insbesondere pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung bzw. in einer Sensoranordnung oder einer Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens verwendet werden.The sensor electrode device according to the invention can be used, for example, in a method for amperometric and/or potentiometric, in particular pharmacological, site of action and/or active ingredient testing or in a sensor arrangement or a device for carrying out such a method.

Eine gattungsgemäße Sensoranordnung, insbesondere Biosensoranordnung oder dergleichen, für die amperometrische und/oder potentiometrische, insbesondere pharmakologische Wirkort und/oder Wirkstofftestung oder dergleichen weist mindestens einen Sekundärträger auf. Des Weiteren ist eine Mehrzahl oder Vielzahl von Primärträgern vorgesehen, welche zumindest im Betrieb im Wesentlichen in unmittelbarer räumlicher Nachbarschaft des Sekundärträgers anordenbar oder anlagerbar und/oder angeordnet oder angelagert sind. Durch die Primärträger werden zumindest im Betrieb im Wesentlichen biologische Einheiten, insbesondere Membranproteine oder dergleichen, aufgenommen und/oder immobilisiert, die ihrerseits zu einer elektrischen Aktion aktivierbar sind. Eine derartige Sensoranordnung weist erfindungsgemäß als Sekundärträger die oben beschriebene erfindungsgemäße Sensorelektrodeneinrich-A generic sensor arrangement, in particular a biosensor arrangement or the like, for amperometric and/or potentiometric, in particular pharmacological site of action and/or active ingredient testing or the like has at least one secondary carrier. Furthermore, a plurality or multiplicity of primary carriers are provided, which at least during operation can be arranged or attached and/or are arranged or attached essentially in the immediate spatial vicinity of the secondary carrier. At least during operation, the primary carriers essentially accommodate and/or immobilize biological units, in particular membrane proteins or the like, which in turn can be activated to perform an electrical action. According to the invention, such a sensor arrangement has the above-described sensor electrode device according to the invention as a secondary carrier.

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tung auf. Dadurch werden erfindungsgemäß die oben beschriebenen Vorteile gegenüber herkömmlichen Sensoranordnungen erreicht, insbesondere eine hohe mechanische Stabilität, eine hohe Empfindlichkeit sowie die Möglichkeit eines schnellen Wechsels des Messmediums unter ansonsten im Wesentlichen gleichbleibenden Bedingungen.As a result, the advantages described above over conventional sensor arrangements are achieved according to the invention, in particular high mechanical stability, high sensitivity and the possibility of quickly changing the measuring medium under otherwise essentially constant conditions.

Der Kerngedanke bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist es also, die entsprechend ausgebildete erfindungsgemäße Sensorelektrodeneinrichtung mit einer entsprechenden Mehrzahl oder Vielzahl von Primärträgern mit entsprechenden im Wesentlichen biologischen Einheiten zu versehen.The core idea of the sensor arrangement according to the invention is therefore to provide the correspondingly designed sensor electrode device according to the invention with a corresponding plurality or multiplicity of primary carriers with corresponding essentially biological units.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist es vorgesehen, dass als Primärträger jeweils eine eukariontische Zelle, eine prokariontische Zelle, Organellen davon, eine bakterielle Einheit, eine virale Einheit und/oder dergleichen und/oder Bestandteile, Fragmente, insbesondere Membranfragmente oder dergleichen, und/oder Verbände davon in im Wesentlichen nativer und/oder in abgewandelter, insbesondere gereinigter, mikrobiologisch und/oder molekularbiologisch geänderter, Form vorgesehen sind.In a particularly advantageous embodiment of the sensor arrangement according to the invention, it is provided that a eukaryotic cell, a prokaryotic cell, organelles thereof, a bacterial unit, a viral unit and/or the like and/or components, fragments, in particular membrane fragments or the like, and/or associations thereof in essentially native and/or modified, in particular purified, microbiologically and/or molecularly biologically modified, form are provided as primary carriers.

Es ist somit grundsätzlich denkbar, dass isolierte und ganze Zellen als Primärträger entsprechender biologischer Einheiten, welche zu einer elektrischen Aktion aktivierbar sind, verwendet werden, seien diese pflanzlicher oder tierischer Herkunft. So ist zum Beispiel eine Untersuchung ganzer Herzzellen möglich und denkbar. Andererseits kann auch an die Untersuchung pflanzlicher Zellen, zum Beispiel von Algenzellen oder anderer Einzeller gedacht werden. Darüber hinaus können auch bestimmte Bakterien oder Viren als Ganzes untersucht werden. Ferner ist denkbar, durch bestimmte mikrobiologische oder biochemische Maßnahmen Bestandteile oder Fragmente von Zellen, Bakterien oder Viren, als Primärträger zu verwenden. Weiterhin ist auch denkbar, Verbände von Zellen,It is therefore fundamentally conceivable that isolated and whole cells can be used as primary carriers of corresponding biological units that can be activated to perform an electrical action, whether these are of plant or animal origin. For example, an examination of whole heart cells is possible and conceivable. On the other hand, the examination of plant cells, for example algae cells or other single-celled organisms, can also be considered. In addition, certain bacteria or viruses can also be examined as a whole. It is also conceivable to use components or fragments of cells, bacteria or viruses as primary carriers using certain microbiological or biochemical measures. It is also conceivable to use associations of cells,

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Bakterien oder dergleichen als Primärträger zu verwenden und diese an die entsprechende Sensorelektrodeneinrichtung zur Ausbildung einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung anzukoppeln.
5Bacteria or the like as primary carriers and to couple them to the corresponding sensor electrode device to form a sensor arrangement according to the invention.
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Des Weiteren besteht die Möglichkeit, sämtliche dieser vorgeschlagenen Primärträger in ihrer nativen Form oder in einer abgewandelten Form zu verwenden. Dabei können zum Beispiel eukariontische Zellen, prokariontische Zellen oder Bakterien verwendet werden, die durch entsprechende Reinigungs-, mikrobiologische und/oder molekularbiologische Verfahren abgeändert wurden, zum Beispiel um bestimmte Proteine mit bestimmten gewünschten Eigenschaften bevorzugt auszubilden. Furthermore, it is possible to use all of these proposed primary carriers in their native form or in a modified form. For example, eukaryotic cells, prokaryotic cells or bacteria can be used that have been modified by appropriate purification, microbiological and/or molecular biological processes, for example in order to preferentially produce certain proteins with certain desired properties.

Neben den in natürlicher Form bereits bereitstehenden Primärträgern in Form von Zellen, Bakterien und dergleichen ist es auch denkbar, künstliche Primärträger zu erzeugen, zum Beispiel in Form von Vesikeln, Liposomen, mizellären Struktüren und/oder dergleichen. Diese werden dann gegebenenfalls mit entsprechenden biologischen Einheiten, welche zu einer elektrischen Aktion aktivierbar sind, versehen und/oder angereichert. Entsprechende Verfahren zur Rekonstitution von Membranproteinen oder dergleichen in Vesikeln oder Liposomen sind bekannt und können hier in vorteilhafter Art und Weise ausgenutzt werden, um besonders vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung zu schaffen.In addition to the primary carriers already available in natural form in the form of cells, bacteria and the like, it is also conceivable to produce artificial primary carriers, for example in the form of vesicles, liposomes, micellar structures and/or the like. These are then optionally provided with and/or enriched with corresponding biological units which can be activated for an electrical action. Corresponding methods for the reconstitution of membrane proteins or the like in vesicles or liposomes are known and can be used here in an advantageous manner in order to create particularly advantageous embodiments of the sensor arrangement according to the invention.

Als im Wesentlichen biologische Einheiten kommen sämtliche Einheiten in Frage, die zu einer zumindest teilweise elektrisch ausgebildeten Aktion veranlassbar sind. Insbesondere sind derartige biologische Einheiten denkbar, die zumindest zu einem teilweise elektrogenen und/oder elektrophoretischen Ladungsträgertransport und/oder zu einer zumindest teilweise elektrogenen oder elektrophoretischen Ladungsträgerbewegung aktivierbar sind und welche biologische, chemische und biochemische Einheiten darstellen. Dabei handelt es sich insbe-Essentially biological units are all units that can be triggered to at least partially electrically act. In particular, such biological units are conceivable that can be activated to at least partially electrogenic and/or electrophoretic charge carrier transport and/or to at least partially electrogenic or electrophoretic charge carrier movement and that represent biological, chemical and biochemical units. These are in particular

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sondere um Transporteinheiten, die auf ihre Aktivierung hin Ladungsträger bewegen. Denkbar sind auch Bestandteile, Fragmente und/oder Verbände derartiger Einheiten, insbesondere Transporteinheiten.
5in particular transport units that move load carriers when activated. Components, fragments and/or combinations of such units, in particular transport units, are also conceivable.
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Es bieten sich insbesondere als biologische Einheiten Membranproteine an, insbesondere Ionenpumpen, Ionenkanäle, Transporter, Rezeptoren und/oder dergleichen. In Bezug auf viele dieser biologischen Einheiten bestehen Erkenntnisse und/oder Vermutungen dahingehend, dass bestimmte Prozesse mit zumindest einem elektrogenen Teilschritt verbunden sind. Diese elektrogenen Teilschritte können mit einem tatsächlichen Stofftransport verbunden sein, wie zum Beispiel bei einem Kanal, einer Ionenpumpe, oder bestimmten Transportern.Membrane proteins, in particular ion pumps, ion channels, transporters, receptors and/or the like, are particularly suitable as biological units. With regard to many of these biological units, there is knowledge and/or assumptions that certain processes are associated with at least one electrogenic sub-step. These electrogenic sub-steps can be associated with an actual transport of substances, such as in the case of a channel, an ion pump or certain transporters.

Es sind aber auch biologische Einheiten, insbesondere Membranproteine, bekannt, deren elektrische Aktivität nicht mit einem. Nettostofftransport zusammenhängt, sondern lediglich mit einer, gegebenenfalls reversiblen, Ladungsverschiebung im Rahmen einer Konformationsände.rung oder Bindung oder dergleichen. Auch solche elektrischen Aktivitäten sind grundsätzlich als kurzzeitige Verschiebungsströme und/oder Potenzialänderungen erfindungsgemäß messbar.However, biological units, in particular membrane proteins, are also known whose electrical activity is not related to a net transport of substances, but only to a charge shift, which may be reversible, as part of a conformational change or bonding or the like. Such electrical activities can also be measured in principle as short-term displacement currents and/or potential changes according to the invention.

Die biologischen Einheiten, insbesondere die Membranproteine, können jeweils in vorteilhafter Weise in im Wesentlichen nativer Form und/oder in abgewandelter, insbesondere gereinigter, mikrobiologisch und/oder molekularbiologisch geänderter Form vorgesehen sein. Zum einen können dadurch bestimmte native Eigenschaften zum Beispiel im Organismus vorhandener Proteine getestet und pharmakologisch untersucht werden. Andererseits bieten sich auch molekularbiologische oder gentechnisch initiierte Veränderungen an, die bestimmten Aspekte, zum Beispiel des Transports oder der pharmakologischen Wirkungsweise eines Wirkstoffes zu analysieren.The biological units, in particular the membrane proteins, can each advantageously be provided in essentially native form and/or in modified, in particular purified, microbiologically and/or molecularly modified form. On the one hand, this allows certain native properties, for example of proteins present in the organism, to be tested and pharmacologically investigated. On the other hand, molecular biological or genetically initiated changes are also suitable for analyzing certain aspects, for example the transport or the pharmacological mode of action of an active ingredient.

Besonders vorteilhaft ist es, dass Primärträger eines jeweils im Wesentlichen einheitlichen Typs von PrimärträgernIt is particularly advantageous that primary carriers of a substantially uniform type of primary carrier

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vorgesehen sind. Dies ist im Hinblick auf eine möglichst eindeutige Aussage und Analyse eines Wirkstofftests von Bedeutung und bezieht sich auf die geometrischen, physikalischen, chemischen, biologischen und molekularbiologischen Eigenschaften der Primärträger.This is important in order to obtain the clearest possible results and analysis of a drug test and refers to the geometric, physical, chemical, biological and molecular biological properties of the primary carriers.

Das Nämliche gilt auch für die in dem Primärträger vorgesehenen biologischen Einheiten, insbesondere für die Membranproteine oder dergleichen. Hier sind biologische Einheiten eines jeweils im Wesentlichen einheitlichen Typs vorgesehen, insbesondere im Hinblick auf ihre geometrischen, physikalischen, chemischen, biologischen und molekularbiologischen Eigenschaften. Zusätzlich sollen die biologischen Einheiten in vorteilhafter Weise im Hinblick auf ihre Orientierung und/oder im Hinblick auf ihre Aktivierbarkeit in Bezug auf den jeweiligen Primärträger in etwa einheitlich sein.The same also applies to the biological units provided in the primary carrier, in particular for the membrane proteins or the like. Biological units of a substantially uniform type are provided here, in particular with regard to their geometric, physical, chemical, biological and molecular biological properties. In addition, the biological units should advantageously be approximately uniform with regard to their orientation and/or with regard to their activatability in relation to the respective primary carrier.

Zur Erzielung einer möglichst hohen Signalqualität ist es' von Vorteil, dass die Oberflächen der Primärträger und/oder der Sekundärträger so ausgebildet sind, dass eine Anlagerung und/oder Anordnung der Primärträger am Sekundärträger begünstigt wird. Dadurch erhält man zum einen eine besonders hohe Anzahl angelagerter Primärträger und/oder einen besonders innigen Kontakt der Primärträger am Sekundärträger, wodurch die elektrische Kopplung und somit das Signal-zu-Rauschverhältnis gesteigert werden.In order to achieve the highest possible signal quality, it is advantageous that the surfaces of the primary carriers and/or the secondary carriers are designed in such a way that the attachment and/or arrangement of the primary carriers on the secondary carrier is promoted. This results in a particularly high number of attached primary carriers and/or particularly close contact between the primary carriers and the secondary carrier, which increases the electrical coupling and thus the signal-to-noise ratio.

Die Anlagerung kann z.B. über die sogenannte Lipid-Lipid-. Wechselwirkung zwischen Primärträger, z.B. Vesikel, und dem Sekundärträger, z.B. Lipid-Thiol-SSM, gesteuert sein. Andrereseits ist auch eine kovalente Bindung der Primärträger an der Oberfläche der Sekundärträger denkbar, z.B. in Form eines Biotin-Streptavidin-Schemas oder im Sinne einer His-Tag-Kopplung. The attachment can be controlled, for example, via the so-called lipid-lipid interaction between the primary carrier, e.g. vesicles, and the secondary carrier, e.g. lipid-thiol-SSM. On the other hand, a covalent bond of the primary carrier to the surface of the secondary carrier is also conceivable, e.g. in the form of a biotin-streptavidin scheme or in the sense of a His-tag coupling.

Dabei ist es von besonderem Vorteil, wenn die Oberflächen der Primärträger und der Sekundärträger im Wesentlichen ent-It is particularly advantageous if the surfaces of the primary and secondary supports are essentially identical.

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gegengesetzt polar zueinander ausgebildet sind. Dies fördert die Anlagerungsrate der Primärträger am Sekundärträger sowie die Stärke des Kontakts zwischen diesen.are polar opposite to each other. This promotes the rate of attachment of the primary carriers to the secondary carrier as well as the strength of the contact between them.

Von besonderem Vorteil ist es, wenn als Primärträger im Wesentlichen gleichartige und/oder gleich wirkende Vesikel oder Liposomen, vorzugsweise aus einem Lipid, vorgesehen sind, in und/oder an deren Membran Einheiten im Wesentlichen eines Typs von Membranproteinen in vorzugsweise im Wesentlichen orientierter Form ein- und/oder angelagert sind.It is particularly advantageous if essentially similar and/or equally effective vesicles or liposomes, preferably made of a lipid, are provided as primary carriers, in and/or on whose membrane units of essentially one type of membrane proteins are incorporated and/or deposited in preferably essentially oriented form.

Die erfindungsgemäße Sensoranordnung in einem Verfahren zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, insbesondere pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung und/oder bei einer Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens verwendet werden.The sensor arrangement according to the invention can be used in a method for amperometric and/or potentiometric, in particular pharmacological, site of action and/or active ingredient testing and/or in a device for carrying out such a method.

Eine konventionelle Vorrichtung für die amperometrische und/ oder potentiometrische pharmakologische Wirkstofftestung oder dergleichen weist mindestens einen Messbereich auf, welcher zur Aufnahme eines im Wesentlichen fluiden Messmediums, insbesondere in im Wesentlichen wässriger Form, ausgebildet ist. Des Weiteren ist mindestens eine Messsonde vorgesehen, welche zur Aufnahme und/oder zur Ausbildung von Messsignalen ausgebildet ist. Des Weiteren ist eine Datenerfassungs-/Steuereinrichtung vorgesehen, welche zumindest zur Erfassung von Messsignalen der jeweiligen Messsonde ausgebildet ist. Essentiell ist auch bei konventionellen Vorrichtungen zur Wirkstofftestung das Vorsehen einer Austausch-/Mischeinrichtung, welche zum Verfügungstellen, Austausch, Mischen und/oder Einstellen des Messmediums ausgebildet ist.A conventional device for amperometric and/or potentiometric pharmacological active ingredient testing or the like has at least one measuring area which is designed to receive a substantially fluid measuring medium, in particular in a substantially aqueous form. Furthermore, at least one measuring probe is provided which is designed to receive and/or generate measuring signals. Furthermore, a data acquisition/control device is provided which is designed at least to acquire measuring signals from the respective measuring probe. It is also essential for conventional devices for active ingredient testing to provide an exchange/mixing device which is designed to provide, exchange, mix and/or adjust the measuring medium.

Eine derartige konventionelle Vorrichtung kann zum Beispiel in Form einer sogenannten Patchclamp-Apparatur aufgebaut sein, bei welcher ein Elektrolytbad den eigentlichen Messbereich darstellt. Als Messsonde ist dabei die sogenannte Patchelektrode oder Patchpipette vorgesehen, an welcher eine zuSuch a conventional device can be constructed, for example, in the form of a so-called patch clamp apparatus, in which an electrolyte bath represents the actual measuring area. The so-called patch electrode or patch pipette is provided as the measuring probe, to which a

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untersuchende biologische Einheit, zum Beispiel eine Zelle oder dergleichen, angesaugt und gehaltert wird. Die Datenerfassungs-/Steuereinrichtung wird von der gesamten Messelektronik, entsprechenden Mikromanipulatoren und von der Steuerelektronik zum Aufbau und Mischen des Elektrolytbades gebildet. Die Austausch-/Mischeinrichtung kann zum Beispiel aus entsprechenden Schlauchsystemen mit daran angeschlossenen Perfusoren oder dergleichen bestehen.The biological unit to be examined, for example a cell or the like, is sucked in and held. The data acquisition/control device is formed by the entire measuring electronics, corresponding micromanipulators and the control electronics for setting up and mixing the electrolyte bath. The exchange/mixing device can, for example, consist of corresponding hose systems with connected perfusors or the like.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung für die amperometrische und/ oder potentiometrische pharmakologische Wirkstofftestung oder dergleichen ist dadurch gekennzeichnet, dass als Messsonde jeweils eine der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Sensoranordnungen vorgesehen ist. Dadurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine besonders stabile und robuste Messanordnung, mit welcher für eine gegenüber der herkömmlichen Vorgehensweise erheblich verlängerte Zeitspanne eine Vielzahl von Testläufen unter den verschiedensten Versuchsbedingungen durchgeführt werden kann, und zwar ohne Einbußen in der Nachweisgenauigkeit, der Signalqualität oder sonstiger Eigenschaften der Messsonde. Des Weiteren kann aufgrund der Robustheit der Messsonde mit höherer Geschwindigkeit gearbeitet werden, dies betrifft sowohl die Handhabung des eigentlichen Sensors als auch die Austauschgeschwindigkeit oder Strömungsgeschwindigkeit des fluiden Messmediums im Messbereich. Herkömmliche Patchclamp- und/oder Voltageclamp-Anordnungen sind im Gegensatz dazu bekannterweise im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse und der Stabilität des Messsystems problematisch.The device according to the invention for amperometric and/or potentiometric pharmacological active ingredient testing or the like is characterized in that one of the above-described sensor arrangements according to the invention is provided as the measuring probe. This advantageously results in a particularly stable and robust measuring arrangement with which a large number of test runs can be carried out under a wide variety of test conditions for a period of time that is considerably longer than with the conventional procedure, and without any loss in the detection accuracy, signal quality or other properties of the measuring probe. Furthermore, due to the robustness of the measuring probe, it is possible to work at a higher speed, this applies both to the handling of the actual sensor and to the exchange speed or flow rate of the fluid measuring medium in the measuring area. In contrast, conventional patch clamp and/or voltage clamp arrangements are known to be problematic with regard to the reproducibility of the measurement results and the stability of the measuring system.

Vorteilhafterweise sind, insbesondere über die Austauscheinrichtung, über das messmedium die Messbedingungen, insbesondere die pharmakologischen Bedingungen, gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung für die pharmakologische Wirkstofftestung definiert einstellbar und/oder änderbar, insbesondere in kontinuierlicher Art und Weise, vorzugsweise nach Art eines kontinuierlichen Fließ-Advantageously, the measuring conditions, in particular the pharmacological conditions, can be defined and/or changed in a defined manner, in particular via the exchange device, via the measuring medium, according to a further embodiment of the device according to the invention for pharmacological active substance testing, in particular in a continuous manner, preferably in the manner of a continuous flow

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systems. Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei welchem eine derartig wohldefinierte Einstellbarkeit und/oder Änderbarkeit der Messbedingungen nur schwer oder unter erhöhtem Aufwand möglich ist, ist aufgrund der Stabilität der verwendeten erfindungsgemäßen Messsonde ein Austausch und/oder eine Änderung des Messmediums leicht möglich. Durch den Austausch können auch entsprechende Änderungen im Hinblick auf die Substratbedingungen oder sonstige Eigenschaften der Messumgebung auf einfache Art und Weise und in kürzerer Zeit erreicht werden.systems. In contrast to the prior art, in which such a well-defined adjustability and/or changeability of the measuring conditions is difficult or requires increased effort, the stability of the measuring probe used according to the invention means that an exchange and/or change of the measuring medium is easily possible. By exchanging the probe, corresponding changes with regard to the substrate conditions or other properties of the measuring environment can also be achieved in a simple manner and in a shorter time.

Insbesondere bietet es sich an, als Austausch-ZMischeinrichtung ein Pumpensystem, Perfusorsystem und/oder dergleichen zu verwenden, um eine Messanordnung zu schaffen, bei welcher die Messsonde im Rahmen eines Fließsystems ständig vom Messmedium umströmt wird. In einem derartigen Fließsystem können dann durch externes Zumischen entsprechende zu untersuchende Messbedingungen geschaffen werden.In particular, it is advisable to use a pump system, perfusor system and/or the like as an exchange mixing device in order to create a measuring arrangement in which the measuring probe is constantly flowed around by the measuring medium as part of a flow system. In such a flow system, the corresponding measuring conditions to be examined can then be created by external mixing.

Dabei ist es insbesondere von Vorteil, dass im Messbereich Fließgeschwindigkeiten oder Strömungsgeschwindigkeiten von etwa &ngr; S= 0,1 - 2 m/s erzeugbar sind, insbesondere gerade im Bereich oder Nahbereich der Messsonde und/oder insbesondere durch die vorgesehene Austausch-/Mischeinrichtung.It is particularly advantageous that flow velocities or flow rates of approximately ν S = 0.1 - 2 m/s can be generated in the measuring range, in particular in the area or close range of the measuring probe and/or in particular by the exchange/mixing device provided.

Der Vorteil der hohen Fließ- und/oder Strömungsgeschwindigkeiten ergibt sich zum einen aufgrund der mechanischen Stabilität der erfindungsgemäßen Sensoranordnung und der ihr zugrundeliegenden Sensorelektrodeneinrichtung.The advantage of the high flow and/or current velocities results on the one hand from the mechanical stability of the sensor arrangement according to the invention and the sensor electrode device on which it is based.

Darüber hinaus ist es aber besonders vorteilhaft, dass neben der Verwendung von ganzen Zellen, Bakterien oder dergleichen, welche vergleichsweise groß ausgebildet sind, in vorteilhafter Weise auch Vesikel und Liposomen sowie Membranfragmente als Primärträger für die biologischen Einheiten, insbesondere Membranproteine, eingesetzt werden können. Vesikel, Liposomen, Membranfragmente und dergleichen sind vergleichsweise klein ausgebildet und besitzen im Verhältnis zuIn addition, it is particularly advantageous that, in addition to the use of whole cells, bacteria or the like, which are comparatively large, vesicles and liposomes as well as membrane fragments can also be used as primary carriers for the biological units, in particular membrane proteins. Vesicles, liposomes, membrane fragments and the like are comparatively small and have a relatively small size compared to

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ihrer Größe oder ihrer Oberfläche eine vergleichsweise stärkere Neigung zur Anlagerung oder Adsorption an der Oberfläche der Messsonde. Darüber hinaus erfahren sie aufgrund ihrer geringeren Oberfläche im Bereich der Strömung des Messmediums im Vergleich zu ganzen Zellen oder dergleichen sehr viel geringere Scherkräfte, so dass sie auch bei höheren Fließ- und/oder Strömungsgeschwindigkeiten an der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung im Rahmen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung haften bleiben, so dass sich die Versuchsbedingungen oder Testbedingungen nicht ändern.their size or their surface area, they have a comparatively greater tendency to accumulate or adsorb on the surface of the measuring probe. In addition, due to their smaller surface area in the area of the flow of the measuring medium, they experience much lower shear forces compared to whole cells or the like, so that they adhere to the sensor electrode device according to the invention within the scope of the sensor arrangement according to the invention even at higher flow and/or flow velocities, so that the experimental conditions or test conditions do not change.

Vorteilhafterweise ist der Messbereich einfach als im Wesentlichen geschlossenes Gefäß oder als Gefäßeinrichtung ausgebildet. Dabei ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, entsprechende Zuführ- und/oder Abführeinrichtungen zur strömungsmäßigen Verbindung mit der Austausch-/Mischeinrichtung auszubilden. Der Messbereich kann zum Beispiel als eine Art Kompartment oder Küvette ausgebildet sein, an deren Bodenbereich die Messsonde in Form einer erfindungsgemäß ausgebildeten Sensoranordnung angeordnet ist.The measuring area is advantageously simply designed as a substantially closed vessel or as a vessel device. According to a further embodiment of the device according to the invention, it is provided to design corresponding feed and/or discharge devices for fluid connection with the exchange/mixing device. The measuring area can, for example, be designed as a type of compartment or cuvette, at the bottom of which the measuring probe is arranged in the form of a sensor arrangement designed according to the invention.

Es ist aber auch denkbar, dass eine Mehrzahl von Messsonden vorgesehen ist, insbesondere um einen Parallelbetrieb für mehrere unabhängige Testreihen simultan durchzuführen. Dabei ist es dann ferner vorteilhaft, dass die Datenerfassungs-/Steuereinrichtung ausgebildet ist, Messsignale der Mehrzahl von Messsonden voneinander unabhängig und/oder entkoppelt aufzunehmen und/oder zu erfassen. Dies gewährleistet, dass die unterschiedlichen Messsonden und deren Messsignale voneinander separiert ausgewertet und einer genaueren Betrachtung unterzogen werden können und.ermöglicht somit die Realisierung voneinander unabhängiger und simultan durchgeführter Experimente oder Testvorgänge, wobei insbesondere ein höherer Testdurchsatz mit geringeren Kosten pro Messung erzielbar ist. .However, it is also conceivable that a plurality of measuring probes are provided, in particular in order to carry out parallel operation for several independent test series simultaneously. It is then also advantageous that the data acquisition/control device is designed to record and/or capture measurement signals from the plurality of measuring probes independently and/or decoupled from one another. This ensures that the different measuring probes and their measurement signals can be evaluated separately from one another and subjected to closer examination and thus enables the implementation of experiments or test processes that are independent of one another and carried out simultaneously, whereby in particular a higher test throughput can be achieved with lower costs per measurement. .

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Darüber hinaus ist es dann von Vorteil, dass die Austausch-/Mischeinrichtung und/oder der Messbereich ausgebildet sind, für die Mehrzahl von Messsonden unabhängig und/oder entkoppelt voneinander entsprechende Messbedingungen auf definierte Art und Weise einzustellen und/oder zu ändern. Es kann sich bei dem Messbereich zum Beispiel um eine Anordnung voneinander strömungsmäßig getrennter Küvetten oder Kompartments handeln. Dabei kann auch eine gemeinsame Austausch-/Messeinrichtung vorgesehen sein, über welche für alle Messbereiche simultan dieselben Messbedingungen, zum Beispiel hinsichtlich des Messmediums oder dergleichen, geschaffen werden. Wichtig dabei ist aber die strömungsmäßige und vor allem elektrische Entkopplung der voneinander getrennt zu betrachtenden Messbereiche.In addition, it is then advantageous that the exchange/mixing device and/or the measuring area are designed to set and/or change the corresponding measuring conditions in a defined manner for the majority of measuring probes independently and/or decoupled from one another. The measuring area can, for example, be an arrangement of cuvettes or compartments that are separated from one another in terms of flow. A common exchange/measuring device can also be provided, via which the same measuring conditions are created simultaneously for all measuring areas, for example with regard to the measuring medium or the like. However, the important thing here is the flow-related and, above all, electrical decoupling of the measuring areas that are to be considered separately from one another.

Insbesondere ist es aber von Vorteil, eine Messanordnung für die erfindungsgemäße Vorrichtung zu schaffen, bei welcher die Testvorgänge an Messsensoren in mehr oder weniger miniaturisierter Form durchgeführt werden können. Zum Beispiel kann der Messbereich dazu in Form oder im Raster einer Mikroplatte oder Mikr'otiterplatte oder dergleichen ausgebildet sein, wobei eine Mehrzahl integrierter Messsonden, vorzugsweise in separaten und strömungsmäßig und/oder elektrisch voneinander entkoppelten, und/oder voneinander unabhängigen Vertiefungsbereichen davon ausgebildet ist. Vorzugsweise können die Vertiefungsbereiche und die darin vorgesehenen Messsonden in Form eines Rasters auf einer derartigen Mikroplatte angeordnet sein, um eine Anordnung von 4, 8, 12, 96 oder dergleichen parallelen Messkanälen zu realisieren. Dabei können dann entsprechend gängige 4-, 8- 12-, 96-kanalige Pipettierautomaten für die Probenzugabe zum Einsatz kommen.In particular, however, it is advantageous to create a measuring arrangement for the device according to the invention in which the test processes on measuring sensors can be carried out in a more or less miniaturized form. For example, the measuring area can be designed in the form or in the grid of a microplate or microtiter plate or the like, with a plurality of integrated measuring probes preferably being designed in separate and fluidically and/or electrically decoupled and/or independent well areas. The well areas and the measuring probes provided therein can preferably be arranged in the form of a grid on such a microplate in order to realize an arrangement of 4, 8, 12, 96 or similar parallel measuring channels. In this case, common 4-, 8-, 12-, 96-channel pipetting machines can be used for sample addition.

Wie oben bereits erläutert wurde, wird bei herkömmlichen Verfahren zur amperometrischen und/oder potentiometrischen pharmakologischen Wirkstofftestung oder dergleichen eine zu untersuchende im Wesentlichen biologische Einheit auf mindestens einer Messsonde vorgesehen. Die Messsonde ihrerseitsAs already explained above, in conventional methods for amperometric and/or potentiometric pharmacological drug testing or the like, an essentially biological entity to be examined is provided on at least one measuring probe. The measuring probe in turn

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wird jeweils in einem Messmedium angeordnet, wobei das Messmedium zum Beispiel ein im Wesentlichen wässriges Medium sein kann. Des Weiteren wird beim eigentlichen Testvorgang über die vorgesehene Messsonde die jeweils initiierte elektrische Aktion der im Wesentlichen biologischen Einheit gemessen, insbesondere als elektrische Spannung und/oder als elektrischer Strom.is arranged in a measuring medium, whereby the measuring medium can be, for example, an essentially aqueous medium. Furthermore, during the actual test process, the respective initiated electrical action of the essentially biological unit is measured via the measuring probe provided, in particular as an electrical voltage and/or as an electrical current.

Es bietet sich nun an, dass man bei dem an sich bekannten Verfahren gerade die oben im Detail beschriebene Sensorelektrodeneinrichtung, die entsprechende Sensoranordnung und/oder die beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung zur amperometrischen und/oder potentiometrischen, insbesondere pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung heranzieht. It is now appropriate that, in the method known per se, one uses precisely the sensor electrode device described in detail above, the corresponding sensor arrangement and/or the described device according to the invention for amperometric and/or potentiometric, in particular pharmacological, site of action and/or active ingredient testing.

Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, dass die Messsonde jeweils von dem vorgesehenen Messmedium zumindest teilweise und/oder zumindest zeitweise umströmt oder angeströmt wird.It is particularly advantageous that the measuring probe is at least partially and/or at least temporarily surrounded or flowed against by the intended measuring medium.

Durch dieses Vorgehen ist ein leichter Wechsel der Testbedingungen, nämlich durch einen externen Misch- oder Austauschvorgang, auf störungsfreie Art und Weise erreichbar, im Gegensatz zur Vorgehensweise zum Beispiel bei den Messverfahren gemäß der Patchclamp-Technik oder Voltageclamp-Technik. This procedure makes it possible to easily change the test conditions, namely by means of an external mixing or exchange process, in a trouble-free manner, in contrast to the procedure used, for example, in measurement methods according to the patch clamp technique or voltage clamp technique.

Besonders vorteilhaft ist, wenn eine Strömungsgeschwindigkeit und/oder Fließgeschwindigkeit des Messmediums von etwa &ngr; ~ 0,1 - 2 m/s verwendet wird, weil sich auf der Grundlage dieser hohen Strömungsgeschwindigkeiten auch gerade kinetische Untersuchungen an den biologischen Einheiten, insbesondere an den Membranproteinen, durchführen lassen, bei welchen mit zeitlich hoher Auflösung die Signalentwicklung aufgenommen und charakterisiert und auf die einzelnen Funktionsschritte der biologischen Einheit zurückgeführt werden.It is particularly advantageous if a flow velocity and/or flow rate of the measuring medium of approximately ν ~ 0.1 - 2 m/s is used, because on the basis of these high flow velocities, kinetic investigations can be carried out on the biological units, in particular on the membrane proteins, in which the signal development is recorded and characterized with high temporal resolution and traced back to the individual functional steps of the biological unit.

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Aufgrund der Stabilität der verwendeten Sensorelektrodeneinrichtung, Sensoranordnung und/oder -vorrichtung ergibt sich die Möglichkeit, aufeinanderfolgend eine Mehrzahl oder Vielzahl von Tests durchzuführen, insbesondere durch ein aufeinanderfolgendes Austauschen und/oder Einstellen oder Mischen des Messmediums, wobei gegebenenfalls zwischengeschaltet Wasch- oder Spülvorgänge vorgesehen sein können. Durch dieses Vorgehen kann bei ein und derselben biologischen Einheit, zum Beispiel bei einem gegebenen Rezeptor oder einem anderen Membranprotein, welches, einmal in einem Vesikelsystem inkorporiert, an einer erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung eingelagert wurde, eine Vielzahl von Sub- ■ stanzen, welche in einem Mischvorgang dem Messmedium zugefügt werden, getestet werden. Geschieht dies gleichzeitig auch im Parallelbetrieb, so kann in einem Messdurchgang eine Vielzahl im Wesentlichen gleicher Tests durchgeführt werden, um zum Beispiel eine entsprechende statistische Evaluierung der Wirkungsweise bestimmter Wirkstoffe auf eine gegebene biologische Einheit zu erhalten.Due to the stability of the sensor electrode device, sensor arrangement and/or device used, it is possible to carry out a plurality or multiplicity of tests in succession, in particular by successively exchanging and/or adjusting or mixing the measuring medium, with intermediate washing or rinsing processes being provided if necessary. This procedure makes it possible to test a multiplicity of substances which are added to the measuring medium in a mixing process for one and the same biological unit, for example for a given receptor or another membrane protein which, once incorporated in a vesicle system, has been stored on a sensor electrode device according to the invention. If this is also done in parallel operation, a multiplicity of essentially identical tests can be carried out in one measurement run, for example to obtain a corresponding statistical evaluation of the effect of certain active substances on a given biological unit.

Oft ist nicht so sehr die Wirkweise eines bestimmten Wirkstoffes an einer bekannten biologischen Einheit von Interesse, sondern vielmehr soll die Funktionsweise einer diesbezüglich unbekannten biologischen Einheit aufgeklärt werden.Often, it is not so much the mode of action of a particular active substance on a known biological unit that is of interest, but rather the functioning of an unknown biological unit that should be clarified.

Dabei ist naturgemäß eine Vielzahl von einander unabhängiger Tests durchzuführen.Naturally, a large number of independent tests have to be carried out.

Dies ist insbesondere beim sogenannten Deorphaning der Fall. Dabei wird von einem Orphan ausgegangen. Dieses ist ein genetische Informationseinheit, durch welche eine bestimmte, aber bisher funktionsunbekannte biologische Einheit, z.B. ein Membranprotein oder dergleichen, kodiert wird.This is particularly the case with so-called deorphaning. This is based on an orphan. This is a genetic information unit that encodes a specific biological unit whose function is previously unknown, e.g. a membrane protein or the like.

Entsprechend ist es vorgesehen, dass ein Deorphaningprozess mit einer Mehrzahl oder eine Vielzahl von Tests durchgeführt wird, wobei als biologische Einheit ein Produkt oder dergleichen eines - insbesondere funktionsunbekannten - OrphansAccordingly, it is envisaged that a deorphaning process is carried out with a plurality or a multitude of tests, whereby a product or the like of an orphan - in particular one whose function is unknown - is used as the biological unit.

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oder dergleichen verwendet wird, insbesondere um dessen Funktionalität aufzuklären. Entsprechend ist es vorgesehen, die erfindungsgemäße Sensorelektrodeneinrichtung, die erfindungsgemäße Sensoranordnung und/oder die erfindungsgemäße Vorrichtung bei einem Deorphaningvorgang oder - prozess zu verwenden.or the like, in particular to clarify its functionality. Accordingly, it is intended to use the sensor electrode device according to the invention, the sensor arrangement according to the invention and/or the device according to the invention in a deorphaning process.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung auf der Grundlage bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert.The present invention is explained in more detail below with reference to a schematic drawing based on preferred embodiments.

Fig. 1 zeigt eine schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Verwendung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung. Fig. 1 shows a schematic and partially sectioned side view of an embodiment of the device according to the invention using the sensor arrangement according to the invention.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung mit einem Membranfragment als Primärträger.
20 Fig. 2 shows an embodiment of a sensor arrangement according to the invention with a membrane fragment as primary carrier.
20

Fig. 3A-D zeigen in einer schematischen Ansicht Verfahren zur pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung. Fig. 3A-D show a schematic view of methods for pharmacological site of action and/or active ingredient testing.

Fig. 4A-C zeigen in einer schematischen Ansicht ein anderes Fig. 4A-C show in a schematic view another

Verfahren zur pharmakologischen Wirkort- und/oder Wirkstofftestung.Methods for pharmacological site of action and/or active ingredient testing.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen und teilweise geschnittenen Seitenansicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur amperometrischen und/oder potentiometrischen pharmakologischen Wirkstofftestung.Fig. 1 shows in a schematic and partially sectioned side view an embodiment of the device according to the invention for amperometric and/or potentiometric pharmacological drug testing.

Ein Messbereich 50 in Form eines im Wesentlichen geschlossenen Gefässes bildet zusammen mit einer Austausch-/Mischeinrichtung 60, zum Beispiel in Form eines Perfusorsystems oder einer Pumpenanlage, einen geschlossenen Flüssigkeitskreis-A measuring area 50 in the form of a substantially closed vessel forms, together with an exchange/mixing device 60, for example in the form of a perfusion system or a pump system, a closed liquid circuit.

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lauf.. Die Kommunikation der als Messmedium 30 dienenden Flüssigkeit erfolgt über entsprechende Zuführ- und Abführeinrichtungen 51 bzw. 52. Das Messmedium 30 kann dabei eine wässrigere Elektrolytlösung sein, die bestimmte Ionenantei-Ie, eine gegebene Temperatur, einen bestimmten pH-Wert usw. aufweist. Des Weiteren sind im Messmedium 30 gegebenenfalls bestimmte Substratstoffe S und/oder bestimmte Wirkstoffe W enthalten, oder sie werden in späteren Verfahrensschritten durch die Austausch-/Mischeinrichtung 60 hinzugefügt.The communication of the liquid serving as the measuring medium 30 takes place via corresponding supply and discharge devices 51 and 52, respectively. The measuring medium 30 can be an aqueous electrolyte solution which has certain ionic proportions, a given temperature, a certain pH value, etc. Furthermore, the measuring medium 30 may contain certain substrate substances S and/or certain active substances W, or they are added in later process steps by the exchange/mixing device 60.

Im Messbereich 50 ist eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 1 vorgesehen. Die Sensoranordnung 1 besteht aus Primärträgern 10, welche am Oberflächenbereich 24a der als Sekundärträger dienenden Sensorelektrodeneinrichtung 20 angelagert sind.A sensor arrangement 1 according to the invention is provided in the measuring area 50. The sensor arrangement 1 consists of primary carriers 10, which are attached to the surface area 24a of the sensor electrode device 20 serving as a secondary carrier.

In dem in Fig. 1 in schematischer und nicht maßstabsgetreuer Form gezeigten Ausführungsbeispiel ist nur ein einziger Primärträger 10 gezeigt. Dieser besteht aus einem Lipidvesikel oder Liposom in. Form einer im Wesentlichen hohlkugelförmig und geschlossen ausgebildeten Lipiddoppelschicht oder Lipidmembran 11. In diese Lipiddoppelschicht 11 des als Primärträger 10 dienenden Vesikels ist als im Wesentlichen biologische Einheit 12 ein Membranprotein membrandurchgreifend eingelagert.In the embodiment shown in Fig. 1 in a schematic and not to scale form, only a single primary carrier 10 is shown. This consists of a lipid vesicle or liposome in the form of a substantially hollow spherical and closed lipid bilayer or lipid membrane 11. In this lipid bilayer 11 of the vesicle serving as primary carrier 10, a membrane protein is embedded as an essentially biological unit 12 across the membrane.

Durch Umsetzung eines im Messmedium 30 vorhandenen Substrats S zu einem umgesetzten Substrat S' werden im Membranprotein 12 bestimmte Prozesse initiiert, die in dem in Fig. 1 gezeigten Fall zu einem Stofftransport einer Spezies Q von der extravesikulären Seite oder Außenseite 10a des Vesikels 10 zur intravesikulären Seite.oder Innenseite 10b des Vesikels 10 führt. Ist die Spezies Q mit einer elektrischen Ladung behaftet, so führt der Transport dieser Spezies Q von der Seite 10a zur Seite 10b zu einem Nettoladungstransport, welcher mit einem elektrischen Strom von der Außenseite 10a desBy converting a substrate S present in the measuring medium 30 into a converted substrate S', certain processes are initiated in the membrane protein 12, which in the case shown in Fig. 1 lead to a transport of a species Q from the extravesicular side or outside 10a of the vesicle 10 to the intravesicular side or inside 10b of the vesicle 10. If the species Q is subject to an electrical charge, the transport of this species Q from the side 10a to the side 10b leads to a net charge transport, which is accompanied by an electrical current from the outside 10a of the

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Vesikels 10 zur Innenseite 10b des Vesikels 10 korrespondiert .vesicle 10 corresponds to the inner side 10b of the vesicle 10 .

Zum einen sind in jedem Vesikel 10 in der Regel eine Vielzahl im Wesentlichen identischer Membranproteinmoleküle 12 in im Wesentlichen gleicher Orientierung in der Membran 11 des Vesikels 10 eingebaut. Werden diese im Wesentlichen simultan aktiviert - z.B. durch einen durch Mischen initiierten Konzentrationssprung in der Konzentrations des Substrats S von einem nicht aktivierenden Messmedium N, 30 ohne Substrat S zu einem aktivierenden Messmedium A, 30 mit Substrat S-so führt das zu einem messbaren elektrischen Strom.On the one hand, in each vesicle 10, a large number of essentially identical membrane protein molecules 12 are usually incorporated in essentially the same orientation in the membrane 11 of the vesicle 10. If these are activated essentially simultaneously - e.g. by a concentration jump in the concentration of the substrate S initiated by mixing from a non-activating measuring medium N, 30 without substrate S to an activating measuring medium A, 30 with substrate S - this leads to a measurable electrical current.

Dieser Ladungsträgertransport ist deshalb messbar, weil eine Vielzahl von Primärträgern 10 oder Vesikeln an der Oberfläche 24a der Sensorelektrodeneinrichtung 20 angelagert sind, so dass sich bei Aktivierung einer Vielzahl von Proteinmolekülen 12 in einer Vielzahl von Vesikeln vor der Oberfläche 24a der Sensorelektrodeneinrichtung 20 eine Raumladung bestimmter Polarität ausbildet. Diese Raumladung wirkt dann auf die Elektrode 26, die in dem in Fig. 1 gezeigten Fall auf einem Träger 22 aus Glas in Form einer Goldschicht aufgedampft ist und durch eine als Isolationsbereich 24 dienende Doppelschicht aus einer unteren Schicht 24b und einer als Oberfläche dienenden Oberschicht 24a abgedeckt und gegenüber dem Messmedium 30 elektrisch isoliert wird.This charge carrier transport is measurable because a large number of primary carriers 10 or vesicles are deposited on the surface 24a of the sensor electrode device 20, so that when a large number of protein molecules 12 are activated in a large number of vesicles in front of the surface 24a of the sensor electrode device 20, a space charge of a certain polarity is formed. This space charge then acts on the electrode 26, which in the case shown in Fig. 1 is vapor-deposited on a carrier 22 made of glass in the form of a gold layer and is covered by a double layer serving as an insulation region 24, consisting of a lower layer 24b and an upper layer 24a serving as a surface, and is electrically insulated from the measuring medium 30.

Die Oberfläche oder obere Schicht 24a des Isolationsbereichs 24 ist zum Beispiel ein zur Lipiddoppelschicht 11 des Vesikels 10 kompatible Lipidmonoschicht, die mittels eines SeIf-Assemb-ling-Vorgangs auf einer die untere Schicht 24b bildenden Alkanthiolmonoschicht ausgebildet ist, so dass die Abfolge der Schichten 24b und 24a, nämlich die Abfolge aus einer Alkanthiolmonoschicht und einer Lipidmonoschicht auf einem festkörperartig ausgebildeten Goldsubstrat als Elektrode 26 eine Membranstruktur SSM bildet, die auch alsThe surface or upper layer 24a of the insulation region 24 is, for example, a lipid monolayer compatible with the lipid bilayer 11 of the vesicle 10, which is formed by means of a self-assembly process on an alkanethiol monolayer forming the lower layer 24b, so that the sequence of layers 24b and 24a, namely the sequence of an alkanethiol monolayer and a lipid monolayer on a solid-state gold substrate as electrode 26 forms a membrane structure SSM, which is also known as

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festkörperunterstützte Membran bezeichnet wird (SSM: Solid Supported Membrane).solid supported membrane (SSM).

Über eine Anschlussleitung 48i ist die Sensoranordnung 1 und insbesondere die Sensorelektrodeneinrichtung 20 mit einer Datenerfassungs-i/Steuereinrichtung 40 verbunden. Diese weist einen Messeinrichtung 44 auf, in welchem in zeitlicher Abhängigkeit ein elektrischer Strom I(t) oder eine elektrische Spannung U(t) gemessen werden kann. Des Weiteren ist eine Verstärkereinrichtung 42 vorgesehen, in welcher die Messsignale gefiltert und/oder verstärkt werden. Über eine Steuerleitung 48s wird die Wirkstofftestung durch Steuerung der Austausch-/Mischeinrichtung 60 geregelt. Über eine weitere Leitung 48o wird der elektrische Stromkreis mittels einer Gegenelektrode 46, zum Beispiel in Form einer Pt/Pt-Elektrode oder mittels einer Ag/AgCl-Elektrode geschlossen. Isolationen 28, 27 und 47 verhindern Kurzschlüsse der SSM bzw. der Gegenelektrode 46 gegenüber dem Messmedium 30.The sensor arrangement 1 and in particular the sensor electrode device 20 are connected to a data acquisition/control device 40 via a connecting line 48i. This has a measuring device 44 in which an electrical current I(t) or an electrical voltage U(t) can be measured as a function of time. Furthermore, an amplifier device 42 is provided in which the measurement signals are filtered and/or amplified. The active substance testing is regulated by controlling the exchange/mixing device 60 via a control line 48s. The electrical circuit is closed via a further line 48o by means of a counter electrode 46, for example in the form of a Pt/Pt electrode or by means of an Ag/AgCl electrode. Insulations 28, 27 and 47 prevent short circuits of the SSM or the counter electrode 46 with respect to the measuring medium 30.

Fig. 2 zeigt in schematischer und teilweise geschnittener Seitenansicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensor-anordnung 1, bei welcher als Primärträger 10 anstelle eines Vesikels oder Liposoms ein Membranfragment 10 vorgesehen ist, in welches in orientierter Art und Weise ein als biologische Einheit 12 dienendes Membranprotein eingelagert ist. Auch in Bezug auf die Ausführungsform der Fig. 2 ist festzuhalten, dass die Darstellung nicht maßstabsgetreu ist, und zum anderen in der Regel eine große Mehrzahl von Membranfragmenten gleichzeitig auf der SSM oder der Oberfläche 24a der als Sekundärträger dienenden Sensorelektrodeneinrichtung 20 angelagert oder adsorbiert sind.Fig. 2 shows a schematic and partially sectioned side view of an embodiment of the sensor arrangement 1 according to the invention, in which a membrane fragment 10 is provided as the primary carrier 10 instead of a vesicle or liposome, in which a membrane protein serving as a biological unit 12 is embedded in an oriented manner. With regard to the embodiment of Fig. 2, it should also be noted that the illustration is not to scale and, secondly, a large number of membrane fragments are generally deposited or adsorbed simultaneously on the SSM or the surface 24a of the sensor electrode device 20 serving as the secondary carrier.

Auch hier ist wieder gezeigt, dass durch Umsetzung des im Messmedium 30 vorgesehenen Substrats S zu einem umgesetzten Substrat S¹ ein Stofftransport der Spezies Q von einer Seite 10a des Membranfragments 10 zur gegenüberliegenden Seite 10b erfolgt, welcher über den entsprechenden Nettoladungstrans-Here again it is shown that by converting the substrate S provided in the measuring medium 30 to a converted substrate S ¹ , a mass transport of the species Q from one side 10a of the membrane fragment 10 to the opposite side 10b takes place, which is carried out via the corresponding net charge transfer.

Amtsaktenzeichen: 201 04 431.5 ²⁸ Official reference number: 201 04 431.5 ²⁸

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port und den damit verbundenen Verschiebungsstrom in zeitlich abhängiger Form nachgewiesen werden kann.port and the associated displacement current can be detected in a time-dependent form.

Die Fig. 3A bis 3D zeigen Verfahren zur amperometrischen und/oder potentiometrischen pharmakologischen Wirkstofftestung. Figures 3A to 3D show methods for amperometric and/or potentiometric pharmacological drug testing.

In einem als Küvette ausgebildeten Messbereich 50 ist an einer als Sensorelektrodeneinrichtung 20 dienenden SSM ein Ensemble von Vesikeln 10 mit einem dort eingelagerten Membranprotein 12 adsorbiert. Die so ausgebildete Sensoranordnung 1 ist dabei im Messbereich 50 in einem vorgesehenen Messmedium 30 inkubiert.In a measuring area 50 designed as a cuvette, an ensemble of vesicles 10 with a membrane protein 12 stored therein is adsorbed on an SSM serving as a sensor electrode device 20. The sensor arrangement 1 designed in this way is incubated in the measuring area 50 in a measuring medium 30 provided.

Der Messbereich 50 ist über eine Zuführleitung 51 über eine vorgesehene erste Ventileinrichtung Vl steuerbar wahlweise mit einer Mehrzahl von Vorratsgefäßen 53, 54 und 55 verbunden, in welchen bestimmte Volumina des Messmediums 30 mit bestimmten weiteren Inhaltsstoffen versehen, vorgesehen sind. So enthält das erste Vorratsgefäß 53 der Fig. 3A bis 3D ein nicht aktivierendes Messmedium N, welches so gewählt ist, dass die in den Vesikeln 10 eingelagerten Membranproteine 12 durch die Zusammensetzung des Messmediums des Typs N nicht zu einer elektrischen Aktion initiiert werden. Im zweiten Vorratsgefäß 54 der Fig. 3A bis 3D ist ein Messmedium A enthalten, durch welches die Membranproteine 12 in den Vesikeln 10 zu einer elektrischen Aktion, also zu einem Ladungstransport oder dergleichen, aktivierbar sind. Im dritten Vorratsgefäß 55 der Fig. 3A bis 3D schließlich ist dem aktivierenden Messmedium A des Gefäßes 54 ein Wirkstoff W hinzugefügt worden, dessen Wirkung auf die Aktivität des Proteins 12 in den Vesikeln 10 ermittelt werden soll.The measuring area 50 is connected via a supply line 51 via a first valve device V1 provided and is optionally connected to a plurality of storage vessels 53, 54 and 55 in which certain volumes of the measuring medium 30 provided with certain additional ingredients are provided. Thus, the first storage vessel 53 of Fig. 3A to 3D contains a non-activating measuring medium N, which is selected such that the membrane proteins 12 stored in the vesicles 10 are not initiated into an electrical action by the composition of the measuring medium of type N. The second storage vessel 54 of Fig. 3A to 3D contains a measuring medium A, by means of which the membrane proteins 12 in the vesicles 10 can be activated into an electrical action, i.e. into a charge transport or the like. Finally, in the third storage vessel 55 of Fig. 3A to 3D, an active substance W has been added to the activating measuring medium A of the vessel 54, the effect of which on the activity of the protein 12 in the vesicles 10 is to be determined.

Über eine Abführeinrichtung 52 oder Abführleiturig ist der Messbereich 50 oder die Küvette über eine zweite Ventileinrichtung V2 zumindest mit einem Teil der Austausch-/Mischein-richtung 60 verbunden. Des Weiteren kann über dasThe measuring area 50 or the cuvette is connected to at least a part of the exchange/mixing device 60 via a discharge device 52 or discharge line via a second valve device V2. Furthermore, the

Amtsaktenzeichen: 2 01 04 431.5 longate Biosciences GmbHOfficial reference number: 2 01 04 431.5 longate Biosciences GmbH

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Ventil V2 ein Entsorgungsgefäß E hinzugeschaltet werden, zum Beispiel um die Austausch-ZMischeinrichtung 60 zu entleeren.A disposal vessel E can be connected to valve V2, for example to empty the exchange mixing device 60.

In einer ersten Phase der pharmakologischen Wirkstofftestung, welche in Fig. 3A gezeigt ist, ist der Messbereich 50 über die erste Ventileinrichtung Vl und die Zuführeinrichtung 51 mit dem ersten Vorratsgefäß 53 verbunden. Andererseits ist der Messbereich 50 über die Abführeinrichtung 52 und über die zweite Ventileinrichtung V2 mit der Austausch-/Mischeinrichtung 60 verbunden. Durch Betrieb der Austausch-/Mischeinrichtung 60 wird eine Saugkraft über die miteinander verbundenen Bereiche ausgeübt, so dass aus dem Vorratsgefäß 53 das nicht aktivierende Messmedium N durch die Küvette des Messbereichs 50 strömt und die SSM sowie die proteinhaltigen Vesikel 10 umspült oder umströmt. In diesem Zustand kann keinerlei elektrische Aktivität des Proteins 12 gemessen werden, und diese Phase dient der Equilibration der SSM sowie der Aufnahme von Störsignalen und dem Abgleich des Rauschens.In a first phase of the pharmacological drug testing, which is shown in Fig. 3A, the measuring area 50 is connected to the first storage vessel 53 via the first valve device V1 and the feed device 51. On the other hand, the measuring area 50 is connected to the exchange/mixing device 60 via the discharge device 52 and the second valve device V2. By operating the exchange/mixing device 60, a suction force is exerted over the interconnected areas, so that the non-activating measuring medium N flows from the storage vessel 53 through the cuvette of the measuring area 50 and washes or flows around the SSM and the protein-containing vesicles 10. In this state, no electrical activity of the protein 12 can be measured, and this phase serves to equilibrate the SSM and to record interference signals and to adjust the noise.

In der in Fig. 3B gezeigten zweiten Testphase wird über die Datenerfassungs-/Steuereinrichtung 40 die erste Ventileinrichtung Vl so geschaltet, dass die Zuführeinrichtung 51 des Messbereichs 50 mit dem zweiten Vorratsgefäß 54 kommunizierend verbunden ist, so dass auf Betrieb der Austausch-/Mischein-richtung 60 hin das aktivierende Messmedium A durch die Küvette des Messbereichs 50 strömt, die SSM sowie die proteinhaltigen Vesikeln strömt und umspült und somit die in den Vesikeln 10 enthaltenen Membranproteine 12 zu einem elektrogenen Ladungstransport anregt, welcher dann über die in den Fig. 3A - 3D nicht gezeigte Datenerfassung nachgewiesen werden kann.In the second test phase shown in Fig. 3B, the first valve device Vl is switched via the data acquisition/control device 40 so that the feed device 51 of the measuring area 50 is communicatively connected to the second storage vessel 54, so that upon operation of the exchange/mixing device 60, the activating measuring medium A flows through the cuvette of the measuring area 50, flows and washes around the SSM and the protein-containing vesicles and thus stimulates the membrane proteins 12 contained in the vesicles 10 to an electrogenic charge transport, which can then be detected via the data acquisition not shown in Figs. 3A - 3D.

In einer in Fig. 3C gezeigten dritten Phase des Verfahrens der pharmakologischen Wirkstofftestung wird die erste Ventileinrichtung Vl derart geschaltet, dass der Messbereich mit dem dritten Vorratsgefäß 55 strömungsmäßig verbundenIn a third phase of the method of pharmacological drug testing shown in Fig. 3C, the first valve device Vl is switched in such a way that the measuring area is fluidly connected to the third storage vessel 55.

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ist, so dass auf Betrieb der Austausch-VMischeinrichtung 60 hin nunmehr das aktivierende Messmedium A unter Zusatz des Wirkstoffes W durch die Küvette des Messbereiches 50 strömt und somit die SSM sowie die proteinhaltigen Vesikel 10 umspült. so that upon operation of the exchange mixing device 60, the activating measuring medium A with the addition of the active substance W flows through the cuvette of the measuring area 50 and thus washes around the SSM and the protein-containing vesicles 10.

Durch Aufnahme etwaiger elektrischer Signale unter dem Einfluss des hinzugefügten Wirkstoffes W kann im Vergleich zu den während der Phase der Fig. 3B aufgenommenen Signale der Einfluss des Wirkstoffes auf die Aktivität des Proteins 12 in den Vesikeln im Wesentlichen ermittelt werden.By recording any electrical signals under the influence of the added drug W, the influence of the drug on the activity of protein 12 in the vesicles can be essentially determined in comparison to the signals recorded during the phase of Fig. 3B.

In der Phase, welche in Fig. 3D gezeigt ist, wird die in der Austausch-/Mischeinrichtung 60 aufgenommene Flüssigkeitsmenge in das Entsorgungsgefäß E hin entsorgt, wobei durch die zweite Ventileinrichtung V2 die Austausch-/Mischeinrichtung 60 ausschließlich mit dem Entsorgungsgefäß E verbunden ist.In the phase shown in Fig. 3D, the amount of liquid taken up in the exchange/mixing device 60 is disposed of into the disposal vessel E, wherein the exchange/mixing device 60 is connected exclusively to the disposal vessel E through the second valve device V2.

Selbstverständlich kann die in den Fig. 3A bis 3D gezeigte Anordnung bzw. das damit in Zusammenhang stehende Testverfahren auch komplexer ausfallen und weitere Messzwischenschritte, Spül- und Waschvorgänge enthalten.Of course, the arrangement shown in Fig. 3A to 3D or the associated test procedure can also be more complex and include further intermediate measuring steps, rinsing and washing processes.

Grundsätzliche Vorteile der vorliegenden Erfindung sind die hohe mechanische Stabilität der vorgesehenen Sensorelektrodeneinrichtung und der Sensoranordnung und damit einhergehend die große Einsatzbereitschaft, die einfache Handhabbarkeit und geringer Störunanfälligkeit. In der Verwendung der erfindungsgemäßen Sensorelektrodeneinrichtung und der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ergeben sich im Rahmen von pharmakologischen Wirkstofftests eine lange Lebensdauer, eine hohe Zuverlässigkeit, eine geringe Störanfälligkeit sowie insbesondere ein gegenüber herkömmlichen Verfahren maßgeblich gesteigerter Testdurchsatz, wodurch entsprechende Testverfahren kostengünstig ausgearbeitet und durchgeführt werden können.The basic advantages of the present invention are the high mechanical stability of the sensor electrode device and the sensor arrangement provided and, as a result, the high level of operational readiness, ease of handling and low susceptibility to interference. The use of the sensor electrode device and the sensor arrangement according to the invention in the context of pharmacological drug tests results in a long service life, high reliability, low susceptibility to interference and, in particular, a significantly increased test throughput compared to conventional methods, whereby corresponding test methods can be developed and carried out cost-effectively.

31 14.09.200131 14.09.2001

Die Fig. 4A bis AC beschreiben eine anderes Verfahren. Vorgesehen sind dabei aber nur zwei Vorratsgefäße 53 und 54
vorgesehen sind. Das Vorratsgefäß 53 enthält wieder eine
nich aktivierende Lösung N. Das Vorratsgefäß 54 enthält als X entweder in einem ersten Verfahrensschritt die aktivierende Lösung A und in einem zweiten Verfahrensschritt eine aktivierende Lösung A+W mit zu testendem Wirkstoff W. Im ersten Fall X=A wird die Aktivierung der biologischen Einheit
als Referenzsignal gemessen. Im zweiten Fall X=A+W wird dann der Effekt des Wirkstoffes auf die Aktivierung messbar.Fig. 4A to AC describe a different method. However, only two storage vessels 53 and 54 are provided.
The storage vessel 53 again contains a
non-activating solution N. The storage vessel 54 contains as X either in a first process step the activating solution A and in a second process step an activating solution A+W with active substance W to be tested. In the first case X=A, the activation of the biological unit
as a reference signal. In the second case X=A+W, the effect of the active ingredient on the activation can then be measured.

Im einfachsten Fall kann der Wirkstoff W identisch sein mit dem S und/oder mit der Transportspezies Q.In the simplest case, the active substance W can be identical with the S and/or with the transport species Q.

Iongate Biosciences GmbH Dr. Klaus FendlerIongate Biosciences GmbH Dr. Klaus Fendler

AZ: IGlAZ: IGl

09.03.200109.03.2001

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1 Sensoranordnung1 Sensor arrangement

10 Primärträger, Vesikel, Membranfragment10 Primary carrier, vesicle, membrane fragment

10a Oberfläche, Außenseite, extravesikuläre Seite10a Surface, outside, extravesicular side

10b Innenseite, intravesikuläre Seite10b Inside, intravesicular side

11 Membran11 Membran

12 biologische Einheit, Membranprotein12 biological unit, membrane protein

13 Innenmedium13 Inner medium

20 Sensorelektrodeneinrichtung20 Sensor electrode device

21 Elektrodenbereich21 Electrode area

22 Träger22 carriers

22a Oberflächenbereich22a Surface area

24 Isolationsbereich24 Isolation area

24a Oberschicht, Oberflächenbereich, Lipidmonoschicht24a Upper layer, surface area, lipid monolayer

24b Unterschicht, Thiol-/Mercaptanmonoschicht24b Underlayer, thiol/mercaptan monolayer

26 Elektrode26 Electrode

27 Isolation27 Isolation

28 Isolation28 Isolation

29 Anschluss29 Connection

30 Messmedium30 Measuring medium

40 Datenerfassungs-/Steuereinrichtung40 Data acquisition/control device

42 Verstärkereinrichtung42 Amplifier device

44 Messeinrichtung44 Measuring device

46 Gegenelektrode46 Counter electrode

48i,o Anschlussleitungen48i,o connection cables

48s Steuerleitung48s control line

50 Messbereich, Gefäß, Küvette50 Measuring range, vessel, cuvette

51 Zuführeinrichtung51 Feeding device

52 Abführeinrichtung52 Discharge device

53 Vorratsgefäß53 Storage vessel

54 Vorratsgefäß54 Storage vessel

55 Vorratsgefäß55 Storage vessel

60 Austausch-/Mischeinrichtung 100 Messvorrichtung60 Exchange/mixing device 100 Measuring device

A aktivierendes MessmediumA activating measuring medium

A+W aktivierendes «Messmediuin-jitit ifirkejioff W · · • · ··· · A+W activating «measuring medium-jitit of the irkejioff W · · • · ··· ·

AZ: IGlAZ: IGl

09.03.200109.03.2001

C_m spezifische KapazitätC _m specific capacity

E EntsorgungE Disposal

G_n, spezifische LeitfähigkeitG _n , specific conductivity

N nicht aktivierendes MessmediumN non-activating measuring medium

I(t) StromsignalI(t) current signal

Q LadungsträgerQ Charge carrier

S SubstratS Substrat

S' umgesetztes SubstratS' converted substrate

SSM Membranstruktur, festkörper unterstützte MembranSSM membrane structure, solid supported membrane

U(t) SpannungssignalU(t) voltage signal

V Fließgeschwindigkeit, StrömingsgeschwindigkeitV flow velocity, flow rate

VI erste Ventileinrichtung V2 zweite Ventileinrichtung W WirkstoffVI first valve device V2 second valve device W active ingredient

Claims

1. Sensor electrode device, in particular for a biosensor arrangement or the like, for amperometric and/or potentiometric, in particular pharmacological, site of action and/or active substance testing or the like,

- which has at least one at least partially substantially electrically conductive electrode region ( 21 ),

- which is designed to be arranged, at least during operation, in a measuring medium ( 30 ), in particular a substantially aqueous one, and

- which is designed to arrange, in particular to attach or the like, at least during operation, a plurality or multiplicity of primary carriers ( 10 ) with essentially biological units ( 12 ) that can be activated for an electrical action, in particular membrane proteins or the like, in essentially the immediate spatial vicinity, in particular of the electrode region ( 21 ),

- wherein at least the electrode region ( 21 ) is essentially solid-state-like and/or solid-state-supported and

- wherein the electrode region ( 21 ) is designed to be substantially electrically insulated from the measuring medium ( 30 ) to be provided and/or from the primary carriers ( 10 ), at least during operation.

2. Sensor electrode device according to claim 1, characterized in that the electrode region ( 21 ) has at least one electrode ( 26 ).

3. Sensor electrode device according to claim 2, characterized in that the electrode ( 26 ) is designed as a mechanically stable material region, in particular as a plate, as a wire and/or the like.

4. Sensor electrode device according to claim 2, characterized in

- that the electrode region ( 21 ) has a, in particular solid-like, carrier ( 22 ) and

- that the electrode ( 26 ) is formed as a substantially continuous material layer on a surface ( 22 a) of the carrier ( 22 ),

- wherein the electrode ( 26 ) attains mechanical stability in particular through solid support by the carrier ( 22 ).

5. Sensor electrode device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the electrode ( 26 ) comprises or is formed from at least one metallic material, in particular from a noble metal, preferably from gold or the like.

6. Sensor electrode device according to one of claims 2 to 5, characterized in that the electrode ( 26 ) comprises or is formed from at least one substantially electrically conductive metal oxide, in particular from indium tin oxide or the like.

7. Sensor electrode device according to one of claims 4 to 6, characterized in that the carrier ( 22 ) comprises or is formed from a substantially electrically insulating and/or substantially chemically inert material, in particular from a glass or the like and/or in particular in the form of a plate or the like.

8. Sensor electrode device according to claim 7, characterized in that the electrode ( 26 ) is essentially formed as a material layer deposited, in particular vapor-deposited or sputtered, on the surface ( 22a ) of the carrier ( 22 ), preferably with a layer thickness of 10 to 200 nm.

9. Sensor electrode device according to claim 8, characterized in that an adhesive layer or the like is provided between the material layer of the electrode ( 26 ) and the surface ( 22a ) of the carrier ( 22 ), in particular made of chromium or the like and/or in particular with a smaller layer thickness, preferably of about 5 nm.

10. Sensor electrode device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one insulation region ( 24 ) is formed, by means of which the electrode region ( 21 ), in particular the respective electrode ( 26 ), can be substantially electrically insulated at least during operation, in particular in regions thereof which are intended for mechanical contact with the measuring medium ( 30 ) and/or with the primary carriers ( 10 ) during operation.

11. Sensor electrode device according to claim 10, characterized in that the insulation region ( 24 ) is at least partially layered, in particular multi-layered.

12. Sensor electrode device according to one of claims 10 or 11, characterized in that at least the surface region ( 24a ) of the insulation region ( 24 ) is designed in such a way as to promote, at least during operation, an attachment and/or arrangement of primary carriers ( 10 ) on the surface region ( 24a ) of the insulation region ( 24 ), in particular in a manner compatible with the surface ( 10a ) of the primary carriers ( 10 ).

13. Sensor electrode device according to one of claims 10 to 12, characterized in that the insulation region ( 24 ) is at least partially formed as a monolayer, monolayer or the like or as a sequence thereof, in particular in each case as a spontaneously self-organizing layer, as a self-assembling layer and/or the like.

14. Sensor electrode device according to one of claims 10 to 13, characterized in that a layer of an organic thio compound, preferably a long-chain alkanethiol, in particular octadecanethiol, and/or the like, is provided as the lower layer ( 24b ) or as the lowermost region ( 24b ) of the insulation region ( 24 ) substantially facing the electrode ( 26 ).

15. Sensor electrode device according to one of claims 10 to 14, characterized in that a layer of an amphiphilic organic compound, in particular a lipid and/or the like, is provided as the upper layer ( 24a ) or as the uppermost and essentially remote from the electrode ( 26 ) or surface region ( 24a ) of the insulation region ( 24 ).

16. Sensor electrode device according to one of claims 10 to 12, characterized in that the insulation region ( 24 ), in particular the lower layer ( 24b ) thereof, is essentially formed by a layer of Teflon or the like, in particular with a layer thickness of less than 5 µm.

17. Sensor electrode device according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier ( 22 ), the electrode ( 26 ), the insulation region ( 24 ), the surface and/or interface regions of which are at least partially substantially planar, in particular on a microscopic level or scale.

18. Sensor electrode device according to one of the preceding claims, characterized in

- that a contact area ( 29 ) is provided through which the sensor electrode device ( 20 ) can be externally electrically contacted,

- wherein in particular an insulation ( 27 ) is designed to prevent short circuits during operation.

19. Sensor electrode device according to one of the preceding claims, characterized in that the region which is defined by the region of the insulation region ( 24 ) insulating and/or covering the electrode ( 26 ) essentially has or forms a membrane structure (SSM), at least partially has a specific electrical conductivity of approximately C _m ≈1-100 nS/cm ² , a specific capacitance of approximately C m ≈10-1000 nF/cm ² and/or an area of approximately A ≈0.1-50 mm ² .

20. Sensor electrode device according to one of the preceding claims, which is designed such that it has, in particular during operation, substantially constant mechanical, electrical and/or structural properties with respect to liquid flows with flow velocities of approximately v ≈ 0.1-2 m/s, in particular in the region of the membrane structure (SSM) and/or in particular with regard to the deposition and/or arrangement of primary carriers ( 10 ).

21. Sensor arrangement, in particular biosensor arrangement or the like, for amperometric and/or potentiometric, in particular pharmacological, site of action and/or active substance testing or the like:

- with at least one secondary carrier ( 20 ) and

- with a plurality or multiplicity of primary carriers ( 10 ) which, at least during operation, can be arranged, in particular deposited, and/or arranged, in particular deposited, essentially in the immediate spatial vicinity of the secondary carrier ( 20 ) and by means of which, at least during operation, essentially biological units ( 12 ) which can be activated for an electrical action, in particular membrane proteins or the like, can be absorbed and/or immobilized,

characterized,
that a sensor electrode device ( 20 ) according to one of claims 1 to 20 is provided as secondary carrier ( 20 ).

22. Sensor arrangement according to claim 21, characterized in that a eukaryotic cell, a prokaryotic cell, a bacterial unit, a viral unit and/or the like and/or components, fragments, in particular membrane fragments or the like, and/or associations thereof in essentially native and/or in modified, in particular purified, microbiologically and/or molecularly biologically modified form, are provided as primary carriers (10).

23. Sensor arrangement according to one of claims 21 or 21, characterized in that a vesicle, a liposome, a micellar structure and/or the like is provided as the primary carrier ( 10 ).

24. Sensor arrangement according to one of claims 21 to 23, characterized in that a biological, chemical and/or biochemical unit ( 12 ), in particular a transport unit, which can be activated for at least partially electrogenic charge carrier transport and/or for at least partially electrogenic charge carrier movement, is provided as the biological unit ( 12 ), and/or components, fragments and/or associations thereof.

25. Sensor arrangement according to one of claims 21 to 24, characterized in that a membrane protein is provided as the biological unit ( 12 ), in particular an ion pump, an ion channel, a transporter, a receptor and/or the like.

26. Sensor arrangement according to one of claims 21 to 25, characterized in that the biological unit ( 12 ) is provided in a substantially native form and/or in a modified, in particular purified, microbiologically and/or molecular biologically modified form.

27. Sensor arrangement according to one of claims 21 to 26, characterized in that the primary carrier ( 10 ) essentially belongs to a uniform type of primary carrier ( 10 ), in particular with regard to its geometric, physical, chemical, biological and/or molecular biological properties.

28. Sensor arrangement according to one of claims 21 to 27, characterized in that the primary carriers ( 10 ) have essentially a uniform type of essentially biological units ( 12 ), in particular with regard to their geometric, physical, chemical, biological and/or molecular biological properties and further in particular with regard to their orientation and/or activatability in the respective primary carrier ( 10 ).

29. Sensor arrangement according to one of claims 21 to 28, characterized in that the surface ( 10a ) of the respective primary carrier ( 10 ) and/or of the secondary carrier ( 20 ) are each designed to promote an attachment and/or arrangement of the primary carrier ( 10 ) on the secondary carrier ( 20 ).

30. Sensor arrangement according to claim 29, characterized in that
that the surface ( 10 a) of the primary carrier ( 10 ) and the surface of the secondary carrier ( 20 ) are essentially oppositely polar and/or charged to each other
and or
that with regard to the attachment between the surface ( 10a ) of the primary carrier ( 10 ) and the surface of the secondary carrier ( 20 ), a coupling in the manner of a chemical bond or the like can be formed, in particular via a His-tag coupling, a streptavidin-biotin coupling and/or the like.

31. Sensor arrangement according to one of claims 21 to 30, characterized in that essentially similar and/or equally effective vesicles, liposomes and/or the like, preferably made of a lipid, are provided as primary carriers ( 10 ), in and/or on the membrane ( 11 ) of which units essentially of one type of membrane protein ( 12 ) are incorporated and/or deposited in preferably essentially oriented form.

32. Device for amperometric and/or potentiometric, in particular pharmacological, site of action and/or active substance testing or the like:

- with at least one measuring area ( 50 ) which is designed to receive a substantially fluid and/or aqueous measuring medium ( 30 ), in particular in substantially aqueous form,

- with at least one measuring probe ( 1 ) which is designed to receive and/or generate measuring signals,

- with a data acquisition/control device ( 40 ) which is designed at least to acquire measurement data of the respective measuring probe ( 1 ), and

- with an exchange and/or mixing device ( 60 ) which is designed to provide, exchange, mix and/or adjust the measuring medium ( 30 ),

characterized,
that a sensor arrangement ( 1 ) according to one of claims 21 to 31 is provided as the measuring probe ( 1 ).

33. Device according to claim 32, characterized in that - in particular via the exchange device ( 60 ) - via the measuring medium ( 30 ) measuring conditions, in particular pharmacological conditions, can be set and/or changed in a defined manner, in particular in a continuous manner, preferably in the manner of a continuous flow system.

34. Device according to one of claims 32 or 33, characterized in that flow and/or current velocities of approximately v ≈ 0.1-2 m/s can be generated, in particular by the exchange device ( 60 ), in particular in the region of the measuring probe ( 1 ).

35. Device according to one of claims 32 to 34, characterized in that the measuring region ( 50 ) is designed as a substantially closed vessel device or the like, which can be fluidically connected to the exchange device ( 60 ) in particular via at least one supply and/or discharge device ( 51 , 52 ).

36. Device according to one of claims 32 to 35, characterized in that

- that a plurality of measuring probes ( 1 ) are provided,

- that the data acquisition/control device ( 40 ) is designed to receive and/or detect measurement signals (U, I) of the plurality of measuring probes ( 1 ) independently and/or decoupled from one another, and

- that in particular the exchange device ( 60 ) and/or the measuring range ( 50 ) are designed to set and/or change corresponding measuring conditions for the plurality of measuring probes ( 1 ) independently and/or decoupled from one another.

37. Device according to claim 36, characterized in that the measuring region ( 50 ) is designed as a microplate, microtiter plate and/or the like, with a plurality of integrated measuring probes ( 1 ), preferably in separate, fluidically and/or electrically decoupled and/or independent recess regions thereof, preferably in order to form 8, 12, 96 measuring channels on a grid thereof.