DE10049901A1 - Vorrichtung und Verfahren zur elektrisch beschleunigten Immobilisierung und zur Detektion von Molekülen - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur elektrisch beschleunigten Immobilisierung und zur Detektion von Molekülen

Info

Publication number
DE10049901A1
DE10049901A1 DE2000149901 DE10049901A DE10049901A1 DE 10049901 A1 DE10049901 A1 DE 10049901A1 DE 2000149901 DE2000149901 DE 2000149901 DE 10049901 A DE10049901 A DE 10049901A DE 10049901 A1 DE10049901 A1 DE 10049901A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
electrodes
sensor
macromolecules
electrode
mobilization
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE2000149901
Other languages
English (en)
Other versions
DE10049901C2 (de
Inventor
Claus Escher
Guenter Brommer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanogen Inc
Original Assignee
Aventis Research and Technologies GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Aventis Research and Technologies GmbH and Co KG filed Critical Aventis Research and Technologies GmbH and Co KG
Priority to DE2000149901 priority Critical patent/DE10049901C2/de
Priority to AU2001291886A priority patent/AU2001291886A1/en
Priority to PCT/EP2001/011411 priority patent/WO2002031481A2/de
Publication of DE10049901A1 publication Critical patent/DE10049901A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE10049901C2 publication Critical patent/DE10049901C2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54373—Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
    • G01N33/5438—Electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0046—Sequential or parallel reactions, e.g. for the synthesis of polypeptides or polynucleotides; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making molecular arrays
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00585—Parallel processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00596—Solid-phase processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00605—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00605—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
    • B01J2219/0061—The surface being organic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00605—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
    • B01J2219/00612—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports the surface being inorganic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00605—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
    • B01J2219/00614—Delimitation of the attachment areas
    • B01J2219/00617—Delimitation of the attachment areas by chemical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00605—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
    • B01J2219/00614—Delimitation of the attachment areas
    • B01J2219/00621—Delimitation of the attachment areas by physical means, e.g. trenches, raised areas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00605—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
    • B01J2219/00623—Immobilisation or binding
    • B01J2219/0063—Other, e.g. van der Waals forces, hydrogen bonding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00605—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
    • B01J2219/00632—Introduction of reactive groups to the surface
    • B01J2219/00637—Introduction of reactive groups to the surface by coating it with another layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00639—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being trapped in or bound to a porous medium
    • B01J2219/00644—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being trapped in or bound to a porous medium the porous medium being present in discrete locations, e.g. gel pads
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00653—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being bound to electrodes embedded in or on the solid supports
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
    • B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
    • B01J2219/00659—Two-dimensional arrays

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur elektrisch beschleunigten Immobilisierung und zur Detektion von Molekülen beschrieben. Die Vorrichtung weist einen Träger mit mehreren darauf angeordneten Sensorpositionen auf, auf denen Makromoleküle immobilisiert werden können, wobei jede Sensorposition aus mindestens einer Mobilisierungselektrode und einer Sensorelektrode besteht, die unabhängig voneinander mit elektrischen Potentialen belegt werden können. Dabei ist die Mobilisierungselektrode wenigstens einer Sensorposition mit einer Permeationsschicht überzogen, die undurchlässig für die zu detektierenden Moleküle, aber durchlässig für Wasser und kleine Ionen ist, und die Sensorelektroden sind entweder unbeschichtete Metallelektroden oder so ausgebildet, dass sie die zu detektierenden Moleküle spezifisch oder unspezifisch binden können.

Description

Der Gegenstand der Erfindung ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur elektrisch beschleunigten Immobilisierung von Molekülen und zu ihrer Detektion mittels elektrischer Methoden.
Die Detektion einer oder mehrerer unterschiedlicher Molekülstrukturen aus einer Lösung heraus ist ein essentieller Bestandteil vieler biochemischer Untersuchungen. Eine weit verbreitete Methode besteht darin, die zu detektierenden Moleküle selektiv zu immobilisieren und anschließend zu detektieren. Typischerweise werden die zu erkennenden Molekülstrukturen (Zielmoleküle) aus Liganden gebildet, die durch spezifische Rezeptoren (Fängermoleküle) erkannt und gebunden werden. Zu solchen Systemen gehören z. B. Antigen-Antikörper- oder Ligand-Rezeptor-Reaktionen oder Hybridisierungen von Nukleinsäuren. Als Fängermoleküle können Verbindungen eingesetzt werden, die stabile und spezifische Bindungen mit den zu erkennenden Molekülen eingehen. Beispiele von Fängermolekülen sind mono- oder polyklonale Antikörper, Antigene, Enzyme, Coenzyme, Enzyminhibitoren und -aktivatoren, Proteine, Hormone, Hormonrezeptoren, Agonisten und Antagonisten für Zellmembranrezeptoren, Oligosaccharide, Lectine, Toxine, Pathogene, Bakterien, Oligonukleotide, Nukleinsäuren, Nukleinsäure bindende Proteine wie z. B. Transkriptionsfaktoren, Peptide oder auch synthetische Paarungssysteme, wie PNA, p-RNA, p-DNA oder CNA. Aber auch unspezifisch wirkende Fängermoleküle, wie z. B. Lectine sind verwendbar. Auch die Inhibierung der Erkennung durch kleine Moleküle oder die Bindung kleiner Moleküle an Biomoleküle selbst ist in diesem Zusammenhang zu nennen. Die Erkennung der Präsenz solcher Molekülstrukturen und in vielen Fällen auch ihre Quantifizierung ist insbesondere in der Wirkstoffentwicklung der pharmazeutischen Industrie, der Therapieverfolgung bei medizinischer Behandlung, der medizinischen Diagnostik, aber auch in den Agrarwissenschaften und der Forensik von Bedeutung.
In der Regel will man eine Probe auf mehrere verschiedenartige Zielmoleküle hin gleichzeitig analysieren. Dazu bietet sich das Format eines Chips an, bei dem auf einem ebenen Substrat verschiedene Sensorpositionen definiert sind. Die selektive Beladung der verschiedenen Sensorpositionen mit spezifischen Erkennungsmolekülen (Fängermolekülen) kann z. B. mit Hilfe eines Dispensers geschehen. Es können jedoch auch elektrische oder andere Verfahren genutzt werden.
Zum Zwecke der Detektion sind eine ganze Reihe von Verfahren entwickelt worden, wie Autoradiographie, Massenspektrometrie oder optische Auslesung z. B. mittels Fluoreszenzspektroskopie.
Die Nachteile dieser Verfahren sind vielfältig. Die meisten bedürfen einer radioaktiven oder fluoreszierenden Markierung der Moleküle oder sind, wie die Massenspektrometrie und die optische Auslesung, apparativ aufwendig und schwierig zu miniaturisieren. Die Immobilisierung selbst findet dabei auf der Oberfläche von festen Substraten statt. Diese Substrate können z. B. dispergierte Festkörperteilchen (beads), Membranstrukturen oder Gele sein oder auch ebene Oberflächen darstellen, wie Mikrotiterplatten oder Chips.
Wegen der oben beschriebenen Nachteile optischer oder radiographischer Detektionsmethoden wird in zunehmendem Maße daran gearbeitet, elektrische oder elektrochemische Verfahren für die Detektion zu nutzen. Dabei bietet sich als Substrat zur Immobilisierung wegen der guten elektrischen Kontaktierungsmöglichkeiten die Form von Chips an, analog denen, die in der Halbleitertechnik schon lange Stand der Technik sind. Dies hat den weiteren Vorteil, daß man hierbei Erfahrung und Techniken der Halbleitertechnologie nutzen kann.
Beispiele für elektrische Verfahren und Vorrichtungen dieser Art sind z. B. offenbart in WO 88/09499, EP 0543550, US 5653939, WO 97/21094 und WO 97/34140.
Bei allen diesen Verfahren werden die zu detektierenden Moleküle entweder direkt auf oder zwischen den mit Elektroden bestückten Meßchip oder auf einer dafür vorgesehenen Schicht auf dem Chip immobilisiert. In US 5653939, WO 97/21094 und WO 97/34140 werden sehr feine, im sub-µm-Bereich strukturierte Elektroden beschrieben, die große Vorteile durch höhere Sensitivität bei der Impedanzspektroskopie und dem Redox-Recycling besitzen. Die Methode des Redox- Recycling wird auch beschrieben in Sensors und Actuators, B 26-27 (1995), 394-397.
In US 4787963 und WO 96/01836 wird ein Verfahren vorgestellt, wie die Immobilisierung der zu detektierenden Moleküle in wässriger Lösung elektrisch gesteuert oder beschleunigt werden kann. Dabei nutzt man die Tatsache aus, dass die meisten der interessierenden Moleküle in der Lösung in ionischer Form, also elektrisch geladen, vorliegen. Zur Steuerung und Beschleunigung der Immobilisierung werden die Moleküle mittels Elektrophorese nahe der Elektrode angereichert und so die Immobilisierungsrate erhöht. Dies verkürzt die zur Immobilisierung der Zielmoleküle notwendige Inkubationszeit der Elektrode bzw. des gesamten Chips deutlich. Dabei wird insbesondere auf die Notwendigkeit einer für diese Moleküle undurchlässigen Schicht über der Elektrode hingewiesen. Auf der anderen Seite muß diese Schicht durchlässig für Wasser und kleine Ionen sein.
In WO 96/01836 wird weiterhin offenbart, dass mit diesem Verfahren neben der selektiven und beschleunigten Immobilisierung der zu detektierenden Moleküle (Zielmoleküle) auch eine selektive Beladung mit biologischen Erkennungssystemen (Fängermolekülen) vorgenommen werden kann. Darüber hinaus kann die elektrische Feldapplikation auch in umgekehrter Richtung zum Wegtreiben geladener Biomoleküle aus der unmittelbaren Umgebung der Elektrode genutzt werden. Auf diese Weise können z. B. unspezifisch gebundene Zielmoleküle oder zum Fängermolekül nicht ganz komplementäre Zielmoleküle (sog. Mismatches) wieder mobilisiert werden, so dass nur die gewünschten, genau passenden Zielmoleküle immobilisiert übrigbleiben.
Bekanntestes Beispiels hierfür ist bei der Hybridisierung von Nukleinsäuremolekülen die Diskriminierung zwischen genau passenden komplementären Nukleotidsträngen und solchen, bei denen eine Base nicht das entsprechend passende Pendant vorfindet, also die Detektion von sog. Single Nucleotide Polymorphismsm (SNPs). Diese Diskriminierungsmöglichkeit wird gemeinhin als Stringenzkontrolle bezeichnet und ist z. B. beschrieben in WO 96/01836 und in Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 94, 1119-1123, Feb. 1997.
In US 5653939 wird zwar auch auf die Möglichkeit einer Beschleunigung der Immobilisierung von Oligonukleotiden und deren Hybridisierung hingewiesen, jedoch wird nicht offenbart, wie dies effizient geschehen kann. In WO 96/01836 und z. B. in Electrophoresis 2000, 21, 157-164 wird dargelegt, dass dazu die Aufrechterhaltung eines Stromes notwendig ist, was seinerseits durch das Aufrechterhalten einer laufenden Elektrolyse erreicht wird. Diese Möglichkeit wird, wie in WO 96/01836 offenbart wird, durch eine besondere, Permeation Layer genannte Permeationsschicht eröffnet, die bestimmte funktionelle Eigenschaften besitzt. Dabei sind unabdingbar die Undurchlässigkeit für die zu detektierenden Biomoleküle und die Durchlässigkeit für Wasser und kleine Ionen. Des weiteren dient diese Schicht zum Schutz der Biomoleküle vor den adversen Bedingungen, die durch die Elektrolyseprodukte wie H+, OH-, H2, O2 und freie Radikale hervorgerufen werden, indem sie die Biomoleküle typischerweise einige µm von der Elektrode entfernt hält.
Integraler und unverzichtbarer Bestandteil der in WO 96/01836 offenbarten Vorrichtung ist weiterhin ein sogenannter Attachment Layer zum Anbinden der Biomoleküle, die entweder in die Permeationsschicht integriert oder als separate Schicht auf sie aufgebracht wird.
Nachteil der oben geschilderten Verfahren und Vorrichtungen ist, dass mit den vorgeschlagenen Vorrichtungen eine Kopplung von elektrisch beschleunigter Immobilisierung und Hybridisierung auf der einen Seite und elektrischer Detektion auf der anderen Seite nicht oder nur in ungenügender Weise möglich ist. Dies liegt darin begründet, dass die beschleunigte Immobilisierung und Hybridisierung ein Fernhalten der zu detektierenden Moleküle von den Elektroden erfordert (Electrophoresis 2000, 21, 157-164), eine hohe Sensitivität beim Auslesen mittels Impedanzspektroskopie oder Redox-Recycling jedoch möglichst kleiner Elektrodenstrukturen im µm oder sub- µm-Bereich bedarf, wobei die zu detektierenden Moleküle möglichst nahe an der Elektrode immobilisiert werden müssen (Sensors and Actuators B 49, (1998) 73-80), um hohe Sensitivität zu erhalten.
Erfindungsgemäß wird dieser Widerspruch dadurch gelöst, dass eine Arbeitsteilung vorgenommen wird zwischen einer Elektrode oder einem Satz von Elektroden, der die zu detektierenden Moleküle elektrophoretisch anreichert mit der Folge einer beschleunigten Immobilisierung und einem zweiten Satz von Elektroden, der für eine hochsensitive Detektion genutzt wird.
Der Gegenstand der Erfindung ist deshalb eine Vorrichtung zur elektrischen Immobilisierung und Detektion von Molekülen, die einen Träger mit mehreren darauf angeordneten Sensorpositionen aufweist, auf denen Makromoleküle immobilisiert werden können, wobei jede Sensorposition aus mindestens einer Mobilisierungselektrode und einer Sensorelektrode besteht, die unabhängig voneinander mit elektrischen Potentialen belegt werden können, und wobei wenigstens eine Mobilisierungselektrode mit einer Permeationsschicht überzogen ist, die undurchlässig für die zu detektierenden Moleküle, aber durchlässig für Wasser und kleine Ionen ist. Bevorzugt ist dabei eine Vorrichtung, bei der die Sensorelektrode Makromoleküle binden kann.
Abb. 1 zeigt eine solche Anordnung. Auf einem festen Träger 1 und einer darüberliegenden Isolationsschicht 2 befinden sich sogenannte Mobilisierungselektroden 3 und Detektions- oder Sensorelektroden 4. Über den Mobilisierungselektroden 3 befindet sich eine Permeationsschicht 5. Abb. 1 zeigt auch einen vergrößerten Ausschnitt des mittleren Satzes der Mobilisierungs- und Sensorelektroden.
Abb. 2 zeigt wie bei Beaufschlagung des mittleren Satzes von Mobilisierungselektroden mit einem geeigneten elektrischen Potential der darüberliegende Bereich des Elektrolyten 6 mit den zu detektivierenden Molekülen angereichert wird.
Der Träger besteht vorzugsweise aus Silizium, Siliziumdioxid, Glas, Keramik oder Kunststoff oder aus einem Verbund dieser Stoffe. Erfindungsgemäß enthält der Träger einen aktivierten Halbleiterchip mit elektrischen Schaltkreisen oder mit CMOS- Bausteinen.
Die Mobilisierungs- und Dekektionselektroden können dabei gleiche oder verschiedene Geometrien aufweisen und aus gleichen oder verschiedenen elektrischen leitfähigen Materialien bestehen. Vorzugsweise bestehen sie unabhängig voneinander aus Gold, Platin, Palladium, Silber, Kupfer, Aluminium oder aus Kohlenstoff. Die beiden Elektrodenarten können in einer Ebene liegen oder höhenversetzt aufgebracht sein.
Der wesentliche Unterschied zwischen den beiden Elektrodenarten besteht darin, dass die Mobilisierungselektroden mit einer Permeationsschicht belegt sind, die die zu detektierenden Moleküle von diesen Elektroden fernhält. Die Sensorelektroden, die vorzugsweise aus Gold oder Palladium bestehen, sind entweder unbeschichtet oder mit einer dünnen Schicht belegt, die funktionelle Gruppen zum Anbinden der zu immobili­ sierenden Makromoleküle besitzt. Die Immobilisierung der Moleküle kann sowohl auf oder unmittelbar über den Sensorelektroden und/oder auf der Permeationsschicht erfolgen, bevorzugt findet die Immobilisierung jedoch auf oder unmittelbar über den Sensorelektroden statt.
Zur Detektion der vorzugsweise auf den Sensorelektroden immobilisierten Molekülen können neben elektrochemischen bzw. elektrischen auch optische oder radiometrische Verfahren eingesetzt werden. Ggf. können die zu detektierenden Moleküle auch mit elektrischen aktiven Labeln oder elektrisch aktiven Reportergruppen, wie Ferrocen, PQQ oder Porphyrinen markiert weren, um die Sensitivität der elektrochemischen oder elektrischen Annalyse zu erhöhen.
Bevorzugt erfolgt die Detektion elektrisch bzw. elektrochemisch, z. B. mittels Cyclovol­ tammetrie. Ganz besonders bevorzugt sind dabei die Impedanzanalyse und das Re­ dox-Recycling. Dabei können neben den Sensorelektroden weitere Hilfselektroden z. B. als Referenzelektroden oder stromabführende Gegenelektroden zum Einsatz kommen. Diese Hilfselektroden können z. B. auf dem Chip vorhandene Mobilisierungselektroden oder andere auf dem Chip integrierte Elektroden oder extreme mit dem Elektrolyt in elektrischen Kontakt befindliche Elektroden sein. Bei der Impedanzanalyse wird bevorzugt die Impedanzspektroskopie verwendet. Dabei wird an die Sensorelektroden eine Wechselspannung unterschiedlicher Frequenz angelegt. Die Frequenz der Wechsel­ spannung sowie die Stärke der angelegten Wechselspannung sind frei wählbar. Ein typischer Frequenzbereich geht dabei von 0,1 Hz bis 20 MHz, bevorzugt ist ein Bereich von 1 Hz bis 5 MHz. Ein typischer Spannungsbereich reicht von 0,1 mV bis zu 10 V, bevorzugt ist hier 1 bis 100 mV. Ebenso frei wählbar ist die geometrische Anordnung und Größe der Elektroden, durch die auch die Wahl der vorteilhaftesten Frequenz und Spannung gesteuert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform stellen die Sensorelektroden sog. Interdigital­ elektroden da, die sich durch besonders hohe Sensibiliät auszeichnen (Sensors & Ac­ tuators B49 (1998) 73-80).
Abb. 3 zeigt eine solche Ausführungsform für das in Abb. 1 gezeigte Beispiel in Seiten­ ansicht und in Aufsicht. Die Sensorelektroden (1) ragen fingerfömig ineinander, wobei benachbarte Finger elektrisch gegeneinander geschaltet werden können. Sie sind ge­ trennt durch isolierende Bereiche und eine oder mehrere Mobilitätselektroden. Die Mo­ bilitätselektroden sind mit einer Permeationsschicht (2) belegt, die zur Sichtbarma­ chung der Mobilitätselektrode (3) teilweise freigelegt wurde.
In Abb. 4 (a) bis (c) sind verschiedene Ausführungsformen des Höhenversatzes von Mobilisierungs- und interdigitierenden Sensorelektroden illustriert. In (a) wird eine Isola­ tionsschicht, z. B. (photostrukturierbares) Polyimid (2) auf die durchgehende Mobilisie­ rungselektrode (1) aufgebracht, photostrukturiert und die erhabenen Bereiche metalli­ siert (3). Die laterale Strukurierung kann auch auf andere in der Photolithographie übli­ che Weisen geschehen. So kann z. B. auch die zunächst noch unstrukuriert auf der an­ schließenden Metallschicht und Isolationsschicht durch photolithographische Verfahren strukturiert werden.
Abb. 4 (b) zeigt eine Ausführungsform bei der die Mobilisierungselektrode (1) struktu­ riert ist und nicht mit Mobilisierungselektrode belegte Bereiche (2) mit einem von der Mobilitätselektrode isolierten leitfähigen Steg (3) versehen sind, auf dem eine aus ge­ eignetem Material bestehende leitfähige Beschichtung (4) aufgebracht ist.
Abb. 4 (c) zeigt die Möglichkeit der Erzielung eines Höhenversatzes durch Vertiefungen (1) in der SiO2-Schicht, die die Oberseite des Chips vom Si-Substrat isoliert. Solche Vertiefungen können z. B. in die SiO2-Schicht geätzt werden. In den Vertiefungen liegen die Moblilitätselektroden (2) während sich die Sensorelektroden (3) auf den erhabenen Stellen befinden.
Abb. 4 (d) stellt eine Ausführungsform dar, bei der mehrere interdigitierende Finger (1) auf einer erhabenen Stelle (2) ohne zwischenliegende Mobilisierungselektrode (3) eng benachbart nebeneinander angeordnet sind. Diese Variante ist besonders bevorzugt bei Anwendungen, bei denen es auf hohe Sensitivität ankommt und auch besonders bevorzugt beim Redox-Recycling. Die Anzahl der unmittelbar benachbarten Finger kann dabei beliebig gewählt werden, besonders bevorzugt ist eine Anzahl von 1 bis 10 Finger. Der Höhenversatz der integrierten Sensorelektroden kann im Bereich von etwa -10 µm bis 10 µm liegen, bevorzugt sind sie gegenüber der Mobilisierungselektrode er­ höht oder auf gleicher Höhe, besonders bevorzugt weisen sie einen Höhenversatz von 0 bis 5 µm auf.
Die Permeationsschicht besteht im allgemeinen aus Agarose, Polyacrylamid oder Polyurethan. Typischerweise liegt ihre Schichtdicke im µm-Bereich. Die notwendige laterale Strukturierung der Permeationsschicht kann z. B. photolithographisch vorgenommen werden oder durch Elektroabscheidung der Permeationsschicht oder auf einer für die Permeationsschicht haftvermittelten Zwischenschicht auf den Mobilisierungselektroden erfolgen. Bestehen Mobilisierungs- und Sensorelektroden aus verschiedenen metallischen Materialien, kann deren selektives Bindungsverhalten zu einer selektiven Aufbringung einer Permeationsschicht genutzt werden. Eine photolithographische Strukturierung kann z. B. durch ein lift-off-Verfahren oder durch eine direkte Strukturierung einer photoempfindlichen Permeationsschicht vorgenommen werden. Es kann aber auch eine photoinduzierte Polymerisation von geeigneten Mono- oder Oligomeren zur strukturierten Belegung des Chips mit einer Permeationsschicht verwendet werden. Dabei wird der ganze Chip z. B. mittels Spin Coating mit einer Lösung beschichtet, die neben einem polymerisierbaren Baustein eine photosensitive Initiatorkomponente zur Polymerisation enthält. Eine Belichtung mittels entsprechender Masken führt dann zu einer lateral strukturierten Polymerisation. Die nicht polymerisierten Bereiche werden dann mit einem geeigneten Lösungsmittel von den nicht polymerisierten Monomer- oder Oligomerbausteinen befreit.
In einer anderen Ausführungsform besteht die Permeationsschicht aus zwei Teilschichten besteht, wobei die elektrodennahe Schicht die Eigenschaft der Strukturierbarkeit auf dem Träger besitzt und die spezifische Anbindung einer zweiten Schicht ermöglicht.
Spezielle, besonders vorteilhafte Sensorpositionen bestehen aus drei unabhängigen Elektroden, einer Mobilisierungs- und zwei Sensorelektroden. Dabei können die beiden Sensorelektroden schmale, lange, fingerähnliche Strukturen bilden und eine Fingerbreite von unter 2 µm aufweisen. Bewährt haben sich Sensorelektroden, die Interdigitalelektroden darstellen, bei denen zumindest einige Zwischenräume durch eine Mobilisierungselektrode ausgefüllt sind. Die jeweiligen Elektroden können auch aus mehreren Teilelektroden bestehen, die in einer tiefer im Träger liegenden Schicht leitfähig zusammengeschaltet sind.
Im allgemeinen sind die Sensorpositionen in einem zweidimensionalen Array angeordnet. Dabei wird vorzugsweise ein Rastermaß von 10 bis 1000 µm gewählt. Die Elektroden der Sensorpositionen sind an eine elektrische Steuerungs- und Ausleseeinheit angekoppelt, um eine Detektion zu ermöglichen.
Zur Detektion ist es erforderlich, dass die Sensorpositionen mit einem flüssigen Elektrolyten benetzt werden können, der die zu detektierenden Moleküle enthält. Besonders bewährt hat sich dabei eine Vorrichtung, bei der die Sensorpositionen in einer Durchflusskammer mit einem flüssigen Elektrolyten benetzt werden können. Zur Detektion ist es weiterhin erforderlich, dass die Sensorelektroden der verschiedenen Sensorpositionen selektiv mit bekannten Makromolekülen als spezifischen Erkennungssystemen bestückt sind.
Die Anbindung von Fängermolekülen kann direkt auf den Sensorelektroden über funktionelle Gruppen erfolgen, die kovalent an den Fängermolekülen gebunden sind, wie Thiollinkern bei Elektroden aus Gold, oder über eine vorausgeschaltete Funktionalisierung der Metalloberfläche, z. B. in Form von Aminopropyltriethoxysilan, an das mit Aktivester funktionalisierte Fängermoleküle gebunden werden. Eine gegebenfalls verbleibende Aufnahmekapazität der Elektrodenoberfläche nach Anbindung der Fängermoleküle kann vollständig mit Molekülen abgesättigt werden, die in den folgenden Schritten keine Bindung mit Molekülen eingehen, denen die Elektrode ausgesetzt wird, so dass keine weiteren unspezifischen Bindungen an die Elektrode möglich sind. Diese Moleküle sind im allgemeinen sehr reaktiv, was die Anbindung an die Elektrode betrifft, damit möglichst alle verbleibenden freien Reaktionsstellen besetzt werden, und sie sind vorzugsweise kleiner als die eigentlichen Fängermoleküle, um den nachfolgenden Erkennungsprozess nicht zu stören.
Das Verfahren zur Detektion der vorzugsweise auf den Sensorelektroden immobilisierten Moleküle kann durch optische, radiometrische oder elektrische Verfahren erfolgen. Bevorzugt sind jedoch elektrische Detektionsmethoden, ganz besonders die Impedanzanalyse und das Redox-Recycling. Dabei können neben den Sensorelektroden weitere Hilfselektroden, z. B. als Referenzelektroden oder als stromabführende Gegenelektroden zum Einsatz kommen. Diese Hilfselektroden können auf dem Chip vorhandene Mobilisierungselektroden oder andere auf dem Chip integrierte Elektroden oder externe, mit dem Elektrolyten in elektrischem Kontakt befindliche Elektroden sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur beschleunigten Immobilisierung und elektrischen Detektion von elektrisch geladenen Makromolekülen besteht aus den folgenden Schritten
  • a) Bereitstellung einer elektrisch adressierbaren Sensorposition mit Mobilisierungs- und Sensorelektroden, wobei
    • a) die Mobilisierungselektroden mit einer Permeationsschicht überzogen sind, die durchlässig ist für Wasser und kleine Ionen, jedoch undurchlässig für Moleküle, die an der Elektrode anbinden oder sie isolieren könnten, und auch undurchlässig ist für die zu detektierenden Makromoleküle und
    • b) die Sensorelektroden so ausgebildet sind, dass sie die zu detektierenden Makromoleküle spezifisch oder unspezifisch binden können;
  • b) Benetzung der Sensorposition mit einem Elektrolyten, der die zu immobilisierenden Makromoleküle in gelöster Form enthält und
  • c) Beaufschlagung der Mobilisierungselektroden mit einem genügend hohen Potential geeigneter Polarität zur Verdichtung der geladenen Makromoleküle in der unmittelbaren Umgebung der Sensorpositionen - in der Regel werden die dabei gewählten Potentiale zur Elektrolyse des Wassers führen.
Bevorzugt sind die Sensorelektroden so ausgebildet, dass sie die zu detektierenden Makromoleküle spezifisch oder unspezifisch binden können; im Falle der spezifischen Bindung sind die Sensorelektroden mit Fängermolekülen versehen, die spezifische Proteine oder Peptide sein können oder auch Nukleinsäuren oder Oligonukleotide.
Zur elektrischen Detektion wird vorzugsweise das Redox-Recycling oder die Impedanz­ analyse, ganz bevorzugt die Impedanzspektroskopie, verwendet. Im Falle der Impedanzspektroskopie wird an die Sensorelektroden eine Wechselspannung unterschiedlicher Frequenz angelegt. Die Frequenz der Wechselspannung sowie die Stärke der angelegten Wechselspannung sind frei wählbar. Ein typischer Frequenzbereich geht dabei von 0,1 Hz bis 20 MHz, bevorzugt ist ein Bereich von 1 Hz bis 5 MHz. Ein typischer Spannungsbereich reicht von 0,1 mV bis zu 10 V, bevorzugt ist jedoch der Bereich zwischen 1 bis 100 mV. Ebenso frei wählbar sind die geometrische Anordnung und die Größe der Elektroden, durch die auch die Wahl der vorteilhaftesten Frequenz und Spannung gesteuert werden kann. Gegebenenfalls können die zu detektierenden Moleküle auch mit elektrisch aktiven Labeln markiert werden, um die Sensitivität der Impedanzanalyse zu erhöhen.
Es ist auch möglich, zur Detektion elektrochemische Reaktionen wie Oxidationen oder Reduktionen von elektrisch aktiven Molekülen zu nutzen, die dem Elektrolyten zugefügt werden. Dabei wird die Beeinflussung der Redoy-Reaktion an der Sensorelektrode durch die immobilisierten Makromoleküle genutzt.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur elektrischen Spezifitätsselektion von Makromolekülen und ihrer elektrischen Detektion, bestehend aus den Schritten:
  • a) Bereitstellung einer elektrisch adressierbaren Sensorposition mit den vorstehend beschriebenen Mobilisierungs- und Sensorelektroden, wobei die Sensorelektroden fest mit einer ersten Sorte von Erkennungsmolekülen versehen sind und eine zweite Sorte von Makromolekülen reversibel gebunden haben, und einer
  • b) Beaufschlagung der Mobilisierungselektroden mit einem genügend hohen elektrischen Potential geeigneter Polarität und genügend langer Dauer, gegebenenfalls auch pulsierend, zur Lösung aller Bindungen von Makromolekülen auf den Sensorelektroden bis auf die Bindungen mit der höchsten Bindungsstärke.
Die unter b) geschilderte Vorgehensweise kann statt mittels der Mobilitätselektroden auch mittels der Sensorelektroden vorgenommen werden. Bei Bedarf können chemische Waschprozesse der Temperaturänderungen die elektrische Spezifitätselektion unterstützen.
Die Fixierung der zu detektierenden Moleküle auf der Sensorelektrode kann dabei durch Molekülschichten mit chemischen Haftgruppen gefördert werden, die durch eine chemische Reaktion oder eine Komplexbildung weitere Moleküle binden können. Es gelingt dabei, mit hoher Empfindlichkeit derartige Bindungsereignisse zu verfolgen. Wenn beispielsweise ein niedermolekularer Komplexbildner wie Biotin über ein Thiol­ funktion an die Elektrode gebunden wird, kann dieser anschließend mit einem höhermolekularen Komplexbildungspartner, z. B. Streptavidin, an welches beliebige weitere Moleküle gebunden sein können, komplexiert werden.
Eine besonders wichtige und sehr breit einsetzbare Anwendung des vorliegenden Verfahrens ist die Immunodetektion. Dabei wird der Aufbau von Molekülschichten vorgenommen, die aus Antigen-, Antikörper- oder Nukleinsäuresequenzen bestehen können. Zum Nachweis von Antikörpern in der Meßprobe kann man dafür beispielsweise Haptene (niedermolekulare Antigene) oder andere Antigene (häufig Proteine) an die Sensorelektroden binden. Durch die spezifische Komplexbildung zwischen den fest verankerten Antigenen und den in der Messprobe befindlichen Antikörpern gelingt auf diese Weise ein spezifischer Antikörpernachweis. In Umkehrung dieses Prinzips kann man auch die Antikörper auf den Sensorelektroden binden und Haptene oder dergleichen aus der Messprobe detektieren.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gegeben, dass man die erfindungsgemäße Vorrichtung zur elektrischen Auslesung von Hybridisierungsvorgängen in der Nukleinsäurechemie einsetzt. Dabei werden erfindungsgemäß nach Anlegung eines genügend hohen elektrischen Potentials geeigneter Polarität und genügend langer Dauer nur diejenigen Makromoleküle auf der Sensorelektrode verbleiben, die besonders fest gebunden sind. Sie können dann mittels einer Impedanzanalyse, insbesondere mittels der Impedanzspektroskopie, erkannt werden. In ähnlicher Weise läßt sich auch ein Redox-Recycling-Verfahren zur Erkennung der verbleibenden, immobilisierten Makromoleküle einsetzen.

Claims (38)

1. Vorrichtung zur elektrisch beschleunigten Immobilisierung und zur Detektion von Molekülen, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Träger mit mehreren darauf angeordneten Sensorpositionen aufweist, auf denen Makromoleküle immobilisiert werden können, wobei jede Sensorposition aus mindestens einer Mobilisierungselektrode und einer Sensorelektrode besteht, die unabhängig voneinander mit elektischen Potentialen belegt werden können, und wobei die Mobilisierungselektrode wenigstens einer Sensorposition mit einer Permeationsschicht überzogen sind, die undurchlässig für die zu detektierenden Moleküle, aber durchlässig für Wasser und kleine Ionen ist, und wobei die Sensorelektrode entweder unbeschichtete Metallelektroden darstellen oder so ausgebildet sind, dass sie die zu detektierdenden Makromoleküle spezifisch oder unspezifisch binden können.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektroden Makromoleküle binden können.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus Silizium, Siliziumdioxid, Glas, Keramik oder Kunststoff oder aus einem Verbund dieser Stoffe besteht.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger einen aktiven Halbleiterchip mit elektrischen Schaltkreisen enthält.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger einen aktiven Halbleiterchip mit CMOS-Bausteinen enthält.
6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden unabhängig voneinander aus metallischen Materialien bestehen.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden unabhängig voneinander aus Gold, Platin, Palladium, Silber, Kupfer, Aluminium oder aus Kohlenstoff bestehen.
8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektroden aus Gold oder Palladium bestehen.
9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektroden mit einer Beschichtung versehen sind, die funktionelle Gruppen zur Bindung von Makromolekülen enthält.
10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Permeationsschicht aus der Gruppe Agarose, Polyacrylamid und Polyurethan ausgewählt ist.
11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Permeationsschicht aus zwei Teilschichten besteht, deren elektrodennahe die Eigenschaft der Strukturierbarkeit auf dem Substrat besitzt und eine spezifische Anbindung der zweiten Schicht ermöglicht.
12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mobilisierungselektroden einerseits und die Sensorelektroden andererseits aus unterschiedlichen leitfähigen Materialien bestehen und die Permeationsschicht so ausgewählt ist, dass sie nur mit der Mobilisierungselektrode eine feste Verbindung eingeht.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Mobilisierungs- und die Sensorelektroden zueinander höhenversetzt sind.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorpositionen mit drei unabhängigen Elektroden, einer Mobilisierungs- und zwei Sensorelektroden belegt sind.
15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektroden Interdigitalelektroden sind, bei denen zumindest einige Zwischenräume durch eine Mobilisierungselektrode ausgefüllt sind.
16. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Elektroden aus mehreren unzusammenhängenden Teilelektroden bestehen, die in einer tiefer im Substrat liegenden Ebene leitfähig zusammengeschaltet sind.
17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorpositionen in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorpositionen in einem flüssigen Elektrolyten benetzt werden können, die die zu immobilisierenden Moleküle enthält.
19. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Benetzung in einer Durchflusskammer stattfindet.
20. Eine Vorrichtung nach 1 dadurch gekennzeichnet, dass Sensorelektroden der verschiedenen Sensorpositionen selektiv mit bekannten Makromolekülen als spezifischen Erkennungssystemen bestückt sind.
21. Verfahren zur elektrisch beschleunigten Immobilisierung und zur elektrischen Detektion von elektrisch geladenen Makromolekülen, wie Nukleinsäuren und Proteinen, und ihrer elektrischen Detektion bestehend aus den folgenden Schritten:
  • a) Bereitstellung einer elektrisch adressierbaren Sensorposition mit Mobilisierungs- und Sensorelektroden gemäß Ansprüchen 1-20,
  • b) Beaufschlagung der Mobilisierungselektroden mit einem genügend hohen Potential geeigneter Polarität zur Verdichtung der geladenen Makromoleküle in der unmittelbaren Umgebung der Sensorelektroden und
  • c) Immobilisierung der Makromoleküle auf den Sensorelektroden.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Makromoleküle auf den Sensorelektroden immobilisiert werden.
23. Verfahren nach dem Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektroden zuvor mit einer oder mehreren spezifischen Erkennungsstrukturen als Fängermoleküle belegt wurden.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass als Fängermoleküle Proteine oder Peptide eingesetzt werden.
25. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass als Fängermoleküle Nukleinsäuren oder Oligonukleotide eingesetzt werden.
26. Verfahren nach den Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Fängermolekülen um Oligonukleotide mit 10 bis 25 Basen handelt.
27. Verfahren nach den Ansprüchen 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem elektrischen Detektionsverfahren um eine Impedanzanalyse, insbesondere um die Impedanzspektroskopie handelt.
28. Verfahren nach den Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrolyt eine gelöste Verbindung enthält, die an der Sensorelektrode eine Redoxprozeß durchlaufen kann.
29. Verfahren nach den Ansprüchen 21 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass die zu detektierenden Makromoleküle enzymatisch markiert sind und es sich bei dem elektrischen Detektionsverfahren um ein Redox-Recycling handelt.
30. Verfahren zur elektrischen Spezifitätsselektion von Makromolekülen und ihrer Nukleinsäuren und Proteinen, bestehend aus den Schritten:
  • a) Bereitstellung einer elektrisch adressierbaren Sensorposition mit Mobilisierungs- und Sensorelektroden gemäß den Ansprüchen 1 bis 20, wobei die Sensorelektroden fest mit einer ersten Sorte von Erkennungsmolekülen versehen sind und eine zweite Sorte von Makromolekülen reversibel gebunden haben, und einer
  • b) Beaufschlagung der Mobilisierungselektroden oder der Sensorelektroden mit einem genügen hohen elektrischen Potential geeigneter Polarität und genügend langer Dauer, gegebenenfalls auch pulsierend, zur Lösung aller Bindungen von Makromolekülen auf den Sensorelektroden bis auf die Bindungen mit der höchsten Bindungsstärke.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Erkennungs- und und Makromolekülen auf der Sensorelektrode um Antigen-, Antikörper- oder um Nukleinsäuresequenzen handelt.
32. Verfahren nach den Ansprüchen 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion der auf der Sensorelektrode verbleibenden, immobilisierten Makromoleküle mittels cyclovoltametrischer oder impedanzanalytischer Verfahren, insbesondere mittels einer Impedanzspektroskopie durchgeführt wird.
33. Verfahren nach den Ansprüchen 30 oder 31, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion der auf der Sensorelektrode verbleibenden, immobilisierten Makromoleküle mittels eines Redox-Recycling-Verfahrens erfolgt.
34. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass vor der elektrischen Detektion eine elektrische Spezifitätsselektion vorgenommen wird, indem die Sensorelektroden mit einem Potential beaufschlagt werden, das von der Polarität und der Höhe so gewählt ist, dass alle Bindungen von Makromolekülen auf den Sensorelektroden bis auf die Bindungen mit der höchsten Bindungsstärke gelöst werden.
35. Verfahren nach den Ansprüchen 21 und 34, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Strukturierung der Permeationsschicht durch ein photolithographisches lift-off- Verfahren oder durch Elektropolymerisation vorgenommen wird.
36. Verfahren nach den Ansprüchen 21 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass als photosensitive Schicht aufgebracht wird, die photolithographisch strukturiert wird.
37. Verfahren nach den Ansprüchen 21 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Permeationsschicht auf der Mobilisierungselektrode durch lichtinduzierte Polymerisation aus einem entsprechenden Monomeren oder Oligomeren erzeugt wird.
38. Verfahren nach den Ansprüchen 21 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Permeationsschicht in zwei getrennten Schritten aufgebracht wird, derart dass, die erste elektrodennahe Schicht durch Photolithographie, lift-off-Verfahren oder Elektropolymerisation strukturiert und die zweite Schicht selektiv an die erste Schicht gebunden wird.
DE2000149901 2000-10-10 2000-10-10 Vorrichtung und Verfahren zur elektrisch beschleunigten Immobilisierung und zur Detektion von Molekülen Expired - Lifetime DE10049901C2 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2000149901 DE10049901C2 (de) 2000-10-10 2000-10-10 Vorrichtung und Verfahren zur elektrisch beschleunigten Immobilisierung und zur Detektion von Molekülen
AU2001291886A AU2001291886A1 (en) 2000-10-10 2001-10-02 Device and method for electrically accelerated immobilisation and detection of molecules
PCT/EP2001/011411 WO2002031481A2 (de) 2000-10-10 2001-10-02 Vorrichtung und verfahren zur elektrisch beschleunigten immobilisierung und zur detektion von molekülen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE2000149901 DE10049901C2 (de) 2000-10-10 2000-10-10 Vorrichtung und Verfahren zur elektrisch beschleunigten Immobilisierung und zur Detektion von Molekülen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE10049901A1 true DE10049901A1 (de) 2002-05-02
DE10049901C2 DE10049901C2 (de) 2003-01-02

Family

ID=7659113

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE2000149901 Expired - Lifetime DE10049901C2 (de) 2000-10-10 2000-10-10 Vorrichtung und Verfahren zur elektrisch beschleunigten Immobilisierung und zur Detektion von Molekülen

Country Status (3)

Country Link
AU (1) AU2001291886A1 (de)
DE (1) DE10049901C2 (de)
WO (1) WO2002031481A2 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006045558A1 (en) 2004-10-25 2006-05-04 Attana Ab Surface preparation method

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10539561B1 (en) 2001-08-30 2020-01-21 Customarray, Inc. Enzyme-amplified redox microarray detection process
CN1914331A (zh) 2004-02-06 2007-02-14 拜尔健康护理有限责任公司 作为生物传感器的内部参照的可氧化种类和使用方法
US20060102471A1 (en) * 2004-11-18 2006-05-18 Karl Maurer Electrode array device having an adsorbed porous reaction layer
US20070034513A1 (en) 2005-03-25 2007-02-15 Combimatrix Corporation Electrochemical deblocking solution for electrochemical oligomer synthesis on an electrode array
US9394167B2 (en) 2005-04-15 2016-07-19 Customarray, Inc. Neutralization and containment of redox species produced by circumferential electrodes
JP5385607B2 (ja) 2005-07-20 2014-01-08 バイエル・ヘルスケア・エルエルシー ゲート化電流測定器
US20070065877A1 (en) 2005-09-19 2007-03-22 Combimatrix Corporation Microarray having a base cleavable succinate linker
US8404100B2 (en) 2005-09-30 2013-03-26 Bayer Healthcare Llc Gated voltammetry
WO2008020364A2 (en) * 2006-08-14 2008-02-21 Koninklijke Philips Electronics N. V. Biochemical sensor device
EP2083674B1 (de) 2006-10-24 2018-03-07 Ascensia Diabetes Care Holdings AG Nachwirkungsstrommessung
WO2009006445A2 (en) 2007-06-29 2009-01-08 Applied Biosystems Systems and methods for electronic detection with nanofets
WO2009076302A1 (en) 2007-12-10 2009-06-18 Bayer Healthcare Llc Control markers for auto-detection of control solution and methods of use
WO2009132667A1 (de) * 2008-04-30 2009-11-05 Micronas Gmbh Verfahren zum nachweisen und/oder bestimmen der konzentration eines liganden
US9927434B2 (en) 2010-01-20 2018-03-27 Customarray, Inc. Multiplex microarray of serially deposited biomolecules on a microarray
EP2565635B1 (de) 2011-09-02 2017-11-15 Sensirion AG Sensorchip und Verfahren zur Herstellung eines Sensorchips
EP2988122B1 (de) * 2014-08-20 2019-04-24 ams international AG Kapazitiver Sensor
EP3208610B1 (de) 2016-02-18 2021-05-12 ams AG Sensoranordnung und verfahren zur erzeugung von messsignalen

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996007917A1 (en) * 1994-09-09 1996-03-14 Nanogen, Inc. Automated molecular biological diagnostic system
DE19741716A1 (de) * 1997-09-22 1999-03-25 Hoechst Ag Adressierbares modulares Erkennungssystem, seine Herstellung und Verwendung

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5846708A (en) * 1991-11-19 1998-12-08 Massachusetts Institiute Of Technology Optical and electrical methods and apparatus for molecule detection
CA2320798C (en) * 1998-02-20 2008-01-15 Nanogen, Inc. Advanced active devices and methods for molecular biological analysis and diagnostics
EP1254372B1 (de) * 1999-11-12 2004-06-23 Clinical Micro Sensors, Inc. Bindungsbeschleunigungsverfahren zum nachweis von analyten

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1996007917A1 (en) * 1994-09-09 1996-03-14 Nanogen, Inc. Automated molecular biological diagnostic system
DE19741716A1 (de) * 1997-09-22 1999-03-25 Hoechst Ag Adressierbares modulares Erkennungssystem, seine Herstellung und Verwendung

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006045558A1 (en) 2004-10-25 2006-05-04 Attana Ab Surface preparation method
US9533881B2 (en) 2004-10-25 2017-01-03 Attana Ab Surface preparation method

Also Published As

Publication number Publication date
WO2002031481A2 (de) 2002-04-18
DE10049901C2 (de) 2003-01-02
AU2001291886A1 (en) 2002-04-22
WO2002031481A3 (de) 2002-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10049901C2 (de) Vorrichtung und Verfahren zur elektrisch beschleunigten Immobilisierung und zur Detektion von Molekülen
EP1786927B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum nachweis von geladenen makromolekülen
EP0886773B1 (de) Detektion von molekülen und molekülkomplexen
DE102004042729B4 (de) Bio-Chip mit einem Elektrodenarray auf einem Substrat
EP1272842B1 (de) Biosensor und verfahren zum ermitteln makromolekularer biopolymere mit einem biosensor
DE19916921A1 (de) Elektrisches Sensorarray
EP1141378B1 (de) Affinitätssensor für den nachweis spezifischer molekularer bindungsereignisse und dessen verwendung
WO1999027367A1 (de) Vorrichtung und verfahren zum nachweis von analyten
WO2009147093A1 (de) Verfahren zum detektieren von chemischen oder biologischen species sowie elektrodenanordnung hierfür
EP1518109A2 (de) Vorrichtung zur detektion eines analyten
DE102004045210A1 (de) Sensor-Anordnung und Verfahren zum Ermitteln eines Sensorereignisses
EP1738172B1 (de) Verfahren zur funktionalisierung von biosensor-chips
WO1999027355A1 (de) Verfahren zur bildung lateral organisierter strukturen auf trägeroberflächen
WO2002031482A2 (de) Vorrichtung und verfahren zur elektrisch beschleunigten immobilisierung von molekülen
DE10211358B4 (de) Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung und Verfahren zum Herstellen einer Vertikal-Impedanz-Sensor-Anordnung
DE10319155B4 (de) Elektrisch auslesbare Bindungen von Analytmolekülen an immobilisierten Sondenmolekülen
WO2003083134A1 (de) Sensor zur qualitativen und quantitativen bestimmung von (bio)organischen oligomeren und polymeren, analyseverfahren hierzu sowie verfahren zur herstellung des sensors
DE10049902A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur elektrisch beschleunigten Immobilisierung von Molekülen und ihre Detektion
DE10065278A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur elektrisch beschleunigten Immobilisierung von Molekülen
WO1999042827A2 (de) Vorrichtung zur detektion von oligo- und/oder polynukleotid-hybridisierungen
DE10256415B3 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Transport bzw. zur bindungspezifischen Trennung elektrisch geladener Moleküle
EP1200817B1 (de) Sensoranordnung mit elektrisch ansteuerbaren arrays
EP1604198A2 (de) Leiterplatte zur elektrochemischen detektion von biomolekülen
DE10156433A1 (de) Verfahren und Vorrichtungen zur elektronischen Bestimmung von Analyten
EP2130930A2 (de) Elektrisches Substrat zum Einsatz als Träger von Biomolekülen

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
D2 Grant after examination
8327 Change in the person/name/address of the patent owner

Owner name: NANOGEN, INC., SAN DIEGO, CALIF., US

8328 Change in the person/name/address of the agent

Representative=s name: ACKERMANN, J., DIPL.-CHEM. DR.RER.NAT., PAT.-ANW.,

8330 Complete disclaimer