DE10125021A1

DE10125021A1 - Sensorchip-Anordnung und Verfahren zum Erfassen von Molekülen einer zu untersuchenden Flüssigkeit unter Verwendung der Sensorchip-Anordnung

Info

Publication number: DE10125021A1
Application number: DE2001125021
Authority: DE
Inventors: Roland Thewes; Volker Lehmann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2001-05-22
Filing date: 2001-05-22
Publication date: 2002-12-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorchip-Anordnung mit DOLLAR A È zumindest einer Aussparung in dem Sensorchip; DOLLAR A È zumindest einer Sensorelektrode, die oberhalb der Aussparung auf einer oberen Oberfläche des Sensorchips seitlich der Aussparung abgestützt angeordnet ist; DOLLAR A È zumindest einem Loch, das sich vom Boden der Aussparung bis zu einer unteren Oberfläche des Sensorchips hin durchgängig erstreckt; und DOLLAR A È einem Mittel zum Bewegen einer zu untersuchenden Flüssigkeit an der Sensorelektrode vorbei.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorchip-Anordnung und ein Verfahren zum Erfassen von Molekülen in einer zu untersuchenden Flüssigkeit unter Verwendung der Sensorchip- Anordnung.

Auf Chips miniaturisierte Bio-/Chemo-Arrays dienen dem Nachweis bestimmter Moleküle in zu untersuchenden Flüssigkeiten. Die Sensoren sind in großer Zahl parallel auf Halbleiterchips, z. B. Siliziumchips, die bestimmte elektronische Funktionen bereitstellen, realisierbar oder auch auf Chips aus Glas-, Plastik-, oder anderen Substraten, sofern nur relativ einfache oder gar keine elektronische Prinzipien zu deren Betrieb verwendet werden. Die hohe Parallelisierung ermöglicht die zeitgleiche parallele Durchführung einer Reihe verschiedener Untersuchungen, so z. B. Untersuchungen auf das Vorhandensein verschiedener Substanzen (d. h. zu erfassender Moleküle) in einer gegebenen, zu untersuchenden Flüssigkeit. Durch diese Eigenschaft ergeben sich für derartige Sensor-Array-Chips mit entsprechendem Auswertesystem vielfältige Anwendungen beispielsweise in der medizinischen Diagnostik, in der Pharmaindustrie zum Beispiel für Hochdurchsatz- Musterungsverfahren ("High Throughput Screening" (HTS)), in der chemischen Industrie, in der Lebensmittelanalytik, sowie in der Umwelt- und Lebensmitteltechnik.

Das Grundprinzip vieler bekannter Sensoren besteht darin, dass positionsspezifisch auf einem Sensorchip aus geeignetem Substrat, zunächst bekannte sogenannte Fängermoleküle zum Beispiel mit Mikrodispensiertechniken aufgebracht und auf verschiedene Arten immobilisiert werden. Fig. 6 zeigt schematisch einen solchen Sensorchip 600 mit n Positionen 601, auf denen jeweils unterschiedliche Fängermoleküle immobilisiert sind. Ein solcher Sensorchip wird üblicherweise zur Diagnose (z. B. zum Testen einer zu untersuchenden Flüssigkeit auf das Vorhandensein verschiedener, zu erfassender Moleküle) zunächst auf allen Positionen mit der zu untersuchenden Flüssigkeit in Kontakt gebracht. In der Regel geschieht ein solches Inkontaktbringen durch Fluten des gesamten Sensorchips mit der zu untersuchenden Flüssigkeit. Sofern die Fängermoleküle gemäß dem Schlüssel-Schloss- Prinzip, nach dem nur diejenigen Moleküle in der zu untersuchenden Flüssigkeit von den Fängermolekülen gebunden werden, für die die letzteren eine Bindungsspezifität besitzen, mit einem in der zu untersuchenden Flüssigkeit vorhandenen Molekül eine spezifische Bindungsreaktion eingehen können, wird das Molekül in der zu untersuchenden Flüssigkeit durch die Fängermoleküle spezifisch gebunden. Ist dies nicht der Fall, so wird das Molekül in der zu untersuchenden Flüssigkeit nicht durch das Fängermolekül gebunden. Anschließendes Auswerten nach Spülen der jeweiligen Stellen des Sensorchips ergibt dann, ob ein Molekül bzw. welches Molekül in der zu untersuchenden Flüssigkeit vorhanden war.

Fig. 7a, 7c, 7e zeigen den Fall einer spezifischen Bindung zwischen Fängermolekülen 703, die auf einem Substrat 700 immobilisiert sind, und zu erfassenden Molekülen 704, wobei die Fänger- und die zu erfassenden Moleküle in diesem Beispiel beide Nukleinsäuren (d. h. DNA oder RNA) sind. In diesem Fall ist die spezifische Bindung eine Hybridisierung der beiden komplementären Molekülstränge, die aufgrund des bekannten Watson-Crick Basenpaarungsschemas erfolgt.

Im Gegensatz dazu zeigen Fig. 7b, 7d, 7f den Fall, dass die Sequenzen weiterer Fängermoleküle 703 weiterer in der zu untersuchenden Flüssigkeit vorhandenen Moleküle 704 nicht, oder nicht ausreichende, Komplementarität zueinander besitzen. Aufgrund dessen findet in Fig. 7b, 7d und 7f keine spezifische Bindung in Form einer Hybridisierung statt.

Solche Sensorchips werden häufig zum Erfassen von Nukleinsäuren in zu untersuchenden Flüssigkeiten verwendet. Wie oben beschrieben erfolgt dies dadurch, dass sowohl das Fängermolekül 703, 705 als auch das zu erfassende Molekül 704 in der zu untersuchenden Flüssigkeit Nukleinsäuren, d. h. DNA oder RNA, sind, wobei eine spezifische Bindung die vollständige oder mindestens ausreichende Komplementarität zwischen diesen beiden Molekülen voraussetzt.

Es sind aber auch andere Kombinationen zwischen Fängermolekülen auf dem Sensorchip und zu erfassenden Molekülen in der zu untersuchenden Flüssigkeit möglich. So können beispielsweise Nukleinsäuren als Fängermoleküle für Nukleinsäuren spezifisch bindende Peptide oder Proteine verwendet werden. Auch vorstellbar ist die Verwendung von Peptiden oder Proteinen als Fängermoleküle für andere, Fängerpeptide bzw. Fängerproteine bindende Proteine oder Peptide zu verwenden. Von sehr großer Bedeutung für die pharmazeutische Industrie ist die Verwendung von niedermolekularen (d. h. weniger als etwa 1.500 g/Mol Molekulargewicht) chemischen Verbindungen als Fängermoleküle für diese niedermolekulare organische Verbindungen bindenden Proteine oder Peptide sowie umgekehrt, d. h. die Verwendung von Proteinen und Peptiden als Fängermoleküle für eventuell in einer zu untersuchenden Flüssigkeit vorhandene niedermolekulare Verbindungen.

Zum Nachweis der erfolgten Bindung zwischen dem auf dem Chip aufgebrachten Fängermolekül und dem in der zu untersuchenden Lösung vorhandenen, zu erfassenden Molekül ist es bekannt, optische Nachweisverfahren sowie elektronische Nachweisverfahren zu verwenden.

Bei einem bekannten optischen Verfahren wird an die in der zu untersuchenden Lösung vorhandenen Moleküle spezifisch ein Fluoreszenzmarkierungsstoff ("Label") gebunden, der beim Beaufschlagen mit beispielsweise UV-Licht zum Leuchten angeregt werden kann. In der Regel ist diese Bindung eine chemisch kovalente Bindung. Wird nun der Sensorchip nach dem Inkontaktbringen mit der zu untersuchenden Flüssigkeit und nach einem weiteren Spülschritt, in dem in der zu untersuchenden Flüssigkeit zwar vorhandene, jedoch nicht gebundene Moleküle entfernt werden mit Licht beschienen, so kann aufgrund der Kenntnis der Lokalisierung der jeweiligen Fängermoleküle bestimmt werden, an welchen Positionen eine spezifische Bindung stattgefunden hat und an welchen Positionen keine spezifische Bindung stattgefunden hat. Aufgrund der genauen Kenntnis der verwendeten Fängermoleküle und deren positionsspezifischen Immobilisierung kann auf die Existenz bzw. die fehlende Existenz bestimmter, zu erfassender Moleküle in der zu untersuchenden Flüssigkeit geschlossen werden.

Das optische Nachweisverfahren weist im Vergleich zu einem bekannten elektrischen Nachweisverfahren insbesondere den Nachteil auf, dass ein relativ kompliziertes und teures optisches System zur Auswertung verwendet werden muss. Dies erschwert z. B. den Einsatz eines solchen optischen Nachweisverfahrens in einer Arztpraxis.

Ferner ist es zum Nachweis der erfolgten Bindung bekannt, ein elektrisches Nachweisverfahren einzusetzen. Ein Beispiel eines solchen elektrischen Nachweisverfahrens unter Verwendung eines (nicht optischen) Markierungsstoffes ist das Verfahren des Redox-Recyclings [1], [2]. Bei diesem Verfahren wird eine Sensorstruktur verwendet, die zumindest zwei nebeneinander angeordnete Elektroden aufweist, die in Fig. 8 als eine erste Elektrode 807 und eine zweite Elektrode 808 bezeichnet sind. Wie in Fig. 8 gezeigt, brauchen Fängermoleküle 801 (hier einzelsträngige DNA) nur an einer Elektrode (z. B. in Fig. 8 die erste Elektrode 807) immobilisiert zu werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe der sogenannten Gold-Schwefel-Kopplung, bei der ein im Fängermolekül 801 meist synthetisch oder semisynthetisch eingebautes Schwefelatom eine kovalente Bindung mit der Goldoberfläche der ersten Elektrode 801 eingeht, erreicht werden.

Das Immobilisieren kann z. B. dadurch erfolgen, dass während der Immobilisierungsphase unterschiedliche elektrische Potentiale an die Elektroden 807, 808 gelegt werden, die die Immobilisierung begünstigen oder aber verhindern. Dies setzt voraus, dass das zu immobilisierende Fängermolekül 801 an sich eine Ladung nach Außen aufweist, so dass durch Anlegen eines entsprechenden elektrischen Potentials an einer Elektrode das zu immobilisierende Fängermolekül entweder angezogen (wie bei der ersten Elektrode 807) oder abgestoßen (wie bei der zweiten Elektrode 808) werden kann. Oberhalb der Sensorelektroden 807, 808 befindet sich während des aktiven Sensorbetriebs die zu untersuchende Flüssigkeit 802, die aus einem Elektrolyten besteht, der auf das Vorhandensein bestimmter, zu erfassender Moleküle 803 untersucht werden soll. Der zu untersuchenden Flüssigkeit wird ein Enzymmarkierungsstoff 804 zugesetzt derart, dass die sich in der zu untersuchenden Flüssigkeit befindlichen Moleküle, z. B. zu erfassende Moleküle, mit dem Enzymmarkierungsstoff versehen sind. Alternativ können nach gegebenenfalls erfolgter Bindung der zu erfassenden Moleküle 803 an den Fängermolekülen 801 die zu erfassenden Moleküle 803 mit dem Enzymmarkierungsstoff 804 versehen werden.

In der auf die Bindungsphase folgenden Spülphase wird eine zunächst elektrisch neutrale Verbindung 805 zugegeben, die von dem Enzymmarkierungsstoff 804 an den Sensorpositionen, an denen eine Bindung stattgefunden hat und an denen dementsprechend auch die Enzymmarkierungsstoffe 804 lokalisiert sind (hier ist diese Sensorposition die erste Sensorelektrode 807), gespalten werden kann. Hierbei entstehen u. a. negativ geladene Spezies 806, die für einen zyklischen Redox-Prozess geeignet sind (Fig. 8c, 809, 810).

Ein Beispiel einer solchen, im ungespaltenen Zustand elektrisch ungeladenen, jedoch in negativ geladene Teile 806 und positiv geladene Teile spaltbare, elektrisch neutrale Verbindung 805 ist Aminophenolat. Fig. 8c zeigt, wie negativ geladene Teile 806 des spaltbaren Moleküls 805 zur Anode (erste Elektrode 807) sich bewegen. Dort werden sie oxidiert, d. h. ihnen werden Elektronen entzogen. Anschließend bewegen sich die oxidierten, positiv geladenen Teile 811 zur Kathode (zweite Elektrode 808), wo sie wieder reduziert werden, d. h. Elektronen aufnehmen. Dieser Mechanismus erzeugt bei Wiederholung einen Kreisstrom, dessen Größe proportional zur Anzahl der jeweils durch den Enzymmarkierungsstoff erzeugten Ladungsträger 806 ist.

Wie in Fig. 9 schematisch dargestellt ist, ist der elektrische Parameter, der bei diesem elektrischen Nachweisverfahren ausgewertet wird, ist die zeitliche Ableitung dI/dt des Stroms I. Das Verfahren kann durch Auswerten der Steigung dI/dt des elektrischen Stroms I mit der Zeit entsprechend Fig. 9 quantitative Aussagen liefern, deren Informationsgehalt über gegebenenfalls in einer zu untersuchenden Flüssigkeit 802 vorhandene, zu erfassende Moleküle 803 über qualitative, d. h. bloße ja/nein-, Aussagen hinausgeht.

Üblicherweise werden mehrere Elektroden-Paare parallel geschaltet, um ein hinreichend großes elektrisches Signal zu erhalten. Ein Beispiel ist in Fig. 10 gezeigt, bei der eine erste Elektrode 1001 und eine zweite Elektrode 1002 parallel geschaltet sind. Die resultierende Elektrodenstruktur, die auf einer auf einem Substrat 1000 liegenden Barriereschicht 1003 angeordnet ist, weist anschaulich mehrere ineinander verschachtelte "Finger" auf, wobei die Finger jeweils mit ihrem übernächsten Nachbar das gleiche elektrische Potential aufweisen und miteinander elektrisch gekoppelt sind.

Weiterhin ist ein elektrisches Nachweisverfahren bekannt, das im Gegensatz zum oben beschriebenen Verfahren keinen Markierungsstoff benötigt. [3], [4], [5], [6], [7], [8].

Die Verfahren gemäß [3], [4], [5], [6] basieren wieder auf einer Sensoranordnung gemäß Fig. 10.

In Fig. 11 ist für die weitere Erläuterung ein Ausschnitt eines Sensorschips 1100 gezeigt, der eine erste Elektrode 1105 und eine zweite Elektrode 1106, die benachbart zueinander angeordnet sind, darstellt. Auf beiden Elektroden 1105, 1106 sind Fängermoleküle 1101 immobilisiert (Fig. 11a). Der elektrische Parameter 1107, der bei dieser Methode ausgewertet wird, ist die Impedanz oder die Kapazität zwischen jeweiligen Elektroden 1105, 1106. Um diese zu messen, wird an eine der Elektroden 1105, 1106 eine Wechselspannung angelegt und es wird mit einem Messgerät 1104 das daraus an den Elektroden resultierende Wechselstromsignal ausgewertet. Im Falle erfolgter Bindung ändert sich die gemessene Impedanz (üblicherweise nimmt ihr Betrag zu) bzw. verringert sich die Kapazität zwischen den Elektroden 1105, 1106, da viele Fängermoleküle 1101 und zu erfassende Moleküle 1103 in der zu untersuchenden Flüssigkeit schlecht elektrisch leitend sind und die jeweiligen Elektroden 1105, 1106 in gewissem Maße elektrisch abschirmen. Dies ist z. B. besonders dann der Fall, wenn die Fängermoleküle 1101 und die zu erfassenden Moleküle 1103 in der zu untersuchenden Flüssigkeit 1102 Nukleinsäuren, d. h. DNA oder RNA, sind. Dieser Fall ist in Fig. 11a und Fig. 11b gezeigt.

Eine von dem in [3], [4], [5], [6] beschriebenen Prinzip abweichende Variante ist in [7], [8] beschrieben. Dort wird auf jeder Sensorposition nur eine relativ großflächige, nicht unterteilte Elektrode für die Immobilisierung von Fängermolekülen und gegebenenfalls zur Bindung der zu erfassenden Spezies verwendet. Das Wechselspannungssignal wird direkt an die zu untersuchende Flüssigkeit angelegt. Bei diesem Verfahren erfolgt das Anlegen dieses Signals, wie auch gegebenenfalls das Anlegen eines DC-Spannungs-Offsets über eine globale Ansteuerelektrode, die in der Lage ist, einen niederohmigen definierten elektrischen Kontakt zu der zu untersuchenden Flüssigkeit herzustellen (üblicherweise wird deshalb eine Silber/Silberchlorid-Referenzelektrode eingesetzt).

Ein erheblicher Nachteil bei allen oben beschriebenen Verfahren liegt darin, dass das Zusammenkommen des Fängermoleküls und des zu erfassenden Moleküls in der zu untersuchenden Flüssigkeit ein diffusionsgesteuerter Prozess ist. D. h. das zu erfassende Molekül aus der zu untersuchenden Flüssigkeit wird nur aufgrund von Diffusionsgleichgewichten in die Nähe der jeweiligen Fängermoleküle gebracht und kann erst dann dort binden. Besonders bei großen Molekülen in der zu untersuchenden Flüssigkeit kann dieser Vorgang relativ lange dauern. Beispielsweise sind Wartezeiten von Stunden bis zu wenigen Tagen typisch. Einige heute schon in Betrieb befindlichen optischen Chips werden z. B. mit Bindungsphasen von bis zu 24 Stunden und mehr betrieben.

In vielen Anwendungen ist man daran interessiert, die Dauer des Bindungsprozesses zwischen dem Fängermolekül und dem zu erfassenden Molekül in der zu untersuchenden Flüssigkeit zu verkürzen. Eine Verkürzung ist z. B. im Bereich des Hochdurchsatz-Musterungsverfahrens (BITS, High Throughput Screening) im Pharmabereich sowie in der Notfallmedizin von besonderer Bedeutung.

Ein die Mess- bzw. Bindungszeiten um mehrere Größenordnungen reduzierendes Verfahren ist aus [9] bekannt. Es wird eine Vorrichtung verwendet, die die diffusionsgesteuerte Bewegung einer Ziel-DNA (entspricht dem zu erfassenden Molekül in der zu untersuchenden Flüssigkeit) richtet und insbesondere beschleunigt.

Gemäß dem in [9] beschriebenen Verfahren wird dies beispielsweise durch eine Elektrodenstruktur erreicht, die ein geeignetes inhomogenes elektrisches Feld in der zu untersuchenden Flüssigkeit erzeugt (Dielektrophorese), so dass die Ziel-DNA aufgrund ihrer intrinsischen Ladung zu einer bestimmten Elektrode elektrophoretisch gezielt bewegt wird. Hierdurch kann eine Akkumulation der Ziel-DNA in der Nähe der Elektroden erreicht werden. Sind in unmittelbarer Umgebung zu den Elektroden Fängermoleküle vorhanden, in diesem Fall an den Elektroden immobilisierte, einzelsträngige DNA-Stränge, kann die zu erfassende DNA mit diesen hybridisieren.

Bei dem in [9] beschriebenen Verfahren werden Elektroden mit der zu untersuchenden Flüssigkeit in direkten elektrischen Kontakt gebracht und es wird eine elektrische Spannung angelegt. Dies hat zum einen das erwünschte elektrische Feld in der zu untersuchenden Flüssigkeit zur Folge, führt jedoch auch zu einer Änderung des pH-Werts in der Nähe der Elektroden, die durch die aufgrund der angelegten elektrischen Spannung stattfindende Elektrolyse bedingt ist. Da biologische Systeme jedoch sehr empfindlich auf Änderungen des pH-Milieus reagieren, wurde zusätzlich die Verwendung einer sogenannten "Permeation Layer" (Permeationsschicht) als Deckschicht über die Metallelektrode vorgesehen. Diese Schicht erlaubt nur Molekülen geringer Größe einen direkten Zugang zur Elektrode, wohingegen sich die Makromoleküle der Ziel-DNA auf der Oberfläche der Permeationsschicht ansammeln und mit den dort angebrachten Fängermolekülen hybridisieren. Die Auswertung des Hybridisierungsvorgangs kann - wie bei [9] mittels Fluoreszenzmarkierungsstoffen - optisch oder auch elektrisch mittels Messung der lokalen Impedanzänderungen erfolgen.

Ein erheblicher Nachteil dieses Verfahrens ist darin zu sehen, dass die zusätzliche Apparatur, die zur Vermeidung der unerwünschten Änderungen des pH-Werts aufgrund des Betreibens der Elektroden erforderlich ist, zu einem komplexeren Nachweisverfahren sowie einem hohen Aufwand bei der Herstellung führen.

Ein Verfahren zum elektrochemischen Ätzen ist weiterhin aus [10] bekannt. Ein Nachteil aller oben beschriebenen Nachweisverfahren ist darin zu sehen, dass die Bewegung eines zu erfassenden Moleküls auf ein immobilisiertes Fängermolekül hin ein im wesentlichen diffusionsgesteuerter Vorgang ist. Dies hat zur Folge, dass man bei den beschriebenen Nachweisverfahren eine lange, für die Bindungsphase erforderliche Wartezeit, die in den meisten Fällen einige Stunden, in extremen Fällen jedoch bis zu mehreren Tagen beträgt, in Kauf nehmen muss.

Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine Vorrichtung zum verbesserten Erfassen von Molekülen in einer zu untersuchenden Flüssigkeit bereitzustellen, bei der die für die Bindungsphase erforderliche Zeit reduziert wird.

Erfindungsgemäß wird das Problem durch Bereitstellen einer Sensorchip-Anordnung gelöst, die zumindest eine Aussparung in dem Sensorchip aufweist. Weiterhin weist die Sensorchip- Anordnung eine Sensorelektrode auf, die oberhalb der Aussparung auf einer oberen Oberfläche des Sensorchips seitlich der Aussparung abgestützt angeordnet ist. Des weiteren ist zumindest ein Loch vorgesehen, das sich vom Boden der Aussparung bis zu einer unteren Oberfläche des Sensorchips hin durchgängig erstreckt. Schließlich weist die Sensorchip-Anordnung gemäß der Erfindung ein Mittel zum Bewegen einer zu untersuchenden Flüssigkeit an der Sensorelektrode vorbei auf.

Erfindungsgemäß wird das Problem auch durch Bereitstellen eines Verfahrens zum Erfassen von Molekülen in einer zu untersuchenden Flüssigkeit unter Verwendung der oben beschriebenen Sensorchip-Anordnung gelöst, bei dem auf die Sensorelektrode Fängermoleküle aufgebracht werden, die zu erfassende Moleküle spezifisch binden können; bei dem die zu untersuchende Flüssigkeit mit der Sensorelektrode in Kontakt gebracht wird; bei dem die zu untersuchende Flüssigkeit durch das Mittel zum Bewegen der Flüssigkeit in Bewegung gesetzt wird derart, dass die Flüssigkeit wiederholt an der Sensorelektrode vorbei bewegt wird; und bei dem diejenige Stellen auf dem Sensorchip, auf denen die Fängermoleküle zu erfassende Moleküle in der zu untersuchenden Flüssigkeit gebunden haben, wenn vorhanden, detektiert werden.

Die erfindungsgemäße Sensorchip-Anordnung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen von Molekülen in einer zu untersuchenden Flüssigkeit unter Verwendung der Sensorchip-Anordnung weisen insbesondere den Vorteil auf, dass lange Diffusionszeiten durch ein mechanisches Bewegen der zu untersuchenden Flüssigkeit an dem Bindungsort, hier an der Sensorelektrode vorbei, reduziert werden. Dies hat zur Folge, dass ein größeren Flüssigkeitsvolumen an der Sensorelektrode vorbei bewegt wird und ein kontinuierlicher Konzentrationsausgleich der verschiedenen Moleküle in der zu untersuchenden Flüssigkeit innerhalb des gesamten Flüssigkeitsvolumens mit Hilfe mechanischer Energie erfolgt und sich nicht nur als Folge von Diffusionsmechanismen entlang der sich ergebenden Konzentrationsprofile in einer stehenden, zu untersuchenden Flüssigkeit ergibt.

Die zu untersuchende Flüssigkeit wird durch das Mittel zum Bewegen der zu untersuchenden Flüssigkeit durch das Loch, das sich vom Boden der Aussparung des Sensorchips bis hin zu einer unteren Oberfläche des Sensorchips hin durchgängig erstreckt, kontinuierlich entweder in einer Richtung oder in sich wechselnder Richtung beispielsweise in einem Pumpenkreislauf hindurchgepumpt, so dass während eines einzigen Betriebsvorgangs ein jeweiliges Volumenelement der zu untersuchenden Flüssigkeit mehrmals mit der Sensorelektrode der Sensorchip-Anordnung in Kontakt kommt.

Da die Sensorchip-Anordnung der vorliegenden Erfindung zumindest eine Sensorelektrode aufweist, ist der elektrische Nachweis von zu erfassenden Molekülen, die sich in der zu untersuchenden Lösung befinden, möglich, was ein teures optisches Gerät zum Detektieren von zu erfassenden Molekülen überflüssig macht.

Ein weiterer Vorteil der Sensorchip-Anordnung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist darin zu sehen, dass die üblicherweise sehr lange Diffusionszeit, die herkömmliche Erfassungsverfahren kennzeichnet, durch aktives Bewegen der zu untersuchenden Flüssigkeit ausgeglichen werden kann. Es muss also keine Elektrophorese eingesetzt werden, die die lokalen chemischen Eigenschaften der zu untersuchenden Flüssigkeit ändern bzw. beeinträchtigen könnte.

Schließlich ist die Sensorchip-Anordnung der vorliegenden Erfindung leicht herstellbar mit bereits existierenden, herkömmlichen Photoätzverfahren. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensorchip- Anordnung sind die Fängermoleküle auf der Sensorelektrode aufgebracht. Diese Fängermoleküle sind imstande, in der zu untersuchenden Flüssigkeit möglicherweise enthaltene, zu erfassende Moleküle binden zu können. Bevorzugt erfolgt das Binden mit hoher Spezifität und Affinität.

Im Rahmen der erfindungsgemäßen Sensorchip-Anordnung können die Fängermoleküle, die auf der Sensorelektrode aufgebracht sind, Nukleinsäuren, Peptide, Proteine und/oder niedermolekulare organische Verbindungen sein. Unter dem Ausdruck "niedermolekulare organische Verbindung" ist eine chemische Verbindung zu verstehen, deren Molekulargewicht weniger als ungefähr 1.500 g/Mol beträgt.

Beispiele solcher niedermolekularer chemischer Verbindungen sind Verbindungen, beispielsweise pflanzlicher, synthetischer oder semisynthetischer Herkunft, deren Bindungsvermögen gegenüber Nukleinsäuren, Peptiden und/oder Proteinen z. B. im Rahmen eines pharmazeutischen Musterungsprotokolls (Screening) untersucht werden soll. Hierbei kommen beispielsweise Modulatoren von Enzymaktivität wie Agonisten und Antagonisten sowie chemische Verbindungen, die bestimmte Nukleinsäuresequenzen binden, wie z. B. potentielle Antikrebsmittel, in Betracht.

Im Rahmen der erfindungsgemäßen Sensorchip-Anordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erfassen von Molekülen in einer zu untersuchenden Flüssigkeit unter Verwendung der Sensorchip-Anordnung ist es auch vorgesehen, dass Nukleinsäuren als Fängermoleküle nicht nur für andere Nukleinsäuren, sondern auch für Nukleinsäuren bindende Peptide und/oder Proteine als Fängermoleküle eingesetzt werden können. Auch ist es möglich, Nukleinsäuren spezifisch bindende Peptide und/oder Proteine als Fängermolekül einzusetzen.

Allgemein kann jedes Molekül als Fängermolekül eingesetzt werden, das die Eigenschaft besitzt, andere, in der zu untersuchenden Flüssigkeit möglicherweise vorhandene, zu erfassende Moleküle spezifisch zu binden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Sensorelektrode als mehrere langgestreckte Elektrodenelemente, als ein einstückiges Gitter, als ein gewebtes oder geflochtenes Gitter oder als eine mit einer Mehrzahl von Perforationen versehene Folie ausgestaltet ist.

Unabhängig davon, wie die Sensorelektrode konkret ausgebildet ist, ist es von Vorteil, wenn die Sensorelektrode feinmaschig ausgebildet ist. Unter dem Ausdruck "feinmaschig" ist ein Abstand zwischen benachbarten Gitterelementen, zwischen benachbarten langgestreckten Elektrodenelemente oder zwischen benachbarten Perforationen, die in einer Folie versehen sind, von ungefähr 0,1 bis ungefähr 10 µm zu verstehen.

Die feinmaschige Ausbildung der Sensorelektrode hat zur Folge, dass der Kontakt zwischen ihr und der zu untersuchenden Flüssigkeit, die durch das Loch und die Aussparung des Sensorchips an der Sensorelektrode vorbei bewegt wird, maximiert wird. Somit wird die Wahrscheinlichkeit, dass ein sich in der zu untersuchenden Flüssigkeit befindliches, zu erfassendes Molekül in die Nähe von seinem Fängermolekül-Bindungspartner auf der Sensorelektrode gelangt und mit diesem eine Bindung eingeht, weiter erhöht.

Bei der Sensorelektrode ist es gemäß einer Weiterbildung der Erfindung bevorzugt, die langgestreckten Elektrodenelemente, die jeweiligen Gitterelemente, oder die in der Folie versehenen Perforationen in einem Abstand voneinander von ungefähr 0,1 bis ungefähr 10 µm auszubilden.

Das sich vom Boden der Aussparung des Sensorchips bis zu einer unteren Oberfläche des Sensorchips hin durchgängig erstreckende mindestens eine Loch weist vorzugsweise einen Durchmesser von weniger als etwa 100 bis 200 µm, vorzugsweise von weniger als etwa 10 µm auf.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Loch ein Mikroloch ist, d. h. ein Loch mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern. Das Mikroloch, im Weiteren auch als Mikroröhre bezeichnet, kann entweder mittels des Plasmaätzens oder mittels des elektrochemischen Ätzens, wie in [10] beschrieben, hergestellt werden. Letzteres Verfahren ist insbesondere bei einer Dicke des Sensorchips von größer als 0,1 mm vorteilhaft.

Es können aber auch mehrere Löcher bzw. Mikrolöcher in dem Sensorchip vorgesehen sein, die sich vom Boden der Aussparung bis zu einer unteren Oberfläche des Sensorchips hin durchgängig erstrecken. Ob ein größeres Loch oder ob mehrere kleinere Löcher unterhalb einer jeweiligen Sensorelektrode vorgesehen werden ist abhängig von den gewünschten Strömungseigenschaften, die die zu untersuchende Flüssigkeit beim Bewegen durch das Loch oder durch die Löcher aufweisen soll.

Wird beispielsweise bei der Sensorchip-Anordnung eine sehr feinmaschige, zerbrechliche Sensorelektrode verwendet, so können beispielsweise mehrere Mikrolöcher unterhalb der Sensorelektrode vorgesehen sein, denn diese mehreren kleineren Löcher bieten der zu untersuchenden Flüssigkeit einen größeren Strömungswiderstand als ein einziges, größeres Loch, und verringern daher das Risiko, dass eine zu kraftvolle Bewegung der zu untersuchenden Flüssigkeit an der Sensorelektrode vorbei die Sensorelektrode und/oder die darauf aufgebrachten Fängermoleküle beschädigen könnte. Ein übriger Vorteil, der sich durch das Vorsehen mehrere Mikrolöcher ergibt, ist, daß dadurch eine gleichmäßigere Strömung der zu untersuchenden Flüssigkeit erzielbar ist, als beim Vorsehen lediglich eines einzigen Lochs erzielbar wäre.

Bezüglich der elektrischen Eigenschaften der Aussparung und der Mikroröhren sind gemäß weiteren Ausgestaltungen der Erfindung zwei Varianten bevorzugt. Die Aussparung und die darunterliegenden Mikroröhren können einen elektrischen Kontakt zwischen der zu untersuchende Flüssigkeit und dem Sensorchip erlauben. Weiterhin können die Aussparung und die darunterliegenden Mikroröhren isolierend bzw. mit einem elektrisch isolierenden Material ausgekleidet sein, so dass ein elektrischer Kontakt zwischen der Flüssigkeit und dem Sensorchip verhindert wird.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Mittel zum Bewegen einer Flüssigkeit eine auslenkbare Membran oder eine Pumpe, die beispielsweise Teil eines Pumpenkreislaufs sein kann, auf.

Die auslenkbare Membran ist vorzugsweise eine elektrostatisch oder mechanisch auslenkbare Membran. Die Sensorchip-Anordnung kann zusätzlich mit einer Elektrode zum Auslenken der Membran vorgesehen sein. Diese auslenkbare Membran kann auf der oberen Oberfläche des Sensorchips oder auf der unteren Oberfläche des Sensorchips abgedichtet angeordnet sein, so dass durch Auslenken der Membran, z. B. mittels der Elektrode, ein Unterdruck oder ein Überdruck zwischen der Membran und der jeweiligen Oberfläche des Sensorchips erzeugbar ist derart, dass durch den Unterdruck oder den Überdruck die zu bewegende Flüssigkeit in Bewegung gesetzt werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel funktioniert die auslenkbare Membran auf der oberen Oberfläche des Sensorchips oder auf der unteren Oberfläche des Sensorchips anschaulich wie eine Art steuerbarer Saugnapf, mit welchem die Flüssigkeit hin und her an der Sensorelektrode vorbei bewegt werden kann.

Weist das Mittel zum Bewegen der zu untersuchenden Flüssigkeit einen Pumpenkreislauf mit einer Pumpe auf, so ist die Pumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung auf der oberen Oberfläche des Sensorchips und auf der unteren Oberfläche des Sensorchips abgedichtet anzuschließen derart, dass durch den Pumpenkreislauf ein unidirektionaler Durchfluß der Flüssigkeit oder ein Durchfluss der Flüssigkeit in alternierender Flussrichtung an der Sensorelektrode vorbei erreichbar ist.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensorchip-Anordnung sind zusätzlich seitlich der Aussparung im Sensorchip sich von der oberen Oberfläche des Sensorchips nach oben hin erstreckende Führungsvorsprünge angeordnet. Diese Führungsvorsprünge schließen sich unmittelbar an der Seitenwände der im Sensorchip vorgesehenen Aussparung an, so dass diese Führungsvorsprünge das Volumen der Aussparung nach oben hin effektiv erweitern. Diese Erweiterung des effektiven Volumens der Aussparung nach oben hin kann von Vorteil sein z. B. beim Aufbringen von Fängermolekülen auf die zunächst unbelegte Sensorelektrode. Dieses Aufbringen erfolgt in der Regel durch ein Mikrodispensierverfahren, mit dem ein sehr kleines Volumen einer die aufzubringenden Fängermoleküle enthaltenden Lösung in dem Bereich der Sensorelektrode der Sensorchip-Anordnung platziert wird. Durch die seitlich der Aussparung sich von der oberen Oberfläche des Sensorchips nach oben hin erstreckenden Führungsvorsprünge wird das für das Plazieren verfügbare Volumen effektiv vergrößert, so dass ein vollständiges Benetzen der Sensorelektrode mit der die aufzubringenden Fängermoleküle enthaltenden Lösung möglich ist. Des weiteren verhindern die Führungsvorsprünge ein seitliches Abfließen der Lösung in eventuell benachbarte, ebenfalls mit Sensorelektroden ausgestatte Stellen des Sensorchips.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden als Fängermoleküle und als zu erfassende Moleküle Nukleinsäuren, Peptide, Proteine und/oder niedermolekulare Verbindungen verwendet, wobei die Definition des Begriffs "niedermolekular" sowie die im Rahmen der Erfindung möglichen Bindungskombinationen zwischen Fängermolekülen und zu erfassenden Molekülen wie bereits oben erläutert zu verstehen sind.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorzugsweise ein Mittel zum Inbewegungsetzen der zu untersuchenden Flüssigkeit eingesetzt, welches eine Pumpe oder eine auslenkbare Membran aufweist. Für den Fall, dass eine Membran zum Inbewegungsetzen der zu untersuchenden Flüssigkeit verwendet wird, wird diese vorzugsweise mechanisch oder elektrostatisch, beispielsweise unter Verwendung einer Elektrode wie oben beschrieben, ausgelenkt.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Detektieren der Stellen auf dem Sensorchip, auf denen die Fängermoleküle zu erfassende Moleküle in der zu untersuchenden Flüssigkeit gebunden haben, durch ein eingangs erläutertes Redox-Recycling- Detektierverfahren oder ein eingangs erläutertes Impedanz Detektierverfahren erfolgen.

Ob das Mikroloch oder die Mikrolöcher und die Aussparung des Sensorchips einen elektrischen Kontakt zwischen der zu untersuchenden Flüssigkeit und dem Sensorchip erlauben oder nicht hat einen Einfluss auf den elektrischen Betrieb der Sensoren in der eigentlichen Detektierungsphase, da bestimmte Rahmenbedingungen hinsichtlich der Potentiale der Elektroden und der zu untersuchenden Flüssigkeit eingehalten werden müssen.

Man ist bei Betrieb der Sensorchip-Anordnung vollkommen frei in der Wahl der elektrischen Potentiale von Elektroden und Elektrolyt gegenüber dem Potential des Substratmaterials des Chips. Im anderen Fall, d. h. dass ein elektrischer Kontakt zwischen den Mikrolöchern und der Aussparung gegeben ist, muss eine Betriebsweise vorgesehen werden, bei der die zu untersuchende Flüssigkeit und das Sensorchip auf gleichem elektrischen Potential betrieben werden. Dies ist in der Praxis keine Einschränkung, sollte bei der Auslegung der die Sensorchip-Anordnung betreibenden Ansteuerungsschaltungen jedoch derart berücksichtigt werden, dass entsprechende, d. h. dem elektrischen Potential der zu untersuchenden Flüssigkeit angepasste, Elektrodenpotentiale vorgesehen werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens zum Erfassen von Molekülen in einer zu untersuchenden Flüssigkeit unter Verwendung der obigen Sensorchip-Anordnung wird die zu untersuchende Flüssigkeit vor dem Detektieren der Stellen, auf denen die Fängermoleküle zu erfassende Moleküle in der zu untersuchenden Flüssigkeit gebunden haben, vom Sensorchip entfernt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass die Moleküle in der zu untersuchenden Flüssigkeit, die nicht durch die Fängermoleküle auf die Sensorelektrode der Sensorchip-Anordnung gebunden wurden, vor dem Detektieren entfernt werden können, so dass diese nicht gebundenen Moleküle das anschließende Detektieren nicht beeinträchtigen.

Vorzugsweise erfolgt das Entfernen der zu untersuchenden Flüssigkeit durch Spülen des Sensorchips mit einer die zu erfassenden Moleküle nicht enthaltenden Flüssigkeit. Es ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorteilhaft, wenn die zum Spülen verwendete Flüssigkeit nur solche Moleküle enthält, die zum Stabilisieren der gegebenenfalls gebildeten Paare zwischen Fängermolekülen und zu erfassenden Molekülen notwendig sind. Ein Beispiel hierfür ist eine Pufferlösung. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 eine Schnittansicht und eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels einer Sensorchip-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 zwei Schnittansichten in verschiedenen Stadien der Herstellung des Sensors und eine Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Sensorchip- Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zeitlichen Abfolge des Bewegens der zu untersuchenden Flüssigkeit durch Mikroröhren der erfindungsgemäßen Sensorchip-Anordnung hindurch;

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensorchip-Anordnung, bei der eine Pumpe zum Bewegen der zu untersuchenden Flüssigkeit vorgesehen ist;

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensorchip-Anordnung, bei der eine elektrostatisch auslenkbare Membran zum Bewegen der zu untersuchenden Flüssigkeit vorgesehen ist;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines adressierbaren Chips aus dem Stand der Technik;

Fig. 7 eine schematische Darstellung des allgemeinen Prinzips der spezifischen Bindung zwischen dem Fängermolekül und dem zu erfassenden Molekül;

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten Redox-Recycling- Detektierverfahrens;

Fig. 9 einen Graphen eines Beispiels eines aus dem Redox- Recycling-Detektierverfahren der Fig. 8 erhaltenen Messergebnisses

Fig. 10 eine schematische Darstellung einer Interdigital- Elektrodenanordnung aus dem Stand der Technik;

Fig. 11 eine schematische Darstellung einer Elektrodenanordnung aus dem Stand der Technik, bei der die elektronischen Eigenschaften zweier Elektroden sowohl vor als auch nach der Bindungsreaktion zwischen dem Fängermolekül und dem zu erfassenden Molekül in der zu untersuchenden Flüssigkeit stattfindet, detektiert werden.

Fig. 1a zeigt einen Querschnitt durch die Sensorchip-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die gezeigte Sensorchip-Anordnung weist einen Sensorchip 100, eine Sensorelektrode 101, eine Aussparung im Sensorchip 102, Führungsvorsprünge 103 und Mikroröhren 104 auf.

Des weiteren ist in Fig. 1a auch die zu untersuchende Flüssigkeit 105, die die zu erfassenden Moleküle enthält, dargestellt. Die Flüssigkeit 105 wird während der Bindungsphase kontinuierlich durch die Mikroröhren 104 und damit auch an der Sensorelektrode 101 vorbei bewegt. Dadurch wird gewährleistet, dass die zu untersuchende Flüssigkeit 105 kontinuierlich gut durchmischt wird, vor allem aber, dass eine große Menge der zu untersuchenden Flüssigkeit 105 in vergleichsweise kurzer Zeit in die räumliche Nähe der Sensorelektrode 101 gebracht wird.

Wie oben erläutert dienen die Führungsvorsprünge 103 dazu, einen anfangs auf die Sensorelektrode 101 aufgebrachten Tropfen Flüssigkeit, der aufzubringende Fängermoleküle enthält, in dem Bereich der Sensorelektrode 101 zu halten, indem sie das effektive Volumen der Aussparung 102 nach oben hin erweitern.

Alternativ zum Vorsehen von Führungsvorsprüngen kann die Aussparung entsprechend der Natur der aufzubringenden Flüssigkeit beschaffen sein, und der die Aussparung umliegende Bereich der Oberfläche des Sensorchips kann entgegen der Natur der aufzubringenden Flüssigkeit beschaffen sein. So kann bei wäßriger Flüssigkeit beispielsweise die Aussparung hydrophil und der die Aussparung umliegende Bereich der Oberfläche des Sensorchips hydrophob beschaffen sein. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass ein aufgebrachter Tropfen der Flüssigkeit auf dem Bereich, also im vorliegenden Beispiel mit wäßriger Flüssigkeit, wie gewünscht in der hydrophilen Aussparung und nicht auf dem die Aussparung umliegende, hydrophobe Bereich der Oberfläche des Sensorchips liegen bleibt.

Obwohl die die Fängermoleküle enthaltende Flüssigkeit aufgrund der Natur der meisten, als Fängermoleküle in Betracht kommenden Biomoleküle in der Regel wäßriger Natur sein wird, ist nicht auszuschließen, dass diese Flüssigkeit auch hydrophober Natur sein könnte. In einem solchen Fall wären die Aussparung und der die Aussparung umliegende Bereich der oberen Oberfläche des Sensorchips gemäß den vorangehenden Erläuterungen, das heisst die Aussparung als hydrophob und der die Aussparung umliegende Bereich der oberen Oberfläche des Sensorchips als hydrophil auszubilden. Es ist anzumerken, dass dieselbe Überlegungen hinsichtlich der Beschaffenheit der Aussparung und der die Aussparung umliegende Bereich der oberen Oberfläche des Sensorchips gleichwohl gegenüber einer zu untersuchenden, möglicherweise zu erfassende Moleküle enthaltenden Flüssigkeit gelten.

Alternativ zu den Mikroröhren 104 könnte auch ein einziges Loch vom Boden 106 der Aussparung 102 bis zur unteren Oberfläche des Sensorchips 100 hin ausgebildet werden. Ob Mikroröhren 104 oder ein einziges Loch ausgebildet sind, hängt davon ab, was für Strömungseigenschaften der zu untersuchenden Flüssigkeit 105 hinsichtlich der Zerbrechlichkeit der Sensorelektrode 101 sowie hinsichtlich der Bindungsreaktion gewünscht sind.

Fig. 1b zeigt eine Draufsicht der Sensorchip-Anordnung aus Fig. 1a, in der der Sensorchip 100, die Sensorelektrode 101, die Aussparung 102 im Sensorchip, die Führungsvorsprünge 103 sowie der Bereich der Mikroröhren 104 zu sehen sind.

Es ist anzumerken, dass die in Fig. 1 gezeigte Sensorelektrode 102 als mehrere langgestreckte Elektrodenelemente ausgebildet ist. Die Sensorelektrode 102 in Fig. 1 hätte alternativ als ein einstückiges Gitter, ein gewebtes Gitter oder als eine mit einer Mehrzahl von Perforationen versehene Folie ausgebildet werden können. Wie oben erläutert kommt es bei der Ausbildung der Sensorelektrode 102 hauptsächlich darauf an, dass diese feinmaschig, d. h. mit benachbarten Gitterelementen, benachbarten langgestreckten Elektrodenelementen oder benachbarten Perforationen, die in einer Folie versehen sind, in einem Abstand von ungefähr 0,1 bis ungefähr 10 µm ausgebildet sind.

Fig. 2a, Fig. 2b und Fig. 2c zeigen zwei Schritte bei der Herstellung einer Sensorchip-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2a zeigt einen Sensorchip 200, Sensorelektrode 201 sowie Mikroröhren 203, die im Sensorchip 200 eingebracht worden sind.

Die Mikroröhren 203 können entweder mittels des Plasmaätzens oder mittels elektrochemischen Ätzens, wie sie in [10] beschrieben sind, hergestellt werden.

Letzteres Verfahren ist bei einer Dicke eines Sensorchips von größer als 0,1 mm vorteilhaft. Wie in Fig. 2a dargestellt, werden auf der unteren Oberfläche 204 des Sensorchips 200 (d. h. auf der der Sensorelektrode 201 abgewandten Seite des Sensorchips 200) Mikroröhren 203 erzeugt. Diese Mikroröhren erreichen nicht die obere Oberfläche 205 des Sensorchips 200, sondern haben einen Abstand zur oberen Oberfläche des Sensorchips 200, der der Tiefe der später geätzten Aussparung 202 entspricht.

Die Mikroröhren 203 können nach dem Ätzen, z. B. mittels einer Polysiliziumschicht, verschlossen werden, um das Eindringen von Flüssigkeiten während des weiteren Herstellungsprozesses zu verhindern.

Nach Fertigstellung der Sensorelektrode 201 wird die Polysiliziumschicht entfernt und die Aussparung 202 wird geätzt. Durch eine thermische oder anodische Oxidation der nun durchgängigen Mikroröhren kann eine Isolation zwischen der zu untersuchenden Flüssigkeit und dem Sensorchip 200 erreicht werden.

Fig. 2b zeigt das Endergebnis nach der Herstellung der Sensorchip-Anordnung, bei der die Aussparung 202 unterhalb der Sensorelektrode 201 geätzt worden ist.

Fig. 2c zeigt eine Draufsicht der in Fig. 2b gezeigten Sensorchip-Anordnung, bei welcher das Sensorchip 200, die Sensorelektrode 201, die Aussparung 202 sowie der Bereich der Mikroröhren 203 dargestellt sind.

Es ist anzumerken, dass die in Fig. 2 gezeigte Sensorelektrode 201 als mehrere langgestreckte Elektrodenelemente ausgebildet ist.

Die Sensorelektrode 201 in Fig. 2 könnte alternativ als ein einstückiges Gitter, als ein gewebtes Gitter oder als eine mit einer Mehrzahl von Perforationen versehene Folie ausgebildet sein.

Wie oben erläutert sollte die Sensorelektrode 201 feinmaschigsein, d. h. aus benachbarten Gitterelementen, benachbarten langgestreckten Elektrodenelementen oder benachbarten Perforationen bestehen, die in einer Folie versehen und in einem Abstand von ungefähr 0,1 bis ungefähr 10 µm ausgebildet sind.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Sensorchip-Anordnung, bei der ein Sensorchip 300, eine Sensorelektrode 301, eine Aussparung im Sensorchip 302, Führungsvorsprünge 303, Mikroröhren 304 sowie die zu untersuchende Flüssigkeit 305, die die zu erfassenden Moleküle enthält, zu sehen sind.

Ausgehend von Fig. 3a sieht man den Fall, dass die zu untersuchende Flüssigkeit 305 nach unten durch die Mikroröhren 304 an der Sensorelektrode 301 vorbei bewegt wird, in Fig. 3a symbolisiert durch erste Richtungspfeile 306.

Fig. 3b zeigt die Umkehr der Bewegungsrichtung der zu untersuchenden Flüssigkeit 305 unterhalb der unteren Oberfläche des Sensorchips 300, in Fig. 3b symbolisiert durch erste Richtungspfeile 307.

Fig. 3c zeigt die sich nunmehr nach oben bewegende, zu untersuchende Flüssigkeit 305, die durch die Mikroröhren 304 und durch die Aussparung 302 an der Sensorelektrode 301 vorbeifließt, in Fig. 3c symbolisiert durch erste Richtungspfeile 308.

Fig. 3d zeigt die nochmalige Umkehr der Bewegungsrichtung der zu untersuchenden Flüssigkeit 305, jetzt oberhalb der oberen Oberfläche des Sensorchips 300, in Fig. 3d symbolisiert durch erste Richtungspfeile 309.

Das sich zyklisch wiederholende Bewegungsschema der zu untersuchenden Flüssigkeit 305 durch die Mikroröhren 304, durch die Aussparung 302 und an der Sensorelektrode 301 vorbei gewährleistet, dass große Mengen der zu untersuchenden Flüssigkeit 305 in Kontakt mit der Sensorelektrode 301 kommen, so dass sich die Wahrscheinlichkeit einer Bindung zwischen auf der Sensorelektrode 301 befindlichen Fängermoleküle und sich in der zu untersuchenden Flüssigkeit 305 befindlichen, zu erfassenden Molekülen erhöht.

Es ist anzumerken, dass die alternierende Bewegung der zu untersuchenden Flüssigkeit 305 durch den Sensorchip 300 mit einer (nicht gezeigten) auslenkbaren Membran, die auf der unteren Oberfläche des Sensorchips 300 oder auf der oberen Oberfläche des Sensorchips 300 abgedichtet angebracht ist, erreicht werden kann (vgl. Fig. 5).

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Sensorchip-Anordnung, bei der ein Sensorchip 400, eine Sensorelektrode 401, eine Aussparung im Sensorchip 402, Führungsvorsprünge 403, eine Pumpe 404, Pumpenkreislauf 405, eine zu untersuchende Flüssigkeit 406,. die die zu erfassenden Moleküle enthält, sowie Mikroröhren 407 dargestellt sind. Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung wird die Pumpe 404 zum Bewegen der zu untersuchenden Flüssigkeit 406 verwendet. Dadurch wird im Gegensatz zu dem in Fig. 3 gezeigten Fall ein Durchfluss der zu untersuchenden Flüssigkeit 406 durch das Sensorchip 400 bei einem Durchfluss in einer Richtung erreicht. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, dass die Pumpe 404 eine die Durchflussrichtung ändernde Pumpe sein kann, so dass auch mit der Pumpe 404 ein Durchfluss in alternierender Richtung durch das Sensorchip 400 erreicht werden kann.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensorchip-Anordnung, bei der ein Sensorchip 500, eine Sensorelektrode 501, eine Aussparung im Sensorchip 502, Mikroröhren 503, eine elektrostatisch auslenkbare Membran 504 sowie eine Elektrode 505 zum Auslenken der elektrostatisch auslenkbaren Membran 504 zu sehen sind.

Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein elektrisches Potential an die Elektrode 505 angelegt, das die elektrostatisch auslenkbare Membran 504 entweder in Richtung der Elektrode 505 oder in Richtung der Sensorelektrode 501 zum Bewegen veranlasst. D. h., dass die elektrostatisch bedingte Bewegung der elektrostatisch auslenkbaren Membran 504 eine anziehende oder eine abstoßende Bewegung relativ zu der Elektrode 505 sein kann.

Es ist unerheblich, in welche Richtung sich die elektrostatisch auslenkbare Membran 504 bewegt, denn beim Abschalten des Potentials kehrt die Membran 504 in ihre ursprüngliche Lage zurück, wodurch ein Schieben bzw. ein Ziehen der zu untersuchenden Flüssigkeit (nicht gezeigt), die zwischen der Membran 504 und der unteren Oberfläche des Sensorchips 500, in den Mikroröhren 503, in der Aussparung 502 sowie, gegebenenfalls auch oberhalb der Sensorelektrode 501 sich befindet, bewirkt wird.

In diesem Sinne funktioniert die durch die Elektrode 505 in Bewegung gesetzte Membran 504 anschaulich wie eine steuerbare Saugglocke, die die zu untersuchende Flüssigkeit (nicht gezeigt) kontinuierlich an der Sensorelektrode 501 vorbei bewegt.

In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] M. Paeschke et al., Electroanalysis 1996, 7, No. 1, p. 1-8
[2] R. Hintzsche et al., "Microbiosensors using electrodes made in Si-technology", in "Frontiers in Biosensorics 1 - Fundamental Aspects", F. W. Scheller et al. ed., 1997, Birkhauser Verlag Basel
[3] WO 9322678
[4] DE 196 10 115 A1
[5] US Serial No 60/007840
[6] Peter Van Gerwen et al., Transducers '97, p. 907-910
[7] Christian Krause et al., Langmuir, Vol. 12, No. 25, 1996 p. 6059-6064
[8] V. M. Mirsky, Biosensors & Bioelectronics 1997, Vol. 12 No. 9-10, pp. 977-989
[9] WO 99/38612
[10] DE 37 17 851

Bezugszeichenliste

100

Sensorchip

101

Sensorelektrode

102

Aussparung im Sensorchip

103

Führungsvorsprünge

104

Mikroröhre

105

Flüssigkeit, die die zu erfassenden Moleküle enthält

106

Boden der Aussparung

107

Untere Oberfläche des Sensorchips

200

Sensorchip

201

Sensorelektrode

202

Aussparung im Sensorchip

203

Mikroröhren

204

Untere Oberfläche des Sensorchips

205

Obere Oberfläche des Sensorchips

300

Sensorchip

301

Sensorelektrode

302

Aussparung im Sensorchip

303

Führungsvorsprünge

304

Mikroröhren

305

Flüssigkeit, die die zu erfassenden Moleküle enthält

306

Erster Richtungspfeil

307

Zweiter Richtungspfeil

308

Dritter Richtungspfeil

309

Vierter Richtungspfeil

400

Sensorchip

401

Sensorelektrode

402

Aussparung im Sensorchip

403

Führungsvorsprung

404

Pumpe

405

Pumpenkreislauf

406

Flüssigkeit, die die zu erfassenden Moleküle enthält

407

Mikroröhre

500

Sensorchip

501

Sensorelektrode

502

Aussparung

503

Mikroröhren

504

Elektrostatisch auslenkbare Membran

505

Elektrode

600

Array-Chip mit einer Mehrzahl diskreter, adressierbarer Stellen

601

Stellen, auf denen jeweils unterschiedliche Fängermoleküle immobilisiert werden

700

Substrat

701

Aktive Fläche

702

Zu untersuchende Flüssigkeit

703

DNA-Fängermolekül (Sequenz A)

704

In der zu untersuchenden Lösung vorhandenes DNA-

705

Molekül (Sequenz A')

706

DNA-Fängermolekül (Sequenz B)

800

Substrat

801

DNA-Fängermolekül

802

Elektrolyt

803

Nachzuweisendes DNA-Molekül mit Enzym-Label

804

Enzym-Label

805

Durch das Enzym spaltbares, in diesem Zustand noch ungeladenes Molekül

806

Negativ geladenes Teil des gespalteten Moleküls

805

807

Erste Elektrode

808

Zweite Elektrode

809

Oxidation

810

Reduktion

811

Positiv geladenes Teil des gespalteten Moleküls

805

1000

Substrat

1001

Erste Elektrode

1002

Zweite Elektrode

1003

Barriereschicht

1100

Substrat

1101

DNA-Fängermoleküle

1102

Zu untersuchende Flüssigkeit

1103

Nachzuweisender DNA-Strang

1104

Messgerät

1105

Erste Elektrode

1106

Zweite Elektrode

1107

Impedanz

Claims

1. Sensorchip-Anordnung, mit
zumindest einer Aussparung in dem Sensorchip;
zumindest einer Sensorelektrode, die oberhalb der Aussparung auf einer oberen Oberfläche des Sensorchips seitlich der Aussparung abgestützt angeordnet ist;
zumindest einem Loch, das sich vom Boden der Aussparung bis zu einer unteren Oberfläche des Sensorchips hin durchgängig erstreckt; und
einem Mittel zum Bewegen einer zu untersuchenden Flüssigkeit an der Sensorelektrode vorbei.

2. Sensorchip-Anordnung gemäß Anspruch 1, bei der auf der Sensorelektrode Fängermoleküle aufgebracht sind, die in der Flüssigkeit möglicherweise enthaltene, zu erfassende Moleküle spezifisch binden können.

3. Sensorchip-Anordnung gemäß Anspruch 2, bei der die Fängermoleküle
Nukleinsäuren;
Peptide;
Proteine; und/oder
niedermolekulare Verbindungen
sind.

4. Sensorchip-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Sensorelektrode als
mehrere langgestreckte Elektrodenelemente;
ein einstückiges Gitter;
ein gewebtes Gitter; oder
eine mit einer Mehrzahl von Perforationen versehene Folie
ausgestaltet ist.

5. Sensorchip-Anordnung gemäß Anspruch 4, bei der die langgestreckten Elektrodenelemente oder Gitterelemente beziehungsweise die in der Folie versehenen Perforationen in einem Abstand voneinander von ungefähr 0,1 bis ungefähr 10 µm angeordnet sind.

6. Sensorchip-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Loch ein Loch mit einem Durchmesser ist, welcher kleiner ist als ungefähr 100 bis 200 µm, vorzugsweise kleiner als ungefähr 10 µm.

7. Sensorchip-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der mehrere Löcher vorgesehen sind, die sich vom Boden der Aussparung bis zu einer unteren Oberfläche des Sensorchips hin durchgängig erstrecken.

8. Sensorchip-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Mittel zum Bewegen einer Flüssigkeit
eine auslenkbare Membran, oder
eine Pumpe eines Pumpenkreislaufs
aufweist.

9. Sensorchip-Anordnung gemäß Anspruch 8,
bei der die auslenkbare Membran
auf der oberen Oberfläche des Sensorschips, oder
auf der unteren Oberfläche des Sensorchips
abgedichtet angeordnet ist, so dass durch Auslenken der Membran ein Unterdruck oder ein Überdruck zwischen der Membran und der jeweiligen Oberfläche des Sensorchips erzeugbar ist derart, dass durch den Unterdruck oder den Überdruck die zu bewegende Flüssigkeit in Bewegung gesetzt werden kann.

10. Sensorchip-Anordnung gemäß Anspruch 9, bei dem die Membran
mechanisch oder
elektrostatisch unter Verwendung einer hierfür vorgesehenen Elektrode
auslenkbar ist.

11. Sensorchip-Anordnung gemäß Anspruch 8, bei der die Pumpe des Kreislaufs
auf der oberen Oberfläche des Sensorschips, und
auf der unteren Oberfläche des Sensorchips
abgedichtet angeschlossen ist derart, dass ein unidirektionaler Durchfluss der Flüssigkeit oder ein Durchfluss der Flüssigkeit in alternierender Flussrichtung erreichbar ist.

12. Sensorchip-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der seitlich der Aussparung sich von der oberen Oberfläche des Sensorchips nach oben hin erstreckende Führungsvorsprünge angeordnet sind.

13. Sensorchip-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Aussparung entsprechend der Natur der Flüssigkeit beschaffen ist, und der die Aussparung umliegende Bereich der oberen Oberfläche des Sensorchips entgegen der Natur der Flüssigkeit beschaffen ist.

14. Sensorchip-Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der das zumindest eine Loch und die Aussparung mit einem elektrisch isolierenden Material ausgekleidet ist.

15. Verfahren zum Erfassen von Molekülen in einer zu untersuchenden Flüssigkeit unter Verwendung der Sensorchip- Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14,
bei dem auf die Sensorelektrode Fängermoleküle aufgebracht werden, die zu erfassende Moleküle spezifisch binden können;
bei dem die zu untersuchende Flüssigkeit mit der Sensorelektrode in Kontakt gebracht wird;
bei dem die zu untersuchende Flüssigkeit durch das Mittel zum Bewegen der Flüssigkeit in Bewegung gesetzt wird derart, dass die Flüssigkeit wiederholt an der Sensorelektrode vorbeibewegt wird; und
bei dem diejenige Stellen auf dem Sensorchip, auf denen die Fängermoleküle zu erfassende Moleküle in der zu untersuchenden Flüssigkeit gebunden haben, wenn vorhanden, detektiert werden.

16. Verfahren gemäß Anspruch 15, bei dem vor dem Detektieren der Stellen, auf denen die Fängermoleküle zu erfassende Moleküle in der zu untersuchenden Flüssigkeit gebunden haben, die zu untersuchende Flüssigkeit vom Sensorchip entfernt wird.

17. Verfahren gemäß Anspruch 16, bei dem das Entfernen der Flüssigkeit vom Sensorchip durch Spülen des Sensorchips mit einer die zu erfassenden Moleküle nicht enthaltenden Flüssigkeit erfolgt.

18. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem als Fängermoleküle und zu erfassende Moleküle
Nukleinsäuren;
Peptide;
Proteine; und/oder
niedermolekulare Verbindungen
verwendet werden.

19. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 18, bei dem zum Inbewegungsetzen der Flüssigkeit
eine Pumpe eines Pumpenkreislaufs oder
eine mechanisch oder elektrostatisch auslenkbare Membran
eingesetzt wird.

20. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 19, bei dem das Detektieren der Stellen auf dem Sensorchip, auf denen die Fängermoleküle zu erfassende Moleküle in der zu untersuchenden Flüssigkeit gebunden haben, durch ein elektrisches Detektierverfahren erfolgt.

21. Verfahren gemäß Anspruch 20, bei dem als elektrische Detektierverfahren
ein Redox-Recycling-Detektierverfahren; oder
ein Impedanz-Detektierverfahren
verwendet wird.