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Dokumentenidentifikation DE19536384A1 03.04.1997
Titel Biosensorsystem zur Messung von durch Schwelbrände verursachten, organischen Spurenkomponenten
Anmelder Forschungszentrum Jülich GmbH, 52428 Jülich, DE
Erfinder Schöning, Michael Josef, Dr., 52428 Jülich, DE;
Schütz, Stefan, Dr., 35392 Gießen, DE;
Weißbecker, Bernhard, 63584 Gründau, DE;
Schwarz, Axel, 35396 Gießen, DE;
Kohl, Claus-Dieter, Prof. Dr., 35396 Gießen, DE;
Hummel, Hans E., Prof. Dr., 35394 Gießen, DE;
Kordos, Peter, Prof. Dr., 52428 Jülich, DE;
Lüth, Hans, Prof. Dr., 52076 Aachen, DE
DE-Anmeldedatum 29.09.1995
DE-Aktenzeichen 19536384
Offenlegungstag 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse G01N 27/12
IPC-Nebenklasse G01N 27/414   A62C 37/10   G01N 27/403   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft einen Biosensor mit zur Detektierung einer oder mehrerer Spurenkomponenten eines Brandes vorgesehenem Chemorezeptor. Dabei ist der Chemorezeptor vorzugsweise über einen Elektrolyten mit einer Halbleiterkomponente verbunden. Der Biosensor kann so ausgebildet sein, daß nur eine geringe Zahl an Antennenkettengliedern einer Insektenantenne, insbesondere ein einziges Antennenkettenglied, am einen Ende des Chemorezeptors direkt oder über dem Elektrolyten mit der Halbleiterkomponente verbunden ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Biosensorsystem zur Messung von durch Schwelbrände verursachten, organischen Spurenkomponenten, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Methoden zur Früherkennung von Bränden basieren am häufigsten auf optischen Meldern, die die Lichtstreuung von Aerosolen messen. Diese Methoden sind jedoch nur eingeschränkt zuverlässig. Rückläufig ist die Entwicklung von Ionisationsmeldern, die ein radioaktives Präparat nutzen, um mit einem empfindlichen Verstärker den Strom der ionisierten Aerosole zu messen. Hauptursache dafür ist die kostenintensive Handhabung der radioaktiven Präparate. Weiterhin werden Thermokameras genutzt, mit denen 0,1° Temperaturerhöhung über eine große Fläche gemessen werden kann, z. B. für die Überwachung des Müllvorrates in Müllverbrennungsanlagen. Die Kosten sind jedoch erheblich, die Zuverlässigkeit ist umstritten.

In jüngster Zeit finden verstärkt Gassensoren auf der Basis von Halbleitern bzw. elektrochemischen Zellen Verwendung. Gemessen werden die Konzentrationen von CO, bei katalytisch aktiven Oberflächen H&sub2;, oder Kohlenwasserstoffe. Die Nachweisempfindlichkeit liegt bei etwa 1 ppm, die Nachweissicherheit wird jedoch in unterschiedlichem Maße durch Hintergrundgase (z. B. Kfz- Abgase) beeinträchtigt (D. Kohl et al.: Gassensortechnik zur Erkennung von Schwelbränden, in "Brandmeldeanlagen", VdS-Fachtagung 1993).

Nachteilig bei den bekannten Meßverfahren, insbesondere auf dem Gebiet der Brandfrüherkennung, sind vor allem die mangelnde Selektivität sowie Sensitivität für die warnauslösenden Substanzen. Zur Erhöhung der Nachweissicherheit sind deshalb Sensoren notwendig, die die brandspezifische Erkennung von organischen Spurenstoffen mit höherer Sensitivität ermöglichen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Biosensor zu schaffen, sowie ein geeignetes Herstellungs- und Präparationsverfahren bereit zu stellen, bei dem eine hohe Sensitivität und Selektivität sowie geringe Störanfälligkeit und portabler Einsatz für Feldmessungen zur Detektion brandspezifischer Emissionen, z. B. mulifunktioneller Phenole, Alkene oder Terpene, erzielt werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Biosensor gemäß der Gesamtheit der Merkmale nach Anspruch 1. Weitere zweckmäßige oder vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den auf den Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen.

Das entwickelte Biosensorsystem zur Brandfrüherkennung basiert auf dem Nachweis von organischen Verbindungen, die in der frühen Phase eines Brandes freigesetzt werden (Detektion von "Brandgeruch").

Das entwickelte Biosensorsystem besteht aus einer Meßluftzuführung, einer Biokomponente, einer Halbleiterkomponente, einer Probenzellenanordnung sowie einer Signal- und Meßwertverarbeitung. Die Meßluftzuführung ermöglicht die definierte Probennahme für die Biokomponente. Die Biokomponente besteht aus einem intakten Chemorezeptor, z. B. der Insektenantenne eines Borkenkäfers. Dabei kann der Chemorezeptor gleichstrommäßig oder auch wechselstrommäßig (z. B. kapazitiv oder Influenz) mit der Halbleiterkomponente verbunden sein.

Der Erkennungsmechanismus erfolgt nach Durchtritt durch die Poren der schützenden Chitin-Cuticula in die Rezeptorlymphe dieser Insektenantenne durch hochspezifische (Pheromene Binding Protein = PBP) oder gruppenspezifische (General Odorant Binding Protein = GOBP) Proteine, die ihrerseits an die membranbeständigen Rezeptoren oder Dendriten binden und dadurch die Depolarisation der Neuronenmembran bewirken. Diese Depolarisationen können mit hochohmigen Halbleiter-Verstärkern, z. B. Feldeffekttransistoren, meßbar gemacht werden. Mittels einer geeigneten Signal- und Meßwertverarbeitung ist eine Quantifizierung der aus lösenden Substanz über mehrere Größenordnungen möglich.

Die erforderliche hohe Selektivität und Sensitivität des Biosensorsystems kann durch die geeignete Auswahl der Biokomponente, - Art, Zucht und Präparation der verwendeten Insektenantenne, z. B. aus der Familie der Borkenkäfer - gewährleistet werden. Aufgrund der Miniaturisierbarkeit der Schnittstelle zwischen intaktem Chemorezeptor und Halbleiterkomponente kann die Betriebssicherheit des Biosensorsystems erhöht und gleichzeitig Volumen-, Gewicht- und Energiebedarf verringert werden. Durch die Kombination eines solchen Biosensorsystems mit handelsüblichen Gassensoren für typische Verbrennungsgase kann eine erhöhte Detektionssicherheit erreicht werden.

Die Erfindung ist im weiteren an Hand von Figuren und Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Biosensorsystem;

Fig. 2: Vergrößerte Darstellung des Systems nach Fig. 1 im Bereich des Biosensors.

Ausführungsbeispiel

In Fig. 1 ist das entwickelte Biosensorsystem am Beispiel eines intakten Chemorezeptors eines Borkenkäfers dargestellt. Ein solches System kann Einsatz finden, z. B. im Bereich der Brandfrüherkennung.

Die Meßluftzuführung 1 aus einem festen oder mittels Kugelschliff beweglichen Rohr aus z. B. Glas, Teflon oder Edelstahl mit einem Durchmesser im Bereich von bis zu 100 mm, insbesondere zwischen 5 und 15 mm, mündet in eine Probenzellenanordnung 2 aus z. B. Glas, Teflon oder Edelstahl. Die Probenzellenanordnung ermöglicht einen einfachen und schnellen Wechsel bzw. Austausch des Sensormoduls 5, 6 und gewährt die für den portablen Einsatz erforderliche, mechanische Stabilität.

Über geeignete mikromechanische Arretier- bzw. Haltevorrichtungen 7 wird das Sensormodul 5, 6 und folglich die Biokomponente stabil und geschützt positioniert. Eine weitere Erhöhung der elektrischen Störsicherheit kann z. B. durch das Einbringen des Sensormoduls in einen miniaturisierten, auf einem stabilen elektrischen Potential befindlichen Faradaykäfig erzielt werden.

Das Sensormodul 5, 6 wird mit einem festen Träger 8, z. B. mit einem mit einer Öffnung 8a für die durchströmende Luft zur Beprobung der Biokomponente versehenen Leiterplattensubstrat 8, verbunden. Zur weiteren mechanischen Stabilisierung der Antenne 5 ist jenseits der Öffnung 8a eine elektrisch isolierende Stütze 4 vorgesehen.

Beispielsweise über ein als Pulsationsdämpfer wirkendes Gefäß 9 wird die Meßluft von einer Pumpe 10 mit einem der Probenzellenanordnung angemessenen Durchsatz von beispielsweise 0-5 l/min, insbesondere 0,5-1,5 l/min abgesaugt. Anstelle der Pumpenanordnung (9, 10) kann im Falle der Detektion von Brandgasen auch die natürliche Luftbewegung bzw. -strömung oder -diffusion, hervorgerufen durch den Brandherd, zum Transport der Brandemissionen vom Brandherd zum Biosensorsystem ausgenutzt werden.

Die vom Sensormodul 5, 6 erhaltenen Meßsignale werden über vorzugsweise abgeschirmte Zuleitungen 11a an eine Signal- und Meßverarbeitungseinheit 11 weitergeleitet. Das resultierende Signal hängt dabei direkt von der Intensität des detektierten "Brandgeruchs", d. h. von Art und Stärke der Brandemission ab.

Der in Fig. 2 dargestellte Biosensor 5, 6 setzt sich aus einer Halbleiterkomponente, vorzugsweise einem Feldeffekttransistor (FET, z. B. einem MOSFET) einer Insektenantenne 5, z. B. dem intakten Chemorezeptor 5 eines Borkenkäfers, sowie einer Verbindungseinheit, die den elektrischen Kontakt zwischen der Antenne und dem FET bewirkt, zusammen.

Der intakte Chemorezeptor 5 ist am einen Ende über eine Ableitelektrode 3 aus z. B. Glas, Metall, vorzugsweise Ag, Pt oder Ag/AgCl kontaktiert. Am anderen Ende ist sie über einen Flüssig- oder Festkontakt 14, vorzugsweise eine Elektrolytlösung 14, direkt elektrisch in Verbindung mit der Halbleiterkomponente gebracht. Es kann außerdem an diesem Ende eine zusätzliche Referenzelektrode, z. B. aus Ag/AgCl, vorgesehenen sein um auf diese Weise mit der Ableitelektrode 3 am anderen Ende den unmittelbaren Spannungsabfall an der Insektenantenne 5 zu bestimmen.

Die Antenne (intakter Chemorezeptor) 5 wird mechanisch und elektrisch stabil über eine Antennehaltevorrichtung, beispielsweise bestehend aus einer mit einem viskosen Dichtmaterial 12 abgedichteten Sockelplatte 13, durch die die Antenne zum Flüssig- bzw. Festkontakt durchgeführt werden kann, gehalten. Dabei ist es vorteilhaft möglichst weinig Einzelglieder der Insektenantenne in den Elektrolyten zu tauchen, so daß ein möglichst langer Bereich der Antenne 5 zur Detektierung der erwünschten Spurenkomponente der in an die Antenne 5 vorbeiströmenden Meßluft eingesetzt wird. Die Sockelplatte 13 ist direkt und mechanisch stabil mit der Wandung 15 verbunden, die ihrerseits über eine Dichtung 16, z. B. O-Ring gedichtet, direkt mit der Halbleiterkomponente verbunden ist.

Die Halbleiterkomponente, vorzugsweise ein FET-Bauelement setzt sich aus einem Grundsubstrat 21 aus z. B. n- bzw. p-dotiertes Silicium zusammen. Abhängig von der Dotierung dieses Grundmaterials weisen die taschenförmige, zur Ausbildung von Source und Drain vorgesehenen Substratbereiche 18 und 18a eine entgegengesetzte Dotierung auf. Diese Substratbereiche 18 und 18a sind über eine vorzugsweise metallische Kontaktierung 20 sowie einen rückseitigen Kontakt 22 (z. B. Ti/Al, Ti/Pd/Au o.a. leitende Materialien) mit einem festen Träger, z. B. mit dem Leiterplattensubstrat 8, elektrisch passiviert und verkapselt, verbunden. Die Metallisierung 20 kann durch eine Isolatorschicht bzw. -schichtfolge 19 aus SiO&sub2; oder SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4; oder SiO&sub2;/Al&sub2;O&sub3; o. ä. vom Grundsubstrat 22 isoliert, schichtförmig aufgebracht sein.

Anstelle der üblichen Gateelektrode beim FET ist bei dieser Anordnung die Kontaktierung des intakten Chemorezeptors mittels der Elektrolytlösung 14, die gleichzeitig die biologische Nährlösung für die Antenne realisiert. Alternativ zum Elektrolyten wären andere Flüssig- oder auch Festkontakte vorstellbar. In der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Anordnung ist ein flüssigkeitsresistiver Gateisolator 17, z. B. aus SiO&sub2; oder SiO&sub2;/Si&sub3;N&sub4; oder SiO&sub2;/Al&sub2;O&sub3; mit einer Schichtdicke von beispielsweise einigen nm, eingesetzt.

Die direkte Kontaktierung des intakten Chemorezeptors mit der Halbleiterkomponente ermöglicht eine deutliche Verringerung der Störanfälligkeit des Biosensorsystems aufgrund der direkten hochohmigen, rauscharmen Signalverstärkung durch den miniaturisierten, als Signalwandler eingesetzten FET. Dieser direkte Kontakt ermöglicht eine schnelle und schonende, d. h. geringfügig in das Hämolymphesystem der Antenne eingreifende, biologische Präparation, die einerseits eine zuverlässige Signalübertragung zum FET leistet und die andererseits den mit Autolysereaktionen und Ionenverteilungsungleichgewichten verbundenen Eingriff in das biologische Funktionssystem so gering wie möglich hält. Soweit die in den Sensor präparierte Antenne verbraucht ist, kann auf relativ einfache Weise eine neue Antenne an der Stelle der alten präpariert werden. Auf diese Weise ist der übrige Aufbau oftmals wiederverwendbar.

Durch die Entwicklung eines vergleichsweise billigen und robusten Biosensorsystems auf der Basis intakter Chemorezeptoren kann die Detektion von brandspezifischen organischen Emissionen mit hoher Selektivität und Empfindlichkeit durchgeführt werden. Die Kombination des Biosensorsystems mit einem Halbleitersensorsystem verbindet die Vorteile der beiden Verfahren, hohe Nachweisempfindlichkeit und geringe Querempfindlichkeit des Biosensorsystems sowie hohe Standzeit und Betriebssicherheit des Halbleitersensorsystems und auf diese Weise eine verbesserte Brandfrüherkennung ermöglichen. Eine Möglichkeit besteht beispielsweise in der Aktivierung des Biosensorsystems erst bei einem Voralarm durch ein parallel dazu vorhandenes Halbleitersensorsystem.


Anspruch[de]
  1. 1. Biosensor mit zur Detektierung einer oder mehrerer Spurenkomponenten eines Brandes, insbesondere eines Schwelbrandes, vorgesehenem Chemorezeptor (5), insbesondere Insektenantenne (5), dadurch gekennzeichnet, daß der Chemorezeptor (5) mit einer Halbleiterkomponente verbunden ist.
  2. 2. Biosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Chemorezeptor (5) über einen Elektrolyten (14) mit der Halbleiterkomponente verbunden ist.
  3. 3. Biosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Chemorezeptor (5) räumlich direkt und funktionell mit der Halbleiterkomponente verbunden ist.
  4. 4. Biosensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine geringe Zahl an Antennenkettenglieder, insbesondere ein einziges Antennenkettenglied, am einen Ende des Chemorezeptors (5) direkt oder über dem Elektrolyten (14) mit der Halbleiterkomponente verbunden ist.
  5. 5. Biosensor nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Elektrolyt (14) ein Fest- oder Flüssigelektrolyt (14) vorgesehen ist.
  6. 6. Biosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterkomponente eine auf dem Feldeffekt beruhende Halbleiter-Isolatorstruktur, insbesondere ein Permeable Base Transistor (PBT) oder ein FET, vorgesehen ist.
  7. 7. Biosensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Chemorezeptor (5) mit dieser Halbleiter-Isolatorstruktur so verbunden ist, daß er die Gate-Elektrode des PBTs bzw. FETs bildet.
  8. 8. Biosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Chemorezeptor (5) an mehreren Stellen, insbesondere im Falle einer Insektenantenne an mehreren Stellen dieser oder deren Sinneshärchen, mit der Meßelektronik kontaktiert ist und eine weitere Stelle mit der Halbleiterkomponente verbunden ist.






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