EP1252507A2 - Messverfahren und sensorvorrichtung für die chemische und pharmazeutische analytik und synthese - Google Patents

Messverfahren und sensorvorrichtung für die chemische und pharmazeutische analytik und synthese

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Publication number
EP1252507A2
EP1252507A2 EP01902339A EP01902339A EP1252507A2 EP 1252507 A2 EP1252507 A2 EP 1252507A2 EP 01902339 A EP01902339 A EP 01902339A EP 01902339 A EP01902339 A EP 01902339A EP 1252507 A2 EP1252507 A2 EP 1252507A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency
measuring method
measuring
oscillator
measuring cell
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01902339A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dieter Sewald
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Publication of EP1252507A2 publication Critical patent/EP1252507A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3275—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
    • G01N27/3276—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction being a hybridisation with immobilised receptors

Definitions

  • the present invention relates to a measuring method and a sensor device for chemical or pharmaceutical analysis and synthesis.
  • bioelectronic interfaces are currently being sought which can be used to record the time course of a reaction via the effect on an electrical variable, such as current flow or voltage.
  • FIG. 1 shows an overview of known electroanalytical methods.
  • the proposed methods apply principles of electronic measurement technology and are based on the evaluation of classic electronic quantities.
  • the time course of a reaction can be detected via the change in a current, the voltage, an impedance or a capacitance.
  • the sensitivity of the measuring system is always problematic here, i.e. the effect of the chemical biological reaction on the size to be measured is usually very small.
  • Changes in a current flow in the nA range can be detected.
  • the limited dynamic range of such a measurement is closely related to this. If, for example, one wanted to record a course of the reaction via a change in capacitance, this can be of the order of magnitude of the parasitic capacitances of an electrode arrangement. Once these dominate, bioelectronic measurement is no longer possible.
  • reaction takes place in a measuring cell provided with electrodes, and that this measuring cell is used as part of the resonator of an HF oscillator.
  • Characteristic information about the course of this reaction is preferably obtained by evaluating the oscillation frequency of the HF oscillator over the course of a reaction.
  • the frequency change is preferably measured and stored for various known organic substances, and information about the identity of this sample is obtained by comparing the frequency change when measuring an unknown sample with the stored frequency changes.
  • part of the oscillator signal to determine the oscillation frequency via a control path. It is particularly preferred to convert the high-frequency signal into a lower frequency range by means of a mixer circuit in order to simplify the further processing of the signal.
  • the frequency can then be determined, for example, using a frequency-voltage converter or frequency counter.
  • the frequency can also be determined by means of spectral transformation.
  • the spectral transformation can preferably take place by means of a digital signal processor or microprocessor.
  • a measuring method is preferred in particular for genetic engineering applications in which identical DNA or RNA single strands are attached to an inner surface of the measuring cell for a few bases, so that the impedance and thus the resonance of the measuring cell changes when in the Measuring cell introduced sample DNA or RNA with a suitable single strand end is present, since this then hybridizes to the single strands.
  • the distance between the electrodes should be less than 1 ⁇ m, preferably in the order of 0.2 ⁇ m.
  • all high-frequency components for the individual cells are arranged on an integrated circuit. In this way, optimal miniaturization can be achieved.
  • Corresponding integrated circuits can preferably be manufactured using CMOS technology.
  • the object according to the invention is also achieved by a sensor device for chemical or pharmaceutical analysis, in which a measuring cell is provided, in which a reaction takes place, and the measuring cell forms part of a resonator of an HF oscillator.
  • the RF oscillator can be set to different fundamental frequencies. This means that considerably more information can be obtained during the measurement.
  • a control path is preferably connected to the RF oscillator, which is connected to a mixer circuit. On in this way the frequency of the signal to be processed can be reduced to a frequency range which is essentially easier to process.
  • a frequency-voltage converter, a frequency counter or a device for spectral transformation is preferably connected to the mixer circuit.
  • a digital signal processor or a microprocessor can serve as the device for spectral transformation.
  • the device according to the invention can preferably comprise a multiplicity of measuring cells which are integrated microelectronically on a chip. In this way, a large number of samples can be measured simultaneously or a large number of measurements can be carried out simultaneously.
  • the chip is preferably implemented in CMOS technology, since analog high-frequency circuits for this application can easily be implemented in this technology.
  • a few bases long identical DNA or RNA single strands are attached to an inner surface of the measuring cell, so that the impedance and thus the resonance of the measuring cell changes when it is introduced into the measuring cell Sample DNA or RNA with a matching single strand end is present.
  • the distance between the electrodes is preferably less than 1 ⁇ m, more preferably in the order of 0.2 ⁇ m.
  • the invention teaches a large number of measuring cells incl. the corresponding electronic circuits microelectronic on silicon to integrate.
  • a measuring cell essentially consists of a container that can be filled with organic test substances.
  • a suitable electrode structure as a bioelectronic interface is arranged in this container.
  • the design of the integrated electronic circuits depends on the measurement technology chosen.
  • FIG. 2 shows different embodiments of the invention
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram for the electrode structure
  • Figure 4 shows the measurement signal in the course of a molecular reaction
  • FIG. 5 shows the course of the measurement signal for different molecules
  • FIG. 6 shows the structure of a microelectronic integrated measuring cell according to the invention
  • Figure 7 shows an inventive method for electronic
  • FIG. 8 shows an impedance spectroscopic method for detecting the hybridization, the sensor device is shown before the hybridization;
  • Figure 9 shows the device of Figure 8 after hybridization.
  • the shift of a frequency should be evaluated over the course of the process over time.
  • a high-frequency oscillator 1 oscillates at a known frequency f 0 .
  • its oscillation frequency is determined by a frequency-determining element (resonator), which is designed in the usual discrete circuit technology as an LC or RC type.
  • ESB electronic equivalent circuit diagram
  • the topology and dimensioning of the discrete elements of such an ESB is certainly dependent on the selected electrode structure (e.g. interdigital electrode, MOS transistor) and on the analyte to be investigated.
  • Certain circuit elements are fixed in size because they are given by the geometric structure of the measuring cell 10. Others will change their values in the course of a biochemical reaction of the analyte.
  • the measuring cell 10 at the electrode connections 12, 14 can preferably be used as part of the resonator of an HF oscillator 1. If certain ESB elements change during a reaction, this leads to a shift of the
  • characteristic information about a reaction sequence can now be obtained.
  • a conceivable measurement scenario is shown in FIG. 4. Here it is assumed that there are two reactants (molecule A and molecule B) in a measuring cell 10.
  • level differences can be recorded over several decades. A correspondingly high dynamic range can be expected.
  • the quality of such a measurement is essentially limited by the achievable quality of the resonator, which is also determined by the structure of the measuring cell 10 and the analyte.
  • the duration of a biochemical reaction is orders of magnitude longer than the time required for a measurement cycle (the latter is in the ms range). It is therefore advisable to carry out a large number of measurements on different samples in parallel.
  • a measuring principle is proposed for use in biosensor technology, for example chemical or pharmaceutical analysis, which is new in this context.
  • the method is based on the evaluation of the frequency change of a high-frequency oscillator 1 depending on the course of a (bioche- mix) reaction and is well suited for microelectronic implementation.
  • This type of measurement technique allows better results in terms of sensitivity and dynamic range to be expected compared to the known methods.
  • the measuring method according to the invention can initially be implemented as a microelectronic integrated solution, regardless of the choice of a particular technology.
  • a fixed frequency oscillator 1 is required, the oscillation frequency of which is also determined by the electrical properties of a biosensor electrode 2. Part of the oscillator signal is used to determine the oscillation frequency via a control path. In order to enable simple evaluation, the high-frequency signal is converted into a lower frequency range using a mixer circuit 3. The frequency can be determined at this point with a frequency-voltage converter, frequency counter or via spectral transformation (DSP, microprocessor), depending on how exactly or how intelligently such a measuring system should work.
  • DSP spectral transformation

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Abstract

Meßverfahren für die chemische oder pharmazeutische Analytik und Synthese, bei dem der Verlauf einer Reaktion anhand der Frequenzänderung eines Hochfrequenzoszillators erkannt wird und Sensorvorrichtung dafür, die eine Meßzelle (10) umfaßt, in der Reaktion abläuft, und wobei die Meßzelle einen Teil eines Resonators eines HF-Oszillators (1) bildet.

Description

Beschreibung
Meßverfahren und Sensorvorrichtung für die chemische und pharmazeutische Analytik und Synthese
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Meßverfahren und eine Sensorvorrichtung für die chemische oder pharmazeutische Analytik und Synthese.
In der chemischen und pharmazeutischen Industrie zeichnet sich für die Zukunft ein zunehmendes Interesse ab, Forschungsschwerpunkte auf einem Gebiet der Bioelektronik zu setzen, auf dem eine Synergie zwischen der organischen Analytik und der elektronischen Meßtechnik möglich scheint. Ein konkretes Ziel ist dabei, nicht wie bisher durch strategische Synthese nach verwertbaren Substanzen und Wirkstoffen zu suchen, indem man aus einer zunächst unüberschaubaren Menge an möglichen Reaktionen zwischen unterschiedlichsten Molekülen durch taktisches Vorgehen zu einer verwertbaren Substanz kommt, da dieser Weg in der Regel sehr zeitaufwendig ist. Vielmehr möchte man nach dem "trial & error"-Prinzip möglichst zahlreiche Kombinationen von Molekülen auf potentielle Reaktionsmechanismen untersuchen, also in kürzester Zeit Aussagen treffen können, ob Molekül A mit Molekül B reagiert hat, wie hoch die Ausbeute der Reaktion ist oder einfach nur ob eine Substanz ausschließlich aus Molekül A oder Molekül B besteht.
Es wird daher derzeit nach bioelektronischen Schnittstellen gesucht, mit denen der zeitliche Verlauf einer Reaktion über die Wirkung auf eine elektrische Größe wie etwa Stromfluß oder Spannung erfaßt werden kann.
Der klassische Weg in dieser Industriebranche war bisher die zielgerichtete Suche nach einem bestimmten Wirkstoff. Gut ausgebildete Mitarbeiter versuchen durch ihren Wissensstand Substanzen mit den gewünschten Eigenschaften über eine Aus- wähl potentieller Reaktionspartner zu synthetisieren und anschließend die Reaktionsprodukte zu analysieren.
Da ein solcher Vorgang bis zum Erfolg sehr viel Zeit in An- spruch nimmt und damit auch nie alle Möglichkeiten abgedeckt werden können, besteht ein Interesse, zu automatisierten Verfahren überzugehen. Aus diesem Hintergrund werden zum einen geeignete bioelektronische Interfacestrukturen erforscht, zu anderen befaßt man sich aber auch noch mit grundsätzlichen Fragen zu einer geeigneten Meßtechnik.
In Fig. 1 ist dazu eine Übersicht von bekannten elektroanaly- tischen Verfahren dargestellt. Die vorgeschlagenen Methoden wenden Prinzipien der elektronischen Meßtechnik an und beru- hen auf der Auswertung von klassischen elektronischen Größen. Dazu soll z.B. der zeitliche Verlauf einer Reaktion über die Änderung eines Stroms, der Spannung, einer Impedanz oder einer Kapazität erfaßt werden.
Grundsätzlich ist hier in jedem Fall die Empfindlichkeit des Meßsystems problematisch, d.h. die Wirkung der chemischen biologischen Reaktion auf die zu messende Größe ist in der Regel sehr gering. So müssen z.B. Änderungen eines Stromflusses im nA-Bereich erfaßt werden. Im engen Zusammenhang damit steht auch der begrenzte Dynamikbereich einer solchen Messung. Wollte man etwa einen Reaktionsverlauf über eine Kapazitätsänderung erfassen, so kann sich diese in der Größenordnung der parasitären Kapazitäten einer Elektrodenanordnung bewegen. Sobald diese dominieren, ist eine bioelektronische Messung nicht mehr möglich.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Meßverfahren und eine Sensorvorrichtung für die chemische oder pharmazeutische Analytik anzugeben, welches eine wesentlich höhere Empfindlichkeit aufweist. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Verlauf einer Reaktion anhand der Frequenzänderung eines Hochfrequenzoszillators erkannt wird.
Es ist dabei bevorzugt, daß die Reaktion in einer mit Elek- troden versehenen Meßzelle abläuft, und diese Meßzelle als Teil des Resonators eines HF-Oszillators eingesetzt wird.
Vorzugsweise wird dabei durch die Auswertung der Schwingfrequenz des HF-Oszillators im zeitlichen Verlauf einer Reaktion charakteristische Information über den Ablauf dieser Reaktion gewonnen.
Vorzugsweise wird die Frequenzänderung für verschiedene bekannte organische Stoffe gemessen und gespeichert und durch Vergleich der Frequenzänderung bei Messung einer unbekannten Probe mit den gespeicherten Frequenzänderungen Informationen über die Identität dieser Probe gewonnen.
Es ist dabei besonders bevorzugt, die Frequenzänderung bei der gleichen Reaktion bzw. bei der gleichen Probe ausgehend von verschiedenen Grundfrequenzen (f0) zu bestimmen, da auf diese Weise mit nur geringfügig größerem Aufwand erheblich mehr Information über die Reaktion bzw. die Probe gewonnen werden kann.
Es ist dabei besonders bevorzugt, über einen Kontrollpfad ein Teil des Oszillatorsignals zur Bestimmung der Schwingfrequenz zu verwenden. Besonders bevorzugt ist es, das Hochfrequenzsignal mittels einer Mischerschaltung in eine tiefere Frequenz- läge umzusetzen, um die Weiterverarbeitung des Signals zu vereinfachen.
Die Frequenz kann dann beispielsweise mittels eines Frequenz- Spannungs-Umsetzers oder Frequenzzählers bestimmt werden.
Ebenso kann die Frequenz mittels Spektraltransformation bestimmt werden. Die Spektraltransformation kann dabei vorzugsweise mittels eines digitalen Signalprozessors oder Mikroprozessors erfolgen.
Insbesondere für gentechnische Anwendungen ist ein Meßverfahren bevorzugt, bei dem an einer inneren Oberfläche der Meßzelle einige Basen lange identische DNA- oder RNA-Einzel- stränge angebracht werden, so daß sich die Impedanz und damit die Resonanz der Meßzelle ändert, wenn in der in die Meßzelle eingebrachten Probe DNA oder RNA mit einem passenden Einzelstrangende vorhanden ist, da dieses dann an die Einzelstränge hybridisiert.
Der Abstand der Elektroden sollte kleiner 1 um, vorzugsweise in der Größenordnung von 0,2 um gewählt werden.
Es ist dabei besonders bevorzugt, daß alle Hochfrequenzkomponenten für die Einzelzellen auf einem integrierten Schalt- kreis angeordnet werden. Auf diese Weise läßt sich eine optimale Miniaturisierung erzielen.
Entsprechende integrierte Schaltkreise können vorzugsweise in CMOS-Technologie gefertigt werden.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenso durch eine Sensorvorrichtung für die chemische oder pharmazeutische Analytik gelöst, bei der eine Meßzelle vorgesehen ist, in der eine Reaktion abläuft, und die Meßzelle einen Teil eines Resonators eines HF-Oszillators bildet.
Es ist dabei besonders bevorzugt, daß der HF-Oszillator auf verschiedene Grundfrequenzen einstellbar ist. Dadurch läßt sich bei der Messung wesentlich mehr Information gewinnen.
Vorzugsweise ist ein Kontrollpfad an den HF-Oszillator angeschlossen, der mit einer Mischerschaltung verbunden ist. Auf diese Weise kann die Frequenz des weiter zu verarbeitenden Signals in einen Frequenzbereich herabgesetzt werden, der im wesentlichen leichter zu verarbeiten ist.
An die Mischerschaltung ist vorzugsweise ein Frequenz- Spannungs-Umsetzer, ein Frequenzzähler oder eine Vorrichtung zur Spektraltransformation angeschlossen.
Als Vorrichtung zur Spektraltransformation kann beispielswei- se ein digitaler Signalprozessor oder ein Mikroprozessor dienen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorzugsweise eine Vielzahl von Meßzellen umfassen, die mikroelektronisch auf einem Chip integriert sind. Auf diese Weise lassen sich eine Vielzahl von Proben gleichzeitig messen oder eine Vielzahl von Messungen gleichzeitig durchführten. Vorzugsweise wird der Chip in CMOS-Technologie ausgeführt, da analoge Hochfrequenzschaltungen für diese Anwendung in dieser Technologie leicht realisiert werden können.
Zur Anwendung in der Gentechnik ist es besonders bevorzugt, daß an einer inneren Oberfläche der Meßzelle einige Basen lange identische DNA- oder RNA-Einzelstränge angebracht sind, so daß sich die Impedanz und damit die Resonanz der Meßzelle ändert, wenn in der in die Meßzelle eingebrachten Probe DNA oder RNA mit einem passenden Einzelstrangende vorhanden ist.
Der Abstand der Elektroden liegt vorzugsweise unter lum, bes- ser noch in der Größenordnung von 0,2 um.
Die an die Thematik geknüpften Rahmenbedingungen lassen großes Anwendungspotential für eine mikroelektronische Lösung vermuten: Um eine automatisierte Analytik im großtechnischen Stil und in kürzester Zeit durchführen zu können, lehrt die Erfindung eine Vielzahl von Meßzellen incl . den entsprechenden elektronischen Schaltungen mikroelektronisch auf Silizium zu integrieren. Eine solche Meßzelle besteht im wesentlichen aus einem Behälter, der mit organischen Testsubstanzen gefüllt werden kann. In diesem Behälter ist eine geeignete Elektrodenstruktur als bioelektronische Schnittstelle ange- ordnet. Die Ausführung der integrierten elektronischen Schaltungen ist abhängig von dem gewählten meßtechnischen Verfahren.
Die vorliegende Erfindung soll im folgenden anhand des mit Hilfe der Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt werden. Es zeigt:
Figur 1 eine Übersicht über die elektroanalytischen Verfahren gemäß dem Stand der Technik;
Figur 2 verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Sensorvorrichtung;
Figur 3 ein Ersatzschaltbild für die Elektrodenstruktur;
Figur 4 das Meßsignal im Verlauf einer Molekülreaktion;
Figur 5 den Verlauf des Meßsignals für verschiedene Moleküle;
Figur 6 den Aufbau einer erfindungsgemäßen mikroelektronisch integrierten Meßzelle;
Figur 7 ein erfindungsgemäßes Verfahren zur elektronischen
Erkennung einer Hybridisierung;
Figur 8 ein impedanzspektroskopisches Verfahren zur Erkennung der Hybridisierung, gezeigt ist die Sensorvorrichtung vor der Hybridisierung; und
Figur 9 zeigt die Vorrichtung der Figur 8 nach der Hybridisierung. Als erfindungsgemäße Möglichkeit, einen biochemischen Vorgang zu analysieren, soll die Verschiebung einer Frequenz über den zeitlichen Verlauf des Vorgangs ausgewertet werden.
Mit Hilfe von Fig. 2 soll das Funktionsprinzip erklärt werden:
Ein Hochfrequenzoszillator 1 schwingt auf einer bekannten Frequenz f0. Seine Schwingfrequenz wird in jedem Fall festge- legt durch ein frequenzbestimmendes Element (Resonator) , das in der üblichen diskreten Schaltungstechnik als LC- oder RC- Typ ausgelegt ist.
Die Anordnung einer biochemischen Meßzelle 10 läßt sich nun durch ein elektronisches Ersatzschaltbild (ESB) beschreiben, wie es in einer einfachen Form in Fig. 3 exemplarisch gezeigt ist. Die Topologie und Dimensionierung der diskreten Elemente eines solchen ESB ist sicherlich abhängig von der gewählten Elektrodenstruktur (z.B. Interdigitalelektrode, MOS-Tran- sistor) und vom Analyten, der untersucht werden soll. Dabei sind bestimmte Schaltungselemente in ihrer Größe festgelegt, da sie durch den geometrischen Aufbau der Meßzelle 10 gegeben sind. Andere werden ihre Werte im Verlauf einer biochemischen Reaktion des Analyten ändern.
Anstelle der direkten Auswertung sich ändernder Größen wie R und C kann die Meßzelle 10 an den Elektrodenanschlüssen 12, 14 vorzugsweise als Teil des Resonators eines HF-Oszillators 1 eingesetzt werden. Ändern sich während einer Reaktion be- stimmte ESB-Elemente, führt dies zu einer Verschiebung der
Schwingfrequenz des Oszillators 1. Bereits sehr kleine Änderungen können dabei relativ große Frequenzverstimmungen bewirken. Durch die Auswertung der Schwingfrequenz im zeitlichen Verlauf einer Reaktion können nun charakteristische In- formationen über einen Reaktionsablauf gewonnen werden. Ein denkbares Meßszenario ist in Fig. 4 gezeigt. Hier wird angenommen, es befinden sich zwei Reaktanten (Molekül A und Molekül B) in einer Meßzelle 10.
Zum Zeitpunkt t=0 hat noch keine Reaktion stattgefunden, der HF-Oszillator 1 schwingt auf einer Frequenz f0. Im Verlauf der Reaktion verschiebt sich die Resonanz der Meßzelle 10 und damit die Oszillatorfrequenz zu fϊ f bis schließlich ein gesättigter Zustand eintritt. Über die Höhe der Frequenzver- Schiebung sind nun Aussagen über die Ausbeute der Reaktion möglich bzw. ob überhaupt eine Reaktion stattgefunden hat. Wenn sich nämlich überhaupt keine Frequenzänderung ergibt, ist festzustellen, daß keine Reaktion stattgefunden hat.
Ferner ist es möglich, falls die Oszillatorresonanzfrequenzen für verschiedene organische Substanzen bekannt sind, einzelne unbekannte Proben innerhalb eines Meßzyklus zu identifizieren.
Durch Anwendung der Hochfrequenzmeßtechnik können Pegelunterschiede über mehrere Dekaden erfaßt werden. Ein entsprechend hoher Dynamikbereich ist zu erwarten. Die Qualität einer solchen Messung ist im wesentlichen durch die erreichbare Güte des Resonators begrenzt, die durch den Aufbau der Meßzelle 10 und den Analyten mitbestimmt wird.
Die Dauer einer biochemischen Reaktion ist in den meisten Fällen um Größenordnungen höher als die benötigte Zeit für einen Meßzyklus (letzterer liegt im ms-Bereich) . Es bietet sich somit an, eine Vielzahl von Messungen an verschiedenen Proben parallel durchzuführen.
Erfindungsgemäß wird zur Anwendung in der Biosensorik, z.B. der chemischen oder pharmazeutischen Analytik, ein Meßprinzip vorgeschlagen, das in diesem Zusammenhang neu ist. Das Verfahren beruht auf der Auswertung der Frequenzänderung eines Hochfrequenzoszillators 1 abhängig vom Verlauf einer (bioche- mischen) Reaktion und ist für eine mikroelektronische Realisierung gut geeignet. Diese Art der Meßtechnik läßt gegenüber den bekannten Verfahren bessere Resultate bezüglich Empfindlichkeit und Dynamikbereich erwarten.
Das erfindungsgemäße Meßverfahren kann zunächst unabhängig von der Wahl einer bestimmten Technologie als mikroelektronisch integrierte Lösung umgesetzt werden.
Die Forderung nach hoher Integrationsdichte bei niedrigen Kosten und die Tatsache, daß analoge Hochfrequenzschaltungen "on Chip" untergebracht sind, bedeutet geringen Aufwand und leichte Handhabung der Meßtechnik. Benötigt werden ein Festfrequenzoszillator 1, dessen Schwingfrequenz durch die elek- trischen Eigenschaften einer Biosensorelektrode 2 mitbestimmt wird. Über einen Kontrollpfad wird ein Teil des Oszillatorsignals zur Bestimmung der Schwingfrequenz verwendet. Um eine einfache Auswertung zu ermöglichen, wird mit einer Mischerschaltung 3 das Hochfrequenzsignal in eine tiefere Frequenz- läge umgesetzt. Die Frequenz kann an dieser Stelle mit einem Frequenz-Spannungs-Umsetzer, Frequenzzähler oder über Spektraltransformation (DSP, Mikroprozessor) bestimmt werden, abhängig davon, wie genau bzw. wie intelligent ein solches Meßsystem arbeiten soll.
Es ist denkbar, eine Vielzahl solcher Einzelheiten mikroelektronisch zu integrieren, um Messungen im großtechnischen Stil durchführen zu können.

Claims

Patentansprüche
1. Meßverfahren für die chemische oder pharmazeutische Analytik und Synthese, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Verlauf einer Reaktion anhand der Frequenzänderung eines Hochfrequenzoszillators erkannt wird.
2. Meßverfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß die Reaktion in einer mit Elektroden versehenen Meßzelle abläuft, und diese Meßzelle als Teil des Resonators eines HF-Oszillators eingesetzt wird.
3. Meßverfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß durch die Auswertung der Schwingfrequenz des HF-Oszillators im zeitlichen Verlauf einer Reaktion charakteristische Informationen über den Ablauf dieser Reakion gewonnen werden.
4. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a- d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Frequenzänderungen für verschiedene bekannte organische Stoffe gemessen und gespeichert werden, und durch Vergleich der Frequenzänderung bei Messung einer unbekannten Probe mit den gespeicherten Frequenzänderungen Informationen über die Identität die- ser Probe gewonnen werden.
5. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Frequenzänderung bei der gleichen Reaktion bzw. bei der gleichen Probe ausgehend von verschiedenen Grundfrequenzen (f0) bestimmt wird.
6. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a- d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß über einen Kon- trollpfad ein Teil des Oszillatorsignals zur Bestimmung der Schwingfrequenz verwendet wird.
7. Meßverfahren nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß das Hochfrequenzsignal mittels einer Mischerschaltung (3) in eine tiefere Frequenzlage umgesetzt wird.
8. Meßverfahren nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß die Frequenz mittels eines Frequenz-Spannungs-Umsetzers oder Frequenzzählers bestimmt wird.
9. Meßverfahren nach Anspruch 6 oder 7, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß die Frequenz mittels Spektraltransformation bestimmt wird.
10. Meßverfahren nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n- z e i c h n e t, daß die Spektraltransformation mittels eines digitalen Signalprozessors (DSP) oder Mikroprozessors erfolgt.
11. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, d a- d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß an einer inneren Oberfläche der Meßzelle einige Basen lange identische DNA- oder RNA-Einzelstränge angebracht werden, so daß sich die Impedanz und damit die Resonanz der Meßzelle ändert, wenn in der in die Meßzelle eingebrachten Probe DNA oder RNA mit ei- nem passenden Einzelstrangende vorhanden ist, da dieses dann an die Einzelstränge hybridisiert.
12. Meßverfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß der Abstand der Elektroden klei- ner lμm, vorzugsweise in der Größenordnung von 0,2μm gewählt wird.
13. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a- d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß alle Hochfre- quenzkomponenten für die Einzelzellen auf einem integrierten Schaltkreis angeordnet werden.
14. Meßverfahren nach Anspruch 13, d a d u r c h g ek e n n z e i c h n e t, daß der integrierte Schaltkreis in CMOS-Technologie gefertigt wird.
15. Sensorvorrichtung für die chemische oder pharmazeutische Analytik und Synthese, d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, daß sie eine Meßzelle (10) umfaßt, in der eine Reaktion abläuft, und die Meßzelle (10) einen Teil eines Resonators eines HF-Oszillators (1) bildet.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der HF-Oszillator (1) auf verschiedene Grundfrequenzen (fo) einstellbar ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e , daß ein Kontrollpfad an den HF- Oszillator (1) angeschlossen ist, der mit einer Mischerschaltung (3) verbunden ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß an die Mischerschaltung (3) ein Frequenz-Spannungs-Umsetzer, ein Frequenzzähler oder eine Vorrichtung zur Spektraltransformation angeschlossen ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß als Vorrichtung zur Spektraltransformation ein digitaler Signalprozessor oder ein Mikroprozessor dient.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, d a- d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sie eine Vielzahl von Meßzellen (10) umfaßt, die mikroelektronisch auf einem Chip integriert sind.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß sie in CMOS-Technologie ausgeführt ist.
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, d a- d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß an einer inneren Oberfläche der Meßzelle (10) einige Basen lange identische DNA- oder RNA-Einzelstränge angebracht sind, so daß sich die Impedanz und damit die Resonanz der Meßzelle (10) ändert, wenn in der in die Meßzelle eingebrachten Probe DNA oder RNA mit einem passenden Einzelstrangende vorhanden ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, d a- d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Abstand der Elektroden kleiner 1 um ist, vorzugsweise in der Größenordnung von 0,2 um liegt.
EP01902339A 2000-01-21 2001-01-19 Messverfahren und sensorvorrichtung für die chemische und pharmazeutische analytik und synthese Withdrawn EP1252507A2 (de)

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