WO2003102602A2 - Dna-sensoranordnung und verfahren zur impedanzmessung an einer dna sensoranordnung - Google Patents

Dna-sensoranordnung und verfahren zur impedanzmessung an einer dna sensoranordnung Download PDF

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Christian Paulus
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    • 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

  • FIG. 1 shows a sensor arrangement 100 known from the prior art, in which a multiplicity of sensor fields 102 are arranged in a matrix on a chip 101.
  • the sensor fields 102 are arranged in N columns and in M rows, that is to say at NxM positions, with different capture molecules being immobilized on each sensor field.
  • FIGS. 2A to 2F each show a schematic cross-sectional view of one of the sensor fields 102 shown in FIG.
  • a first sensor field 200 is shown in FIGS. 2A to 2A
  • a second sensor field 201 is shown in FIGS. 2D to 2D
  • the different representations of the first sensor field 200 being shown in FIGS. 2A to FIG. 2C correspond to three different operating states; analogously, the representations in FIGS. 2D to FIG. 2F correspond to three different operating states of the second sensor field 201.
  • Each of the sensor fields 200, 201 has a sensor electrode 202 which is integrated in the chip 101.
  • First catcher molecules 203 are immobilized on the sensor electrode 202 of the first sensor field 200, the first catcher molecules 203 being DNA half-strands.
  • Capture molecules 204 which are different from the first capture molecules 203, are immobilized.
  • 2A, 2D show the first sensor field 200 and the second sensor field 201 in an operating state in which the sensor arrangement 100 is free of potential binding partners (e.g. DNA half-strands).
  • potential binding partners e.g. DNA half-strands
  • an analyte 205 is first applied to all sensor fields 102 of the sensor arrangement 100 and therefore also to the sensor fields 200, 201 brought, ie the entire sensor arrangement 100 is flooded with the analyte 205 to be examined.
  • This operating state of the first sensor field 200 is shown in FIG. 2B and of the second sensor field 201 in FIG. 2E.
  • first catcher molecules 203 match according to the key-lock principle with (semi-stranded) DNA molecules present in the analyte 205, namely with the particles 206 to be detected, hybridization takes place, ie a connection of the respective DNA molecules 206 to the complementary first capture molecules 203 of the first sensor field 200 (see FIG. 2B). Since the second capture molecules 204 do not match due to their base sequence with the particles 206 to be detected (see FIG. 2E), no hybridization takes place.
  • the analyte 205 is removed from the sensor arrangement 100. Furthermore, a rinsing solution 207 is applied to the sensor arrangement 100. As a result, the particles 206 to be detected, which are hybridized with the first catcher molecules 206, remain on the first sensor field 200, whereas only the second catcher molecules 204, but not the particles 206 to be detected, remain on the second sensor field 201.
  • a fluorescence marker (“label”) is attached to the DNA strands present in the analytes. If the entire sensor arrangement 100 is now irradiated with electromagnetic radiation (for example light) after a hybridization process and a further rinsing step, it can be determined on the basis of the knowledge of the location of the respective catcher molecules 203, 204 which sensor fields have undergone hybridization (first sensor field 200) and which sensor fields are not (second sensor field 201). Based on the exact knowledge of the capture molecules 203, 204 used, the presence or absence of certain particles to be detected in the analyte to be examined can be concluded with a high selectivity.
  • the optical methods have the disadvantage that a complex and cost-intensive optical system is required for evaluation. This complicates the use of such optical systems in medical practices, for example.
  • a hybridization event that has occurred can be detected using an electrical method.
  • Interdigital electrode arrangement 300 is shown, in FIG. 3B a cross-sectional view is shown along the section line I-I 'shown in FIG. 3A.
  • the interdigital electrode arrangement 300 contains periodic, side-by-side electrode components of the electrode structures 302, 303.
  • a first partial region 304 of the interdigital electrode arrangement 300 is described with reference to FIGS. 4A, 4B.
  • the first partial area 304 is shown in FIG.
  • Capture molecules 400 are immobilized on the electrode structures 302, 302, respectively.
  • Electrode structures 302, 302 are preferably used in gold material, so that the immobilization of the capture molecules 400 is realized using the particularly advantageous gold-sulfur coupling known from biochemistry, for example by including a thiol end group (SH group) of the capture molecules 400 the gold electrodes 302, 303 is chemically coupled.
  • SH group thiol end group
  • the sensor electrodes 302, 303 there is an electrolytic analyte 401 to be examined during the active sensor operation, which in turn is to be examined for the presence of particles 402 to be detected (for example certain DNA molecules).
  • particles 402 to be detected for example certain DNA molecules.
  • Hybridization that is, a connection of DNA strands 402
  • the catcher molecules 400 only occur when the catcher molecules 400 and the DNA strands 402 match one another in accordance with the key-lock principle (cf. FIG. 4B). If this is not the case, no hybridization takes place.
  • the specificity of the sensor is therefore derived from the specificity of the capture molecules 400.
  • the electrical parameter that is evaluated in this measurement is the impedance 403 between the electrodes 302, 303, which is shown schematically in FIGS. 4A, 4B.
  • the value of the impedance changes, since the DNA particles 402 to be detected and the capture molecules 400 are made of a material that has electrical properties that differ from the material of the electrolyte and, after the hybridization, the electrolyte from which the electrodes 302 are made , 303 surrounding volume is displaced.
  • FIG. 5 shows a second partial area 305 of the interdigital electrode arrangement 300 in one
  • Electrode structures 302, 303 is sufficient. Furthermore, in FIG. 5, a covering area 502 is schematically shown for each of the electrode structures 302, 303, which represents the capture molecules immobilized on the electrode structures 301, 302 and particles to be detected that may be hybridized with them. It can be clearly understood from the illustration shown in FIG. 5 that the course of the Field lines 500 are significantly influenced due to a hybridization event, since the physico-chemical properties, in particular of the coverage area 502, are changed.
  • capture molecules can be provided in regions between electrodes 302, 303. In the event of hybridization events between capture molecules attached in areas between the electrodes and particles to be detected, the electrical properties of the electrodes in turn change.
  • FIG. 1 A simplified equivalent circuit diagram is shown schematically in FIG.
  • the equivalent circuit diagram 600 shows a variable first capacitance
  • variable first ohmic resistor 602 R M is connected in parallel with this.
  • the components 601, 602 clearly represent the electrical properties of the surrounding area of the first electrode structure 302.
  • a variable second capacitance 603 C E and a variable second ohmic resistor 604 R E connected in parallel are shown, which represent the electrical properties of the analyte 401.
  • a variable third capacitance 605 C M which represents the electrical properties of the surrounding area of the second electrode structure 303, and a variable third ohmic resistor 606 R M connected to this are shown.
  • the parallel connection of components 601, 602, the parallel connection of components 603, 604 and the parallel connection of components 605, 606 are connected in series.
  • Components 601 to 606 are shown variably in order to clarify that their values change as a result of a sensor event.
  • an alternating voltage V char is applied to one of the electrodes 302, 303, as shown in the equivalent circuit diagram 700 of the first partial region 304 shown in FIG. 7A.
  • the AC voltage V char is provided using an AC voltage source 702.
  • the current I mess flowing through the arrangement is recorded using the ammeter 701.
  • the components 701, 702 are connected in series with one another and are connected between the parallel connection of components 605, 606 and the electrical ground potential 703.
  • the alternating current signal I mess resulting at the electrodes 302, 303 is evaluated together with the applied alternating voltage V C a r in order to determine the impedance.
  • a signal that is to say an electrical voltage, can also be applied to both electrodes 302, 303, the signals then being in opposite phase.
  • the version of a simplified equivalent circuit diagram 710 shown in FIG. 7B differs from the equivalent circuit diagram 700 shown in FIG. 7A in that the elements C M 601, 605 and R M 602, 606 form a first effective capacitance 711 and a first, respectively effective ohmic resistance 712 are summarized.
  • the distance between the electrodes 302, 303 to one another is typically in the sub- ⁇ m range. According to the
  • Interdigital electrode arrangement 300 a multiplicity of electrode components (clearly fingers) of the electrode structures 302 and 303 are arranged in parallel. Circular arrangements are used in [3] to [6] for reasons of fluidics. The external dimensions or the diameter of such individual sensors are in the range of several hundred ⁇ m down to the single-digit mm range.
  • the exciting alternating voltage V char it should be noted that its effective mean or its Peak value should not exceed a certain maximum value. If such a maximum value is exceeded, the bio- or electrochemical framework conditions which enable the operation of such sensors are violated. If the electrode potential (which is related to the electrical potential of the electrolyte) exceeds an upper threshold value, certain substances in an area surrounding an electrode can be oxidized. If the electrical potential (which is related to the electrical potential of the electrolyte) falls below a lower threshold, substances are reduced there. Undesired oxidation or reduction can lead, among other things, to the breaking of the chemical bonds that are formed during immobilization and hybridization.
  • electrolysis can be used on the sensor electrodes, so that the electrolysis products bring the chemical environment required for the operation of the sensors out of balance and lead to gas formation.
  • the absolute values of the critical potentials depend on the composition and the concentration ratio and the chemical environment of the electrodes (for example immobilization layer, analyte, etc.).
  • Typical values for the exciting voltage are in the range of a few 10mV up to a maximum of 100mV. This is an important framework for the operation of such sensors, since the resulting measurement signal (current strength I meS s) is approximately directly proportional to the applied voltage with regard to its size.
  • Electrode used for the detection of a species that is, for the immobilization of capture molecules and for Hybridize with particles to be detected. Furthermore, an AC voltage signal is applied directly to an electrically conductive analyte. With these methods, the application of the AC voltage and the additional application of a DC offset, which may be necessary, takes place at
  • a so-called counter or reference electrode which achieves a low-resistance electrical coupling with the electrolyte that is always defined under changing electrochemical conditions and has constant electrical coupling in its electrical properties.
  • a reference electrode is usually made of a different material (for example silver / silver chloride) than the electrodes that are used to immobilize the capture molecules and are therefore often made of gold material. The use of different materials results from the different electrochemical requirements for the two electrode materials.
  • FIG. 8A, 8B show a sensor arrangement 800 according to this second approach.
  • Fig . ⁇ A shows a top view of the
  • a plurality of sensor fields 802 and a common one are on a silicon substrate 801
  • Reference electrode 803 arranged.
  • An active area 805 is provided on the surface of each sensor field 802, on which capture molecules are immobilized, for hybridization with complementary particles to be detected.
  • An analyte 804 is filled into the sensor arrangement 800.
  • Arrangement 800 uses a silicon substrate 801, however, the electrical properties of the silicon are not used to form a powerful integrated electronics therein.
  • FIG. 10 A further equivalent circuit diagram 1000 of the partial area 806 of the sensor arrangement 800 is also shown in FIG. In addition to the components shown in FIG. 9, this shows an AC voltage source 1002, by means of which an AC voltage can be applied, and shows an ammeter 1001 for detecting a measuring current I mess .
  • the components 1001, 1002 connected in parallel are connected between the electrical ground potential 1003 and the parallel connection of components 903, 904.
  • the use of the sensor arrangement 800 is disadvantageous, since the counter electrode 803 can only be provided in a very complicated manner or not at all in a miniaturized form. It is often implemented using a chlorinated silver tube.
  • the magnitude and phase of the impedance can be measured as a function of the exciting frequency, so that ideally all parameters can be determined from the resulting Bode diagram.
  • this procedure is very complex.
  • Equation (4) clearly shows that the imaginary part of the current determined by means of the lock-in method depends linearly on the sensor capacitance C M.
  • the invention is based on the problem of providing a sensor arrangement according to the impedance method, in which even signals with small amplitudes can be detected and evaluated with sufficient certainty, and in which the use of a label is unnecessary.
  • [11] discloses a sensor for an analyte with a working electrode arrangement which has a microelectrode arrangement. Each microelectrode is provided with a layer of a redox-state-dependent conductive organic polymer.
  • [12] discloses a method for identifying and / or analyzing biological substances contained in a conductive solution.
  • the sensor arrangement also contains a detection device, which is set up in such a way that, in a first operating state in which a reference liquid is introduced into the sensor arrangement, a reference value of an electrical signal which changes over time and / or from the second time-variable electrical signal resulting third time-variable electrical signal is detected at the selected sensor electrode.
  • a second operating state in which an analyte which may have particles to be detected is introduced into the sensor arrangement, a sensor value of a third time-varying electrical signal resulting from the first time-varying electrical signal and / or from the second time-changing electrical signal is applied of the selected sensor electrode.
  • An evaluation circuit of the sensor arrangement is set up in such a way that it determines, based on the reference value and the sensor value, whether a hybridization event has occurred at the selected sensor electrode. Furthermore, a method for operating a sensor arrangement having the above-mentioned features is provided according to the invention. According to the method, a first electrical signal is applied to a selected sensor electrode and a second electrical signal is applied simultaneously to at least two of the other sensor electrodes, the first electrical signal being a first time-variable electrical signal and / or the second electrical signal is a second time-varying electrical signal.
  • a reference value of a third time-varying electrical signal resulting from the first time-varying electrical signal and / or from the second time-changing electrical signal is applied to the selected sensor electrode detected.
  • a sensor value of a third time-changing electrical signal resulting from the first time-changing electrical signal and / or from the second time-changing electrical signal a selected sensor electrode.
  • a basic idea of the invention is to be seen in the fact that a sensor arrangement with a plurality of sensor electrodes is provided on a substrate.
  • an alternating electrical signal for example an alternating voltage or an alternating current
  • an electrical current is applied to a selected one of the electrodes, and it becomes a result of the first alternating signal second alternating signal (an electrical current or an electrical voltage). Since the value of the impedance, in particular the value of the capacitance, changes characteristically between the selected sensor electrode and at least some of the other sensor electrodes as a result of a sensor event, the value of the impedance, in particular the value of the capacitance, changes characteristically between the selected sensor electrode and at least some of the other sensor electrodes as a result of a sensor event, the
  • Change of the second alternating signal to the occurrence of a hybridization event or another sensor event can be concluded.
  • At least two of the unselected sensor electrodes are brought to an electrical reference potential.
  • a signal antiphase to the potential of the selected sensor electrode can also be applied to the other sensor electrodes.
  • an alternating voltage is preferably applied to this selected sensor electrode, and an alternating current resulting from the alternating voltage is detected on this sensor electrode.
  • An electrical ground potential or a reference voltage is applied to at least two of the other electrodes.
  • the DC voltage mean value of the Electrode applied AC voltage are used, that is, the time-averaged value of the AC voltage.
  • the sensor arrangement can also be set up in such a way that it is determined for each selected sensor electrode in what quantity hybridization events have occurred on the selected sensor electrode.
  • the sensor arrangement according to the invention can therefore be used for both qualitative and quantitative analyzes.
  • the sensor electrode is preferably square, rectangular, circular, elliptical, honeycomb or octagonal.
  • the sensor electrode can also be composed of a plurality of non-contiguous areas (clearly segments), the individual areas of a sensor electrode preferably being occupied by the same capture molecules and being electrically coupled.
  • the senor arrangement can be set up as an integrated circuit, which in particular allows the advantages of silicon microtechnology to be used.
  • Time dependence of the third time-varying electrical signal can be a mathematical sine function (or cosine function), a rectangle function, a sawtooth function, a triangle function or a jump function. It is important that the first or the second time-varying electrical signal is variable over time.
  • Is reference potential In other words, a time-varying electrical signal (e.g. an alternating voltage) can be applied to the selected sensor electrode, whereas a constant electrical potential can be applied to at least two of the other sensor electrodes.
  • a time-varying electrical signal e.g. an alternating voltage
  • the first electrical signal can be a first time-varying electrical signal and the second electrical signal can be a second time-changing electrical signal, the first and the second time-changing electrical signals being in phase opposition to one another.
  • a respective AC voltage can be applied to all sensor electrodes, with the AC voltage at the selected sensor electrode being the same as the AC voltage on the other sensor electrodes (or at least part of them) is out of phase.
  • the reference liquid can be a liquid other than the analyte and can be free of particles to be detected.
  • a reference liquid free of particles to be detected is first introduced into the sensor arrangement and the reference value of the third time-varying electrical signal is detected.
  • the analyte i.e. a liquid to be examined that is different from the reference liquid is introduced into the sensor arrangement, as a result of which hybridization events are made possible.
  • the sensor value of the third time-varying electrical signal is then recorded.
  • the reference liquid can be the analyte, i.e. Reference liquid and analyte can be the same liquid. In both operating states, this liquid is filled into the sensor arrangement.
  • the sensor arrangement is set up in such a way that the first operating state is a first time period in which Essentially no hybridization events have yet taken place and the second operating state is a second time period after the first time period in which essentially all hybridization events have taken place.
  • Hybridization events occur in many cases with relatively long time constants, e.g. on the order of hours. If an analyte is introduced into the sensor arrangement and the reference value of the third time-varying electrical signal is recorded immediately thereafter, no (or insignificant few) hybridization events have yet taken place at this point in time. After a predeterminable period of time, which is selected so that possible hybridization events can take place within this period, the sensor value of the third time-varying electrical signal is recorded.
  • the sensor arrangement can have an analog / digital converter circuit integrated in the substrate, which is set up in such a way that it converts an analog, time-varying electrical signal into a digital signal and makes it available to the evaluation circuit.
  • the sensor arrangement can be provided with an external supply unit, which is set up in such a way that it provides the control circuit with electrical voltage signals and / or electrical current signals.
  • a digital / analog converter circuit integrated in the substrate can be provided, which is set up in such a way that it converts a digital voltage signal and / or current signal of the external supply unit into an analog signal and makes it available to the control circuit.
  • a selection circuit can be integrated in the substrate, which is set up in such a way that it sequentially selects one of the sensor electrodes. For this purpose, for example, an enable / disable input on voltage sources for generating the first time-varying electrical signal be provided, or one of the sensor electrodes can be switched on or off using a transistor switch.
  • the sensor arrangement according to the invention is particularly attractive in connection with active silicon chips, in which electrical circuits for controlling the electrode, for measuring, processing and preprocessing the sensor signal are arranged below each electrode.
  • the circuits provided on the chip can e.g. Analog / digital converters that convert the signal supplied by the sensor circuits in pre-amplified or pre-processed form into a digital signal.
  • digital / analog converters can be provided which convert signals encoded by external devices in digital form into analog signals which are required for the operation of the sensors (for example an AC voltage).
  • logic circuits can be provided, which convert signals supplied by external devices in digital form to control the chip (for example, to select a position) into suitable chip-internal control signals.
  • Such a configuration is advantageous because the control of the
  • the evaluation circuit can be set up in such a way that, based on the reference value and the sensor value of the third time-varying electrical signal, and based on the first and / or the second time-changing electrical signal, it determines the value of the impedance between the selected sensor electrode and an electrically conductive substance (ie in particular the reference liquid or analyte) introduced into the sensor arrangement is determined in the first operating state and in the second operating state. Since the reference liquid is introduced into the sensor arrangement in the first operating state, the value of the impedance between the selected sensor electrode and the reference liquid is determined in the first operating state.
  • an electrically conductive substance ie in particular the reference liquid or analyte
  • the value of the impedance between the selected sensor electrode (with the particles to be detected which are hybridized with the capture molecules on the sensor electrode) and the analyte is in the second operating state determined.
  • the evaluation circuit can be set up in such a way that, based on the reference value and the sensor value of the third time-varying electrical signal and on the basis of the first and / or the second time-changing electrical signal, it determines the value of the capacitance between the selected sensor electrode and of an electrically conductive substance introduced into the sensor arrangement in the first operating state and in the second operating state.
  • the approximation with good accuracy is permissible that the sensor impedance is dominated by the capacitive component, whereas the impedance of an electrolyte or an ohmic part of the sensor impedance can often be neglected.
  • the evaluation circuit can be set up in such a way that, based on the quotient of the values of the capacitance between the selected sensor electrode and an electrically conductive substance introduced into the sensor arrangement, it determines whether in the first operating state and in the second operating state selected sensor-electrode hybridization events have taken place and / or in what quantity hybridization events have taken place on a selected sensor-electrode.
  • the evaluation circuit can be set up in such a way that it determines for at least some of the sensor electrodes whether hybridization events have occurred on the respectively selected sensor electrode and / or in what quantity on the respectively selected sensor electrode.
  • n, m are the indices of a selected sensor electrode in the cell array and x, y indices of the sensor electrodes in the cell array.
  • N * M is the number of sensor electrodes in the cell field (for example, N rows and M columns of sensor electrodes are provided in a matrix-shaped cell field).
  • Cei (i / j) is the value of the capacitance between the sensor electrode with the indices i, j and the electrolyte.
  • the unselected sensor electrodes form additional capacities the electrolyte in the first operating state.
  • ⁇ (i, j) C Fe id (i, j) is the value of the capacitance between the sensor electrode with the indices i, j and the electrolyte in the second operating state.
  • the unselected sensor electrodes form additional capacities to that
  • C Mes s (n, m) is the value of the determined, ie the measured capacitance between the selected sensor electrode with the indices n, m and the electrolyte (an electrically conductive substance introduced into the sensor arrangement).
  • equation (5) is solved numerically for the first and the second operating state by solving an equation system with NxM equations and NxM unknowns for each operating state, namely the products ß (n, m) C Fe id (n, m) becomes.
  • the values ß (n, m) clearly contain the information about a possibly occurring sensor event.
  • the evaluation circuit can be set up such that it uses the approximation NXM >> 1 when determining the values ⁇ (i, j) C Fe id (ij). In other words, it is assumed here that a large number of sensor electrodes are provided in the sensor arrangement. As an alternative or in addition, the evaluation circuit can be set up in such a way that it determines the approximation to determine the values ⁇ (i, j) C Fe id (i / j)
  • a sensor arrangement according to the invention is described below in accordance with a second aspect of the invention.
  • the configurations of the sensor arrangement according to the first aspect of the invention also apply to the sensor arrangement according to the second aspect of the invention.
  • a sensor arrangement with a substrate and with at least three sensor electrodes is provided on the substrate.
  • Capture molecules are immobilized on at least some of the sensor electrodes and are set up in such a way that particles to be detected can hybridize with them.
  • At least one reference sensor electrode is free of such capture molecules that are set up in such a way that particles to be detected can hybridize with them.
  • capture molecules e.g. double-stranded DNA
  • the reference sensor electrode can also be completely free of capture molecules.
  • Sensor electrodes are arranged on the substrate such that in an operating state in which an electrically conductive substance is introduced into the sensor arrangement, the sensor electrodes are coupled to one another by means of the electrically conductive substance.
  • a control circuit is set up in such a way that it can be used to apply a first electrical signal to a selected sensor electrode and to the reference sensor electrode and to simultaneously apply a second electrical signal to at least one of the other sensor electrodes, the first electrical
  • Signal is a first time-varying electrical signal and / or the second electrical signal is a second time-varying electrical signal.
  • a detection device is set up in such a way that, in an operating state in which an analyte possibly having particles to be detected is introduced into the sensor arrangement, a reference value is one from the first time-varying electrical signal and / or third time-changing electrical signal resulting from the second time-changing electrical signal is detected at the reference sensor electrode. Furthermore, a sensor value of a third time-variable electrical signal resulting from the first time-varying electrical signal and / or from the second time-changing electrical signal is detected by means of the detection device on the selected sensor electrode.
  • An evaluation circuit is set up in such a way that it determines, based on the reference value and the sensor value, whether a hybridization event has occurred at the selected sensor electrode.
  • an alternating voltage is illustratively applied to the reference sensor electrode and to the selected sensor electrode. Since capture molecules are immobilized on the selected sensor electrode, but not on the reference sensor electrode, with which analyte particles can hybridize, the sensor value changes as a result of a hybridization event, but not the reference value of an alternating current resulting from the alternating voltage ,
  • the reference sensor electrode can be free of capture molecules or such capture molecules can be immobilized on the reference sensor electrode that cannot hybridize with particles to be detected (e.g. double-stranded DNA).
  • the reference liquid differs from the analyte essentially only by the particles which are usually present in low concentration ensures that the electrical properties on the sensor electrodes are not influenced by excessively different reference or analyte liquid. This increases the measurement accuracy.
  • a selected sensor electrode can clearly be operated in phase opposition with respect to the non-selected sensor electrodes. This means that, for example, a first alternating voltage can be applied to the selected sensor electrode and that a second alternating voltage can be applied simultaneously to at least some of the other sensor electrodes.
  • AC voltage is then preferably in opposite phase with respect to the second.
  • a first alternating current can be applied to the selected sensor electrode, and a second alternating current can be applied simultaneously to at least some of the other sensor electrodes.
  • the first AC is then preferably in phase opposition of the second 'with respect to alternating current.
  • the sensor arrangement can be rinsed by removing the analyte and by introducing a rinsing solution which is set up in such a way that non-hybridized, single-stranded capture molecules are detached from the sensor electrodes, whereas with capturing particles hybridized
  • FIG. 1 shows a sensor arrangement according to the prior art
  • FIG. 1 are cross-sectional views of a partial area of the sensor arrangement shown in FIG. 1 at different times during a method for operating the sensor arrangement
  • FIGS. 3A, 3B are a top view and a cross-sectional view along the section line I-I 'of
  • Figures 4A, 4B cross-sectional views of a first portion of that shown in Figure 3
  • FIG. 5 shows a cross-sectional view of a second partial area of the interdigital electrode arrangement shown in FIG. 3 according to the prior art
  • Figure 6 is an equivalent circuit diagram of the first portion of the
  • 7A, 7B are equivalent circuit diagrams of the first partial area of the interdigital electrode arrangement shown in FIG. 3 according to the prior art
  • FIG. 9 shows an equivalent circuit diagram of the sensor arrangement from FIG. 8 according to the prior art
  • the sensor arrangement 1100 has a silicon substrate 1101 and a first sensor electrode 1102, a second sensor electrode 1103 and a third sensor electrode 1104, each made of gold material, which are arranged on the substrate 1101.
  • First catcher molecules 1105 are immobilized on the first sensor electrode 1102.
  • Second capture molecules 1106 are immobilized on the second sensor electrode 1103.
  • Third sensor electrode 1104 is third
  • an analyte 1109 with DNA half strands 1108 to be detected is introduced into the sensor arrangement 1100.
  • the DNA half strands 1108 to be detected are complementary to the first catcher molecules 1105, which is why the first catcher molecules 1105 hybridize with the DNA half strands 1108 to be detected.
  • the base sequence of the second and third capture molecules 1106, 1107 is not complementary to the DNA half strands 1108 to be detected, so that no hybridization events take place on the second electrode 1103 and on the third electrode 1104. As shown in FIG.
  • control circuit 1111 is shown in FIG. 11, which is set up in such a way that it can be used to apply a sinusoidal and therefore temporally variable AC voltage to a selected sensor electrode 1102 to 1104. This is by means of the first to third
  • a control unit 1112 of the control circuit 1111 is coupled to the first AC voltage source 1113 by means of a first control line 1112a, wherein the first AC voltage source 1113 can be activated (or deactivated) by means of a signal from the control unit 1112 via the first control line 1112a.
  • the first sensor electrode 1102 is activated, whereas the second and third sensor electrodes 1103 and 1104 are deactivated.
  • the control unit 1112 provides the first AC voltage source 1113 with a signal such that the first AC voltage source 1113 is activated.
  • control unit 1112 provides a signal to the second AC voltage source 1114 via the second control line 1112b such that the second AC voltage source 1114 is deactivated and no AC voltage is present at the second sensor electrode 1103.
  • the third AC voltage source 1115 is also deactivated, since the control unit 1112 transmits a corresponding control signal to the third AC voltage source 1115 via the third control line 1112c.
  • the first AC voltage source 1113 of the first sensor electrode 1102 has an electrical AC voltage with a sinusoidal waveform, whereas the second and third sensor electrodes 1103, 1104 are at electrical ground potential 1121 as a reference potential.
  • the same material is used for the reference liquid as for the analyte 1109, apart from the fact that the reference liquid is free of particles 1108 to be detected.
  • the detection device 1116 is set up in such a way that in the second operating state shown in FIG. 11, in which an analyte 1109 having DNA half-strands 1108 to be detected is introduced into the sensor arrangement 1100, an electrical sensor current is detected, which is obtained from the of the first AC voltage source 1113 the first sensor electrode 1102 applied electrical alternating voltage results.
  • the value of the impedance between the selected sensor electrode 1102 and that changes as a result of a sensor event that is to say a hybridization between first catcher molecules 1105 and DNA half strands 1108 to be detected on the first sensor electrode 1102
  • a sensor impedance 1205 is provided for each sensor electrode 1201.
  • a first index i (column index) and a second index j (row index) are assigned to each sensor electrode 1201 in the matrix-shaped arrangement, the first index with the values n-1 being shown in FIG , n, n + 1 is shown or the second index with the values m-1, m, m + 1.
  • an alternating voltage is applied at the selected position and the measuring current is measured there (alternatively, an alternating current is applied and a resulting alternating voltage is measured), whereas all other sensor electrodes 1201 are brought to the ground potential become.
  • FIG. 13 shows a schematic equivalent circuit diagram 1300 of the sensor arrangement 1200.
  • an alternating voltage source 1304 is used to connect sensor electrode 1201 with indices n, m to an electrical one
  • the capacitance of the selected sensor electrode 1201 (n, m) is connected in series with the summation of the capacitances of all non-selected sensor electrodes 1201
  • Equations (7a) to (7c) provide for the operating states before and after
  • a sensor arrangement 1500 according to a third exemplary embodiment of the invention is described below with reference to FIG.
  • the sensor arrangement 1500 contains a substrate 1501 and three sensor electrodes 1502 to 1504 on the substrate 1501.
  • First capture molecules 1505 are immobilized on a first sensor electrode 1502, which are set up in such a way that particles 1508 of an analyte 1509 to be detected with them can hybridize.
  • Second capture molecules 1506 are immobilized on a second sensor electrode 1503.
  • a reference Sensor electrode 1504 is free of capture molecules. The sensor electrodes 1502 to 1504 are in this way on the substrate
  • a control circuit 1507 is set up in such a way that an AC voltage can be applied to a selected sensor electrode, in accordance with the scenario shown in FIG. 15, and the reference sensor electrode 1504 and simultaneously to it the second sensor electrode 1503 the electrical ground potential can be applied.
  • a detection device 1510 is set up in such a way that in an operating state in which the analyte 1509 to be detected has particles 1508 in the
  • Sensor arrangement 1500 is introduced, a reference value of an alternating current resulting from the alternating voltage is detected at the reference sensor electrode 1504. Furthermore, a sensor value of the alternating current resulting from the alternating voltage is detected at the selected sensor electrode 1502 by means of the detection device 1510. An evaluation circuit 1511 is set up in such a way that it determines, based on the reference value and the sensor value, whether a hybridization event has occurred at the selected sensor electrode 1502.
  • capture molecules 1505 are immobilized on the selected sensor electrode 1502, but not on the reference sensor electrode 1504, with which particles 1508 of the analyte 1509 to be detected can hybridize
  • Hybridization event significantly the sensor value, but not the reference value of the alternating current resulting from the alternating voltage.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensor-Anordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Sensor-Anordnung. Die Sensor-Anordnung enthält ein Substrat und mindestens drei Sensor-Elektroden auf dem Substrat. Auf mindestens einem Teil der Sensor-Elektroden sind Fängermoleküle immobilisierbar, die derart eingerichtet sind, dass zu erfassende Moleküle mit ihnen hybridisieren können. Die Sensor-Anordnung weist ferner einen Steuer-Schaltkreis auf, der derart eingerichtet ist, dass zwischen einer ausgewählten Sensor-Elektrode und mindestens zwei der anderen Sensor-Elektroden die Wechselstromimpedanz messbar ist. Ein Auswerte-Schaltkreis ist derart eingerichtet, dass er ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor-Elektrode ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist.

Description

Beschreibung
Sensor-Anordnung und Verfahren zum Betreiben einer Sensor- Anordnung
Die Erfindung betrifft eine Sensor-Anordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Sensor-Anordnung.
Biosensor-Arrays und Chemosensor-Arrays dienen zum Nachweis von Molekülen in einem zu untersuchenden Analyten. Solche
Arrays werden zum Zwecke einer Miniaturisierung zunehmend auf Chips realisiert. Die Sensoren sind häufig in einer großen Anzahl auf einem Substrat angeordnet. Das Substrat kann beispielsweise ein Halbleiterchip (Silizium) sein, insbesondere für den Fall, dass Funktionen eines integrierten elektronischen Schaltkreises realisiert werden sollen. Solche Substrate können alternativ aus Glas, Plastik oder einem anderen Material hergestellt werden, sofern keine oder nur eine vergleichsweise einfache Elektronik zu deren Betrieb erforderlich ist. Der hohe Grad an Parallelisierung ermöglicht eine zeitgleiche parallele Durchführung unterschiedlicher Tests, beispielsweise Tests auf das Vorhandensein unterschiedlicher Substanzen (z.B. Moleküle) in einem vorgegebenen Analyten. Aufgrund dieser Eigenschaft ergeben sich für derartige Sensor-Anordnungen einschließlich entsprechendem Auswertesystem vielfältige Anwendungen in der medizinischen Diagnosetechnik, in der Pharmaindustrie, (z.B. für das Pharma-Screening, "high troughput screening", HTS) , in der chemischen Industrie, in der Lebensmittel -Analytik, in der Umwelt- und Lebensmitteltechnik.
Das Grundprinzip vieler bekannter Sensoren beruht darauf, dass positionsspezifisch auf einem Chip zunächst sogenannte Fängermoleküle, z.B. unter Verwendung von Mikro- Dispensiertechniken, aufgebracht und immobilisiert werden. In Fig.l ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Sensor- ' Anordnung 100 gezeigt, bei der auf einem Chip 101 eine Vielzahl von Sensor-Feldern 102 matrixförmig angeordnet sind. Die Sensor-Felder 102 sind in N Spalten und in M Zeilen angeordnet, das heißt auf NxM-Positionen, wobei auf jedem Sensor-Feld unterschiedliche Fängermoleküle immobilisiert sind.
In Fig.2A bis Fig.2F ist jeweils eine schematische Querschnittsansicht einer der in Fig.l gezeigten Sensor- Felder 102 gezeigt. Insbesondere ist in Fig.2A bis Fig.2C ein erstes Sensor-Feld 200, und in den Fig.2D bis Fig.2F ein zweites Sensor-Feld 201 gezeigt, wobei die unterschiedlichen Darstellungen des ersten Sensor-Feldes 200 in den Fig.2A bis Fig.2C drei unterschiedlichen Betriebszustanden entsprechen, analog entsprechen die Darstellungen in den Fig.2D bis Fig.2F drei unterschiedlichen Betriebszustanden des zweiten Sensor- Feldes 201.
Jedes der Sensor-Felder 200, 201 weist eine Sensor-Elektrode 202 auf, die in dem Chip 101 integriert ist. Auf der Sensor- Elektrode 202 des ersten Sensor-Felds 200 sind erste Fängermoleküle 203 immobilisiert, wobei die ersten Fängermoleküle 203 DNA-Halbstränge sind. Auf der Sensor- Elektrode 202 des zweiten Sensor-Felde 201 sind zweite
Fängermoleküle 204, die von den ersten Fängermolekülen 203 verschieden sind, immobilisiert.
Fig.2A, Fig.2D zeigen das erste Sensor-Feld 200 bzw. das zweite Sensor-Feld 201 in einem Betriebszustand, in dem die Sensor-Anordnung 100 von potentiellen Bindungspartnern (z.B. DNA-Halbsträngen) frei ist.
Zum Zwecke der Diagnose, das heißt zum Untersuchen eines Analyten auf das Vorhandensein bestimmter DNA-Moleküle, wird ein Analyt 205 zunächst auf alle Sensor-Felder 102 der Sensor-Anordnung 100 und daher auch auf die Sensor-Felder 200, 201 gebracht, d.h. die gesamte Sensor-Anordnung 100 wird mit dem zu untersuchenden Analyt 205 geflutet. Dieser Betriebszustand des ersten Sensor-Feldes 200 ist in Fig.2B und des zweiten Sensor-Feldes 201 in Fig.2E gezeigt. Da die ersten Fängermoleküle 203 gemäß dem Schlüssel-Schloss-Prinzip mit in dem Analyten 205 vorhandenen (halbsträngigen) DNA- Molekülen, nämlich mit den zu erfassenden Partikeln 206, zusammenpassen, erfolgt eine Hybridisierung, d.h. eine Anbindung der jeweiligen DNA-Moleküle 206 an die komplementären ersten Fängermoleküle 203 des ersten Sensor- Feldes 200 (vgl. Fig.2B). Da die zweiten Fängermoleküle 204 aufgrund ihrer Basensequenz mit den zu erfassenden Partikeln 206 nicht zusammenpassen, (vgl. Fig.2E), erfolgt keine Hybridisierung .
Um die in Fig.2C, Fig.2F gezeigten Betriebszustände des ersten Sensor-Feldes 200 bzw. des zweiten Sensor-Feldes 201 zu erhalten, wird der Analyt 205 von der Sensor-Anordnung 100 entfernt. Ferner wird eine Spüllösung 207 auf die Sensor- Anordnung 100 aufgebracht. Dadurch verbleiben auf dem ersten Sensor-Feld 200 die mit den ersten Fängermolekülen 206 hybridisierten zu erfassenden Partikel 206, wohingegen auf dem zweiten Sensor-Feld 201 nur die zweiten Fängermoleküle 204, nicht aber zu erfassende Partikel 206 zurückbleiben.
Zum Nachweis der erfolgten Hybridisierung werden häufig optische Verfahren verwendet.
Bei einem optischen Verfahren wird an die in den Analyten vorhandenen DNA-Stränge ein Fluoreszenz-Marker ("label") angebunden. Wird nun die gesamte Sensor-Anordnung 100 nach einem erfolgten HybridisierungsVorgang und einem weiteren Spülschritt mit elektromagnetischer Strahlung (z.B. Licht) bestrahlt, kann aufgrund der Kenntnis der Lokalisierung der jeweiligen Fängermoleküle 203, 204 ermittelt werden, an welchen Sensor-Feldern eine Hybridisierung stattgefunden hat (erstes Sensor-Feld 200) und an welchen Sensor-Feldern nicht (zweites Sensor-Feld 201) . Aufgrund der genauen Kenntnis der verwendeten Fängermoleküle 203, 204 kann auf das Vorhandensein bzw. Fehlen bestimmter zu erfassender Partikel in dem zu untersuchenden Analyt mit einer hohen Selektivität geschlossen werden. Die optischen Verfahren haben den Nachteil, dass ein aufwändiges und kostenintensives optisches System zum Auswerten erforderlich ist. Dies erschwert beispielsweise den Einsatz derartiger optischer Systeme in Arztpraxen.
Alternativ zu dem optischen Verfahren kann ein erfolgtes Hybridisierungsereignis unter Verwendung eines elektrischen Verfahrens detektiert werden.
Diesbezüglich ist zu unterscheiden zwischen Verfahren, die auf der Verwendung eines Enzymlabels beruhen (beispielsweise in [1] , [2] beschrieben) und sogenannten "Label-freien" Verfahren, die beispielsweise in [3] bis [9] beschrieben sind. Label-freie Verfahren sind attraktiver, da ein aus biochemischer Sicht häufig aufwändiger Verfahrensschritt zum
Versehen von Molekülen mit einem Label vermieden ist und daher ein Label-freies Verfahren einfacher, fehlerrobuster und billiger ist.
Allerdings ist das Betreiben eines elektronischen Biosensors schwierig zu realisieren, so dass insbesondere bei den elektronischen Label -freien Verfahren bislang Untersuchungen nur an Einzelsensoren oder an sehr kleinen Arrays aus einer Aneinanderreihung von Einzelsensoren durchgeführt wurden.
Im Weiteren werden aus dem Stand der Technik bekannte Label - freie Verfahren beschrieben.
Ein erster Ansatz ist aus [3] bis [6] bekannt. Dieser Ansatz wird im Weiteren bezugnehmend auf Fig.3A bis Fig.7B beschrieben. In Fig.3A, Fig.3B ist eine Interdigitalelektroden-Anordnung 300 gezeigt, bei der in einem Substrat 301 eine erste Elektrodenstruktur 302 und eine zweite Elektrodenstruktur 303 aufgebracht sind, die anschaulich fingerförmig ineinander greifen. In Fig.3A ist eine Draufsicht der
Interdigitalelektroden-Anordnung 300 gezeigt, in Fig.3B ist eine Querschnittsansicht entlang der in Fig.3A gezeigten Schnittlinie I-I' gezeigt. Die Interdigitalelektroden- Anordnung 300 enthält periodische, nebeneinander angeordnete Elektroden-Komponenten der Elektrodenstrukturen 302, 303.
Zur Erklärung des Prinzips der Funktionsweise der Interdigitalelektroden-Anordnung 300 wird bezugnehmend auf Fig.4A, Fig.4B ein erster Teilbereich 304 der Interdigitalelektroden-Anordnung 300 beschrieben.
Der erste Teilbereich 304 ist in Fig.4A als
Querschnittsansicht in einem ersten Betriebszustand gezeigt, in Fig.4B als Querschnittsansicht in einem zweiten Betriebszustand.
Auf den Elektrodenstrukturen 302, 302 sind jeweils Fängermoleküle 400 immobilisiert. Für die
Elektrodenstrukturen 302, 302 wird vorzugsweise Gold-Material verwendet, so dass das Immobilisieren der Fängermoleküle 400 unter Verwendung der aus der Biochemie bekannten besonders vorteilhaften Gold-Schwefel -Kopplung realisiert wird, indem beispielsweise eine Thiol-Endgruppe (SH-Gruppe) der Fängermoleküle 400 mit den Gold-Elektroden 302, 303 chemisch gekoppelt wird.
Oberhalb der Sensor-Elektroden 302, 303 befindet sich während des aktiven Sensorbetriebs ein zu untersuchender, elektrolytischer Analyt 401, der wiederum auf das Vorhandensein zu erfassender Partikel 402 (beispielsweise bestimmter DNA-Moleküle) untersucht werden soll. Eine Hybridisierung, das heißt eine Anbindung von DNA-Strängen 402 an die Fängermoleküle 400 erfolgt nur dann, wenn die Fängermoleküle 400 und die DNA-Stränge 402 gemäß dem Schlüssel-Schloss-Prinzip zueinander passen (vgl. Fig.4B). Ist dies nicht der Fall, so erfolgt keine Hybridisierung. Die Spezifitat des Sensors leitet sich also aus der Spezifitat der Fängermoleküle 400 ab.
Der elektrische Parameter, der bei dieser Messung ausgewertet wird, ist die Impedanz 403 zwischen den Elektroden 302, 303, die in Fig.4A, Fig.4B schematisch dargestellt ist. Infolge einer erfolgten Hybridisierung verändert sich der Wert der Impedanz, da die zu erfassenden DNA-Partikel 402 und die Fängermoleküle 400 aus einem Material bestehen, das von dem Material des Elektrolyten abweichende elektrische Eigenschaften aufweist und nach der Hybridisierung der Elektrolyt anschaulich aus dem die Elektroden 302, 303 umgebenden Volumen verdrängt wird.
In Fig.5 ist ein zweiter Teilbereich 305 der Interdigitalelektroden-Anordnung 300 in einer
Querschnittsansicht gezeigt. Der zweite Teilbereich 305 repräsentiert einen größeren Teilbereich der Interdigitalelektroden-Anordnung 300 als der in Fig.4A, Fig.4B dargestellte erste Teilbereich 304. In Fig.5 ist schematisch der Verlauf der elektrischen Feldlinien 500 zwischen jeweils benachbarten Elektrodenstrukturen 302, 303 gezeigt. Wie in Fig.5 ferner gezeigt, sind die Feldverläufe innerhalb eines jeweiligen durch zwei Symmetrielinien 501 gedachten Bereichs periodisch, so dass die in Fig.4A, Fig.4B gezeigte Betrachtung zweier unmittelbar benachbarter
Elektrodenstrukturen 302, 303 ausreichend ist. Ferner ist in Fig.5 für jede der Elektrodenstrukturen 302, 303 schematisch ein Bedeckungsbereich 502 gezeigt, der die auf den Elektrodenstrukturen 301, 302 immobilisierten Fängermoleküle und möglicherweise mit diesen hybridisierte zu erfassende Partikel darstellt. Anschaulich ist aus der in Fig.5 gezeigten Darstellung verständlich, dass der Verlauf der Feldlinien 500 aufgrund eines Hybridisierungs-Ereignisses signifikant beeinflusst wird, da die physikalisch-chemischen Eigenschaften insbesondere des Bedeckungsbereichs 502 verändert werden.
Es ist ferner anzumerken, dass ergänzend oder alternativ in Bereichen zwischen Elektroden 302, 303 Fängermoleküle vorgesehen sein können. Bei Hybridisierungsereignissen zwischen in Bereichen zwischen den Elektroden angebrachten Fängermolekülen und zu erfassenden Partikeln verändern sich wiederum die elektrischen Eigenschaften der Elektroden.
In Fig.6 ist schematisch ein vereinfachtes Ersatzschaltbild
600 des in Fig.4A gezeigten ersten Teilbereichs 304 der Interdigitalelektroden-Anordnung 300 gezeigt.
Das Ersatzschaltbild 600 zeigt eine variable erste Kapazität
601 CM, deren Wert von dem Maß einer an der Elektrodenstruktur 302 erfolgten Hybridisierung abhängig ist. Zu dieser ist ein variabler erster ohmscher Widerstand 602 RM parallel geschaltet. Anschaulich repräsentieren die Komponenten 601, 602 die elektrischen Eigenschaften des Umgebungsbereichs der ersten Elektrodenstruktur 302. Ferner ist eine variable zweite Kapazität 603 CE und ein dazu parallel geschalteter variabler zweiter ohmscher Widerstand 604 RE gezeigt, welche die elektrischen Eigenschaften des Analyten 401 repräsentieren. Darüber hinaus ist eine die elektrischen Eigenschaften des Umgebungsbereichs der zweiten Elektrodenstruktur 303 repräsentierende, variable dritte Kapazität 605 CM und ein zu dieser parallel geschalteter variabler dritter ohmscher Widerstand 606 RM gezeigt. Wie ferner in Fig.6 gezeigt, ist die Parallelschaltung aus Komponenten 601, 602, die Parallelschaltung aus Komponenten 603, 604 und die Parallelschaltung aus Komponenten 605, 606 seriell geschaltet. Die Komponenten 601 bis 606 sind variabel dargestellt, um zu verdeutlichen, dass infolge eines Sensorereignisses sich deren Werte verändern. Um den Wert der Impedanz zu ermitteln, wird an eine der Elektroden 302, 303 eine WechselSpannung Vchar angelegt, wie in dem in Fig.7A gezeigten Ersatzschaltbild 700 des ersten Teilbereichs 304 gezeigt. Die WechselSpannung Vchar wird unter Verwendung einer Wechselspannungsquelle 702 bereitgestellt. Der durch die Anordnung fließende Strom Imess wird unter Verwendung des Amperemeters 701 erfasst. Die Komponenten 701, 702 sind zueinander seriell geschaltet und sind zwischen der Parallelschaltung aus Komponenten 605, 606 und dem elektrischen Massepotential 703 geschaltet. Das an den Elektroden 302, 303 resultierende Wechselstromsignal Imess wird gemeinsam mit der angelegten WechselSpannung VC ar ausgewertet, um die Impedanz zu ermitteln. Alternativ kann auch an beide Elektroden 302, 303 jeweils ein Signal, das heißt eine elektrische Spannung, angelegt werden, die Signale sind dann gegenphasig.
Die in Fig.7B gezeigte Version eines vereinfachten Ersatzschaltbildes 710 unterscheidet sich von dem in Fig.7A gezeigten Ersatzschaltbild 700 darin, dass die Elemente CM 601, 605 bzw. RM 602, 606 zu einer ersten effektiven Kapazität 711 bzw. zu einem ersten effektiven ohmschen Widerstand 712 zusammengefasst sind.
Der Abstand der Elektroden 302, 303 zueinander liegt typischerweise im Sub-μm-Bereich. Gemäß der
Interdigitalelektroden-Anordnung 300 sind eine Vielzahl von Elektrodenkomponenten (anschaulich Finger) der Elektrodenstrukturen 302 bzw. 303 parallel angeordnet. In [3] bis [6] werden aus Gründen der Fluidik kreisförmige Anordnungen verwendet. Die äußeren Abmessungen bzw. der Durchmesser solcher Einzelsensoren liegt im Bereich mehrerer Hundert μm bis in den einstelligen mm-Bereich.
Bezüglich der anregenden WechselSpannung Vchar ist zu beachten, dass deren effektiver Mittelwert bzw. deren Scheitelwert einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten soll. Bei Überschreitung eines solchen Maximalwerts werden die bio- bzw. elektrochemischen Rahmenbedingungen verletzt, die den Betrieb solcher Sensoren ermöglichen. Überschreitet das Elektroden-Potential (das auf das elektrische Potential des Elektrolyten bezogen ist) einen oberen Schwellwert, so können bestimmte Stoffe in einem Umgebungsbereich einer Elektrode oxidiert werden. Unterschreitet das elektrische Potential (das auf das elektrische Potential des Elektrolyten bezogen ist) einen unteren Schwellwert, werden dort Stoffe reduziert. Eine unerwünschte Oxidation oder Reduktion kann unter anderem dazu führen, dass die chemischen Bindungen, die bei der Immobilisierung und Hybridisierung eingegangen werden, aufgebrochen werden. Ferner kann Elektrolyse an den Sensor-Elektroden einsetzen, so dass die Elektrolyseprodukte das für den Betrieb der Sensoren erforderliche chemische Milieu aus dem erforderlichen Gleichgewicht bringen bzw. zu Gasbildung führen. Die Absolutwerte der kritischen Potentiale hängen von der Zusammensetzung und dem Konzentrationsverhältnis und der chemischen Umgebung der Elektroden ab (beispielsweise Immobilisierungsschicht, Analyt, etc . ) .
Typische Werte für die anregende Spannung liegen im Bereich einiger 10mV bis maximal um 100mV. Dies ist eine wichtige Rahmenbedingung für den Betrieb solcher Sensoren, da das resultierende Messsignal (Stromstärke ImeSs) hinsichtlich seiner Größe näherungsweise direkt proportional der angelegten Spannung is .
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig.8 bis Fig.10 ein zweites Prinzip eines labelfreien elektrischen Sensors beschrieben, wie es aus [7] bis [9] bekannt ist.
Gemäß diesem zweiten Ansatz wird jeweils eine flächige
Elektrode für den Nachweis einer Spezies verwendet, das heißt für die Immobilisierung von Fängermolekülen und zum Hybridisieren mit zu erfassenden Partikeln. Ferner wird ein Wechselspannungssignal direkt an einen elektrisch leitfähigen Analyten angelegt. Bei diesen Verfahren erfolgt das Anlegen der WechselSpannung und das gegebenenfalls erforderliche zusätzliche Anlegen eines Gleichstrom-Offsets unter
Verwendung einer sogenannten Gegen- oder Referenzelektrode, welche eine niederohmige, unter wechselnden elektrochemischen Bedingungen stets definierte, in ihren elektrischen Eigenschaften konstante elektrische Kopplung mit dem Elektrolyten bewerkstelligt. Eine solche Referenzelektrode ist üblicherweise aus einem anderen Material (beispielsweise Silber/Silberchlorid) hergestellt als die Elektroden, die zum Immobilisieren der Fängermoleküle genutzt werden und daher häufig aus Gold-Material hergestellt sind. Die Verwendung unterschiedlicher Materialien resultiert aus den unterschiedlichen elektrochemischen Anforderungen an die beiden Elektroden-Materialien.
In Fig.8A, Fig.8B ist eine Sensor-Anordnung 800 gemäß diesem zweiten Ansatz gezeigt. Fig.δA zeigt eine Draufsicht der
Sensor-Anordnung 800, in Fig.8B ist eine Querschnittsansicht entlang einer Schnittlinie II-II' aus Fig.8A gezeigt.
Wie in Fig.8A gezeigt, ist auf einem Silizium-Substrat 801 eine Mehrzahl von Sensor-Feldern 802 und eine gemeinsame
Referenzelektrode 803 angeordnet. Auf der Oberfläche jedes Sensor-Feldes 802 ist ein aktiver Bereich 805 vorgesehen, auf dem Fängermoleküle immobilisiert sind, zum Hybridisieren mit zu erfassenden komplementären Partikeln. In die Sensor- Anordnung 800 ist ein Analyt 804 eingefüllt. Bei der Sensor-
Anordnung 800 ist ein Silizium-Substrat 801 verwendet, allerdings sind die elektrischen Eigenschaften des Siliziums nicht ausgenützt, um eine leistungsfähige integrierte Elektronik darin auszubilden.
In Fig.9 ist ein Ersatzschaltbild 900 eines Teilbereichs 806 der Sensor-Anordnung 800 gezeigt. Dieses zeigt eine variable erste Kapazität 901 CM, welche die Kapazität des Umgebungsbereichs des Sensor-Feldes 802 darstellt. Ferner ist ein zu dieser parallel geschalteter variabler erster ohmscher Widerstand 902 RM gezeigt, der den ohmschen Widerstand des Umgebungsbereichs des Sensor-Feldes 802 darstellt. Eine variable zweite Kapazität 903 CE und ein zu dieser parallel geschalteter variabler zweiter ohmscher Widerstand RE 904 repräsentieren die elektrischen Eigenschaften des Analyten 804.
Ferner ist in Fig.10 ein weiteres Ersatzschaltbild 1000 des Teilbereichs 806 der Sensor-Anordnung 800 gezeigt. Diese zeigt zusätzlich zu den in Fig.9 gezeigten Komponenten eine Wechselspannungsquelle 1002, mittels der eine WechselSpannung anlegbar ist, und zeigt ein Amperemeter 1001 zum Erfassen eines Messstroms Imess. Die parallel geschalteten Komponenten 1001, 1002 sind zwischen das elektrische Massepotential 1003 und die Parallelschaltung aus Komponenten 903, 904 geschaltet .
In der Biochemie stehen häufig nur sehr geringe Probenvolumina zur Verfügung. In diesem Fall ist die Verwendung der Sensor-Anordnung 800 nachteilhaft, da die Gegenelektrode 803 nur sehr aufwändig oder gar nicht in miniaturisierter Form bereitgestellt werden kann. Sie wird häufig durch ein chloriertes Silberröhrchen realisiert.
Bei den beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Sensor-Anordnungen tritt beim Betrieb bzw. der Auswertung von Messsignalen das Problem auf, dass die Impedanz zwischen den Elektroden nicht ausschließlich kapazitive Anteile aufweist, sondern eine relativ komplexe, zusammengesetzte Größe ist. Eine wesentliche Ursache dafür liegt darin begründet, dass an der Messelektrode, die in direktem elektrischem (galvanischem) Kontakt zum Elektrolyten steht, stets ein elektrochemischer Umsatz stattfindet, der nur genau dann im Gleichgewicht ist, wenn sich das elektrische Potential der Elektrode gegenüber dem Elektrolyten frei einstellen kann. Jede Auslenkung dieses elektrischen Potentials hat automatisch einen Nettoumsatz an Material an den Elektroden zur Folge, der messtechnisch als näherungsweise ohmsche Leitfähigkeit in Erscheinung tritt. Das Immobilisieren von
Fängermolekülen beeinflusst grundsätzlich den Material -Umsatz an der Elektrodenoberfläche, da dadurch die Elektrode teilweise bedeckt wird, und aufgrund von spezifischen elektrischen Eigenschaften der Moleküle (beispielsweise aufgrund der Tatsache, dass DNA-Moleküle häufig als
Polyanionen vorliegen) . Dies erschwert die messtechnische Auswertung der erfassten Sensorsignale. Deshalb wird versucht, die Messung derart zu gestalten, dass nur der in den angegebenen Ersatzschaltbildern von der Hybridisierung abhängige Wert der Elektrodenkapazität CE ermittelt wird.
Alternativ können Betrag und Phase der Impedanz als Funktion der anregenden Frequenz gemessen werden, so dass im Idealfall alle Parameter aus dem resultierenden Bode-Diagramm ermittelt werden können. Diese Vorgehensweise ist allerdings sehr aufwändig.
Eine Möglichkeit, verbessert auswertbare Signale zu erhalten, besteht in der Verwendung eines sogenannten Lock-inVerstärkers zum Erfassen des Sensorsignals. Dieses Prinzip wird im Weiteren anhand der in Fig.9, Fig.10 gezeigten Ersatzschaltbilder 900, 1000 erläutert.
Mit Hilfe einer Lock-in-Messeinrichtung wird eine WechselSpannung VChar mit einer Frequenz f über die Gegenelektrode 803, welche eine niederohmige Verbindung zum Elektrolyten 804 gewährleistet, an den Elektrolyten 804 angelegt. Dann können der Imaginärteil und der Realteil des sich aus den Elementen CM, RM, CE und RE ergebenden komplexen Gesamtstroms Imess gemessen werden.
Unter der Annahme, dass der Betrag des komplexen Widerstandsanteils des Elektrolyten 804, nämlich 1/ (2πfCE) , wesentlich größer ist als der Betrag des rein ohmschen Anteils RE, ergibt sich der gemessene Strom zu:
Imess ( 1 )
Figure imgf000015_0001
Der Imaginärteil des Stroms beträgt
2/7 fC
Im(I. ' MM
.) = Vchar x (2)
+ 1 + 4/72f2C2R2 t R«M
Unter der weiteren Annahme, dass der ohmsche Widerstand des Elektrolyten RE wesentlich geringer ist als der Kehrwert des parasitären Sensorparallelleitwerts RM, das heißt wenn RM>>RE gilt, und unter der Annahme, dass die Frequenz f hinreichend gering gewählt wird, so dass
Figure imgf000015_0002
erfüllt ist, so kann für Gleichung (2) näherungsweise die einfache Beziehung
Im(Imesg) = Vcha 2/r fC (4)
angegeben werden. Gleichung (4) besagt anschaulich, dass der mittels des Lock-in-Verfahrens bestimmte Imaginärteil des Stroms linear von der Sensorkapazität CM abhängt.
Nur unter diesen Bedingungen beinhaltet die genaue Änderung von CM die gesuchte Information.
Die Notwendigkeit, Gleichung (3) ausreichend gut zu erfüllen, begrenzt die Wahl der Messfrequenz nach oben. Allerdings ist die freie Wahl einer nicht allzu niedrigen Frequenz wünschenswert, da gemäß Gleichung (4) die Größe des auszuwertenden Messsignals proportional mit der Frequenz ansteigt. Um auch bei den niedrigen Frequenzen und den Vorgaben für die Größenordnung der Spannung VCh r ein gut auswertbares Signal gemäß Gleichung (4) zu erhalten, müssen entweder großflächige Sensoren, die zu großen Werte für die Sensorkapazität CM führen, oder hochempfindliche Verstärker verwendet werden, was aufwändig ist.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Sensor- Anordnung gemäß dem Impedanz-Verfahren bereitzustellen, bei der selbst Signale mit kleinen Amplituden ausreichend sicher erfasst und ausgewertet werden können, und bei der das Verwenden eines Labels entbehrlich ist.
[10] offenbart das Detektieren von molekularen
Wechselwirkungen zwischen biologischen Molekülen unter Verwendung elektronischer Verfahren wie der AC- Impedanzmessung .
[11] offenbart einen Sensor für einen Analyten mit einer Arbeitselektroden-Anordnung, die eine Mikroelektroden- Anordnung aufweist. Jede Mikroelektrode ist mit einer Schicht eines redoxzustandsabhängigen leitfähigen organischen Polymers versehen.
[12] offenbart ein Verfahren zum Identifizieren und/oder Analysieren biologischer Substanzen, die in einer leitfähigen Lösung enthalten sind.
Das Problem wird gelöst durch eine Sensor-Anordnung und durch ein Verfahren zum Betreiben einer Sensor-Anordnung mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
Die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist ein Substrat und mindestens drei Sensor-Elektroden auf dem Substrat auf, wobei auf zumindest einem Teil der Sensor-Elektroden Fängermoleküle immobilisierbar sind, die derart eingerichtet sind, dass zu erfassende Partikel mit ihnen hybridisieren können. Ferner sind die Sensor-Elektroden derart auf dem Substrat angeordnet, dass in einem Betriebszustand, in dem eine elektrisch leitfähige Substanz in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, die Sensor-Elektroden mittels der elektrisch leitfähigen Substanz miteinander gekoppelt sind. Ferner enthält die Sensor-Anordnung einen Steuer-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass mit ihm an eine ausgewählte Sensor-Elektrode ein erstes elektrisches Signal anlegbar ist, und dass simultan an mindestens zwei der anderen Sensor- Elektroden ein zweites elektrisches Signal anlegbar ist, wobei das erste elektrische Signal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal und/oder das zweite elektrische Signal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist. Die Sensor-Anordnung enthält ferner eine Erf ss-Einrichtung, die derart eingerichtet ist, dass in einem ersten Betriebszustand, in dem eine Referenzflüssigkeit in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, ein Referenzwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals an der ausgewählten Sensor-Elektrode erfasst wird. In einem zweiten Betriebszustand, in dem ein möglicherweise zu erfassende Partikel aufweisender Analyt in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, wird ein Sensorwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals an der ausgewählten Sensor-Elektrode erfasst. Ein Auswerte-Schaltkreis der Sensor-Anordnung ist derart eingerichtet, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor-Elektrode ein Hybridisierungs-Ereignis erfolgt ist. Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betreiben einer Sensor-Anordnung mit den oben genannten Merkmalen bereitgestellt . Gemäß dem Verfahren wird an eine ausgewählte Sensor-Elektrode ein erstes elektrisches Signal angelegt und wird simultan an mindestens zwei der anderen Sensor- Elektroden ein zweites elektrisches Signal angelegt, wobei das erste elektrische Signal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal und/oder das zweite elektrische Signal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist. In einem ersten Betriebszustand, in dem eine Referenzflüssigkeit in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, wird ein Referenzwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals an der ausgewählten Sensor-Elektrode erfasst. Ferner wird in einem zweiten Betriebszustand, in dem ein möglicherweise zu erfassende Partikel aufweisender Analyt in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, ein Sensorwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals einer ausgewählten Sensor-Elektrode erfasst. Darüber hinaus wird basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor- Elektrode ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist.
Eine Grundidee der Erfindung ist darin zu sehen, dass eine Sensor-Anordnung mit einer Vielzahl von Sensor-Elektroden auf einem Substrat bereitgestellt ist. Vor und nach einem möglicherweise stattfindenden Sensorereignis (beispielsweise einer Hybridisierung zwischen Fängermolekülen und in einem Analyten befindlichen DNA-Halbsträngen) wird an eine ausgewählte der Elektroden ein elektrisches Wechselsignal (beispielsweise eine Wechselspannung oder ein Wechselstrom angelegt) , und es wird ein aus dem ersten Wechselsignal resultierendes zweites Wechselsignal (ein elektrischer Strom bzw. eine elektrische Spannung) erfasst. Da sich infolge eines Sensorereignisses der Wert der Impedanz, insbesondere der Wert der Kapazität, zwischen der ausgewählten Sensor- Elektrode und zumindest einem Teil der anderen Sensor- Elektroden charakteristisch verändert, kann aus der
Veränderung des zweiten Wechselsignals auf das Auftreten eines Hybridisierungs-Ereignisses oder eines sonstigen Sensorereignisses geschlossen werden.. Zumindest zwei der nicht ausgewählten Sensor-Elektroden sind auf ein elektrisches Referenzpotential gebracht.
Alternativ zu einem konstanten Referenzpotential kann an die anderen Sensor-Elektroden auch ein zu dem Potential der ausgewählten Sensor-Elektrode gegenphasiges Signal angelegt werden.
Anschaulich wird vorgeschlagen, eine Array-Konfiguration mit einer Vielzahl von Sensor-Elektroden zu verwenden, wobei typische Flächen der Sensor-Elektroden im Bereich einiger weniger lOOμrn2 bis zu einigen lOOOOμm2 liegen. Auf den Sensor-Elektroden werden positionsspezifisch bekannte Fängermoleküle, beispielsweise unter Verwendung von Mikrodispensiertechniken, aufgebracht und immobilisiert. Das Verwenden einer Referenzelektrode, wie oben bezugnehmend auf Fig.8A bis Fig.10 beschrieben, ist erfindungsgemäß vermieden. Folglich entfällt auch die Notwendigkeit eines speziellen, problematischen Elektrodenmaterials für eine solche Referenzelektrode .
Zum Charakterisieren des Zustands einer bestimmten Sensor- Elektrode wird an dieser ausgewählten Sensor-Elektrode vorzugsweise eine WechselSpannung angelegt, und es wird an dieser Sensor-Elektrode ein aus der WechselSpannung resultierender Wechselstrom erfasst. An zumindest zwei der anderen Elektroden wird ein elektrisches Massepotential oder eine Referenzspannung angelegt. Als Referenzspannung kann der Gleichspannungs-Mittelwert der an der ausgewählten Sensor- Elektrode angelegten Wechselspannung verwendet werden, das heißt der zeitlich gemittelte Wert der Wechselspannung.
Anschaulich ist erfindungsgemäß eine neuartige Array- Architektur, eine neue Ansteuerung und eine neue Möglichkeit zum Auswerten der Sensor-Elektroden geschaffen.
Das Realisieren solcher Arrays auf einem Halbleiterchip als Substrat bietet den Vorteil, dass eine Sensor-Anordnung mit einer wesentlich höheren Anzahl einzelner Sensor-Elektroden bei verringerter Fläche realisierbar ist. Dieser Vorteil liegt zum einen in der wesentlich höheren Anzahl von Tests, die mit einer solchen Sensor-Anordnung zeitlich parallel durchführbar sind, zum anderen in der wesentlich- öheren Anzahl von Parametern, die parallel charakterisiert werden können. Ferner kann das Volumen von chemischen Reagenzien verringert werden, die für den Betrieb von solchen Sensor- Anordnungen benötigt werden. Insbesondere bei biochemischen Anwendungen sind die chemischen Reagenzien ein sehr wichtiger Kostenfaktor, womit die Betriebskosten verringert werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine wesentlich kleinere Fläche für die Sensor-Elektroden verwendet werden kann, verglichen mit den Elektrodenkonfigurationen gemäß dem Stand der Technik. Die durch die geringere Sensorfläche der einzelnen Sensoren bedingte geringere Signalamplitude auf aktiven Halbleiterchips ist kein Nachteil gegenüber einer passiven Realisierung, da bei einer integrierten Sensor- Anordnung dieses Signal "On-Chip" mit Hilfe von Schaltungen verstärkt werden können, die zum Beispiel unterhalb der
Sensor-Elektroden in dem Substrat integriert sind. Somit sind solche Chips in der Lage, ein besseres Signal- Rauschverhältnis der auszuwertenden Sensorsignale zu liefern. Insbesondere ist die Toleranz solcher Chips gegenüber von außen eingekoppelten Störsignalen wesentlich größer als im
Falle der Verwendung passiver elektrischer Sensor-Arrays , bei denen vergleichsweise lange elektrische Leitungen mit dem Messequipment gekoppelt werden müssen. Auf diesen Leitungen laufende Signale sind aufgrund ihrer geringen Amplitude empfindlich gegenüber Störungen, die in die Leitungen einkoppeln.
Ein weiterer Vorteil insbesondere im Vergleich zu der bezugnehmend auf Fig.8 bis Fig.10 beschriebenen Referenzelektroden-Anordnung ist, dass die technologischen Anforderungen an die einzusetzenden Materialien weitaus geringer sind. Insbesondere wird die Notwendigkeit des Bereitsteilens einer Referenzelektrode, die häufig als Silber/Silberchlorid-Elektrode realisiert ist, zur Herstellung eines elektrochemischen Referenzpotentials bezüglich den Elektroden vermieden. Ein solche Referenzelektrode ist insbesondere bei elektrochemischen
Sensoren (z.B. Redox-Recycling-Sensoren) erforderlich, nicht hingegen bei Impedanzverfahren. Dies ist ein signifikanter Vorteil für die Realisierung solcher Sensor-Anordnungen auf aktiven Halbleiterchips (beispielsweise MOS-Chips) , da die Integration neuer und zusätzlicher Materialien in einen
Halbleiter-Herstellungsprozess mit hohen Kosten und hohem Entwicklungsaufwand verbunden ist . Aus Gründen der Kontaminationsgefahr durch derartige Materialien oder aber, da die Prozessierungsbedingungen dieser Materialien nicht mit dem Herstellungsprozess der integrierten Schaltung verträglich sind (da sie zum Beispiel zu einer Schädigung der in der Prozessabfolge bereits zuvor hergestellten integrierten Bauelemente, elektrischen Kopplungsmittel, und Isolationsschichten führen) , scheidet die Integration dieser Materialien grundsätzlich aus.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung insbesondere gegenüber der Interdigitalelektroden-Anordnung von Fig.3A, Fig.3B liegt darin, dass die Sensor-Elektroden der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung bei gleicher
Gesamtfläche ein deutlich größeres Signal liefern als die Konfiguration mit den Interdigitalelektroden. Dies liegt daran, dass die gesamte Sensorfläche als aktive Elektrodenfläche verwendet werden kann. Im Umkehrschluss bedeutet dies aber auch, dass bei einer gegebenen Anforderung an die Amplitude des Sensorsignals die Sensorfläche kleiner gemacht werden kann. Dies führt zu einer geringeren Flächenanforderung für die Schaltungstechnik bzw. zu einer höheren Leistungsfähigkeit der ansteuernden Schaltungen. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Sensor-Anordnung kann derart eingerichtet sein, dass für zumindest einen Teil der Sensor-Elektroden sequentiell jeweils für eine ausgewählte Sensor-Elektrode ermittelt wird, ob an der-- jeweils ausgewählten Sensor-Elektrode ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist. Mit anderen Worten kann sequentiell eine Mehrzahl von Sensor-Elektroden nacheinander ausgewählt werden und ermittelt werden, ob an dieser Sensor- Elektrode ein Sensorereignis stattgefunden hat.
Die Sensor-Anordnung kann ferner derart eingerichtet sein, dass für jede ausgewählte Sensor-Elektrode ermittelt wird, in welcher Quantität an der ausgewählten Sensor-Elektrode Hybridisierungsereignisse erfolgt sind. Die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung ist daher sowohl für qualitative als auch für quantitative Analysen verwendbar.
Die Sensor-Elektroden können im Wesentlichen matrixförmig auf der Oberfläche des Substrats angeordnet sein.
Ferner können die Sensor-Elektroden zu einer Mehrzahl von
Sensor-Gruppen gruppiert oder kompartimentiert sein derart, dass jede Sensor-Gruppe wahlweise separat von den anderen Sensor-Gruppen oder gemeinsam mit zumindest einem Teil der anderen Sensor-Gruppen betreibbar ist. Dadurch ist es erfindungsgemäß ermöglicht, für eine Analyse, für die nicht alle auf einer Sensor-Anordnung vorgesehenen Sensor- Elektroden erforderlich sind, nur einen ausreichend großen Teil der Sensor-Elektroden zu verwenden. Dadurch können Kosten eingespart werden.
Die Sensor-Elektrode ist vorzugsweise quadratisch, rechteckförmig, kreisförmig, ellipsenförmig, wabenförmig oder achteckig. Die Sensor-Elektrode kann auch aus einer Mehrzahl von nicht zusammenhängenden Bereichen (anschaulich Segmenten) zusammengesetzt sein, wobei vorzugsweise die einzelnen Bereiche einer Sensor-Elektrode mit denselben Fängermolekülen belegt sind und elektrisch gekoppelt sind.
Insbesondere kann die Sensor-Anordnung als integrierter Schaltkreis eingerichtet sein, wodurch insbesondere die Vorteile der Silizium-Mikrotechnologie genutzt werden können. Es ist allerdings zu betonen, dass die erfindungsgemäßen
Sensor-Anordnungen nicht notwendigerweise als integrierter Schaltkreis eingerichtet sein müssen.
Das Substrat kann ein Halbleiter-Substrat (zum Beispiel ein Silizium-Substrat, Silizium-Wafer oder Silizium-Chip) , ein
Keramik-Substrat, ein Glas-Substrat und ein Plastik-Substrat sein.
Das erste und/oder das zweite zeitlich veränderliche elektrische Signal kann eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung und das dritte zeitlich veränderliche elektrische Signal kann ein zeitlich veränderlicher elektrischer Strom sein. Alternativ kann das erste und/oder das zweite zeitlich veränderliche elektrische Signal ein zeitlich veränderlicher elektrischer Strom und das dritte zeitlich veränderliche elektrische Signal eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung sein.
Die Zeitabhängigkeit des ersten und/oder des zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals und/oder die
Zeitabhängigkeit des dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals kann eine mathematische Sinus-Funktion (oder Kosinus-Funktion) , eine Rechteck-Funktion, eine Sägezahn-Funktion, eine Dreieck-Funktion oder eine Sprung- Funktion sein. Wichtig ist, dass das erste bzw. das zweite zeitlich veränderliche elektrische Signal über die Zeit hinweg veränderlich ist.
Bei der Sensor-Anordnung kann der Steuer-Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass das erste elektrische Signal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist und das zweite elektrische Signal ein konstantes
Referenzpotential ist. Mit anderen Worten kann an die ausgewählte Sensor-Elektrode ein zeitlich veränderliches elektrisches Signal (z.B eine Wechselspannung) angelegt sein, wohingegen an zumindest zwei der anderen Sensor-Elektroden ein konstantes elektrisches Potential angelegt sein kann.
Alternativ kann bei der Sensor-Anordnung der Steuer- Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass das zweite elektrische Signal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist und das erste elektrische Signal ein konstantes Referenzpotential ist. Mit anderen Worten kann an die ausgewählte Sensor-Elektrode ein konstantes elektrisches Potential angelegt sein, wohingegen an zumindest zwei der anderen Sensor-Elektroden ein zeitlich veränderliches elektrisches Signal (z.B eine WechselSpannung)- angelegt sein kann.
Gemäß einer weiteren Alternative kann das erste elektrische Signal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal sein und kann das zweite elektrische Signal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal sein, wobei das erste und das zweite zeitlich veränderliche elektrische Signal zueinander gegenphasig sind. In diesem Fall kann zum Beispiel an alle Sensor-Elektroden eine jeweilige Wechselspannung angelegt sein, wobei die Wechselspannung an der ausgewählten Sensor-Elektrode zu der die WechselSpannung an den anderen Sensor-Elektroden (oder zumindest eines Teils davon) gegenphasig ist.
Das elektrische Referenzpotential kann das Masse-Potential sein oder ein Zeitmittelwert des ersten oder des zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals. Verwendet man als elektrisches Referenzpotential der nicht ausgewählten Sensor-Elektroden zum Beispiel den Zeitmittelwert des ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals (beispielsweise einer Sinus-WechselSpannung) , so sind störende elektrochemische Umsätze an Elektroden, (das heißt Oxidations- bzw. Reduktionsvorgänge) vermieden. Infolge solcher Oxidations- oder Reduktionsvorgänge kann Material unerwünschterweise in einem Umgebungsbereich der Sensor- Elektroden abgeschieden werden, wodurch sich die elektrischen Eigenschaften der Sensor-Elektroden verändern. Dadurch kann die Messung negativ beeinflusst werden.
Bei der Sensor-Anordnung kann die Referenzflüssigkeit eine andere Flüssigkeit als der Analyt sein und von zu erfassenden Partikeln frei sein. Anschaulich wird gemäß dieser Alternative zunächst eine von zu erfassenden Partikeln freie Referenzflüssigkeit in die Sensor-Anordnung eingebracht und der Referenzwert des dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals erfasst. Dann wird der Analyt, d.h. eine von der Referenzflüssigkeit unterschiedliche, zu untersuchende Flüssigkeit in die Sensor-Anordnung eingebracht, wodurch Hybridisierungsereignisse ermöglicht werden. Danach wird der Sensorwert des dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals erfasst.
Alternativ kann die Referenzflüssigkeit der Analyt sein, d.h. Referenzflüssigkeit und Analyt können ein und dieselbe Flüssigkeit sein. In beiden Betriebszustanden ist diese Flüssigkeit in die Sensor-Anordnung eingefüllt. In diesem
Fall ist die Sensor-Anordnung derart eingerichtet, dass der erste Betriebszustand ein erster Zeitraum ist, bei dem im Wesentlichen noch keine Hybridisierungsereignisse stattgefunden haben und der zweite Betriebszustand ein zweiter Zeitraum, zeitlich nach dem ersten Zeitraum, ist, bei dem im Wesentlichen alle Hybridisierungsereignisse stattgefunden haben.
Hybridisierungsereignisse erfolgen in vielen Fällen mit relativ langen Zeitkonstanten, z.B. in der Größenordnung von Stunden. Wird ein Analyt in die Sensor-Anordnung eingebracht und unmittelbar danach der Referenzwert des dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals erfasst, so sind zu diesem Zeitpunkt anschaulich noch keine (oder unwesentlich wenige) Hybridisierungsereignisse erfolgt. Nach einem vorgebbaren Zeitraum, der so gewählt wird, dass innerhalb dieses Zeitraums mögliche Hybridisierungsereignisse ablaufen können, wird der Sensorwert des dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals erfasst.
Ferner kann die Sensor-Anordnung einen in dem Substrat integrierten Analog/Digital -Wandler-Schaltkreis aufweisen, der derart eingerichtet ist, dass er ein analoges zeitlich veränderliches elektrisches Signal in ein digitales Signal umwandelt und dem Auswerte-Schaltkreis bereitstellt. Ferner kann die Sensor-Anordnung mit einer externen Versorgungs- Einheit versehen sein, die derart eingerichtet ist, dass sie dem Steuer-Schaltkreis elektrische SpannungsSignale und/oder elektrische Stromsignale bereitstellt. Darüber hinaus kann ein in dem Substart integrierter Digital-/Analog-Wandler- Schaltkreis vorgesehen sein, der derart eingerichtet ist, dass er ein digitales SpannungsSignal und/oder Stromsignal der externen Versorgungs-Einheit in ein analoges Signal umwandelt und dem Steuer-Schaltkreis bereitstellt. Ferner kann in dem Substrat ein Auswahl-Schaltkreis integriert sein, der derart eingerichtet ist, dass er sequentiell jeweils eine der Sensor-Elektroden auswählt. Hierfür kann beispielsweise ein Enable/Disable-Eingang an Spannungsquellen zum Erzeugen des ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals vorgesehen sein, oder es kann eine der Sensor-Elektroden unter Verwendung eines Transistorschalters zu- bzw. abgeschaltet werden.
Die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung ist insbesondere in Verbindung mit aktiven Silizium-Chips attraktiv, bei denen unterhalb jeder Elektrode elektrische Schaltungen zur Ansteuerung der Elektrode, zur Messung, Aufbereitung und Vorverarbeitung des Sensorsignals angeordnet sind. Auf derartigen Chips kann ferner die Ansteuerung der Chips und der Transfer der Messdaten über eine rein digitale, d.h. fehlerrobuste Schnittstelle zu externen Geräten erfolgen. Die auf dem Chip vorgesehenen Schaltungen können z.B. Analog-/ Digital-Wandler sein, die das von den Sensorschaltungen in vorverstärkter bzw. vorverarbeiteter Form gelieferte Signal in ein digitales Signal umsetzen. Ferner können Digital-/ Analog-Wandler vorgesehen sein, die von externen Geräten in digitaler Form kodierte Signale in Analogsignale umsetzen, die für den Betrieb der Sensoren benötigt werden (beispielsweise eine Wechselspannung) . Darüber hinaus können Logik-Schaltungen vorgesehen sein, die von externen Geräten in digitaler Form gelieferte Signale zur Ansteuerung des Chips (beispielsweise zur Auswahl einer Position) in geeignete Chip-interne Steuersignale konvertieren. Eine solche Konfiguration ist .vorteilhaft , da die Ansteuerung der
Sensoren mit Analog-Signalen und der Transport der empfindlichen Analog-Messsignale nicht über lange Zuleitungen erfolgt. Dadurch ist die Störempfindlichkeit der Chips und der Rauschanteil im Messsignal erheblich vermindert, da die empfindlichen Analog-Signale den Chip nicht verlassen müssen.
Ferner können auf mindestens einer der Sensor-Elektroden Fängermoleküle immobilisiert sein. Insbesondere können auf unterschiedlichen Sensor-Elektroden unterschiedliche Fängermoleküle immobilisiert sein, so dass ein Analyt auf das Vorhandensein unterschiedlicher zu erfassender Partikel getestet werden kann. Die Sensor-Anordnung kann insbesondere als Biosensor- Anordnung, weiter insbesondere als DNA-Sensor-Anordnung eingerichtet sein.
Der Auswerte-Schaltkreis kann derart eingerichtet sein, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert des dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals, und basierend auf dem ersten und/oder dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal den Wert der Impedanz zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode und einer in die Sensor-Anordnung eingebrachten elektrisch leitfähigen Substanz (d.h. insbesondere der Referenzflüssigkeit bzw. des Analyten) in dem ersten Betriebszustand und in dem zweiten Betriebszustand ermittelt. Da in dem ersten Betriebszustand die Referenzflüssigkeit in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, wird in dem ersten Betriebszustand der Wert der Impedanz zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode und der Referenzflüssigkeit ermittelt. Da in dem zweiten Betriebszustand der Analyt in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, wird in dem zweiten Betriebszustand der Wert der Impedanz zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode (mit den mit den Fängermolekülen an der Sensor-Elektrode hybridisierten, zu erfassenden Partikeln) und dem Analyt ermittelt.
Ferner kann der Auswerte-Schaltkreis derart eingerichtet sein, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert des dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals und basierend auf dem ersten und/oder dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal den Wert der Kapazität zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode und einer in die Sensor-Anordnung eingebrachten elektrisch leitfähigen Substanz in dem ersten Betriebszustand und in dem zweiten Betriebszustand ermittelt . Für viele Anwendungen ist die Approximation mit guter Genauigkeit zulässig, dass die Sensor-Impedanz von dem kapazitiven Anteil dominiert wird, wohingegen die Impedanz eines Elektrolyten bzw. ein ohmscher Anteil der Sensor-Impedanz häufig vernachlässigt werden können.
Der Auswerte-Schaltkreis kann derart eingerichtet sein, dass er basierend auf dem Quotienten der Werte der Kapazität zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode und einer in die Sensor-Anordnung eingebrachten elektrisch leitfähigen Substanz in dem ersten Betriebszustand und in dem zweiten Betriebszustand ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor- Elektrode Hybridisierungsereignisse erfolgt sind und/oder in welcher Quantität an einer ausgewählten Sensor-Elektrode Hybridisierungsereignisse erfolgt sind.
Alternativ zu der zuletzt beschriebenen Maßnahme kann der Auswerte-Schaltkreis derart eingerichtet sein, dass er für zumindest einen Teil der Sensor-Elektroden ermittelt, ob an der jeweils ausgewählten Sensor-Elektrode Hybridisierungsereignisse erfolgt sind und/oder in welcher Quantität an der jeweils ausgewählten Sensor-Elektrode
Hybridisierungsereignisse erfolgt sind, indem er aus dem Gleichungssystem
ß(n,m)CFeld(n,m)
CMess(n,m) = ß(n,m)CHeld(n,m)x 1— M (5)
∑ ∑ß(x,y)CFeld(x,y) x=l y=l die Werte ß (i, j ) CFeid(i , j ) für den ersten und den zweiten Betriebszustand ermittelt. In Gleichung (5) sind n,m die Indizes einer ausgewählten Sensor-Elektrode in dem Zellenfeld und x,y Indizes der Sensor-Elektroden in dem Zellenfeld. N*M ist die Anzahl der Sensor-Elektroden in dem Zellenfeld (z.B. sind in einem matrixförmigen Zellenfeld N Zeilen und M Spalten von Sensor-Elektroden vorgesehen) . Ferner ist Cei (i/j) der Wert der Kapazität zwischen der Sensor- Elektrode mit den Indizes i,j und dem Elektrolyten. Die nicht ausgewählten Sensor-Elektroden bilden weitere Kapazitäten zu dem Elektrolyten in dem ersten Betriebszustand. Darüber hinaus ist ß (i , j ) CFeid (i , j ) der Wert der Kapazität zwischen der Sensor-Elektrode mit den Indizes i,j und dem Elektrolyten in dem zweiten Betriebszustand. Die nicht ausgewählten Sensor-Elektroden bilden weitere Kapazitäten zu dem
Elektrolyten in dem zweiten Betriebszustand. Ferner ist CMess(n,m) der Wert der ermittelten, d.h. der gemessenen Kapazität zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode mit den Indizes n,m und dem Elektrolyten (einer in die Sensor- Anordnung eingebrachten elektrisch leitfähigen Substanz) . Anschaulich wird für den ersten bzw. den zweiten Betriebszustand Gleichung (5) numerisch gelöst, indem für jeden Betriebszustand ein Gleichungssystem mit jeweils NxM Gleichungen und NxM Unbekannten, nämlich den Produkten ß (n,m) CFeid(n,m) , gelöst wird. Anschaulich ist in den Werten ß(n,m) die Information über ein möglicherweise .erfolgtes Sensorereignis enthalten.
Der Auswerte-Schaltkreis kann derart eingerichtet sein, dass er beim Ermitteln der Werte ß (i, j ) CFeid (i j ) die Approximation NXM>>1 verwendet. Mit anderen Worten wird hier angenommen, dass eine große Anzahl von Sensor-Elektroden in der Sensor- Anordnung vorgesehen ist. Alternativ oder ergänzend kann der Auswerte-Schaltkreis derart eingerichtet sein, dass er zum Ermitteln der Werte ß (i, j ) CFeid(i/ j ) die Approximation
N M
∑ £ ß(x,y)CFeld(x,y) » ß(n,m)CFeld(n,m) (6) λ=l y=I
verwendet. Dies entspricht anschaulich der Annahme, dass sich die Werte der jeweiligen Kapazitäten ausreichend wenig, d.h. nicht um Größenordnungen voneinander unterscheiden. Anschaulich kann unter Verwendung der beiden beschriebenen Approximationen Gleichung (5) erheblich vereinfacht werden, was eine numerisch einfachere Auswertung in dem Auswerte- Schaltkreis ermöglicht. Im Weiteren wird eine erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben. Die Ausgestaltungen der Sensor-Anordnung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung gelten auch für die Sensor-Anordnung gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Sensor- Anordnung mit einem Substrat und mit mindestens drei Sensor- Elektroden auf dem Substrat bereitgestellt. Auf zumindest einem Teil der Sensor-Elektroden sind Fängermoleküle immobilisiert, die derart eingerichtet sind, dass zu erfassende Partikel mit ihnen hybridisieren können. Mindestens eine Referenz-Sensor-Elektrode ist von solchen Fängermolekülen frei, die derart eingerichtet sind, dass mit ihnen zu erfassende Partikel hybridisieren können. Mit anderen Worten können auch auf der Referenz-Sensor-Elektrode - Fängermoleküle immobilisiert sein (z.B. doppelsträngige DNA), nicht jedoch solche Fängermoleküle, die mit anderen Partikeln hybridisieren können. Allerdings kann die Referenz-Sensor- Elektrode auch von Fängermolekülen gänzlich frei sein. Die
Sensor-Elektroden sind derart auf dem Substrat angeordnet, dass in einem Betriebszustand, in dem eine elektrisch leitfähige Substanz in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, die Sensor-Elektroden mittels der elektrisch- leitfähigen Substanz miteinander gekoppelt sind. Ein Steuer-Schaltkreis ist derart eingerichtet, dass mit ihm an eine ausgewählte Sensor-Elektrode und an die Referenz-Sensor-Elektrode ein erstes elektrisches Signal anlegbar ist und simultan an mindestens eine der anderen Sensor-Elektroden ein zweites elektrisches Signal anlegbar ist, wobei das erste elektrische
Signal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal und/oder das zweite elektrische Signal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist. Eine Erfass- Einrichtung ist derart eingerichtet, dass in einem Betriebszustand, in dem ein möglicherweise zu erfassende Partikel aufweisender Analyt in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, ein Referenzwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals an der Referenz-Sensor-Elektrode erfasst wird. Ferner wird mittels der Erfass-Einrichtung ein Sensorwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals an der ausgewählten Sensor-Elektrode erfasst. Ein Auswerte-Schaltkreis ist derart eingerichtet, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor-Elektrode ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist .
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird anschaulich zum Beispiel eine -Wechselspannung an die Referenz-Sensor- Elektrode und an die ausgewählte Sensor-Elektrode angelegt. Da zwar an der ausgewählten Sensor-Elektrode, nicht aber an der Referenz-Sensor-Elektrode Fängermoleküle immobilisiert sind, mit denen zu erfassende Partikel eines Analyten hybridisieren können, verändert sich infolge eines Hybridisierungsereignisses der Sensorwert, nicht hingegen der Referenzwert eines aus der WechselSpannung resultierenden Wechselstroms .
Gemäß diesem Aspekt der Erfindung kann die Referenz-Sensor- Elektrode von Fängermolekülen frei sein oder es können auf der Referenz-Sensor-Elektrode solche Fängermoleküle immobilisiert sein, die mit zu erfassenden Partikeln nicht hybridisieren können (z.B. doppelsträngige DNA).
Im Weiteren wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung näher beschrieben. Ausgestaltungen der Sensor-Anordnung gelten auch für das Verfahren zum Betreiben der Sensor-Anordnung. Als Referenzflüssigkeit kann im Wesentlichen dieselbe Substanz verwendet werden wie für den Analyt, abgesehen davon, dass die Referenzflüssigkeit von zu erfassenden Partikeln frei ist.
Indem sich die Referenzflüssigkeit von dem Analyt im Wesentlichen nur um die üblicherweise in geringer Konzentration vorliegenden zu erfassenden Partikel unterscheiden, ist sichergestellt, dass die elektrischen Eigenschaften an den Sensor-Elektroden nicht durch allzu unterschiedliche Referenz- bzw. Analyt -Flüssigkeit beeinflusst werden. Dadurch ist die Messgenauigkeit erhöht.
Es ist anzumerken, dass eine ausgewählte Sensor-Elektrode bezüglich der nicht-ausgewählten Sensor-Elektroden anschaulich gegenphasig betrieben werden kann. D.h., dass zum_ Beispiel an die ausgewählte Sensor-Elektrode eine erste Wechselspannung angelegt werden kann, und dass simultan an zumindest einen Teil der anderen Sensor-Elektroden eine zweite WechselSpannung angelegt werden kann. Die erste
Wechselspannung ist bezüglich der zweiten dann vorzugsweise gegenphasig. Alternativ kann zum Beispiel an die ausgewählte Sensor-Elektrode ein erster Wechselstrom angelegt werden, und simultan kann an zumindest einen Teil der anderen Sensor- Elektroden ein zweiter Wechselstrom angelegt werden kann. Der erste Wechselstrom ist bezüglich des zweiten' Wechselstroms dann vorzugsweise gegenphasig.
Ferner ist anzumerken, dass erfindungsgemäß nach dem erfolgten Hybridisierungsereignis die Sensor-Anordnung mittels Entfernens des Analyten und mittels Einbringens einer Spüllösung gespült werden kann, die derart eingerichtet ist, dass dadurch nicht hybridisierte unverändert einsträngige Fängermoleküle von den Sensor-Elektroden abgelöst werden, wohingegen mit zu erfassenden Partikeln hybridisierte
Fängermoleküle durch die Spüllösung nicht abgelöst werden. Im Rahmen dieser Beschreibung werden vorwiegend DNA-Sensor- Anordnungen zum Erfassen und Nachweisen von DNA-Strängen beschrieben, die eine wichtige Klasse und ein wichtiges Anwendungsfeld derartiger Sensorarrays darstellen. Das Prinzip der beschriebenen Sensor-Anordnungen ist jedoch nicht auf das Gebiet der DNA-Sensorik beschränkt, sondern gilt allgemein für jede beliebige Sensor-Klasse.
Anschaulich ist erfindungsgemäß eine Möglichkeit geschaffen, unter Verwendung des Impedanz-Verfahrens eine vereinfachte und hochgenaue Sensor-Anordnung bereitzustellen und zu betreiben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Sensor- nordnung gemäß dem Stand der Technik,
Figuren 2A bis 2F Querschnittsansichten eines Teilbereichs der in Figur 1 gezeigten Sensor-Anordnung zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Verfahrens zum Betreiben der Sensor-Anordnung,
Figuren 3A, 3B eine Draufsicht und eine Querschnittansicht entlang der Schnittlinie I-I ' einer
Interdigitalelektroden-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
Figuren 4A, 4B Querschnittsansichten eines ersten Teilbereichs der in Figur 3 gezeigten
Interdigitalelektroden-Anordnung zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Verfahrens zum Betreiben der Interdigitalelektroden-Anordnung gemäß dem Stand der Technik, Figur 5 eine Querschnittsansicht eines zweiten Teilbereichs der in Figur 3 gezeigten Interdigitalelektroden- Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
Figur 6 ein Ersatzschaltbild des ersten Teilbereichs der
Interdigitalelektroden-Anordnung aus Figur 3 gemäß dem Stand der Technik,
Figuren 7A, 7B Ersatzschaltbilder des ersten Teilbereichs der in Figur 3 gezeigten Interdigitalelektroden-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
Figuren 8A, 8B eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie II-II' einer Sensor-
Anordnung mit Referenzelektrode gemäß dem Stand der Technik,
Figur 9 ein Ersatzschaltbild der Sensor-Anordnung aus Figur 8 gemäß dem Stand der Technik,
Figur 10 ein anderes Ersatzschaltbild der Sensor-Anordnung aus Figur 8 gemäß dem Stand der Technik,
Figur 11 eine schematische Querschnittsansicht einer Sensor- Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 12 eine perspektivische schematische Ansicht einer Sensor-Anordnung gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 13 ein Ersatzschaltbild der in Figur 12 gezeigten Sensor-Anordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, Figur 14 ein anderes Ersatzschaltbild der in Figur 12 gezeigten Sensor-Anordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Figur 15 eine schematische Querschnittsansicht einer Sensor- Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig.11 eine Sensor- Anordnung 1100 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die Sensor-Anordnung 1100 weist ein Silizium-Substrat 1101 sowie eine erste Sensor-Elektrode 1102, eine zweite Sensor- Elektrode 1103 und eine dritte Sensor-Elektrode 1104, jeweils aus Gold-Material, auf, die auf dem Substrat 1101 angeordnet sind. Auf der ersten Sensor-Elektrode 1102 sind erste Fängermoleküle 1105 immobilisiert. Auf der zweiten Sensor- Elektrode 1103 sind zweite Fängermoleküle 1106 immobilisiert. Auf der dritten Sensor-Elektrode 1104 sind dritte
Fängermoleküle 1107 immobilisiert. Jede der Typen von Fängermolekülen 1105 bis 1107 ist derart eingerichtet, dass jeweils spezifisch zu erfassende Partikel mit ihnen hybridisieren können.
Gemäß dem in Fig.11 gezeigten Betriebszustand der Sensor- Anordnung 1100 ist ein Analyt 1109 mit zu erfassenden DNA- Halbsträngen 1108 in die Sensor-Anordnung 1100 eingebracht. Die zu erfassenden DNA-Halbstränge 1108 sind zu den ersten Fängermolekülen 1105 komplementär, weshalb die ersten Fängermoleküle 1105 mit den zu erfassenden DNA-Halbsträngen 1108 hybridisieren. Dagegen ist die Basensequenz der zweiten und dritten Fängermoleküle 1106, 1107 nicht komplementär zu den zu erfassenden DNA-Halbsträngen 1108, so dass an der zweiten Elektrode 1103 und an der dritten Elektrode 1104 keine Hybridisierungsereignisse stattfinden. Wie in Fig.11 gezeigt, sind die Sensor-Elektroden 1102 bis 1104 derart auf dem Substrat angeordnet, dass in einem Betriebszustand, in dem der elektrolytische Analyt 1109 als elektrische leitfähige Substanz in die Sensor-Anordnung 1100 eingebracht ist, die Sensor-Elektroden 1102 bis 1104 mittels der elektrisch leitfähigen Elektrolyt-Lösung 1109 elektrisch gekoppelt sind. Mittels eines Behältnisses 1110 auf dem Substrat 1101 ist ermöglicht, dass der Analyt 1109 in die Sensor-Anordnung 1100 einfüllbar ist.
Ferner ist in Fig.11 ein Steuer-Schaltkreis 1111 gezeigt, der derart eingerichtet ist, dass mit ihm an eine jeweils ausgewählte Sensor-Elektrode 1102 bis 1104 eine sinusförmige und daher zeitlich veränderliche WechselSpannung anlegbar ist. Dies ist mittels der ersten bis dritten
Wechselspannungsquellen 1113 bis 1115 realisiert. Mittels einer ersten Steuerleitung 1112a ist eine Steuereinheit 1112 des Steuer-Schaltkreises 1111 mit der ersten Wechselspannungsquelle 1113 gekoppelt, wobei mittels eines Signals der Steuereinheit 1112 über die erste Steuerleitung 1112a die erste Wechselspannungsquelle 1113 aktiviert (oder deaktiviert) werden kann. Gemäß dem in Fig.11 gezeigten Betriebszustand der Sensor-Anordnung 1100 ist die erste Sensor-Elektrode 1102 aktiviert, wohingegen die zweite und dritte Sensor-Elektroden 1103 und 1104 deaktiviert sind. Folglich stellt die Steuereinheit 1112 der ersten Wechselspannungsquelle 1113 ein derartiges Signal bereit, dass die erste Wechselspannungsquelle 1113 aktiviert ist. Darüber hinaus stellt die Steuereinheit 1112 über die zweite Steuerleitung 1112b der zweiten Wechselspannungsquelle 1114 ein derartiges Signal bereit, dass die zweite Wechselspannungsquelle 1114 deaktiviert ist und an der zweiten Sensor-Elektrode 1103 keine Wechselspannung anliegt. Auch die dritte Wechselspannungsquelle 1115 ist deaktiviert, da die Steuereinheit 1112 über die dritte Steuerleitung 1112c der dritten Wechselspannungsquelle 1115 ein entsprechendes Steuersignal übermittelt. Dadurch liefert gemäß dem in Fig.11 gezeigten Betriebszustand die erste Wechselspannungsquelle 1113 der ersten Sensor-Elektrode 1102 eine elektrische WechselSpannung mit sinusförmigem Signalverlauf, wohingegen die zweite und die dritte Sensor-Elektrode 1103, 1104 auf elektrischem Massepotential 1121 als Referenzpotential befindlich sind.
Ferner ist bei der Sensor-Anordnung 1100 eine Erfasseinrichtung 1116 vorgesehen, die eine erste Strom- Erfasseinheit 1117 zum Erfassen eines elektrischen Stroms der ersten Sensor-Elektrode 1102, eine zweite Strom-Erfasseinheit
1118 zum Erfassen eines elektrischen Stroms der zweiten Sensor-Elektrode 1103 sowie eine dritte Strom-Erf sseinheit
1119 zum Erfassen eines elektrischen Stroms der dritten Sensor-Elektrode 1104 enthält. Die Strom-Erfasseinheiten 1117 bis 1119 können beispielsweise als Amperemeter ausgestaltet sein. Die Erfasseinrichtung 1116 ist derart eingerichtet, dass in einem ersten Betriebszustand (nicht gezeigt) , in dem eine von zu erfassenden Partikeln 1108 freie Referenzflüssigkeit (nicht gezeigt) in die Sensor-Anordnung 1100 eingebracht ist, ein aus der mittels der ersten Wechselspannungsquelle 1113 an die ausgewählte Sensor- Elektrode 1102 angelegten Wechselspannung resultierender elektrischer Referenzstrom mittels der ersten Strom- Erfasseinheit 1117 erfasst wird. Mit anderen Worten ist gemäß diesem ersten Betriebszustand in die Sensor-Anordnung 1100 statt dem Analyten 1109 eine Elektrolyt-Referenzflüssigkeit eingefüllt, welche keine zu erfassenden Partikel aufweist. Für die Referenzflüssigkeit wird allerdings dasselbe Material verwendet wie für den Analyten 1109, abgesehen davon, dass die Referenzflüssigkeit von zu erfassenden Partikeln 1108 frei ist. Ferner ist die Erfasseinrichtung 1116 derart eingerichtet, dass in dem in Fig.11 gezeigten zweiten Betriebszustand, in dem ein zu erfassende DNA-Halbstränge 1108 aufweisender Analyt 1109 in die Sensor-Anordnung 1100 eingebracht ist, ein elektrischer Sensorstrom erfasst wird, der aus der mittels der ersten Wechselspannungsquelle 1113 an die erste Sensor-Elektrode 1102 angelegten elektrischen WechselSpannung resultiert.
Ferner ist ein Auswerte-Schaltkreis 1120 bei der Sensor- Anordnung 1100 in dem Substrat 1101 integriert, der derart eingerichtet ist, dass er basierend auf dem elektrischen Referenzstrom und dem elektrischen Sensorstrom ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor-Elektrode 1102 ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist. Hierfür werden dem Auswerte-Schaltkreis 1120 die von den Strom-Erfasseinheiten 1117 bis 1119 erfassten elektrischen Stromwerte mittels erster bis dritter Kopplungsleitungen 1120a bis 1120c bereitgestellt .
Die Prozedur des Ermitteins des Referenzstroms und des
Sensorstroms wird gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel für den ersten und den zweiten Betriebszustand für jede der Sensor-Elektroden 1102 bis 1104 nacheinander durchgeführt, indem sequentiell die Sensor-Elektroden 1102 bis 1104 ausgewählt werden. Der Auswerte-Schaltkreis 1120 ist derart eingerichtet, dass er basierend auf den erfassten elektrischen Referenz- und Sensorströmen und basierend auf den mittels der jeweiligen Wechselspannungsquellen 1113 bis" 1115 angelegten WechselSpannungen den Wert der Impedanz zwischen der jeweils ausgewählten Sensor-Elektrode (gemäß Fig.11 die erste Sensor-Elektrode 1102) und dem Analyt 1109 ermittelt, und zwar in dem ersten Betriebszustand (nicht gezeigt) und in dem zweiten Betriebszustand (gezeigt in Fig.11) .
Anschaulich verändert sich infolge eines Sensorereignisses, das heißt einer Hybridisierung zwischen ersten Fängermolekülen 1105 und zu erfassenden DNA-Halbsträngen 1108 auf der ersten Sensor-Elektrode 1102, der Wert der Impedanz zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode 1102 und dem
Analyt 1109. Dies ist anschaulich darauf zurückzuführen, dass aufgrund des Hybridisierungs-Ereignisses Elektrolytflüssigkeit mit guter elektrischer Leitfähigkeit aus einem Umgebungsbereich der ausgewählten Sensor-Elektrode 1102 verdrängt wird und durch DNA-Material 1108 mit von dem Elektrolyten 1109 unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften ausgetauscht wird. Dadurch ändert sich der Wert der Impedanz, was bei einer gleichbleibenden WechselSpannung, bereitgestellt von der ersten Wechselspannungsquelle 1113, zu unterschiedlichen Werten der Stromstärken führt, die von der ersten Strom-Erfasseinheit 1117 im ersten bzw. im zweiten Betriebszustand erfasst werden. Aus dieser veränderten
Stromstärke kann auf die Veränderung der Impedanz und daher auf die Quantität der auf der ersten Sensor-Elektrode 1102 erfolgten Hybridisierungsereignisse geschlossen werden. Daher ist die Veränderung der Impedanz ein Maß für die Konzentration der DNA-Halbstränge 1108 in dem Analyen 1109, so dass der Wert der Konzentration bestimmbar ist.
Bei der Sensor-Anordnung 1100 fungiert anschaulich ein und dieselbe Sensor-Elektrode in unterschiedlichen Betriebszustanden als ausgewählte Sensor-Elektrode oder als Gegenelektrode .
- Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig.12 eine Sensor- Anordnung 1200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung beschrieben.
Die Sensor-Anordnung 1200 weist eine Vielzahl von auf einem Substrat 1206 matrixför ig (entlang von Zeilen 1202 und Spalten 1203) angeordneten Sensor-Elektroden 1201 auf. In der schematischen Perspektivenansicht von Fig.12 ist gezeigt, wie sich ein in die Sensor-Anordnung 1200 eingefüllter Elektrolyt schaltungstechnisch auswirkt. Ist ein Elektrolyt in die Sensor-Anordnung 1200 eingefüllt, so sind mittels des Elektrolyten die unterschiedlichen Sensor-Elektroden 1201 miteinander gekoppelt. Dem Elektrolyt kann schaltungstechnisch eine Impedanz ZE zugeordnet werden. Diese Elektrolyt-Impedanz 1204 ist zwischen jeweils zwei Sensor-Elektroden 1201 paarweise vorgesehen, wie in Fig.12 gezeigt. Ferner wird jeder Sensor-Elektrode 1201 schaltungstechnisch eine Impedanz ZM zugeordnet, was in
Fig.12 dadurch gekennzeichnet ist, dass für jede Sensor- Elektrode 1201 eine Sensor-Impedanz 1205 vorgesehen ist. Wie ferner in Fig.12 gezeigt, ist jeder Sensor-Elektrode 1201 in der matrixförmigen Anordnung ein erster Index i (Spal enindex) und ein zweiter Index j (Zeilenindex) zugeordnet, wobei in Fig.12 der erste Index mit den Werten n- 1, n, n+1 gezeigt ist bzw. der zweite Index mit den Werten m- 1, m, m+1.
Für die Charakterisierung einer bestimmten Position von Sensor-Elektroden 1201 wird an der ausgewählten Position eine WechselSpannung angelegt und es wird dort der Messstrom gemessen (alternativ wird ein Wechselstrom angelegt und eine resultierende WechselSpannung gemessen) , wohingegen alle anderen Sensor-Elektroden 1201 auf das Massepotential gebracht werden.
In Fig.13 ist ein schematisches Ersatzschaltbild 1300 der Sensor-Anordnung 1200 gezeigt.
In Fig.13 ist die Elektrolyt-Impedanz 1204 ZE gegenüber der häufig wesentlich größeren Sensor-Impedanz 1205 ZM vernachlässigt. In Fig.13 sind die NxM Sensorfelder nebeneinander angeordnet dargestellt, wobei unterschiedliche Sensor-Elektroden 1201 mittels eines globalen Kopplungsmittels 1302 (anschaulich der elektrisch leitfähige Elektrolyt) , gekoppelt sind. Die Sensor-Impedanz 1205 ZM ist in Fig.13 durch deren oft dominierenden kapazitiven Anteil ßCpeid angenähert, d.h. der ohmsche Anteil ist vernachlässigt. Unterhalb jeder Sensor-Elektrode 1201, das heißt gekoppelt mit der Sensor-Impedanz 1205 ZM , ist jeweils eine Stromerfass-Einrichtung 1303 zum Erfassen eines elektrischen Stroms . Ferner ist jeder Sensor-Elektrode 1201 eine Wechselspannungsquelle 1304 zugeordnet. Mittels eines in Fig.13 nicht gezeigten Enable/Disable-Eingangs jeder Wechselspannungsquelle 1304 ist jede der
Wechselspannungsquellen 1304 separat auswählbar. Mit anderen Worten wird an diese ausgewählte Wechselspannungsquelle 1304 eine elektrische Wechselspannung VC ar angelegt, wohingegen alle anderen Wechselspannungsquellen 1304 auf das elektrische Potential V=0Volt gebracht werden. Gemäß dem in Fig.13 gezeigten Szenario ist die Sensor-Elektrode 1201 mit den Indizes (n,m) ausgewählt, weshalb mittels der zugehörigen Wechselspannungsquelle 1304 eine elektrische Wechselspannung Vchar an die zugehörige Sensor-Elektrode 1201 angelegt ist.
In Fig.14 ist ein anderes Ersatzschaltbild 1400 der Sensor- Anordnung 1200 gezeigt.
Gemäß dem in Fig.13, Fig.14 gezeigten Betriebszustand ist mittels der Wechselspannungsquelle 1304 an die Sensor- Elektrode 1201 mit den Indizes n,m eine elektrische
WechselSpannung mittels der Wechselspannungsquelle 1304 angelegt, und mittels der Stromerfass-Einrichtung 1303 kann ein Messstrom Imess erfasst werden.
Bei der in Fig.14 gezeigten Konfiguration wird bei der Serienschaltung der Kapazität der ausgewählten Sensor- Elektrode 1201 (n,m) mit der Summenschaltung der Kapazitäten aller nicht ausgewählten Sensor-Elektroden 1201
(n,m) =
N M ß(n,m)CFeld(n,m)x ∑ ∑ß(x>y)CFeld(χ,y) -ß(n,m)CFeId(n,m) x=l y=l
(7a)
M ß(n,m)CFe,d(n,m) + ∑ ∑ß(x,y)CFeld(x,y) -ß(n,m)CFeld(n,rn) x=I y=l N M
∑ ∑ ß(x, y) CFeld (x, y) -ß(n,m) CFeld (n,m)
V _ x=l y=I
= ß(n, m) CFcid (n,m) x - M ( 7b)
∑ ∑ ß(x,y) CFeId(x,y) x=l y=l
= ß(n,m) CFoId(n,m) ( 7c)
Figure imgf000043_0001
gemessen. In Gleichungen (7a), (7b), (7c) steht CFeid(x,y) für die Elektrodenkapazität der Sensor-Elektrode 1201 mit den Koordinaten (x,y) zeitlich vor dem Hybridisieren (erster Betriebszustand), ß (x,y) CFeid(x, y) für die Elektrodenkapazität der Sensor-Elektrode 1201 der Position '(x,y) zeitlich nach dem Hybridisieren (zweiter Betriebszustand) bzw. ß(x,y) für die mittels der Hybridisierung herbeigeführte Änderung der Kapazität einer Position (x,y) . Gleichungen (7a) bis (7c) gelten vor und nach der Hybridisierung, das heißt im ersten und im zweiten Betriebszustand, wobei vor der Hybridisierung ß(x,y)=l gilt. Nach einem Hybridisierungs-Ereignis gilt
Figure imgf000043_0002
Somit ist das Ermitteln des Parameters ß(x,y) für alle Positionen (x,y) gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel Ziel der Auswertung.
Für Arrays mit einer nicht allzu geringen Anzahl von Positionen gilt
M x N >> 1 (8)
Wenn sich, was häufig in guter Näherung erfüllt ist, die jeweiligen Werte der Kapazitäten CFeια(x,y) bzw. ß (x, y) CFeid (x, y) nicht um Größenordnungen voneinander unterscheiden, gilt auch ∑ ∑ ß(xJ y) CFeId(x,y) » ß(n.m) CFeId (n.m) ( 9 )
=1 y=I
Mit der Approximation aus Gleichung (9) folgt aus Gleichung (7c) in guter Näherung
Crae3g(n,m) « ß(n,m) CFeid(n,m) (10)
Unter Verwendung der erfassten Messwerte für Cmess(n,m) vor der Hybridisierung (erster Betriebszustand) und nach der Hybridisierung (zweiter Betriebszustand) ergibt sich
, . _ Cmess ("■ )lnach Hybri isierungsp ase , _. . cmess (n'm)|Vor Hybridisierungsphase
Für den Fall, dass eine besonders hohe Genauigkeit gewünscht wird oder dass ein betrachtetes Array eine solch geringe Anzahl von Sensorfeldern aufweist, dass die Näherung von Gleichung (8) nur noch mäßig gut erfüllt ist, kann das durch Gleichungen (7a) bis (7c) gegebene Gleichungssystem auch exakt (numerisch) gelöst werden. Gleichungen (7a) bis (7c) liefern für die Betriebszustände vor und nach der
Hybridisierungsphase jeweils einen Satz von MxN-Gleichungen für die MxN zu ermittelnden Werte ß (x, y) CFeιd (x,y) mit x=l, 2, ... , N und_y=l, 2, ... , M.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig.15 eine Sensor- Anordnung 1500 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die Sensor-Anordnung 1500 enthält ein Substrat 1501 und drei Sensor-Elektroden 1502 bis 1504 auf dem Substrat 1501. Auf einer ersten Sensor-Elektrode 1502 sind erste Fängermoleküle 1505 immobilisiert, die derart eingerichtet sind, dass zu erfassende Partikel 1508 eines Analyten 1509 mit ihnen hybridisieren können. Auf einer zweiten Sensor-Elektrode 1503 sind zweite Fängermoleküle 1506 immobilisiert. Eine Referenz- Sensor-Elektrode 1504 ist von Fängermolekülen frei. Die Sensor-Elektroden 1502 bis 1504 sind derart auf dem Substrat
1501 angeordnet, dass in einem Betriebszustand, in dem eine elektrisch leitfähige Substanz wie der Analyt 1509 in die Sensor-Anordnung 1500 eingebracht ist, die Sensor-Elektroden
1502 bis 1504 mittels der elektrisch leitfähigen Substanz miteinander gekoppelt sind. Ein Steuer-Schaltkreis 1507 ist derart eingerichtet, dass mit ihm an eine ausgewählte Sensor- Elektrode, gemäß dem in Fig.15 gezeigten Szenario die erste Sensor-Elektrode 1502, und an die Referenz-Sensor-Elektrode 1504 eine WechselSpannung anlegbar ist und simultan an die zweite Sensor-Elektrode 1503 das elektrische Massepotential anlegbar ist. Eine Erfass-Einrichtung 1510 ist derart eingerichtet, dass in einem Betriebszustand, in dem der zu erfassende Partikel 1508 aufweisende Analyt 1509 in die
Sensor-Anordnung 1500 eingebracht ist, ein Referenzwert eines aus der WechselSpannung resultierenden Wechselstroms an der Referenz-Sensor-Elektrode 1504 erfasst wird. Ferner wird mittels der Erfass-Einrichtung 1510 ein Sensorwert des aus der WechselSpannung resultierenden Wechselstroms an der ausgewählten Sensor-Elektrode 1502 erfasst. Ein Auswerte- Schaltkreis 1511 ist derart eingerichtet, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor-Elektrode 1502 ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist.
Da, wie in Fig.15 gezeigt, zwar an der ausgewählten Sensor- Elektrode 1502, nicht aber an der Referenz-Sensor-Elektrode 1504, Fängermoleküle 1505 immobilisiert sind, mit denen zu erfassende Partikel 1508 des Analyten 1509 hybridisieren können, verändert sich infolge eines
Hybridisierungsereignisses signifikant der Sensorwert, nicht hingegen der Referenzwert des aus der Wechselspannung resultierenden Wechselstroms. In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] M. Paeschke et al . , Electroanalysis 1996, 7, No. 1, p. 1-8
[2] R. Hintzsche et al . , "Microbiosensors using electrodes made in Si-technology" , in "Frontiers in Biosensorics I - Fundamental Aspects", F. W. Scheller et al . ed., 1997, Birkhauser Verlag Basel
[3] WO 9322678
[4] DE 19610115 AI
[5] US Patent Serial No 60 / 007840
[6] Peter Van Gerwen et al . , Transducers '97, p. 907-910
[7] Christian Krause et al . , Langmuir, Vol. 12, No. 25, 1996 p. 6059-6064
[8] V. M. Mirsky, Biosensors & Bioelectronics 1997, Vol.
- - 12 No. 9-10, pp. 977-989
[9] M. Riepl et al , Mikrochim. Acta, 29-34, 1999
[10] WO 01/42508 A2
[11] WO 96/33403 AI
[12] WO 98/57157 AI Bezugszeichenliste
100 Sensor-Anordnung
101 Chip
102 Sensor-Felder
200 erstes Sensor-Feld
201 zweites Sensor-Feld
202 Sensor-Elektrode
203 erste Fängermoleküle
204 zweite Fängermoleküle
205 Analyt
206 zu erfassende Partikel
207 Spüllösung
300 Interdigitalelektroden-Anordnung
301 Substrat
302 erste Elektrodenstruktur
303 zweite Elektrodenstruktur
304 erster Teilbereich
305 zweiter Teilbereich
400 Fängermoleküle
401 Analyt
402 zu erfassende Partikel
403 Impedanz
500 Feldlinien
501 Symmetrielinien
502 Bedeckungsbereich
600 Ersatzschaltbild
601 erste Kapazität
602 erster ohmscher Widerstand
603 zweite Kapazität
604 zweiter ohmscher Widerstand
605 dritte Kapazität
606 dritter ohmscher Widerstand
700 Ersatzschaltbild
701 Amperemeter 702 Wechselspannungsquelle
703 Massepotential
710 vereinfachtes Ersatzschaltbild
711 erste effektive Kapazität
712 erster effektiver ohmscher Widerstand
800 Sensor-Anordnung
801 Silizium-Substrat
802 Sensor-Felder
803 Referenzelektrode
804 Analyt
805 aktiver Bereich
806 Teilbereich
900 Ersatzschaltbild
901 erste Kapazität
902 erster ohmscher Widerstand
903 zweite Kapazität
904 zweiter ohmscher Widerstand
1000 Ersatzschaltbild
1001 Amperemeter
1002 Wechselspannungsquelle
1003 Massepotential
1100 Sensor-Anordnung
1101 Silizium-Substrat
1102 erste Sensor-Elektrode
1103 zweite Sensor-Elektrode
1104 dritte Sensor-Elektrode
1105 erste Fängermoleküle
1106 zweite Fängermoleküle
1107 dritte Fängermoleküle
1108 zu erfassende DNA-Halbstränge
1109 Analyt
1110 Behältnis
1111 Steuer-Schaltkreis
1112 Steuer-Einheit 1112a erste Steuerleitung 1112b zweite Steuerleitung 1112c dritte Steuerleitung
1113 erste Wechselspannungsquelle
1114 zweite Wechselspannungsquelle
1115 dritte Wechselspannungsquelle
1116 Erfasseinrichtung
1117 erste Strom-Erfasseinheit
1118 zweite Strom-Erfasseinheit
1119 dritte Strom-Erfasseinheit
1120 Auswerte-Schaltkreis 1120a erste Kopplungsleitung 1120b zweite Kopplungsleitung 1120c dritte Kopplungsleitung
1121 elektrisches Massepotential
1200 Sensor-Anordnung
1201 Sensor-Elektrode
1202 Zeilen
1203 Spalten
1204 Elektrolyt-Impedanz
1205 Sensor-Impedanz
1206 Substrat
1300 Ersatzschaltbild
1301 elektrisches Massepotential
1302 globales Kopplungsmittel
1303 Stromerfass-Einrichtung
1304 Wechselspannungsquelle 1400 Ersatzschaltbild
1500 Sensor-Anordnung
1501 Substrat
1502 erste Sensor-Elektrode
1503 zweite Sensor-Elektrode
1504 Referenz-Sensor-Elektrode
1505 erste Fängermoleküle
1506 zv/ei te Fängermoleküle
1507 Steuer-Schaltkreis 1508 zu erfassende Partikel
1509 Analyt
1510 Erfass-Einrichtung
1511 Auswerte-Schaltkreis

Claims

Patentansprüche:
1. Sensor-Anordnung, eingerichtet als integrierter Schaltkreis, • mit einem Substrat;
• mit mindestens drei Sensor-Elektroden auf dem Substrat, o wobei auf zumindest einem Teil der Sensor- Elektroden Fängermoleküle immobilisierbar sind, die derart eingerichtet sind, dass zu erfassende Partikel mit ihnen hybridisieren können; o wobei die Sensor-Elektroden derart auf dem Substrat angeordnet sind, dass in einem Betriebszustand, in dem eine elektrisch leitfähige Substanz in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, die Sensor- Elektroden mittels der elektrisch leitfähigen
Substanz miteinander gekoppelt sind;
• mit einem Steuer-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass mit ihm an eine ausgewählte Sensor-Elektrode ein erstes elektrisches Signal anlegbar ist und simultan an mindestens zwei der anderen Sensor-Elektroden ein zweites elektrisches Signal anlegbar ist, wobei das erste elektrische Signal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal und/oder das zweite elektrische Signal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist;
• mit einer Erfass-Einrichtung, die derart eingerichtet ist, dass o in einem ersten Betriebszustand, in dem eine Referenzflüssigkeit in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, ein Referenzwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals an der ausgewählten Sensor-Elektrode erfasst wird; o in einem zweiten Betriebszustand, in dem ein möglicherweise zu erfassende Partikel aufweisender Analyt in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, ein Sensorwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals an der ausgewählten Sensor- Elektrode erfasst wird; • mit einem Auswerte-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor- Elektrode ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist .
2. Sensor-Anordnung nach Anspruch 1, die derart eingerichtet ist, dass für zumindest einen Teil - der Sensor-Elektroden sequentiell jeweils für eine ausgewählte Sensor-Elektrode ermittelt wird, ob an der jeweils ausgewählten Sensor-Elektrode ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist.
3. Sensor-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, die derart eingerichtet ist, dass für jede ausgewählte Sensor-Elektrode ermittelt wird, in welcher Quantität an der ausgewählten Sensor-Elektrode Hybridisierungsereignisse erfolgt sind.
4. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Sensor-Elektroden im Wesentlichen matrixformig auf der Oberfläche des Substrats angeordnet sind.
5. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Sensor-Elektroden zu einer Mehrzahl von Sensor- Gruppen gruppiert sind derart, dass jede Sensor-Gruppe wahlweise separat von den anderen Sensor-Gruppen oder gemeinsam mit zumindest einem Teil der anderen Sensor-Gruppen betreibbar ist.
6. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der zumindest eine Sensor-Elektrode quadratisch; rechteckförmig; kreisförmig; eilipsenförmig; wabenförmig; achteckig; oder aus einer Mehrzahl nicht zusammenhängender Bereiche zusammengesetzt ist.
7. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Substrat
• ein Keramik-Substrat • ein Silizium-Substrat ;
• ein Glas-Substrat; oder
• ein Plastik-Substrat ist .
8. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der
• das erste und/oder das zweite zeitlich veränderliche elektrische Signal eine zeitlich veränderliche' elektrische Spannung und das dritte zeitlich veränderliche elektrische Signal ein zeitlich veränderlicher elektrischer Strom ist; oder
• das erste und/oder das zweite zeitlich veränderliche elektrische Signal ein zeitlich veränderlicher elektrischer Strom und das dritte zeitlich veränderliche elektrische Signal eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung ist.
9. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Zeitabhängigkeit des ersten und/oder des zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals und/oder die Zeitabhängigkeit des dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals eine mathematische Sinus-Funktion; Rechteck-Funktion- Sägezah -Funktion; Dreieck-Funktion; oder Sprung-Funktion ist
10. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher der Steuer-Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass
• das erste elektrische Signal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist und das zweite elektrische Signal ein konstantes Referenzpotential ist; oder • das zweite elektrische Signal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist und das erste elektrische Signal ein konstantes Referenzpotential ist; oder
• das erste elektrische Signal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist, das zweite elektrische Signal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist, wobei das erste und das zweite zeitlich veränderliche elektrische Signal zueinander gegenphasig sind.
11. Sensor-Anordnung nach Anspruch 10, bei dem das elektrische Referenzpotential
• das Masse-Potential; oder
• ein Zeit-Mittelwert des ersten oder des zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals ist .
12. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Referenzflüssigkeit eine andere Flüssigkeit als der Analyt ist und von zu erfassenden Partikeln frei ist.
13. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Referenzflüssigkeit der Analyt ist, wobei die Sensor-Anordnung derart eingerichtet ist, dass
• der erste Betriebszustand ein erster Zeitraum ist, bei dem im Wesentlichen noch keine Hybridisierungsereignisse stattgefunden haben;
• der zweite Betriebszustand ein zweiter Zeitraum, zeitlich nach dem ersten Zeitraum, ist, bei dem im Wesentlichen alle Hybridisierungsereignisse stattgefunden haben.
14. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einem in dem Substrat integrierten Analog-/Digital- Wandler-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass er ein analoges zeitlich veränderliches elektrisches Signal in ein digitales Signal umwandelt und dem Auswerte-Schaltkreis bereitstellt .
15. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einer externen Versorgungs-Einheit, die derart eingerichtet ist, dass sie dem Steuer-Schaltkreis elektrische Spannungssignale und/oder elektrische Stromsignale bereitstellt .
16. Sensor-Anordnung nach Anspruch 15, mit einem in dem Substrat integrierten Digital-/Analog-
Wandler-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass er ein digitales Spannungssignal und/oder Stromsignal der externen Versorgungs -Einheit in ein analoges Signal umwandelt und dem Steuer-Schaltkreis bereitstellt.
17. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, mit einem in dem Substrat integrierten Auswahl -Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass er sequentiell jeweils eine der Sensor-Elektroden auswählt.
18. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der auf unterschiedlichen Sensor-Elektroden unterschiedliche Fängermoleküle immobilisiert sind.
19. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, eingerichtet als Biosensor-Anordnung.
20. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei welcher der Auswerte-Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert des dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals und basierend auf dem ersten und/oder zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal den Wert der Impedanz zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode und einer in die Sensor-Anordnung eingebrachten elektrisch leitfähigen Substanz in dem ersten Betriebszustand und in dem zweiten Betriebszustand ermittelt.
21. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei welcher der Auswerte-Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert des dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals und basierend auf dem ersten und/oder zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal den Wert der Kapazität zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode und einer in die Sensor-Anordnung eingebrachten elektrisch leitfähigen Substanz in dem ersten Betriebszustand und in dem zweiten Betriebszustand ermittelt.
22. Sensor-Anordnung nach Anspruch 21, bei welcher der Auswerte-Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass er basierend auf dem Quotienten der Werte der Kapazität zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode und einer in die Sensor-Anordnung eingebrachten elektrisch leitfähigen Substanz in dem ersten Betriebszustand und in dem zweiten Betriebszustand ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor- Elektrode Hybridisierungsereignisse erfolgt sind und/oder in welcher Quantität an der ausgewählten Sensor-Elektrode Hybridisierungsereignisse erfolgt sind.
23. Sensor-Anordnung nach Anspruch 21, bei welcher der Auswerte-Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass er für zumindest einen Teil der Sensor-Elektroden ermittelt, ob an der jeweils ausgewählten Sensor-Elektrode Hybridisierungsereignisse erfolgt sind und/oder in welcher Quantität an der jeweils ausgewählten Sensor-Elektrode Hybridisierungsereignisse erfolgt sind, indem er aus dem GleichungsSystem
ß(n,m)CFeld(n,m) CMess(n,m) = ß(n,m)CFeld(n,m)x 1-- N M
∑ ∑ß(x,y)CFeld(χ,y) x=l y=l die Werte ß (i , j ) CFeχd (i , j ) für den ersten und den zweiten Betriebszustand ermittelt,
• wobei n,m Indizes einer ausgewählten Sensor-Elektrode in dem Zellenfeld sind; • wobei x,y Indizes der Sensor-Elektroden in dem Zellenfeld sind;
• wobei N*M die Anzahl der Sensor-Elektroden in dem Zellenfeld ist;
• wobei CFeid(i/j) der Wert der Kapazität zwischen der Sensor-Elektrode mit den Indizes i,j und der
Referenzflüssigkeit in dem ersten Betriebszustand ist;
• wobei ß (i , j ) CFeιd(i, j ) der Wert der Kapazität zwischen der Sensor-Elektrode mit den Indizes i,j und dem Analyten in dem zweiten Betriebszustand ist; • wobei CMeSs(n,m) der Wert der ermittelten Kapazität zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode mit den Indizes n,m und einer in die Sensor-Anordnung eingebrachten elektrisch leitfähigen Substanz ist.
24. Sensor-Anordnung nach Anspruch 23, bei welcher der Auswerte-Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass er beim Ermitteln der Werte ß (i , j ) CFeid(i , j ) zumindest eine der folgenden Approximationen verwendet :
• N*M>>1; ∑ ∑ ß(x, y) CFcld(x, y) >> ß(n,m) CFeld(n,m) x=l y=l
25. Sensor-Anordnung, eingerichtet als integrierter Schaltkreis, • mit einem Substrat;
• mit mindestens drei Sensor-Elektroden auf dem Substrat, o wobei auf zumindest einem Teil der Sensor-
Elektroden Fängermoleküle immobilisierbar sind, die derart eingerichtet sind, dass zu erfassende Partikel mit ihnen hybridisieren können; o wobei mindestens eine Referenz-Sensor-Elektrode von solchen Fängermolekülen frei ist, die derart eingerichtet sind, dass mit ihnen zu erfassende Partikel hybridisieren können; o wobei die Sensor-Elektroden derart auf dem Substrat angeordnet sind, dass in einem Betriebszustand, in dem eine elektrisch leitfähige Substanz in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, die Sensor- Elektroden mittels der elektrisch leitfähigen Substanz miteinander gekoppelt sind;
• mit einem Steuer-Schaltkreis, der derart eingerichtet ■ ist, dass mit ihm an eine ausgewählte Sensor-Elektrode und an die Referenz-Sensor-Elektrode ein erstes elektrisches Signal anlegbar ist und simultan an mindestens eine der anderen Sensor-Elektroden ein zweites elektrisches Signal anlegbar ist, wobei das erste elektrische Signal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal und/oder das zweite elektrische Signal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist;
• mit einer Erfass-Einrichtung, die derart eingerichtet ist, dass in einem Betriebszustand, in dem ein möglicherweise zu erfassende Partikel aufweisender Analyt in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, o ein Referenzwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals an der Referenz-Sensor- Elektrode erfasst wird; o ein Sensorwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals an der ausgewählten Sensor- Elektrode erfasst wird;
• mit einem Auswerte-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor- Elektrode ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist.
26. Sensor-Anordnung nach Anspruch 25, bei der
• die Referenz-Sensor-Elektrode von Fängermolekülen frei ist; oder • auf der Referenz-Sensor-Elektrode solche Fängermoleküle immobilisiert sind, die mit zu erfassenden Partikeln nicht hybridisieren können.
27. Verfahren zum Betreiben einer Sensor-Anordnung • mit einer Sensor-Anordnung, eingerichtet als integrierter Schaltkreis, o mit einem Substrat; o mit mindestens drei Sensor-Elektroden auf dem Substrat, ■ wobei auf zumindest einem Teil der Sensor-
Elektroden Fängermoleküle immobilisiert sind, die derart eingerichtet sind, dass zu erfassende Partikel mit ihnen hybridisieren können; ■ wobei die Sensor-Elektroden derart auf dem
Substrat angeordnet sind, dass in einem Betriebszustand, in dem eine elektrisch leitfähige Substanz in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, die Sensor-Elektroden mittels der elektrisch leitfähigen Substanz miteinander gekoppelt sind; o mit einem Steuer-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass mit ihm an eine ausgewählte Sensor-Elektrode ein erstes elektrisches Signal anlegbar ist und simultan an mindestens zwei der anderen Sensor-Elektroden ein zweites elektrisches Signal anlegbar ist, wobei das erste elektrische
Signal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal und/oder das zweite elektrische Signal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist; o mit einer Erfass-Einrichtung, die derart eingerichtet ist, dass
■ in einem ersten Betriebszustand, in dem eine Referenzflüssigkeit in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, ein Referenzwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus' dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals an der ausgewählten Sensor-Elektrode erfasst wird;
■ in einem zweiten Betriebszustand, in dem ein möglicherweise zu erfassende Partikel aufweisender Analyt in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, ein Sensorwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen
Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals an der ausgewählten Sensor-Elektrode erfasst wird; o mit einem Auswerte-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor-Elektrode ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist; • wobei gemäß dem Verfahren o an eine ausgewählte Sensor-Elektrode ein erstes elektrisches Signal angelegt wird und simultan an mindestens zwei der anderen Sensor-Elektroden ein zweites elektrisches Signal angelegt wird, wobei das erste elektrische Signal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal und/oder das zweite elektrische Signal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist; . o in einem ersten Betriebszustand, in dem eine Referenzflüssigkeit in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, ein Referenzwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals an der ausgewählten Sensor-Elektrode erfasst wird; o in einem zweiten Betriebszustand, in dem ein möglicherweise zu erfassende Partikel aufweisender Analyt in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, ein Sensorwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals an der ausgewählten Sensor- Elektrode erfasst wird; o basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert ermittelt wird, ob an der ausgewählten Sensor- Elektrode ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist.
28. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem als Referenzflüssigkeit im Wesentlichen dieselbe
Substanz verwendet wird wie für den Analyt, abgesehen davon, dass die Referenzflüssigkeit von zu erfassenden Partikeln frei s .
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