DE10049902A1

DE10049902A1 - Vorrichtung und Verfahren zur elektrisch beschleunigten Immobilisierung von Molekülen und ihre Detektion

Info

Publication number: DE10049902A1
Application number: DE2000149902
Authority: DE
Inventors: Claus Escher; Guenter Brommer; Alexander Meyer
Original assignee: Aventis Research and Technologies GmbH and Co KG
Current assignee: Nanogen Inc
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2002-04-18

Abstract

Es wird eine elektrisch adressierbare Vorrichtung und ein Verfahren zur beschleunigten Immobilisierung von elektrisch geladenen Makromolekülen wie Nukleinsäuren und Proteinen beschrieben. Die Vorrichtung besteht dabei aus DOLLAR A - mindestens einem Träger mit einer oder mehreren darauf befindlichen Sensorpositionen, die jeweils wenigstens eine Elektrodenoberfläche umfassen sowie mit Flächen versehen sind, an denen Makromoleküle immobilisiert werden können; DOLLAR A - einer Steuereinheit, welche über elektrische Zuleitungen an die Elektroden unabhängig voneinander elektrische Signale applizieren kann; DOLLAR A - einem elektrisch leitfähigen Polymeren auf wenigstens einer Elektrodenoberfläche wenigstens eines Teiles der Sensorpositionen; DOLLAR A - einem Elektrolyten, der in Kontakt mit wenigstens einem Teil der mit dem elektrisch leitfähigen Polymer beschichteten Sensorflächen ist und der die zu immobilisierenden Makromoleküle enthält oder enthalten könnte.

Description

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung zur elektrisch beschleunigten Immobilisierung von Molekülen und ihrer Detektion.

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 Präsens 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 (Fängermoleküle) kann z. B. mit Hilfe eines Dispensers geschehen. Es können jedoch auch elektrische oder andere Verfahren genutzt werden.

In US 4787963 und WO 96/01836 wird ein Verfahren vorgestellt, wie die Immobilisierung der zu detektierenden Moleküle in wässriger Lösung elektrisch gesteuert und 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 darauf hingewiesen, daß eine elektrolytische Zersetzung des wässrigen Lösungsmittels notwendig ist, um den erforderlichen Gleichstrom aufrecht erhalten zu können. Dies erfordert seinerseits einen Schutz der Zielmoleküle vor den daraus resultierenden chemischen Folgeprodukten, was durch eine für diese Moleküle undurchlässige Schicht über der Elektrode erreicht wird. 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 (Fängermoleküle) vorgenommen werden kann. Darüberhinaus 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 Beispiel hierfür ist bei der Hybridisierung von Nukleinsäuremolekülen die Diskriminierung zwischen genau passenden komplementären Nukleotidsträngen und solchen, bei denen eine Base nicht das entsprechende passende Pendant vorfindet, also die Detektion von sog. Single Nucleotide Polymorphisms (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, sogenannte Permeation Layer oder 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 Bestandteil der in WO 96/01836 offenbarten Vorrichtung ist deshalb eine sogenannte Attachment Layer zum Anbinden der Biomoleküle, die entweder in die Permeationsschicht integriert oder als separate Schicht auf sie aufgebracht wird.

Die oben geschilderten Verfahren und Vorrichtungen haben eine Reihe von Nachteilen.

Die Elektrolyse erfordert relativ hohe Spannungen und muß sehr genau geführt werden, damit die dabei gebildeten Gase nicht zur Blasenbildung führen und die Elektrode isolieren oder die Permeationsschicht schädigen. Des weiteren erfordern die agressiven Elektrolyseprodukte eine hohe Stabilität der Permeationsschicht und bilden trotz aller Vorsichtsmaßnahmen eine Gefahr für die Biomoleküle.

Bei der Detektion mittels elektrischer Verfahren ist es vorteilhaft, die Biomoleküle möglichst nahe an der Elektrode zu immobilisieren, was wegen der oben geschilderten Maßnahmen zum Schutz der Biomoleküle stark limitiert ist.

In dem vorliegenden erfindungsgemäßen Verfahren wird die Elektrode mit einem leitfähigen Polymer beschichtet. Mit dieser Beschichtung kann ein elektrischer Gleichstrom ohne elektrolytische Zersetzung der Lösung überraschend lange aufrecht erhalten werden, was die elektrophoretische Anreicherung der nur eine relativ geringe Beweglichkeit aufweisenden Biomoleküle an der Elektrode ermöglicht.

Zur Immobilisierung der aufkonzentrierten Biomoleküle (Fängermoleküle) kann das elektrisch leitfähige Polymer modifiziert werden, z. B. durch Einlagerung von Bindungsgruppen wie Avidin oder Streptavidin oder durch kovalente Funktionalisierung mit chemisch reaktiven Gruppen wie Carbonsäureestern oder Aminogruppen.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, das elektrisch leitfähige Polymer mit einer weiteren Schicht zu belegen, welche solche Bindungsstellen enthält. Beispiele für solche Schichten sind Agarose mit eingelagertem Avidin oder Streptavidin oder Polyacrylamid.

Eine wiederum andere Möglichkeit besteht darin, daß in unmittelbarer räumlicher Nähe der mit dem elektrisch leitfähigen Polymer beschichteten Elektrode Flächen implementiert werden, auf denen unmittelbar oder über eine darauf befindliche Anbindungsschicht die Biomoleküle angebunden werden können. Diese Flächen können ihrerseits selbst Elektroden darstellen oder mit Elektroden unterlegt sein.

Zur Detektion der auf den zugehörigen Fängermolekülen immobilisierten Zielmolekülen kann eine ganze Reihe von Verfahren verwendet werden, wie Autoradiographie, optische Auslesung mittels Fluoreszenzspektroskopie, elektromechanische Verfahren (Quarzwaage) oder elektrische Detektionsverfahren.

Besonders vorteilhaft sind elektrische Ausleseverfahren, da sie apparativ weniger aufwendig und leichter zu miniaturisieren sind. Zudem bedürfen sie nicht notwendigerweise einer radioaktiven oder fluoreszierenden Markierung der Moleküle. Außerdem ist die elektrische Auslesung universell bzgl. des Chipformates - unabhängig vom Chipformat ist eine direkte digitale Positionszuordnung möglich.

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 and Actuators B 26-27 (1995) 394-397.

Insbesondere bietet sich eine elektrische Detektion an, wenn man zum Zwecke der elektrisch beschleunigten Immobilisierung ohnehin mit Chipformaten arbeitet, die mit Elektroden versehen sind und an elektrische Steuereinheiten gekoppelt sind. Hier ergeben sich sowohl strukturelle (elektrische Kontakte, Leiterbahnen, Elektroden) als auch funktionelle (elektrische Signalgeneratoren und Meßinstrumente) Synergien.

Nachteil der oben geschilderten bekannten 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 u. a. 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 B49, (1998) 73-80), um hohe Sensitivität zu erhalten.

In der vorliegenden Erfindung wird dieser Konflikt dadurch gelöst, daß zur elektrisch beschleunigten Immobilisierung keine Elektrolyse betrieben werden muß und die Biomoleküle in unmittelbarer Nähe der stromführenden Elektrode immobilisiert werden können. Es kann jedoch auch eine Arbeitsteilung vorgenommen werden zwischen einer Elektrode oder einem Satz von Elektroden (Mobilisierungselektroden), die mit einem elektrisch leitfähigen Polymer beschichtet sind und mit deren Hilfe die zu detektierenden Moleküle elektrophoretisch über der betreffenden Sensorposition anreichert werden mit der Folge einer beschleunigten Immobilisierung auf einem zweiten Satz von Elektroden (Sensorelektroden) auf derselben Sensorposition, der für eine hochsensitive Detektion genutzt wird.

Gegenstand der Erfindung ist eine elektrisch adressierbare Vorrichtung, bestehend aus

- einem Träger mit einer oder mehreren darauf befindlichen Sensorpositionen, die jeweils wenigstens eine Elektrodenoberfläche umfassen sowie mit Flächen versehen sind, an denen Makromoleküle immobilisiert werden können;
- einer Steuereinheit, welche über elektrische Zuleitungen an die Elektroden unabhängig voneinander elektrische Signale versenden kann;
- einem elektrisch leitfähigen Polymeren auf wenigstens einer Elektrodenfläche wenigstens eines Teiles der Sensorpositionen;
- einem Elektrolyten, der in Kontakt mit wenigstens einem Teil der mit dem elektrisch leitfähigen Polymeren beschichteten Sensorfläche ist und der die zu immobilisierenden Makromoleküle enthält.

Das Trägermaterial der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht vorzugsweise aus Silizium, Siliziumdioxid, Glas, Keramik oder Kunststoff, oder aus einem Verbund dieser Stoffe. In das Trägermaterial ist ein aktiver Halbleiterchip mit elektrischen Schaltkreisen oder mit CMOS-Bausteinen integriert.

Die Elektroden der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestehen unabhängig voneinander aus metallischen Materialien wie Gold, Platin, Palladium, Silber, Kupfer, Aluminium oder aus Kohlenstoff.

Das auf wenigstens eine Elektrodenfläche aufgeschichtete elektrisch leitfähige Polymere wird aus der Gruppe Polyethylen, Polythiophen, Polypyrrol, Polyparaphenylen, Polyanilin oder Polyparaphenylenvinylen oder Modifikationen dieser Polymere ausgewählt. Das leitfähige Polymere kann auch funktionelle Gruppen zur Bindung von Makromolekülen enthalten, die auch physikalisch im leitfähigen Polymer eingeschlossen sein können. Bevorzugte funktionelle Gruppen sind Avidin oder Streptavidin. Es können aber auch als kovalent gebundene Gruppen Carbonsäuregruppen oder deren Derivate wie Aktivester oder Aminogruppen eingesetzt werden.

Eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass auf das elektrisch leitfähige Polymere eine Bindungsschicht aufgetragen wird, die elektrisch nicht leitfähig zu sein braucht, aber durchlässig für Wasser und kleine Ionen ist und die funktionelle Gruppen zur Anbindung von Makromolekülen enthält. Diese Bindungsschicht kann vorzugsweise aus der Gruppe Agarose, Polyacrylamid oder Polyurethan ausgewählt werden.

Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass die Sensorpositionen wenigstens eine weitere Elektrodenfläche, sog. Sensorelektroden, aufweisen, die nicht mit einem elektrisch leitfähigen Polymeren beschichtet sind. Die Sensorelektroden sind vielmehr vorteilhafterweise mit Makromolekülen bestückt, diese werden bei aus Gold bestehenden Sensorelektroden mit einer SH-Gruppe an die Elektrode gebunden. Die Sensorelektroden können aber auch mit einer Bindungsschicht belegt sein, die funktionelle Gruppen zur Anbindung von Makromolekülen enthält. Beispiele solcher Bindungsschichten sind Agarose, Polyacrylamid oder Polyurethan.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann so ausgestaltet sein, dass die mit dem elektrischen Polymeren belegten Elektroden und die Sensorelektroden zueinander höhenversetzt sind.

Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass die Sensorpositionen mit drei unabhängigen Elektroden, einer mit dem elektrischen Polymer beschichteten und zwei Sensorelektroden bestückt sind. Dabei bilden die beiden Sensorelektroden schmale, lange, fingerähnliche Strukturen mit einer Fingerbreite unter 2 µm. Wenn die Sensorelektroden Interdigitalelektroden darstellen, können zumindest einige Zwischenräume durch eine mit einem elektrisch leitfähigen Polymer beschichtete Elektrode ausgefüllt werden. Die Sensorpositionen sind in einem zweidimensionalen Array angeordnet und weisen im Allgemeinen ein Rastermaß von 10 bis 1000 µm auf.

Die Elektroden der Sensorpositionen sind an eine elektrische Steuerungs- und Ausleseeinheit angekoppelt und können zusätzlich noch durch eine auf dem Träger flächig aufgebrachte Referenzelektrode ergänzt werden. Als Referenzelektroden kommen Silber, Platin, Silber/Silberchlorid oder andere literaturbekannte Standardsysteme in Betracht.

Die Erfindungsgemäße Vorrichtung muss Sensorpositionen aufweisen, die mit einem flüssigen Elektrolyten benetzt werden können, der die zu detektierenden Moleküle enthält. Das kann zweckmäßigerweise in einer Durchflusskammer stattfinden.

Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch so ausgestaltet sein, dass die Sensorelektroden der verschiedenen Sensorpositionen selektiv mit Makromolekülen als spezifischen Erkennungssystemen bestückt sind.

Abb. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Auf einem festen Träger (1) und einer darüberliegenden Isolationsschicht (2) befinden sich sogenannte Mobilisierungselektroden (3) und Detektions- oder Sensorelektroden (4). Über den Mobilisierungselektroden befindet sich eine elektrisch leitfähige Polymerschicht (5). Abb. 1 zeigt auch einen vergrößerten Ausschnitt eines Satzes der Mobilisierungs- und Sensorelektroden.

Abb. 2 illustriert, wie bei Beaufschlagung des mittleren Satzes von Mobilisierungselektroden mit einem geeigneten elektrischen Potential der darüberliegende Bereich des Elektrolyten (6) mit den zu detektierenden Molekülen angereichert (7) wird.

Zur Detektion der vorzugsweise auf den Sensorelektroden immobilisierten Molekülen können neben elektrochemischen bzw. elektrischen auch optische, elektromechanische oder radiometrische Verfahren eingesetzt werden. Ggf. können die zu detektierenden Moleküle auch mit elektrisch aktiven Labeln oder elektrisch aktiven Reportergruppen, wie Ferrocen, PQQ oder Porphyrine markiert werden, um die Sensitivität der elektrochemischen oder elektrischen Analyse zu erhöhen.

Bevorzugt erfolgt die Detektion elektrisch bzw. elektrochemisch, z. B. mittels Cyclovoltametrie, ganz besonders bevorzugt sind dabei die Impedanzanalyse und das Redox-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 externe mit dem Elektrolyt in elektrischem 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 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 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.

Ggf. können die zu detektierenden Moleküle auch mit elektrisch aktiven Labeln markiert werden, um die Sensitivität der Impedanzanalyse zu erhöhen.

In einer bevorzugten Ausführungsform stellen die Sensorelektroden sog.

Interdigitalelektroden da, die sich durch besonders hohe Sensitivität auszeichnen (Sensors & Actuators B49 (1998) 73-80).

Abb. 3 zeigt eine solche Ausführungsform für das in Abb. 1 gezeigte Beispiel in Seitenansicht und in Aufsicht. Die Sensorelektroden (1) ragen fingerförmig ineinander, wobei benachbarte Finger elektrisch gegeneinander geschaltet werden können. Sie sind getrennt durch isolierende Bereiche und eine oder mehrere Mobilisierungselektroden. Die Mobilisierungselektroden sind mit einer elektrisch leitfähigen Polymerschicht (2) belegt, die zur Sichtbarmachung der Mobilisierungselektrode (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 Isolationsschicht, z. B. (photostrukturierbares) Polyimid (2) auf die durchgehende Mobilisierungselektrode (1) aufgebracht, photostrukturiert und die erhabenen Bereiche metallisiert (3). Die laterale Strukturierung kann auch auf andere in der Photolitographie übliche Weisen geschehen. So kann z. B. auch die zunächst noch unstrukturiert auf der Mobilisierungselektrode aufgebrachte Isolationsschicht metallisiert werden und anschließend Metallschicht und Isolationsschicht durch photolithographische Verfahren strukturiert werden.

Abb. 4(b) zeigt eine Ausführungsform bei der die Mobilisierungselektrode (1) strukturiert ist und nicht mit Mobilisierungselektrode belegte Bereiche (2) mit einem von der Mobilisierungselektrode isolierten leitfähigen Steg (3) versehen sind, auf dem eine aus geeignetem 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 Mobilisierungselektroden (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.

Typische Schichtdicken der elektrisch leitenden Polymerschicht liegen im Bereich einiger µm- oder sub-µm-Bereich. Die notwendige laterale Strukturierung erfolgt bevorzugt durch Elektropolymerisation. Bestehen Mobilisierungs- und Sensorelektroden aus verschiedenen metallischen Materialien, kann deren selektives Bindungsverhalten zu einer selektiven Aufbringung einer elektrisch leitfähigen Polymerschicht genutzt werden. Eine photolitographische Strukturierung kann z. B. durch ein lift-off-Verfahren oder durch eine direkte Strukturierung einer photoempfindlichen elektrisch leitfähigen Polymerschicht vorgenommen werden. Es kann auch eine photoinduzierte Polymerisation von geeigneten Mono- und Oligomeren zur strukturierten Belegung des Chips mit einer elektrisch leitfähigen Polymerschicht 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.

Die Anbindung von Fängermolekülen kann direkt auf den Sensorelektroden erfolgen über funktionelle Gruppen, die kovalent an die Fängermoleküle 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 gegebenenfalls verbleibende Aufnahmekapazität der Elektrodenoberfläche nach Anbindung der Fängermoleküle kann vollständig mit Molekülen abgesättigt werden, die in den folgenden Schritten keine Bindung mit Molekülen eingehen, die mit der Sensorposition in Kontakt kommen, so daß keine weiteren unspezifischen Bindungen an die Elektrode möglich sind. Diese Moleküle sind vorzugsweise 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. Für die Immobilisierung von Nukleinsäuren aufgrund von Hybridisierung mit passenden Fängeroligonukleotiden auf der Sensorposition wird vorzugsweise ein hochohmiger Elektrolyt gewählt, der zu höherer strominduzierter Verdichtung der Nukleinsäuren in der Nähe der Sensorposition führt. Andererseits muß der Elektrolyt natürlich den Hybridisierungsprozeß stützen. Beispiele solcher Puffer sind niedrigkonzentrierte Standardpuffer, wie Phosphatpuffer oder Zwitterionenpuffer, wie Histidin.

Im Falle der elektrisch beschleunigten Hybridisierung von (anionischen) Nukleinsäuren kann man zur Verminderung des Anteils der anderen Anionen im Elektrolyt am elektrischen Strom im Vergleich zu den Nukleinsäuren Elektrolyten verwenden mit Anionen, die besonders geringe Beweglichkeiten aufweisen. Dazu können z. B. Elektrolyte eingesetzt werden mit besonders großem Molekulargewicht der Anionen, wie Borate, Tartrate, Citrate oder mit an mikroskopische Kügelchen gebundene Anionen, wie mit Carboxylatgruppen versehene Polystyrolbeads.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur beschleunigten Immobilisierung von Makromolekülen besteht in einer Ausführungsform aus den folgenden Schritten:

a) Bereitstellung einer elektrisch adressierbaren Sensorposition mit wenigstens einer mit einem elektrisch leitfähigen Polymer beschichteten Elektrode, wobei das Polymer so ausgebildet ist, dass es die zu detektierenden Makromoleküle spezifisch oder unspezifisch binden kann;
b) Benetzung der Sensorposition mit einem Elektrolyten, der die zu immobilisierenden Makromoleküle in gelöster Form enthält oder enthalten könnte;
c) Beaufschlagung der mit dem elektrisch leitfähigen Polymer beschichteten Elektrode mit einem genügend hohen Potential geeigneter Polarität zur Verdichtung der geladenen Makromoleküle in der unmittelbaren Umgebung der Sensorposition;
d) Immobilisierung der zu detektierenden Makromoleküle am elektrisch leitfähigen Polymer.

In einer modifizierten Ausführungsform befinden sich die Bindungsstellen für die zu immobilisierenden Makromoleküle nicht direkt im elektrisch leitfähigen Polymer, sondern in einer weiteren Schicht, mit der das elektrisch leitfähige Polymer beschichtet ist. Diese Schicht muß durchlässig sein für Wasser und kleine Ionen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform geschieht die Detektion der Makromoleküle ebenfalls durch eine elektrische Methode, entweder mittels benachbarter Sensorelektroden, was beim Redox Recycling ganz besonders bevorzugt ist oder mittels derselben Elektrode, was bei Cyclovoltammetrie Impedanzanalyse ganz besonders bevorzugt ist, im letzteren Fall insbesondere bei der Impedanzspektroskopie.

Eine weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur Immobilisierung von Makromolekülen besteht in folgenden Schritten:

a) Bereitstellung einer elektrisch adressierbaren Sensorposition mit wenigstens einer mit einem elektrisch leitfähigen Polymer beschichteten Mobilisierungselektrode und einer Sensorelektrode an die die Makromoleküle unspezifisch oder spezifisch anbinden können;
b) Benetzung der Sensorposition mit einem Elektrolyten, der die zu immobilisierenden Makromoleküle in gelöster Form enthält oder enthalten könnte;
c) Beaufschlagung der mit dem elektrisch leitfähigen Polymer beschichteten Elektrode mit einem genügend hohen Potential geeigneter Polarität zur Verdichtung der geladenen Makromoleküle in der unmittelbaren Umgebung der Sensorposition;
d) Immobilisierung der zu detektierenden Makromoleküle auf der/den Sensorelektroden, entweder direkt oder auf einer auf den Sensorelektroden befindlichen Bindungsschicht. Insbesondere kann eine solche Schicht auch aus einer ersten Lage von immobilisierten Makromolekülen bestehen, die eine zweite Lage von Makromolekülen spezifisch binden kann.

Die Detektion der immobilisierten Makromomoleküle geschieht mit Hilfe der mit den Makromolekülen belegten Sensorelektroden elektrisch, ganz besonders bevorzugt sind dabei die Methoden des Redox-Recyclings, der Cyclovoltametrie und der Impedanzanalyse, im letzteren Fall insbesondere der Impedanzspektroskopie.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur elektrischen Spezifitätsselektion von Makromolekülen, bestehend aus den Schritten:

a) Bereitstellung einer elektrisch adressierbaren Sensorposition mit wenigstens einer mit einem elektrisch leitfähigen Polymer beschichteten Elektrode, wobei das Polymer so ausgebildet ist, dass es die zu detektierenden Makromoleküle spezifisch an Fängermoleküle binden kann;
b) Benetzung der Sensorposition mit einem Elektrolyten, der gegebenenfalls die zu immobilisierenden Zielmoleküle in gelöster Form enthält oder enthalten könnte;
c) Immobilisierung der Zielmoleküle an den spezifischen Bindungsstellen im elektrisch leitfähigen Polymer;
d) Beaufschlagung der Elektroden mit einem genügend hohen elektrischen Potential geeigneter Polarität und genügend langer Dauer, gegebenenfalls auch pulsierend, zur Lösung aller Bindungen von Zielmolekülen auf der Sensorposition bis auf die Bindungen mit der höchsten Bindungsstärke.

Die spezifischen Bindungsstellen auf dem elektrisch leitfähigen Polymer werden in der Regel durch eine immobilisierte erste Sorte von Makromolekülen (Fängermoleküle) gebildet, die z. B. mittels eines Dispensers oder mittels der weiter oben beschriebenen elektrisch beschleunigten Immobilisierung an das elektrische Polymer gebunden werden können.

Bevorzugt werden die Zielmoleküle mittels elektrisch beschleunigter Immobilisierung an die Fängermoleküle gebunden bevor die oben beschriebene Spezifitätsselektion vorgenommen wird.

In einer modifizierten Ausführungsform befinden sich die Bindungsstellen für die zu immobilisierende erste Sorte von Makromolekülen nicht direkt im elektrisch leitfähigen Polymer, sondern in einer weiteren Schicht, mit der das elektrisch leitfähige Polymer beschichtet ist. Diese Schicht muß durchlässig sein für Wasser und kleine Ionen.

Eine weiteres erfindungsgemäßes Verfahren zur elektrischen Spezifitätsselektion von Makromolekülen besteht in folgenden Schritten:

a) Bereitstellung einer elektrisch adressierbaren Sensorposition mit wenigstens einer mit einem elektrisch leitfähigen Polymer beschichteten Mobilisierungselektrode und einer Sensorelektrode an die die Makromoleküle spezifisch anbinden können;
b) Benetzung der Sensorposition mit einem Elektrolyten, der die zu immobilisierenden Makromoleküle in gelöster Form enthält;
c) Immobilisierung der zu detektierenden Makromoleküle (Zielmoleküle) auf der/den Sensorelektroden, entweder direkt oder auf einer auf den Sensorelektroden befindlichen Bindungsschicht. Insbesondere kann eine solche Schicht auch aus einer ersten Lage von immobilisierten Makromolekülen bestehen, die eine zweite Lage von Makromolekülen spezifisch binden kann;
d) Beaufschlagung der Sensorelektroden mit einem genügend hohen elektrischen Potential geeigneter Polarität und genügend langer Dauer, gegebenenfalls auch pulsierend, zur Lösung aller Bindungen von Zielmolekülen auf der Sensorposition bis auf die Bindungen mit der höchsten Bindungsstärke.

Die spezifischen Bindungsstellen auf den Sensorelektroden werden in der Regel durch eine immobilisierte erste Sorte von Makromolekülen (Fängermoleküle) gebildet, die z. B. mittels eines Dispensers oder mittels der weiter oben beschriebenen elektrisch beschleunigten Immobilisierung an die Sensorelektroden gebunden werden können. Bevorzugt werden die Zielmoleküle mittels elektrisch beschleunigter Immobilisierung an die Fängermoleküle gebunden bevor die oben beschriebene Spezifitätsselektion vorgenommen wird.

Die Lösung der unerwünschten Bindungen (alle bis auf die mit der höchsten Bindungsenergie) kann auch durch Beaufschlagung der Mobilisierungselektrode mit einem geeigneten elektrischen Potential geschehen oder dadurch unterstützt werden.

Ausführungsbeispiele Beispiele 1 Abscheidung eines elektrisch leitfähigen Polymerfluss auf einer Goldelektrode

Als Arbeitselektroden wurde eine Goldelektrode (CH Instruments, Inc., TX, USA, ∅ 2 mm) verwendet. Als Referenzelektrode diente ein Silberdraht. Die Gegenelektrode bestand aus einem Platindraht. Vor Benutzung wurde die Oberfläche der Arbeitselek trode mit einer 0.3 µm-Tonerde-Suspension poliert und mit Millipore-Wasser gespült. Anschließend wurde die Elektrodenoberfäche elektrochemisch in 0.2 M NaOH-Lösung gereinigt. Dazu wurde die Elektrode cyclovoltammetrisch mit 5 Potentialzyklen zwischen -0.5 V und +1.8 V (gegen die Silber-Referenzelektrode) und anschließend mit 3 Potentialzyklen zwischen -0.3 V und +1.1 V jeweils bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 50 mV/s behandelt.

Das elektrisch leitfähige Polymer wurde potentiodynamisch auf der Oberfläche der Arbeitselektrode abgeschieden. Dazu wurde eine herkömmliche elektrochemische Zelle mit einer Dreielektrodenanordnung verwendet. Als Potentiostat diente eine IM6-Workstation (Zahner-Meßtechnik, Kronach, Deutschland). Der Elektrolyt bestand aus einer 0.1 M Lösung von Natriumperchlorat in Acetonitril. Das Zellvolumen betrug 2 ml.

Als Monomer wurden 8 mg 3,4-Ethylendioxythiophen (Baytron M, Bayer AG, Leverkusen, CAS: 126213-50-1) zum Elektrolyten hinzugegeben (entsprechend einer 0.028 molaren Lösung).

Mittels 30 Potentialzyklen zwischen -0.4 und +1.1 V wurde bei einer Vorschubge schwindigkeit von 100 mV/s ein dunkelblauer Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-Film (Leitfähigkeit: -200 mS/cm [Q. Pei, G. Zuccarello, M. Ahlskog, O. Inganäs, Polymer 1994, 35, 1347-1351]) auf der Arbeitselektrode abgeschieden (Film 1). Im Cyclovoltammogramm kann die Bildung des Polymerfilms anhand des Stromanstiegs nach jedem Zyklus verfolgt werden (Abb. 5).

Mit demselben Verfahren wurde mittels 10 Zyklen ein dünnerer Polymerfilm auf der Elektrode abgeschieden (Film 2).

Elektrochemische Charakterisierung des leitfähigen Polymerfilms

Die modifizierte Arbeitselektrode (mit Film 1) wurde mit Acetonitril gespült. Die Charakterisierung erfolgte in monomerfreier Elektrolytlösung (Acetonitril, 0.1 M Natrium perchlorat). Die Lösung wurde vor der Messung 5 Minuten mit Argon entgast. Es wurden Cyclovoltammogramme bei verschiedenen Vorschubgeschwindigkeiten (50 bis 250 mV/s) in einem Potentialbereich von -0.6 V bis +0.7 V aufgenommen. Der Strom variiert dabei linear mit der Vorschubgeschwindigkeit, und zeigt damit das Vorliegen eines Oberflächenfilms auf der Elektrode. Bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 100 mV/s erhielt man einen Peakstrom des Polymerfilms von etwa 40 µA (Abb. 6).

Auf gleiche Weise wurde die mit Film 2 modifizierte Goldelektrode behandelt. (n diesem Fall beträgt der Peakstrom etwa 20 µA (Abb. 7).

Beispiel 2 Abscheidung eines elektrisch leitfähicien Polymers auf einem Siliziumchip mit Platinelektroden

Einer kommerziell erhältlichen Kartusche der Firma Nanogen, Inc., San Diego, USA (NanoChip™ cartridge) wurde der Biochip entnommen und die Beschichtung über den Platinelektroden entfernt. Dazu wurde der Chip in 1 M H₂SO₄ getaucht und bei 80°C für 30 Minuten mit Ultraschall behandelt. Der Chip wurde danach mit Wasser gespült. Zum Abschluß wurde noch mehrere Male mit abs. Ethanol gespült und der Chip im Argonstrom getrocknet. Die Chipoberfläche wurde mit einem Mikroskop überprüft; bei Rückständen der Beschichtung wurde die Reinigungsprozedur wiederholt.

Die Präparation des Polymerfilms auf den Platinelektroden des Biochips erfolgte in wässriger Lösung mit 0.1 M Natriumperchlorat als Elektrolyt. Durch Zugabe von Natriumdodecylsulfat (0,07 M) unter Rühren wurde das 3,4-Ethylendioxythiophen (0.015 M) in eine Dispersion überführt und einer Polymerisation zugänglich gemacht. Die Dispersion wurde in eine Durchflußzelle zur Benetzung des Biochips eingespeist. Die Durchflußzelle ist so ausgelegt, daß sie eine elektrische Kontaktierung des Chips zuläßt. Eine kleine Platinelektrode wurde als Arbeits- und ein größeres im Außenbereich des Chips liegendes Segment als Gegenelektrode geschaltet. Über eine Zuleitung für den Elektrolyten wurde ein Silberdraht als Referenzelektrode eingebracht. Die potentiodynamische Polymerbildung erfolgte mit 15 Potentialzyklen in einem Potentialbereich von -0.4 V bis +0.9 V bei einer Vorschubgeschwindigkeit von 100 mV/s (Abb. 8).

Charakterisierung des leitfähigen Polymerfilms

Unter dem Mikroskop war die Arbeitselektrode infolge des aufgebrachten dunkelblauen Polymerfilms eindeutig von den freien Platinelektroden unterscheidbar (Abb. 9). Die elektrochemische Charakterisierung dieser derart beschichteten Elektrode erfolgte in monomerfreiem Elektrolyt (wässrige 0.1 M Natriumperchloratlösung). Dazu wurden 5 Potentialzyklen zwischen -0.5 V und +0.8 V bei unterschiedlichen Vorschubgeschwindigkeiten (50, 100, 150, 200, 250 mV/s) aufgenommen. Der Peakstrom variiert linear mit der Vorschubgeschwindigkeit und bestätigt das Vorliegen eines Oberflächenfilms (Abb. 10).

Elektrisch induzierte Verdichtung von Oligonukleotiden an der Arbeitselektrode

Die in Abb. 9 gezeigte mit Polymer belegte Elektrode wurde zusammen mit dem Feld der umgebenden unbelegten Elektroden mittels einer transparenten Durchflußzelle mit einer 1 µM Lösung des mit dem am 5'-Ende mit dem Fluoreszenzfarbstoff Texas Red markierten Oligonukleotids: 5'-CCA TTT TCA GAA TTG GGT GT-3' in Wasser benetzt. Über eine Zuleitung für die Lösung wurde ein Silberdraht als Referenzelektrode eingebracht. Die Elektroden wurden an die IM6-Workstation angeschlossen und in Auflicht im Fluoreszenzmikroskop (Zeiss Axioplan) mit den für Texas Red passenden Anregungs- und Emissionsfarbfiltern untersucht. Über einen Photomultiplyer wurde die Intensität des Fluoreszenzsignals aus einem mittels Meßfeldblende ausschließlich auf die betrachtete Elektrode fokussierten Meßfeld gemessen.

Bei Applikation eines symmetrischen Rechteckpotentials der Amplitude 0,5 V und nach Dunkelstromabzug wurde für die mit Polymerschicht belegte Elektrode bei Vorliegen des negativen Potentialwertes eine Intensität von 20 SKT (Skalenteile) und bei Vorliegen des positiven Potentialwertes eine Intensität von 640 SKT gemessen. Für eine benachbarte identische, jedoch ohne Polymer beschichtete Elektrode wurden als entsprechende Werte 35 bzw. 150 gemessen. Der Intensitätsquotient für positives und negatives Potential war mithin bei der polymerbeschichteten Elektrode um den Faktor 7,5 größer und damit entsprechend auch die Verdichtung bzw. Verarmung der Oligonukleotide an der Elektrode.

In den nachfolgenden Abbildungen ist Folgendes dargestellt:
Abb. 1: Prinzipaufbau des erfindungsgemäßen Biochips
Abb. 2: Sensorfelder bei angelegtem elektrischem Feld an die Mobilisierungselektroden des mittleren Sensorfeldes
Abb. 3: Ausschnitt aus einer Sensorposition mit Interdigital- und Mobilisierungs elektroden
Abb. 4: Verschiedene Ausführungsformen des Höhenversatzes von Mobilisierungs- und interdigitierenden Sensorelektroden
Abb. 5: Potentiodynamische Polymerisation von 3,4-Ethylendioxythiophen auf Gold in Acetonitril (0,1 M NaClO₄)-Film 1
Abb. 6: Gyclovoltamogramm von Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-Film 1 auf Gold in Acetonitril (0,1 M NaClO₄)
Abb. 7: Cyclovoltamogramm von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) - Film 2 auf Gold in Acetonitril (0,1 M NaClO₄)
Abb. 8: Potentiodynamische Polymerisation von 3,4-Ethylendioxythiophen auf Platin in wässriger Lösung (0,1 M NaClO₄)
Abb. 9: Mikroskopische Aufnahme einer poly(3,4-ethylendioxythiophen)-beschichteten Platinelektrode (dunkles Feld) Abb. 10: Gyclovoltamogramm von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) - auf Platin in wässriger Lösung (0,1 M NaClO₄) bei verschiedenen Vorschubgeschwindig keiten.

Claims

1. Eine elektrisch adressierbare Vorrichtung bestehend aus folgenden Bestandteilen:
mindestens einem Substrat mit einer oder mehrerer darauf befindlichen Sensorpositionen, die jeweils wenigstens eine Elektrodenfläche umfassen sowie mit Flächen versehen sind, an der Makromoleküle immobilisiert werden können
eine Steuereinheit, welche über elektrische Zuleitungen an die Elektroden unabhängig voneinander elektrische Signale applizieren kann
einem elektrisch leitfähigen Polymer auf wengistens einer Elektrodenfläche wenigstens eines Teils der Sensorpositionen
einem Elektrolyten, der in Kontakt mit wenigstens einem Teil der mit dem elektrisch leitfähigen Polymer beschichtete Sensorflächen ist und der die zu immobilisierenden Makromoleküle enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial aus Silizium, Siliziumoxid, Glas, Keramik oder Kunststoff besteht oder einen Verbund dieser Stoffe darstellt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger einen aktiven Halbleiterchip mit elektrischen Schaltkreisen oder mit CMOS-Bausteinen beinhaltet.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden unabhängig voneinander aus metallischen Materialien bestehen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden unabhängig voneinander aus den Materialien Gold, Platin, Palladium, Silber, Kupfer, Aluminium oder aus Kohlenstoff gewählt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrisch leitfähige Polymer aus der Gruppe Polyethylen, Polythiophen, Polypyrrol, Polyparaphenylen, Polyanilin oder Polyparaphenylenvinylen oder Modifikationen dieser Polymere ausgewählt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Polymer funktionelle Gruppen zur Bindung von Makromolekülen enthält.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionellen Gruppen kovalent an das elektrisch leitfähige Polymer gebunden sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionellen Gruppen Carbonsäure, deren Derivate wie Aktivester oder Aminogruppen darstellen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf das elektrisch leitfähige Polymer eine Bindungsschicht aufgetragen wird, die durchlässig ist für Wasser und kleine Ionen und die funktionelle Gruppen zur Anbindung von Makromolekülen enthält.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindungsschicht aus der Gruppe Agarose Polyacrylamid oder Polyurethan ausgewählt ist.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorpositionen wenigstens eine weitere Elektrodenfläche (Sensorelektrode) aufweist, die nicht mit einem elektrisch leitfähigen Polymer belegt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektroden mit Makromolekülen bestückt sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektroden aus Gold bestehen und Makromoleküle mittels einer SH-Gruppe daran gebunden sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektroden mit einer Bindungsschicht belegt sind, die funktionelle Gruppen zur Anbindung von Makromolekülen enthält.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindungsschicht aus der Gruppe Agarose, Polyacrylamid oder Polyurethan ausgewählt ist.

17. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem elektrisch leitfähigen Polymer belegten Elektroden und die Sensorelektroden zueinander höhenversetzt sind.

18. Vorrichtung nach den Ansprüchen 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorpositionen mit drei unabhängigen Elektroden, einer mit dem elektrischen Polymer beschichteten und zwei Sensorelektroden bestückt sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Sensorelektroden schmale, lange, fingerähnliche Strukturen bilden mit einer Fingerbreite unter 2 µm.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektroden Interdigitalelektroden darstellen, bei denen zumindest einige Zwischenräume durch eine mit einem elektrisch leitfähigen Polymer beschichtete Elektrode ausgefüllt werden.

21. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorpositionen in einem zweidimensionalen Array angeordnet sind.

22. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden der Sensorpositionen an eine elektrische Steuerungs- und Ausleseeinheit angekoppelt sind.

23. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Substrat noch eine oder mehrere Referenzelektroden flächig aufgebracht sind.

24. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorpositionen mit einem flüssigen Elektrolyten benetzt sind, der die zu detektierenden Moleküle enthält.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Benetzung in einer Durchflusskammer stattfindet.

26. Vorrichtung nach den Ansprüchen 7, 10 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die verschiedenen Sensorpositionen selektiv mit Makromolekülen als spezifischen Erkennungssystemen bestückt sind.

27. Verfahren zur beschleunigten Immobilisierung von elektrisch geladenen Makromolekülen, wie Nukleinsäuren und Proteinen, bestehend aus den Schritten:

a) Bereitstellung einer elektrisch adressierbaren Sensorposition gemäß den Ansprüchen 1 bis 26;
b) Benetzung der Sensorposition mit einem Elektrolyten, der das zu bindende Makromolekül enthält oder enthalten könnte;
c) Beaufschlagung der mit dem elektrisch leitfähigen Polymer beschichteten Elektroden mit einem elektrischen Potential zur Verdichtung der geladenen Makromoleküle in der unmittelbaren Umgebung der Sensorposition und
d) Immobilisierung der Makromoleküle an den dafür vorgesehenen Bindungsstellen.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass als Elektrolyt eine wässrige Lösung verwendet wird und das zur Verdichtung der Makromoleküle applizierte Potential niedriger als das zur Elektrolyse von Wasser notwendige Potential gewählt wird.

29. Verfahren nach den Ansprüchen 27 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass unspezifische Bindungspositionen zuvor mit spezifischen Erkennungsstrukturen als Fängermoleküle belegt wurden.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den spezifischen Fängermolekülen um Proteine oder Polypeptide handelt.

31. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den spezifischen Fängermolekülen um Nukleinsäuren bzw. Oligonukleotide handelt.

32. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Fängermolekülen um Oligonukleotide mit 10 bis 25 Basen handelt.

33. Verfahren nach den Ansprüchen 27 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die immobilisierten Moleküle mittels optischer, radiographischer, elektrischer oder elektrochemischer Verfahren qualitativ oder quantitativ analysiert werden.

34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem elektrischen Detektionsverfahren um Impedanzspektroskopie handelt.

35. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem elektrischen Detektionsverfahren um Cyclovoltametrie handelt.

36. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die zu detektierenden Makromoleküle enzymatisch markiert sind und es sich bei dem elektrischen Detektionsverfahren um Redox-Recycling handelt.

37. Verfahren nach den Ansprüchen 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektion mittels elektrochemisch aktiver Reportergruppen, wie Ferrocen, PQQ oder Porphyrinen erfolgt oder verstärkt wird.

38. Verfahren zur elektrischen Spezifitätsselektion von Zielmolekülen, wie Nukleinsäuren und Proteinen, bestehend aus den Schritten:

a) Bereitstellung einer elektrisch adressierbaren Sensorposition nach Anspruch 1 bis 26, die mit wenigstens einer Elektrode mit darüberliegendem elektrisch leitfähigen Polymer versehen ist und das fest mit einer ersten Sorte von Erkennungsmolekülen versehen ist, welche eine zweite Sorte von Makromolekülen reversibel gebunden haben;
b) Benetzung der Sensorposition mit einem Elektrolyten;
c) Beaufschlagung der Elektrode mit einem genügend hohen elektrischen Potential geeigneter Polarität zur Lösung aller Bindungen von Makromolekülen auf den Sensorelektroden bis auf die Bindungen mit der höchsten Bindungsstärke.

39. Verfahren nach Anspruch 38 zur elektrischen Spezifitätsselektion von Zielmolekülen, wie Nukleinsäuren und Proteinen, bestehend aus den Schritten:

a) Bereitstellung einer elektrisch adressierbaren Sensorposition mit wenigstens einer Elektrode, die mit einem elektrisch leitfähigen Polymer überzogen ist, das seinerseits mit einem strukturell nicht leitfähigen Polymer beschichtet ist, welches durchlässig ist wenigstens für Wasser und kleine Ionen und welches fest mit einer ersten Sorte von Erkennungsmolekülen versehen ist welche eine zweite Sorte von Makromolekülen reversibel gebunden haben;
b) Benetzung der Sensorposition mit einem Elektrolyten;
c) Beaufschlagung der Elektrode mit einem genügend hohen elektrischen Potential geeigneter Polarität zur Lösung aller Bindungen von Makromolekülen auf den Sensorelektroden bis auf die Bindungen mit der höchsten Bindungsstärke.

40. Verfahren nach den Ansprüchen 38 und 39 zur elektrischen Spezifitätsselektion von Zielmolekülen, wie Nukleinsäuren und Proteinen, bestehend aus den Schritten:

A) Bereitstellung einer elektrisch adressierbaren Sensorposition mit Mobilisierungs- und Sensorelektroden, wobei
- a) die Mobilisierungselektroden mit einem leitfähigen Polymer überzogen ist;
- b) die Sensorposition mit einem Elektrolyt benetzt ist;
- c) die Sensorelektroden fest mit einer ersten Sorte von Erkennungsmolekülen versehen sind welche eine zweite Sorte von Makromolekülen reversibel gebunden haben;
B) Beaufschlagung der Mobilisierungselektroden mit einem genügend hohen elektrischen Potential geeigneter Polarität zur Lösung aller Bindungen von Makromolekülen auf den Sensorelektroden bis auf die Bindungen mit der höchsten Bindungsstärke.

41. Verfahren nach den Ansprüchen 38 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Erkennungs- und Makromolekülen um Antigen-Antikörper oder um Nukleinsäuresequenzen handelt.

42. Verfahren nach den Ansprüchen 38 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die verbleibenden zweite Sorte von Makromolekülen mittels optischer, radiographischer oder elektrischer Verfahren detektiert wird.

43. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Verfahren ein Redox-Recycling nutzt.

44. Verfahren nach Anspruch 42, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Verfahren eine Impedanzanalyse darstellt.

45. Verfahren nach den Ansprüchen 33 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass vor der elektrischen Detektion eine elektrische Spezifitätsselektion vorgenommen wird, indem die Sensorelektroden mit einem Potential beaufschlagt werden, das von Polarität und Höhe her so gewählt ist, daß alle Bindungen von Makromolekülen auf den Sensorelektroden bis auf die Bindungen mit der höchsten Bindungsstärke gelöst werden.

46. Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Strukturierung von elektrisch leitfähigem Polymer und der Bindungsschicht durch Elektropolymerisation bzw. photolithographisches lift-off Verfahren vorgenommen wird.

47. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindungsschicht ein Polymer ist, das zunächst als Monomer oder Oligomer aufgebracht wird und anschließend lichtinduziert strukturiert polymerisiert wird.