DE10015821A1

DE10015821A1 - Sensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren, Sensoranordnung, Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren und Verfahren zum Herstellen eines Sensors zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren

Info

Publication number: DE10015821A1
Application number: DE10015821A
Authority: DE
Inventors: Franz Hofmann; Hannes Luyken
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2000-03-30
Publication date: 2001-10-18
Also published as: WO2001075152A3; WO2001075152A2

Abstract

Der Sensor weist eine erste Schicht mit einem Erfassungsmittel zum Erfassen elektromagnetischer Wellen sowie eine zweite Schicht mit einem Graben auf. Der Graben ist derart über dem Erfassungsmittel angeordnet, dass elektromagnetische Wellen von dem Erfassungsmittel erfasst werden können. Zumindest eine Seitenwand des Grabens weist einen Haltebereich zum Halten von Molekülen auf, die makromolekulare Biopolymere binden können.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor, eine Sensoranordnung so wie ein Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopoly meren sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren.

Ein solcher Sensor, eine solche Sensoranordnung sowie solche Verfahren sind aus [1] bekannt.

Fig. 2a und Fig. 2b zeigen einen solchen Sensor, wie er in [1] beschrieben ist. Der Sensor 200 weist zwei Elektroden 201, 202 aus Gold auf, die in einer Isolatorschicht 203 aus Isola tormaterial eingebettet sind. An die Elektroden 201, 202 sind Elektroden-Anschlüsse 204, 205 angeschlossen, an denen das an der Elektrode 201, 202 anliegende elektrische Potential zuge führt werden kann. Die Elektroden 201, 202 sind als Planare lektroden angeordnet. Auf jeder Elektrode 201, 202 sind DNA- Sondenmoleküle 206 immobilisiert (vgl. Fig. 2a). Die Immobili sierung erfolgt gemäß der sogenannten Gold-Schwefel-Kopplung. Auf den Elektroden 201, 202 ist das zu untersuchende Analyt, beispielsweise ein Elektrolyt 207, aufgebracht.

Sind in dem Elektrolyt 207 DNA-Stränge 208 mit einer Sequenz enthalten, die zu der Sequenz der DNA-Sondenmoleküle 206 kom plementär ist, so werden diese DNA-Stränge 208 von den DNA- Sondenmolekülen 206 hybridisiert (vgl. Fig. 2b).

Eine Hybridisierung eines DNA-Sondenmoleküls 206 und eines DNA-Strangs 208 findet nur dann statt, wenn die Sequenzen des jeweiligen DNA-Sondenmoleküls 206 und des entsprechenden DNA- Strangs 208 zueinander komplementär sind. Ist dies nicht der Fall, so findet keine Hybridisierung statt. Somit ist ein DNA-Sondenmolekül einer vorgegebenen Sequenz jeweils nur in der Lage einen bestimmten, nämlich den DNA-Strang mit jeweils komplementärer Sequenz zu binden, d. h. zu hybridisieren.

Findet eine Hybridisierung statt, so verändert sich, wie aus Fig. 2b ersichtlich, die der Wert der Impedanz zwischen den Elektroden 201 und 202. Diese veränderte Impedanz wird durch Anlegen einer Wechselspannung mit einer Amplitude von unge fähr 50 mV an die Elektroden-Anschlüsse 204, 205 und dem da durch resultierenden Strom mittels eines angeschlossenen Messgeräts (nicht dargestellt) bestimmt.

Im Falle einer Hybridisierung verringert sich der kapazitive Anteil der Impedanz zwischen den Elektroden 201, 202. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sowohl die DNA-Sondenmoleküle 206 als auch die DNA-Stränge 208, die eventuell mit den DNA- Sondenmolekülen 206 hybridisieren, nicht-leitend sind und so mit anschaulich die jeweilige Elektrode 201, 202 in gewissem Maße elektrisch abschirmen.

Zur Verbesserung der Messgenauigkeit ist es aus [4] bekannt, eine Vielzahl von Elektrodenpaaren 201, 202 zu verwenden und diese parallel zu schalten, wobei diese anschaulich miteinan der verzahnt angeordnet sind, so dass sich eine sogenannte Interdigitalelektrode 300 ergibt. Die Abmessung der Elektro den und der Abstände zwischen den Elektroden liegen in der Größenordnung der Länge der zu detektierenden Moleküle, d. h. der DNA-Stränge 208 oder darunter, beispielsweise im Bereich von 200 nm und darunter.

Aus [2] ist eine weitere Vorgehensweise zum Untersuchen des Elektrolyt hinsichtlich der Existenz eines DNA-Strangs mit vorgegebener Sequenz bekannt. Bei dieser Vorgehensweise wer den die DNA-Stränge mit der gewünschten Sequenz markiert und aufgrund der Reflexionseigenschaften der markierten Moleküle wird deren Existenz bestimmt. Hierzu wird Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich auf das Elektrolyt gestrahlt und das von dem Elektrolyt, insbesondere von dem nachzuweisenden markier ten DNA-Strang, reflektierte Licht wird erfasst. Aufgrund des Reflexionsverhaltens, d. h. insbesondere aufgrund der erfass ten, reflektierten Lichtstrahlen wird bestimmt, ob der nach zuweisende DNA-Strang mit der entsprechend vorgegebenen Se quenz in dem Elektrolyt enthalten ist oder nicht.

Diese Vorgehensweise ist sehr aufwendig, da eine sehr genau Kenntnis über das Reflexionsverhalten des entsprechenden DNA- Strangs erforderlich ist und weiterhin eine Markierung der DNA-Stränge vor Beginn des Verfahrens notwendig ist. Weiter hin ist eine sehr genaue Justierung des Erfassungsmittels zum Erfassen der reflektierten Lichtstrahlen erforderlich, damit die reflektierten Lichtstrahlen überhaupt erfasst werden kön nen.

Somit ist diese Vorgehensweise teuer, kompliziert sowie gegen Störeinflüsse sehr empfindlich, wodurch das Messergebnis sehr leicht verfälscht werden kann.

Ferner ist es aus der Affinitätschromatographie (vgl. [3]) bekannt, immobilisierte niedermolekulare Moleküle, insbeson dere Liganden hoher Spezifität und Affinität, zu verwenden, um Peptide und Proteine, z. B. Enzyme, im Analyt spezifisch zu binden.

Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde, makromoleku lare Biopolymere auf einfache, kostengünstige und robuste Weise zu erfassen.

Das Problem wird durch den Sensor, die Sensoranordnung, das Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren so wie durch das Verfahren zum Herstellen eines Sensors zum Er fassen von makromolekularen Biopolymeren mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.

Ein Sensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren weist eine erste Schicht mit einem Erfassungsmittel zum Er fassen elektromagnetischer Wellen auf.

Die erste Schicht sowie eine auf der ersten Schicht angeord nete zweite Schicht, die vorzugsweise auf der ersten Schicht abgeschieden ist, kann Halbleitermaterialien aufweisen. So ist beispielsweise die erste Schicht ein Siliziumwafer und die zweite Schicht eine Schicht aus Siliziumoxid.

Alternativ können die erste Schicht bzw. die zweite Schicht folgende Materialien aufweisen:

- Kupferoxid,
- Aluminiumoxid,
- Zinkoxid.

Das Erfassungsmittel ist insbesondere derart eingerichtet, dass elektromagnetische Wellen erfasst werden können.

Das Erfassungsmittel kann beispielsweise ein optisches Erfas sungsmittel sein, mit dem elektromagnetische Wellen optisch erfasst werden können.

Eine sehr einfache und kostengünstig herstellbare Möglichkeit für das Erfassungsmittel stellt eine Fotodiode dar, vorzugs weise eine pn-Fotodiode, mit der auf die pn-Fotodiode auf treffendes Licht, d. h. Lichtwellen (Lichtstrahlen) in einem Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts, erfasst werden können.

In der zweiten Schicht ist ein Graben beispielsweise derart geätzt, dass sich zumindest ein Teil des Grabens über dem Er fassungsmittel befindet in einer Weise, dass die elektrischen Wellen, die in und durch den Graben hindurch gelangen, von dem Erfassungsmittel erfasst werden können.

Zumindest eine Seitenwand des Grabens weist einen Haltebe reich zum Halten von Molekülen auf, die makromolekulare Bio polymere binden können.

Auf diese Weise wird anschaulich von dem Erfassungsmittel Licht erfasst und ausgewertet, das in den Graben gesendet wurde und das durch den Graben bis auf dessen Boden hindurch tritt.

Sind auf dem Haltebereich Moleküle aufgebracht, mit denen ma kromolekulare Biopolymere gebunden werden können, so ist es ohne weiteres möglich, auf einfache und robuste Weise die Existenz makromolekularer Biopolymere nachzuweisen.

Dies erfolgt beispielsweise, indem von einer Lichtquelle elektromagnetische Wellen, vorzugsweise Lichtwellen, in den Graben gesendet werden in einer Weise, dass zumindest ein Teil der Lichtwellen auf das Erfassungsmittel trifft, wenn sich in dem Graben entweder kein Material oder ein Elektrolyt befindet, das die makromolekularen Biopolymere, die durch den Sensor zu erfassen sind, nicht aufweist.

Weist das Elektrolyt, das in den Graben eingebracht wird, je doch die nachzuweisenden makromolekularen Biopolymere auf, die von dem auf dem Haltebereich aufgebrachten Moleküle ge bunden werden können, so binden diese makromolekularen Biopo lymere an die auf dem Haltbereich aufgebrachten Moleküle. Durch dieses Binden wird der Graben anschaulich mit Material "gefüllt", nämlich mit den makromolekularen Biopolymeren, das die in den Graben gestrahlten elektromagnetischen Wellen ab sorbiert bzw. blockiert.

Insbesondere bei Verwenden einer Lichtquelle, die Lichtwellen im Längenbereich des sichtbaren Lichts ausstrahlt, werden die Lichtwellen von den makromolekularen Biopolymeren zumindest teilweise absorbiert und es gelangt nicht mehr die gleiche Lichtmenge zu der Fotodiode verglichen mit dem Zustand, wenn der Graben nicht mit den gebundenen makromolekularen Biopoly meren gefüllt ist.

Diese veränderte Durchlässigkeit des Lichts durch den Graben hat eine Veränderung der von dem Erfassungsmittel erfassten elektrischen Signale zur Folge. Diese Veränderung kann ver wendet werden, um die zwei Zustände, nämlich den ersten Zu stand, dass keine makromolekularen Biopolymere in dem Elek trolyt vorhanden sind, die von den Molekülen auf dem Haltebe reich in dem Graben gebunden werden können und den zweiten Zustand, dass makromolekulare Biopolymere in dem Elektrolyt vorhanden sind, die sich in dem Graben anlagern, d. h. mit den Molekülen auf dem Haltebereich binden, zu unterscheiden.

Unter makromolekularen Biopolymeren sind im Rahmen der Erfin dung biologische Polymere, wie beispielsweise Proteine, Pep tide oder auch DNA-Stränge zu verstehen.

Ein Molekül auf dem Haltebereich ist je nach Anwendung unter schiedlich, beispielsweise in dem Fall, dass die zu erfassen den makromolekularen Biopolymere Proteine oder Peptide sind, ein entsprechender Ligand, der das jeweilige Protein oder Peptid binden kann oder im Fall eines nachzuweisenden DNA- Strangs mit einer gewünschten Sequenz ein DNA-Sondenmolekül mit der entsprechenden komplementären Sequenz.

Der Haltebereich zum Halten von DNA-Sondenmolekülen kann auf einer Seitenwand, auf mehreren oder auf allen Seitenwänden des Grabens sowie auf dem Boden des Grabens angeordnet sein.

Es ist darauf hinzuweisen, dass lediglich erforderlich ist, dass durch entsprechende Anlagerung, d. h. durch entsprechen des Binden der nachzuweisenden makromolekularen Biopolymere in dem Graben, d. h. auf den Haltebereichen mit den Sondenmo lekülen, eine, insbesondere optische, Erfassung deren Exi stenz ermöglicht sein muss.

So ist insbesondere bei Existenz des Haltebereichs auf dem Boden des Grabens vorzusehen, dass noch eine ausreichende Menge elektromagnetischer Wellen, insbesondere eine ausrei chende Lichtmenge zu dem Erfassungsmittel hindurchdringen kann und erfasst werden kann, so dass eine Unterscheidung der Zustände einer Existenz und einer fehlenden Existenz makromo lekularer Biopolymere in dem Graben möglich ist.

Der Haltebereich kann beispielsweise durch Epoxid- Hydroxyl-, Amin-, oder Acetoxyreste gebildet werden, die gemäß bekannten Verfahren immobilisiert werden können zur Aufnahme von DNA- Sondenmolekülen oder auch von Molekülen zum Halten weiterer makromolekularer Biopolymere. Der Haltebereich kann bei spielsweise Glas (SiO₂) aufweisen.

Der Haltebereich kann beispielsweise mit einem Beschichtungs material mit Epoxid-, Hydroxyl-, Amin-, oder Acetoxyresten versehen werden, die dazu verwendet werden können, um DNA- Sondenmoleküle oder auch Liganden, die imstande sind, weitere makromolekulare Biopolymere spezifisch zu binden, auf der Oberfläche des Haltebereichs zu immobilisieren.

Der Haltebereich kann ferner durch eine Halteschicht gebildet werden, die vorzugsweise Gold aufweist, so dass mittels der bekannten Gold-Schwefel-Kopplung ein Binden der Sondenmolekü le auf der Goldschicht als Halteschicht möglich wird.

Der Graben ist vorzugsweise derart dimensioniert, dass die Seitenwände des Grabens mindestens in einem Abstand voneinan der angeordnet sind, der der Länge eines, vorzugsweise minde stens der Länge zweier makromolekularer Biopolymere ent spricht, so dass sich die makromolekularen Biopolymere auf dem Haltebereich mit den entsprechenden Molekülen binden kön nen, im Falle des Erfassens von einem DNA-Strang mit vorgege bener Sequenz in einer Weise, dass die DNA-Stränge mit den DNA-Sondenmolekülen in dem Graben hybridisieren können.

Eine Sensoranordnung zum Erfassen von makromolekularen Biopo lymeren weist den oben beschriebenen Sensor sowie eine Wel len-Erzeugungseinheit, beispielsweise eine Lichtquelle, auf, mit der eine elektromagnetische Welle erzeugbar ist. Die Wel len-Erzeugungseinheit ist vorzugsweise derart angeordnet, dass die erzeugten elektromagnetischen Wellen in den Graben geführt werden können und zumindest teilweise auf das Erfas sungsmittel treffen, insbesondere auf die Fotodiode.

Bei einem Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopo lymeren wird eine elektromagnetische Welle in einen Graben eines Sensors ausgestrahlt und die elektromagnetische Welle wird von einem unterhalb des Grabens angeordneten Erfassungs mittel erfasst. Abhängig von der erfassten elektromagneti schen Welle wird bestimmt, ob sich makromolekulare Biopolyme re in dem Graben befinden, die mit Sondenmolekülen, bei spielsweise DNA-Sondenmolekülen, gebunden wurden.

Das Verfahren kann ferner dazu eingesetzt werden, auch eine quantitative Analyse durchzuführen und nicht lediglich eine qualitative. In anderen Worten bedeutet dies, dass die Verän derung des von dem Erfassungsmittel erfassten Signals ein Maß dafür ist, wie viele, und nicht nur ob oder ob nicht, makro molekulare Biopolymere in dem Graben gebunden wurden. Somit wird gemäß dieser Weiterbildung abhängig von der erfassten elektromagnetischen Welle bestimmt, wie viele makromolekulare Biopolymere sich in dem Graben befinden.

Auf diese Weise kann die Erfindung z. B. im Rahmen der Unter suchung von Blut eingesetzt werden, allgemein im Rahmen von Einsatzgebieten, in denen auch eine quantitative Analyse des Analyts erforderlich ist.

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Sensors zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren wird eine erste Schicht mit einem Erfassungsmittel, mit dem elektromagnetische Wellen erfasst werden können, gebildet. Auf der ersten Schicht wird eine zweite Schicht gebildet und in der zweiten Schicht wird ein Graben über dem Erfassungsmittel derart gebildet, dass von dem Erfassungsmittel elektromagnetische Wellen, die in den Graben geführt werden, erfassbar sind. In dem Graben wird ein Haltebereich zum Halten von Molekülen gebildet, die ma kromolekulare Biopolymere binden können.

Die oben beschriebenen Varianten und Ausgestaltungen der Er findung betreffen sowohl den Sensor, die Sensoranordnung, das Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren und das Verfahren zum Herstellen des Sensors.

Durch die Erfindung wird ein sehr einfaches und somit kosten günstig realisierbares und robustes Erfassen makromolekularer Biopolymere, die sich beispielsweise in einem Elektrolyt be finden können, möglich.

Das Verfahren basiert nicht mehr auf dem Ausnutzen des Refle xionsverhaltens der hybridisierten markierten DNA-Strängen wie gemäß dem Stand der Technik. Damit ist das Verfahren ro buster, d. h. störungsunanfälliger, da keine Anordnung eines optischen Erfassungsmittels abhängig von den reflektierten Strahlen mit der entsprechenden Ungenauigkeit, hervorgerufen durch die Streuung der Lichtwellen, berücksichtigt werden muss.

Anschaulich erfolgt eine direkte Messung des Wellen-Einfalls in den Graben mittels des Erfassungsmittels.

Auch eine Markierung der makromolekularen Biopolymere zu Be ginn des Verfahrens zum Erfassen der makromolekularen Biopo lymere ist nicht mehr erforderlich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren darge stellt und werden im weiteren näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1a und 1b eine Sensoranordnung gemäß einem Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung in einem Zustand, in dem zu erfassende makromolekulare Biopolymere in dem Gra ben gebunden sind (Fig. 1a) bzw. nicht gebunden sind (Fig. 1b);

Fig. 2a und 2b eine Skizze zweier Planarelektroden, mit tels derer die Existenz zu erfassender DNA-Stränge in einem Elektrolyt (Fig. 2a) bzw. deren Nicht-Existenz (Fig. 2b) nachgewiesen werden können;

Fig. 3 Interdigitalelektroden gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 4a bis 4g Querschnittsansichten eines Sensors, mit dem die einzelnen Verfahrensschritte zu dessen Her stellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfin dung dargestellt sind.

Fig. 1b zeigt eine Sensoranordnung 100 mit einer Lichtquelle 101 sowie einem Sensor 102.

Der Sensor 102 weist einen Siliziumwafer 103 als erste Schicht mit einer pn-Fotodiode 104 als Erfassungsmittel auf. Weiterhin sind außerdem Auswerte-Transistoren (nicht darge stellt) als Auswertemittel zum Auswerten der von der Foto diode 104 erzeugten elektrischen Signale vorgesehen. Das Aus wertemittel wird im weiteren auch als Auswertelogik bezeich net.

Eine Siliziumoxidschicht 105 ist als zweite Schicht oberhalb der ersten Schicht 103 angeordnet. In die zweite Schicht 105 ist ein Graben 106 geätzt derart, dass der Graben 106 zumin dest teilweise über der Fotodiode 104 angeordnet ist.

Der Graben 106 ist ausreichend tief, d. h. der Boden 107 des Grabens 106 ist in einem Abstand 108 von der Oberfläche 109 der Fotodiode 104 angeordnet, der ausreichend ist, dass in den Graben 106 einfallende Lichtstrahlen 110, die von der Lichtquelle 101 erzeugt werden, zumindest teilweise von der Fotodiode 104 erfasst werden können.

An den Seitenwänden 111, 112 des Grabens 106 und/oder dem Bo den 107 des Grabens 106 sind Haltebereiche, gemäß dem Ausfüh rungsbeispiel als Halteschicht 113 aus Gold aufgebracht.

Alternativ können die Haltebereiche aus Siliziumoxid sein, und mit einer Beschichtung gebildet werden, die Epoxid-, Hyrdoxyl-, Amin-, oder Acetoxyreste aufweist.

Beispielsweise können bekannte Alkoxysilanderivate verwendet werden wie

- 3-Glycidoxypropylmethyloxysilan,
- 3-Acetoxypropyltrimethoxysilan,
- 3-Aminopropyltriethoxysilan,
- 4-(Hydroxybutyramido)propyltriethoxysilan,
- 3-N, N-bis (2 -hydroxyethyl)aminopropyltriethoxysilan, oder

andere artverwandte Materialen, die imstande sind, mit ihrem einen Ende eine kovalente Bindung mit der Oberfläche des Si liziumoxids einzugehen und mit ihrem anderen Ende dem zu im mobilisierenden Sondenmolekül eine chemisch reaktive Gruppe wie einen Epoxy-, Acetoxy-, Amin- oder Hydroxylrest zur Reak tion anzubieten. Reagiert ein zu immobilisierendes Sondenmo lekül mit einer solchen aktivierten Gruppe, so wird es über das gewählte Material als eine Art kovalenter Linker auf der Oberfläche der Beschichtung auf der Elektrode immobilisiert.

Zumindest teilweise ist die Halteschicht 113 bzw. sind die Haltebereiche immobilisiert und auf den immobilisierten Be reichen sind DNA-Sondenmoleküle 114 aufgebracht. Die DNA- Sondenmoleküle 114 weisen eine Sequenz auf, die komplementär ist zu der Sequenz des zu erfassenden DNA-Strangs.

Sollen als makromolekulare Biopolymere Proteine oder Peptide nachgewiesen werden, so sind auf den Haltebereichen Moleküle, insbesondere Liganden vorgesehen, die die nachzuweisenden Proteine oder Peptide spezifisch binden können.

Als Liganden kommen niedermolekulare Enzymagonisten oder En zymantagonisten, Pharmazeutika, Zucker oder Antikörper oder irgendein Molekül in Betracht, das die Fähigkeit besitzt, Proteine oder Peptide spezifisch zu binden.

Ein zu untersuchendes Elektrolyt 115 wird auf den Sensor 102 aufgebracht.

Fig. 1a zeigt den Fall, dass in dem Elektrolyt 115 kein DNA- Strang mit zu der Sequenz der sich in dem Graben 106 befin denden DNA-Sondenmolekülen 114 komplementärer Sequenz vorhan den sind.

In diesem Zustand wird eine charakteristische Lichtmenge von der Fotodiode 104 erfasst und von einer nicht dargestellten Auswertelogik als charakteristischer erster elektrischer Signalwert für einen solchen Zustand gespeichert.

Fig. 1b zeigt den Fall, dass in dem Elektrolyt 115 DNA-Stränge 116 mit zu der Sequenz der in dem Graben 106 sich befindenden DNA-Sondenmolekülen 114 komplementärer Sequenz vorhanden sind und diese DNA-Stränge 116 sich an die DNA-Sondenmoleküle 114 binden, d. h. mit den DNA-Sondenmolekülen 114 hybridisieren.

Wie Fig. 1b zu entnehmen ist, gelangt aufgrund der Absorption der Lichtstrahlen 110 durch die hybridisierten DNA-Stränge 116 erheblich weniger, im Extremfall sogar gar kein Licht mehr zu der Fotodiode 104, so dass von der Fotodiode 104 ein zweites elektrisches Signal der Auswertelogik zugeführt wird, das einen wesentlich geringeren Lichteinfall bis gar keinen Lichteinfall der Lichtstrahlen 110 in den Graben 106 auf die Fotodiode 104 repräsentiert.

Das zweite elektrische Signal wird mit dem gespeicherten er sten elektrischen Signal verglichen und aufgrund dieses Ver gleichsergebnisses wird von der Auswertelogik bestimmt, ob in dem Elektrolyt 115 DNA-Stränge mit der zu ermittelnden Se quenz enthalten sind oder nicht.

Ist nämlich zu Beginn der Untersuchung des Elektrolyts 115 das erste elektrische Signal als Referenzsignal von der Foto diode 104 bei deren Bestrahlung mit Lichtstrahlen 110 gespei chert worden, so wird bei dauerhafter oder periodischer Mes sung der einfallenden Lichtstrahlen in den Graben 106 ein sich gegenüber dem Referenzsignal veränderndes zweites elek trisches Signal ermittelt und dadurch auf die Existenz oder Nicht-Existenz der DNA-Stränge gesuchter Sequenz geschlossen.

Im weiteren wird ein Verfahren zum Herstellen des Sensors 102 näher erläutert, wie in den Fig. 4a bis Fig. 4g dargestellt.

Ausgegangen wird von dem Siliziumwafer 103 mit der pn- Fotodiode 104. Auf dem Siliziumwafer 103 befindet sich die Siliziumoxidschicht 105 (vgl. Fig. 4a).

In einem weiteren Schritt wird mittels Auftragen eines Foto lacks über der Oxidschicht 105 mit Ausnahme eines vorgegebe nen Bereichs aufgetragen.

In einem weiteren Schritt wird das Siliziumoxid der Siliziu moxidschicht 105 geätzt bis zu einer Tiefe von ungefähr 100 nm und der Fotoresist wird anschließend wieder entfernt, so dass eine Stufe 401 gebildet wird..

Die Stufe 401 ist optional und dient für den Fall, dass eine Vielzahl benachbarter Gräben gebildet wird dazu, dass verhindert wird, dass zu Prozessende die im weiteren gebildete Goldschicht die Gräben nicht elektrisch verbindet.

Zudem kann oberhalb der Stufe 401 Gold entfernt werden, so dass dort keine DNA-Moleküle mehr binden, beispielsweise hy bridisieren können. Der vorgegebenen Bereich ist somit derje nige Bereich, in dem keine DNA-Moleküle mehr hybridisieren können.

Es ist anzumerken, dass die Stufe 401 nicht für das Funktio nieren des Chips selbst erforderlich ist. Sie kann auch weg gelassen werden. Sie ist jedoch vorteilhaft, wenn die Immobi lisierung der DNA-Sondenmoleküle mittels elektrischer Felder erfolgt.

In einem weiteren Schritt wird eine erste Barriere- und Haft schicht 402 aus Titanwolfram TiW, alternativ aus Platinwolf ram PtW abgeschieden der Dicke 50 nm.

In einem weiteren Schritt werden unter Einsatz von Fotolitho graphie und eines Nassätzverfahrens oder eines Trockenätzver fahrens die erste Barriere- und Haftschicht 402 sowie das Si liziumoxid 105 geätzt, so dass der Graben 106 mit einer Tiefe von ungefähr 1000 nm entsteht.

Die Breite des Grabens 106 ist gemäß diesem Ausführungsbei spiel derart ausgelegt, dass zumindest an beiden Seitenwänden 111, 112 des Grabens 106 die jeweiligen zu erfassenden makro molekularen Biopolymere, insbesondere die DNA-Stränge mit der zu den DNA-Sondenmolekülen 113 komplementären Sequenz in dem Graben 106 hybridisieren können.

Aus den bekannten DNA-Dimensionen, vor allem dem Abstand von 0,34 nm zwischen Nukleotiden n und n + 1 im DNA-Strang, er gibt sich beispielsweise für DNA-Stränge von einer Länge von 150 Nukleotide eine Grabenbreite von mindestens 102 nm für den Fall, dass beide Grabenwände mit DNA-Sondenmolekülen versehen werden sollen. Für den Fall, dass nur eine Grabenwand mit DNA-Sondenmolekülen versehen werden soll, beträgt für DNA-Sondenmoleküle der oben angegebenen Größe die Grabenbrei te von mindestens 51 nm.

In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die Dimensionie rung des Grabens nicht nur durch die Länge der DNA-Stränge bestimmt ist. Es sollte auch die Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Strahlung berücksichtigt werden. Falls die Breite des Grabens wesentlich kleiner ist als die Wellen länge der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung, z. B. des eingestrahlten Lichts, wird durch optische Beugungseffek te die Lichtintensität am Boden des Grabens abgeschwächt, was im Rahmen des Messverfahrens entsprechend zu berücksichtigen ist.

Weiterhin ist anzumerken, dass die Grabenbreite die Breite des Grabens zu Prozessende ist. Bei der Strukturierung ist zu beachten, dass noch die Haftschicht 403 und die Goldschicht 406 in dem Graben abgeschieden werden.

Allgemein lässt sich das Verhältnis zwischen der gewünschten Länge der DNA-Sondenmoleküle, der Grabenbreite und der Anzahl der Grabenwände, die mit DNA-Sondenmolekülen versehen werden sollen, wie folgt ausdrücken:

B = W (0,34 N) + Dicke der Haftschichten in nm.

Hier ist B die Grabenbreite in nm, W die Anzahl der Graben wände (für W = 1, 2), die mit DNA-Sondenmolekülen versehen werden sollen, und N die Anzahl der linear angeordneten Nu kleotide, die einen jeweiligen Strang ausmachen.

Nach Entfernen des Fotoresist wird in einem weiteren Schritt eine zweite Barriere- und Haftschicht 403 aus TiW oder PtW abgeschieden der Dicke 50 nm (vgl. Fig. 4c).

Anschließend wird die zweite Barriere- und Haftschicht 403 zumindest im Bereich des Bodens 107 des Grabens 106 geätzt in einer Weise, dass Spacer 404, 405 aus Titanwolfram TiW bzw. Platinwolfram PtW an den Seitenwänden 111, 112 des Grabens 106 bestehen bleiben.

In einem weiteren Schritt erfolgt ein sogenanntes Electropla ting mit Gold, d. h. es wird eine dünne Goldschicht 406 zumin dest an den Seitenwänden des Grabens 106 aufgebracht (vgl. Fig. 4d).

Wie Fig. 4e zu entnehmen ist, wird der Graben 106 sowie die Oberfläche der sich bis dahin gebildeten Struktur mit Fotore sist 407 gefüllt. Anschließend wird mittels eines chemisch mechanischen Polierverfahrens der Fotoresist 407, die Gold schicht 406 sowie ein Teil der zweiten Barriere- und Haft schicht 403 entfernt (vgl. Fig. 4f).

Anschließend wird das restliche Fotoresist 406 aus dem Graben 106 entfernt.

Somit befindet sich an den Seitenwänden 111, 112 des Grabens 106 eine Goldschicht 406, die in einem letzten Schritt in vorgegebenen Teilbereichen oder in dem gesamten Bereich mobi lisiert wird.

In den immobilisierten Bereichen werden die DNA- Sondenmoleküle aufgebracht.

Im weiteren werden einige Alternativen zu dem oben darge stellten Ausführungsbeispiel erläutert:

Es ist darauf hinzuweisen, dass eine beliebige Anzahl neben einander angeordneter Gräben 106 mit unterschiedlichen Durch messern, d. h. mit unterschiedlichen Abständen der Seitenwände 111, 112 voneinander, in einer Sensoranordnung vorgesehen sein können.

Weisen die entsprechenden Gräben 106 unterschiedliche DNA- Sondenmoleküle, allgemein unterschiedliche Sondenmoleküle auf, so ist es mit einer Sensoranordnung möglich, eine Viel zahl unterschiedlicher DNA-Stränge mit unterschiedlichen Se quenzen mittels nur einer Sensoranordnung zu erfassen.

Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass die Breite des Grabens 106 üblicherweise nicht entscheidend ist hinsichtlich der Stabilität des Erfassens der makromolekularen Biopolymere.

Wie oben erläutert worden ist, ist es in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, den Sensor ohne Stufe 401 vorzusehen, weshalb in diesem Fall die entsprechen den Verfahrensschritte weggelassen werden können.

In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:

[1] R. Hintsche et al., Microbiosensors Using Electrodes Made in Si-Technology, Frontiers in Biosensorics, Fundamental Aspects, edited by F. W. Scheller et al., Dirk Hauser Verlag, Basel, S. 267-283, 1997

[2] N. L. Thompson, B. C. Lagerholm, Total Internal Reflection Fluoresence: Applications in Cellular Biophysics, Current Opinion in Biotechnology, Vol. 8, S. 58-64, 1997

[3] P. Cuatrecasas, Affinity Chromatography, Annual Revision Biochem, Vol. 40, S. 259-278, 1971

[4] P. von Gerwen, Nanoscaled Interdigitated Electrode Arrays for Biochemical Sensors, IEEE, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, S.907 - 910, 16. - 19. Juni 1997

Claims

1. Sensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren, mit

- einer ersten Schicht mit einem Erfassungsmittel zum Er fassen elektromagnetischer Wellen,
- einer zweiten Schicht, die auf der ersten Schicht ange ordnet ist,
- einem Graben in der zweiten Schicht,
- wobei der Graben derart über dem Erfassungsmittel ange ordnet ist, dass elektromagnetische Wellen, die in den Graben gelangen, von dem Erfassungsmittel erfasst werden können, und
- wobei zumindest eine Seitenwand des Grabens einen Halte bereich zum Halten von Molekülen aufweist, die makromole kulare Biopolymere binden können.

2. Sensor nach Anspruch 1, bei dem auf dem Haltebereich Moleküle aufgebracht sind, mit denen makromolekulare Biopolymere gebunden werden können.

3. Sensor nach Anspruch 1, bei dem die zumindest eine Seitenwand des Grabens einen Hal tebereich zum Halten von Molekülen aufweist, mit denen Pepti de oder Proteine gebunden werden können.

4. Sensor nach Anspruch 3, bei dem auf dem Haltebereich Moleküle aufgebracht sind, mit denen Peptide oder Proteine gebunden werden können.

5. Sensor nach Anspruch 1, bei dem die zumindest eine Seitenwand des Grabens einen Hal tebereich zum Halten von DNA-Sondenmolekülen aufweist.

6. Sensor nach Anspruch 5, bei dem auf dem Haltebereich DNA-Sondenmoleküle aufgebracht sind.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zumindest eine der Schichten Halbleitermaterial auf weist.

8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Haltebereich eine Halteschicht ist.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Erfassungsmittel ein optisches Erfassungsmittel

10. Sensor nach Anspruch 9, bei dem das Erfassungsmittel eine Fotodiode ist.

11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Haltebereich zumindest eines der folgenden Mate rialien aufweist:

- Hydroxylreste,
- Epoxidreste,
- Aminreste
- Acetoxyreste
- Gold.

12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Haltebereich an allen Seitenwänden des Grabens vorgesehen ist.

13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der Haltebereich auf dem Boden des Grabens vorgesehen ist derart, dass die elektromagnetischen Wellen von dem Er fassungsmittel noch erfasst werden können.

14. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Seitenwände des Grabens zumindest in einem Ab stand voneinander angeordnet sind, der der Länge eines makro molekularen Biopolymers entspricht, so dass sich die makromolekularen Biopolymere zumindest auf einem Haltebereich mit den entsprechenden Molekülen binden können.

15. Sensor nach Anspruch 14, bei dem die Seitenwände des Grabens zumindest in einem Ab stand voneinander angeordnet sind, der der Länge eines DNA- Strangs entspricht, so dass die DNA-Stränge einer vorgegebe nen DNA-Sequenz zumindest auf einem Haltebereich mit entspre chenden DNA-Sondenmolekülen hybridisieren können.

16. Sensor nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Seitenwände des Grabens zumindest in einem Ab stand voneinander angeordnet sind, der der zweifachen Länge eines makromolekularen Biopolymers entspricht, so dass sich die makromolekularen Biopolymere auf Haltebereichen minde stens zweier Seitenwände mit den entsprechenden Molekülen binden können.

17. Sensor nach Anspruch 16, bei dem die Seitenwände des Grabens zumindest in einem Ab stand voneinander angeordnet sind, der der zweifachen Länge eines DNA-Strangs entspricht, so dass sich die DNA-Stränge einer vorgegebenen DNA-Sequenz auf Haltebereichen mindestens zweier Seitenwände mit entsprechenden DNA-Sondenmolekülen hy bridisieren können.

18. Sensoranordnung zum Erfassen von makromolekularen Biopo lymeren, mit einem Sensor, der aufweist:

- eine erste Schicht, die ein Erfassungsmittel zum Erfassen elektromagnetischer Wellen aufweist,
- eine zweite Schicht, die auf der ersten Schicht angeord net ist,
- einen Graben in der zweiten Schicht,
- wobei der Graben derart über dem Erfassungsmittel ange ordnet ist, dass elektromagnetische Wellen, die in den Graben gelangen, von dem Erfassungsmittel erfasst werden können,
- wobei zumindest eine Seitenwand des Grabens einen Halte bereich zum Halten von makromolekularen Polymeren auf weist, und einer Wellen-Erzeugungseinheit, mit der eine elektromagneti sche Welle erzeugbar ist, die in den Graben führbar ist.

19. Sensoranordnung nach Anspruch 18, bei dem die Wellen-Erzeugungseinheit eine Leuchtdiode ist.

20. Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren,

- bei dem eine elektromagnetische Welle in einen Graben ei nes Sensors ausgestrahlt wird,
- bei dem die elektromagnetische Welle von einem unterhalb des Grabens angeordneten Erfassungsmittel erfasst wird,
- bei dem abhängig von der erfassten Welle bestimmt wird, ob sich makromolekulare Biopolymere in dem Graben befin den.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem abhängig von der erfassten Welle bestimmt wird wie viele makromolekulare Biopolymere sich in dem Graben befin den.

22. Verfahren zum Herstellen eines Sensors zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren,

- bei dem eine erste Schicht mit einem Erfassungsmittel, mit dem elektromagnetische Wellen erfasst werden können, gebildet wird,
- bei dem auf der ersten Schicht eine zweite Schicht gebil det wird,
- bei dem in der zweiten Schicht ein Graben über dem Erfas sungsmittel gebildet wird derart, dass von dem Erfas sungsmittel elektromagnetische Wellen, die in den Graben geführt werden, erfassbar sind,
- bei dem in dem Graben ein Haltebereich zum Halten von Mo lekülen gebildet wird, die makromolekulare Biopolymere binden können.