Mit Hilfe von sogenannten Mikrotiterplatten können verschiedene medizinisch-biochemische Testverfahren durchgeführt werden.

Mikrotiterplatten weisen eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Aufnahmeröhrchen auf, in die Zellproben, beispiels- weise eine Suspension von Metastasenzellen eingegeben werden.

Anschließend wird eine Indikatorlösung, beispielsweise ein Fluoreszenzfarbstoff hinzugefügt.

Zur Untersuchung, ob bestimmte Substanzen die Metastasenzellen beeinflussen, insbesondere abtöten können, werden verschiedene zytostoxische Substanzen zugegeben.

Das Eingeben der Zellproben, der Indikatorlösung und der Medikamente erfol¢vt in einer mittels Automat durchgeführten Beprobungstechnik. Zellveränderungen lassen sich im Durchlicht- verfahren und mit Hilfe eines Spektrometers nachweisen.

Außer zur Chemotherapietestung können die Mikrotiterplatten auch zur Untersuchung von Krebszellen auf ihre Metastasierungs- tendenz hin untersucht werden. In diesem Falle wird in die Behältnisse ein Testsubstrat, bestehend aus einer Schicht aus <BR> <BR> <BR> Zellen oder embryonalen HM-Zellkulturen oder einer Kollagenmatrix aufgetragen, auf die dann die Metastasenzellen aufgebracht werden. Je nach (Jrad der Veränderung kann ein Maß für den Invasionsindex oder Metastasierungsindex abgeleitet werden.

Dieses Verfahren, bei dem biologische Schichten von einer anderen

Substanz mehr oder weniger beeinflußt werden, wird auch Biokorrosion genannt. Es sind damit auch Untersuchungen, zum Beispiel von Kunststoffen auf Biokompatibilität möglich, d. h. es wird untersucht, ob Zellen in diesen zu untersuchenden Kunststoff eindringen oder nicht.

Bei diesen vielfältigen Untersuchungen ist üblicherweise für die Auswertung ein Durchlichtverfahren vorgesehen, mit Meßauswertung durch einen Mikroplattenreader oder mittels eines Spektrometers. Es ist somit einerseits ein nicht unerheblicher, apparativer Aufwand für die funktionstüchtige Gesamtvorrichtung erforderlich und andererseits geben die Meßauswertungen nicht in allen Fällen in erwünschtem Maße Aufschluß, zum Beispiel auch über den laufenden Reaktionsprozeß. Nachteilig ist weiterhin, daß bei Verwendung handelsüblicher Mikrotiterplatten vergleichsweise aroße Probenmengen erforderlich sind. Nicht immer stehen aber entsprechende Probenmengen, beispielsweise von Biopsiematerial zur Verfügung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die bei verringertem Gesamtaufwand eine Vielzahl unterschiedlicher Untersuchungen auch mit laufender Kontrolle eines Reaktionsprozesses ermöglicht und die auch einfacher zu handhaben ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Meßeinrichtung auf wenigstens einer Substratplatte befindliche Halbleiter-Sensoren aufweist.

Halbleiter-Sensoren bieten eine Vielzahl unterschiedlicher Meßmöglichkeiten, so daß je nach Anwendungsfall und Meßaufgabe entsprechende Sensoren vorgesehen sein können. Solche Sensoren lassen sich auch in kleinster Bauform realisieren, so daß dementsprechend auch mit kleinsten Probenmengen gearbeitet werden kann. Es sind so auch noch Untersuchungen beispielsweise an

Zellen möglich, wenn diese bei einem Patienten nur in sehr geringer Menge, zum Beispiel als Biopsiematerial, entnommen werden können.

Vorteilhaft ist auch, daß die Aufnahmevorrichtung mit den Einzelbehältnissen und der praktisch integrierten Meßeinrichtung eine komplette Funktionseinheit und auch eine kompakte Baueinheit bilden, die auch einfacher zu handhaben ist. Die Sensoren sind hierbei jeweils Teil der Meßkammern, so daß diese zur Auswertung nicht mehr mit einer separaten Meßeinrichtung in Verbindung gebracht werden müssen. Vorteilhaft ist auch, daß eine Messung während eines laufenden Reaktionsprozesses und dabei die Messung gleichzeitig bei allen Einzelbehaltnissen möglich ist.

Vorzugsweise ist-rorgesehen, daß sich die Sensoren zumindest für einige Aufnahmebehältnisse auf einer gemeinsamen, wafer- artigen Halbleiter-Substratplatte befinden.

Auf einer solchen Halbleiter-Substratplatte lassen sich in bekannter Herstellungstechnik eine Vielzahl von Sensoren auf engem Raum unterbringen, so daß damit eine Voraussetzung für eine besonders kompakte Bauform der Vorrichtung vorhanden ist.

Die Halbleiter-Substratplatte mit den einzelnen Sensoren bildet hierbei praktisch eine den Aufnahmebehältnissen zugeordnete Meßstruktur.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht dabei vor, daß die Vorrichtung wenigstens eine Halbleiter-Substratplatte mit einer Vielzahl von darin befindlichen, näpfchenförmigem Aufnahme- Vertiefungen als Behältnisse aufweist und daß die den Vertiefun- gen zugeordneten, insgesamt eine Meßstruktur bildenden Sensoren Bestandteil der Substratplatte ist.

Insbesondere auch bei dieser Vorrichtung kann mit kleinsten Probenmengen gearbeitet werden. Außerdem läßt sich eine solche Vorrichtung in Halbleitertechnik komplett herstellen. Weiterhin ist damit eine extrem kompakte Bauform realisierbar.

Es können dabei nach einer Weiterbildung der Erfindung auch im Bereich eines Einzelbehältnisses oder einer Aufnahme- Vertiefung mehrere, vorzugsweise unterschiedliche Sensoren insbesondere als Sensorarray vorgesehen sein, so daß gleichzeitig unterschiedliche Parameter während der Untersuchung erfaßt werden können.

Ein solches Sensorarray kann als integrierte Schaltung besonders kostengünstig hergestellt werden und ermöglicht auf engstem Raum die Messung unterschiedlicher chemischer oder biologischer Substanzen.

Je nach Untersuchungsaufgabe besteht aber auch die Möglichkeit, daß bei den einzelnen Aufnahmebehältnissen unterschiedliche Sensoren angeordnet sind, wobei ein oder mehrere Aufnahmebehält- nisse in ihrem jeweiligen Bereich gleiche Sensoren haben und <BR> <BR> <BR> beianderen Aufnahmebehaltnissen oder Gruppen von Aufnahmebehält- nissen andere Arten von Sensoren vorgesehen sind.

Die Meßeinrichtung mit ihrer Meßstruktur ist zweckmäßigerweise unterseitig der Aufnahmevorrichtung angeordnet und jedes Aufnahmegefäß trägt bodenseitig und/oder in der Seitenwand wenigstens einen Sensor. Bevorzugt ist beziehungsweise sind der oder die Sensoren am Boden der Aufnahmevorrichtung in die Meßstruktur integriert, jedoch können auch an oder in den Seitenwänden der Aufnahmegefäße Sensoren vorgesehen sein.

Bei spielsweise können bei den Seitenwänden Lei t fähigkeitssensoren angeordnet sein.

Bei Untersuchungen an lebenden Zellen mittels Mikrotiterplatten ist ein Temperieren, um die normalen Lebensbedingungen der Zellen sicherzustellen, problematisch. Unter Umständen besteht dabei auch die Gefahr, daß die zu untersuchenden Zellen wegen zu niedriger Temperatur absterben können, so daß das Meßergebnis dann erheblich verfälscht werden kann. Um dies zu vermeiden, wird nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Mikrotiterplatte oder dergleichen unterseitig, vorzugsweise

unterseitig der Meßstruktur, eine Temperiereinrichtung aufweist, die vorzugsweise thermostatisch regelbar ist.

Damit lassen sich exakte Temperaturvorgaben einhalten und es sind damit auch Untersuchungen an thermisch empfindlichen Meßobjekten möglich.

Um die Temperatur nahe der Meßstelle erfassen zu können, ist auf dem die Meßstruktur aufweisenden Substrat wenigstens ein Temperaturmeßsensor, insbesondere eine Temperaturmeßdiode angeordnet. Beim Herstellen der Meßstruktur kann ein solcher, gegebenenfalls bei jedem Aufnahmebehältnis vorgesehener Temperaturmeßsensor, mit hergestellt und damit in die Meßstruktur integriert werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß auf die Halbleiter-Substratplatte eine wabenartige Röhrchenstruktur, vorzugsweise ein bodenloses Oberteil einer ursprünglich handelsüblichen Mikrotiterplatte aufgesetzt und mit der Substratplatte vorzugsweise durch Ultraschallschweißen dicht verbunden ist. Bei Verwendung eines Mikrotiterplatten-"Ober- teiles"können die bisher in Verbindung mit Mikrotiterplatten verwendeten Einrichtungen, insbesondere auch der Beprobungs- automat, weiterverwendet werden. Außerdem kann entsprechend mehr Testflüssigkeit bedarfsweise aufgenommen werden.

Gegebenenfalls kann die Wandungsdicke der die Sensoren und gegebenenfalls die Temperiereinrichtung und dergleichen aufweisenden Substratplatte im Bereich der einzelnen Behältnisse reduziert und für ein Durchlicht-Meßverfahren bemessen sein.

Dabei besteht auch die Möglichkeit, daß die Substratplatte im Bereich der einzelnen Behältnisse wenigstens einen durchleucht- baren Kanal aufweist. Dadurch kann gegebenenfalls auch zusätzlich zu der elektrischen oder elektronischen Messung mit der bisher schon verwendeten Durchlichttechnik gearbeitet werden.

Besonders günstig ist es, wenn die Halbleiter-Substratplatte als Meßstruktur wenigstens einen Feldeffekttransistor,

insbesondere einen ISFET aufweist, dessen Gate zum Kontakt mit den Zellen freiliegt. Durch den direkten Kontakt des eine Meßelektrode bildenden Gates, ist eine hohe Meßempfindlichkeit vorhanden.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, daß als Sensor wenigstens ein Interdigitalkondensator, der vorzugsweise paarig ineinander greifende Elektroden aufweist, vorgesehen ist.

Ein Interdigitalkondensator als Sensor eignet sich insbesondere zur Messung von Formveränderungen der Zellen und außerdem können Impedanz-oder Kapazitätsänderungen der Zellmembran gemessen werden. Auch können Antikörper, die sich an den Zellen anlagern, nachgewiesen werden, da sie die Dielektrizitätskonstante im Bereich der Interdigitalstruktur verändern.

Zweckmäßigerweise sind mehrere, vorzugsweise unterschiedlich große Interdigitalkondensatoren vorgesehen. Diese weisen eine unterschiedliche Empfindlichkeit auf, so daß dementsprechend ein größerer Meßbereich abgedeckt und in den einzelnen Meßbereichen eine höhere Auflösung ermöglicht ist.

Vorteilhaft ist es, wenn in wenigstens einem isolierten Zwischenraum der Elektroden des Interdigitalkondensators eine elektrochemosensitive Schicht vorgesehen ist. Der Sensor ist dann zum Nachweis bestimmter, von den Zellen abgeschiedenen physiologischen beispielsweise Sauerstoff oder komplexe Gase besser geeignet. Hierzu können in den Zwischenräu- men elektroaktive Substanzen aufgebracht oder in keramischen Schwämmen verpackt sein.

Bei einer anderen Ausführungsform sind zwischen den Elektroden des Interdigitalkondensators Lichtleiter vorgesehen und zur Aufnahme und zum Nachweis des den jeweiligen Lichtleiter durchlaufenden Lichts sind Lichtdetektoren im Substrat angeordnet. Die Meßeinrichtung stellt dann zusätzliche Informationen übeR beispielsweise von den Zellen abgegebenes

Streulicht zur Verfügung, die einen Rückschluß auf die Vitalität der Zellen ermöglichen. In vorteilhafter Weise kann somit mit Hilfe der Lichtdetektoren ein Selbsttest der Meßeinrichtung durchgeführt werden.

Eine noch exaktere Kontrolle der mit den Meßstrukturen in Kontakt stehenden Zellen wird ermöglicht, wenn in das Substrat CCD-Sensoren, insbesondere in Form einer CCD-Zeile oder eines CCD-Arrays integriert sind. Dadurch wird eine noch höhere Auflösung bei der optischen Messung erreicht, so daß es insbesondere auch möglich ist, morphologische Veränderungen einzelner oder mehrerer, in bestimmten Bereichen der Meßstruktur angeordneter Zellen, zu überwachen.

Zweckmäßigerweise sind die Meßausgänge der auf einem gemeinsamen Substrat angeordneten Sensoren mit einer insbesondere auf dem Substrat integriert angeordneten Steuer-und Auswerteeinrichtung insbesondere über eine Leitungs-oder Leitermatrix verbunden.

In der integrierten Steuer-und Auswerteeinrichtung kann beispielsweise eine Vorverarbeitung der Meßwerte vorgenommen werden. Die Auswerteelektronik erlaubt auch ein stoff-und funktionsspezifisches Training des Sensors.

Eine solche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann bei entsprechender Ausbildung der Steuer-und Auswerteein- richtung praktisch als Mikrotiterplatten-Asic ausgebildet sein, das an die unterschiedlichsten Meßaufgaben und Auswerteverfahren anpaßbar ist.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

Es zeigt :

Fig. 1 einen Teilabschnitt einer erfindungsgemäßen Vor- richtung in Längsschnittdarstellung, Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in gegenüber Fig.

1 etwas abgewandelter Ausführungsform, ebenfalls als Längsschnitt eines Teilabschnittes, Fig. 3 eine Aufsicht einer Aufnahmevorrichtung mit einer Vielzahl von Einzelbehältnissen, Fig. 4 eine Aufsicht einer waferartigen Halbleitersubstrat- platte mit einer Vielzahl von Sensoren, Fig. 5 die in Fig. 3 und 4 gezeigten Elemente vor dem Zusammenfügen, und Fig. 6 eine Detail-Ausschnittsdarstellung einer erfindungs- gemäßen Vorrichtung in Aufsicht.

Von einer Vorrichtung 1 zur Durchführung von Untersuchungen an Zellproben ist in Fig. 1 ein im Längsschnitt dargestellter Teilbereich gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Halbleiter-Substratplatte 2 mit einer Vielzahl von darin befindlichen, näpfenförmigen Aufnahme-Vertiefungen 3 vorgesehen, die als Behältnisse zur Aufnahme von Zellproben dienen. Zur Verdeutlichung sind in zwei nebeneinander befindlichen Aufnahme- Vertiefungen 3 verschiedene Füllmedien für unterschiedliche Untersuchungen dargestellt. In der linken Vertiefung befinden sich in einem Reagenz 4 Zellen 5 und es kann hierbei eine Chemotherapietestung durchgeführt werden.

In der Aufnahme-Vertiefung 3 daneben befindet sich auf einem Testsubstrat 6, bestehend aus einer Zellschicht oder embryonalen HM-Zellkulturen oder einer Kollagenmatrix, eine Suspension mit Metastasenzellen. Es wird hiermit ein Metastasierungsindex

ermittelt.

Um Veränderungen an den Zellen 5 beziehungsweise dem Testsubstrat 6 feststellen zu können, sind im Bodenbereich der Vertiefungen 3 Sensoren 7 angeordnet. Als Sensoren 7 können Einzelsensoren, bevorzugt jedoch mehrere unterschiedliche Sensoren 7 als Sensor- Array 7a vorgesehen sein. Es kommen dafür Feldeffekttransistoren, Interdigitalkondensatoren oder dergleichen Halbleiterstrukturen, andererseits auch optische Sensoren, insbesondere Ober- flächenwellenleiter, Gitterkoppler und dergleichen in Frage.

Wie in Fig. 1 angedeutet, sind die Sensoren 7 mit einer Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 verbunden. Gegebenenfalls kann diese Steuer-und Auswerteeinrichtung ganz oder teilweise auf der Halbleiter-Substratplatte 2 integriert sein.

Es besteht dabei auch die Möglichkeit, die Steuer-und Auswerteeinrichtung 8 auf der der Sensorstruktur abgewandten Rückseite der Halbleiter-Substratplatte 2 anzuordnen und über Durchkontaktierungen mit den Sensoranschlüssen zu verbinden.

Dadurch ist eine besonders kompakte Ausführung möglich.

Beispielsweise kann die Steuer-und Auswerteeinrichtung 8 einen Multiplexer, einen AD/DA-Wandler mit Sensoransteuerung, einen Mikroprozessor sowie eine IO-Einheit umfassen. Es ist somit eine komplette Untersuchungs-Vorrichtung gebildet, mit der laufend während der Reaktionsprozesse Messungen durchgeführt werden können.

Außer den Sensoren 7 können auch Reizelektroden oder dergleichen vorgesehen sein, um die zu untersuchenden Zellen anzuregen und beispielsweise zur spontanen Abgabe einer mit den Sensoren zu detektierenden Substanz zu veranlassen.

Für die unterschiedlichsten Messungen ist es vorteilhaft, wenn bei jeder Aufnahme-Vertiefung 3 bevorzugt eine Achterstruktur mit vier Feldeffekttransistoren, zwei Interdigitalkondensator und zwei Sauerstoffindikatoren auf einem Sensor-Array 7a vorgesehen sind.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 läßt sich extrem kompakt aufbauen und eignet sich insbesondere für Untersuchungen an sehr kleinen Probenmengen.

Strichliniert ist in Fig. 1 noch an einer Aufnahme-Vertiefung 3 angedeutet, daß über die Substratplatte 2 überstehende Aufsätze 9 vorgesehen sein können, um das Aufnahmevolumen der Vertiefungen 3 zu vergrößern.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform mit röhrchenförmigen Einzelbehältnissen 10, die auf eine Halbleiter-Substratplatte 2 aufgesetzt sind. Im Bodenbereich jedes Einzelbehältnisses 10 befinden sich auch hier Sensoren 7.

Die Fig. 3 bis 6 zeigen in unterschiedlichen Ansichten die wesentlichen Teile einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird für die Behaltnisse 10 von einer handelsüblichen Mikrotiterplatte 11 (Fig. 3) der Bodenbereich abgetrennt, so daß sich durchgängige Röhrchen ergeben. Dieses Mikrotiterplatten-Oberteil lia (Fig.

5) wird dann auf die Substratplatte 2 (Fig. 4) aufgesetzt und vorzugsweise durch Ultraschallschweißen dicht mit dieser verbunden. Die Substratplatte 2 mit den jeweiligen Sensoren bildet dann den Boden der Einzelbehältnisse 10. Die Sensoren oder Sensor-Arrays auf der Substratplatte 2 sind bei Verwendung einer Mikrotiterplatte in dem Abstand der einzelnen Röhrchen oder Einzelbehältnisse angeordnet.

Durch Verwendung eines Mikrotiterplatten-Oberteiles lla zur Bildung der Aufnahmebehältnisse besteht die Möglichkeit, bisher im Zusammenhang mit handelsüblichen Mikrotiterplatten eingesetzte Apparaturen, beispielsweise einen Beprobungsautomaten, einen Mikroplattenreader und dergleichen unverändert einsetzen zu konnen.

Wie aus Fig. 4, 5 und insbesondere Fig. 6 erkennbar, sind die Sensoren 7 durch Sensorarrays 7a mit mehreren, unterschiedlichen Einzelsensoren gebildet. Wie bereits vorerwähnt, könnten sich

auf der Substratplatte auch noch Teile oder die gesamte Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 befinden. Die Verbindungsleitungen zu den außerhalb--on den Meßkammern liegenden Anschlüssen der jeweils einem Einzelbehältnis 10 zugeordneten Sensorarrays 7a sind der Einfachheit halber nicht dargestellt.

Fig. 6 zeigt in einer vergrößerten Aufsicht eine Reihe von nebeneinander angeordneten Sensorarrays 7a mit Behältnissen 10.

Außer elektronischen Sensoren auf Halbleiterbasis können auch noch andere Sensoren, beispielsweise auf optischer Basis oder biologische Sensoren vorgesehen und vorzugsweise in Kombination mit den zuvor beschriebenen Sensoren eingesetzt werden.

In den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 und 2 ist unterseitig bei der Halbleiter-Substratplatte 2 eine Heizschicht 12 vorgesehen, mittels der eine Temperierung der Substratplatte und damit auch der in den Aufnahme-Vertiefungen 3 befindlichen Proben möglich ist. Bei Zellproben können so auch bezüglich der Temperatur deren normale Lebensbedingungen geschaffen werden, so daß Untersuchungen aber einen längeren Zeitraum möglich sind.

Es besteht auch die Möglichkeit, anstatt einer durchgängigen Heizschicht 12 partielle, voneinander getrennte Abschnitte von Heizschichten vorzusehen, um bedarfsweise unterschiedliche Temperaturen in bestimmten Bereichen erzeugen zu können. Zur thermostatischen Regelung der Heizung können an einer oder mehreren Stellen der Substratplatte Temperaturmeßsensoren vorgesehen sein. Solche Temperaturmeßsensoren können auch direkt bei den den einzelnen Aufnahme-Vertiefungen oder dergleichen Einzelbehältnissen zugeordneten Sensoren 7 integriert sein.

Temperaturmeßsensoren im Bereich der Einzelbehältnisse können außer zur thermostatischen Regelung einer Heizung auch zum Erfassen der biologischen Aktivität der Zellen verwendet werden.

In den Figuren 1 und 2 sind in der Substratplatte 2 unterseitig an zwei Vertiefungen beziehungsweise Einzelbehhältnissen,

Ausnehmungen 13 @orgesehen und damit die Wandungsdicke der Substratplatte soweit reduziert, daß hier auch (zusätzlich) mit einem Durchlicht-Meßverfahren gearbeitet werden kann.