Schaltbares Miniatur-Elektrodenarray zur Impedanzanalyse von Flüssigkeiten und Zellkulturen

07.04.2014

Die neu konzipierten dreidimensionalen Mikro-Interdigitalstrukturen dienen im Kontext mit mehreren Projekten dazu, erstens die Leitfähigkeit von Flüssigkeiten und Suspensionen zu messen, um mit der Kombination anderer Analyseverfahren deren Zusammensetzung zu analysieren. Dies ist zum Beispiel für den Einsatz in Biogasanlagen interessant. Zweitens bieten diese schaltbaren Mikro-Interdigitalstrukturen die Möglichkeit, zwischen Suspension und darin befindlichen Zellen zu unterscheiden (gemeinsames Projekt MASTITIS mit dem Institut für Bioprozess- und Analysenmesstechnik e.V. Heiligenstadt). Drittens kann man mit solch einer Anordnung das Zellwachstum von Zellkulturen monitoren. Dies ist z.B. für das Biological Monitoring zur Durchführung von Toxizitätstests interessant.

Der Abstand der realisierten Kammstrukturen liegt zwischen einigen μm bis herab zu etwas über einem μm und die Höhe der Kämme beträgt zwischen 4 und 5 μm. Sie wurden aus hochdotiertem Polysilizium hergestellt. Das Equipment arbeitet bis zu einer Frequenz von einem MHz einwandfrei, ohne dass störende Einflüsse auf die Messung durch die elektronischen Bauteile nachweisbar sind.
Die Anordnung kann erstens wahlweise über vier SMA-Buchsen direkt an ein LCR-Meter angeschlossen werden; alternativ kann die Datenauswertung auch mit einem Chip des Typs AD5933, einem 12-bit-Impedanz-Konverter der Firma Analog Devices, der sich direkt auf der Platine befindet, stattfinden. Mit diesem Chip sind die Messungen zur Zeit bis 100 kHz limitiert. Deshalb soll in nächster Zukunft dafür ein Chip zum Einsatz kommen, welches in einem Frequenzbereich bis 1 MHz arbeitet. Die Chips mit den Interdigitalstrukturen auf der Platine sind einfach zu ersetzen und können auch durch andere Technologien ersetzt werden. Sie befinden sich unter der auf der oberen Abbildung sichtbaren Durchflussklammer aus PEEK, die aber auch optional weggelassen werden kann.

Alternativ können auch Strukturen aus Gold auf Glassubstrat oder Interdigital-Finger aus MoSi2, die zusätzlich mit einer ALD-Schicht aus TiO2 versehen wurden, eingesetzt werden. Interdigitalstrukturen aus Gold  sind eine Standardtechnologie. Die anderen Varianten haben aber gegenüber Gold den Vorteil, dass sie mechanisch robuster sind. Zudem  arbeiten die 3-D-Strukturen in einem wesentlich niedrigeren Frequenzbereich.