DE10145700A1 - Biochip-Anordnung, Sensor-Anordnung und Verfahren zum Betreiben einer Biochip-Anordnung - Google Patents

Biochip-Anordnung, Sensor-Anordnung und Verfahren zum Betreiben einer Biochip-Anordnung

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Biochip-Anordnung, eine Sensor-Anordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Biochip-Anordnung. Die erfindungsgemäße Biochip-Anordnung weist ein Substrat und eine Mehrzahl von in oder auf dem Substrat angeordneten Sensoren auf. Jeder Sensor weist auf eine Elektrode, an die eine vorgebbare elektrische Spannung anlegbar ist, wobei mittels der elektrischen Spannung ein elektrisches Multipolmoment aufweisende Partikel in einem Umgebungsbereich der Elektrode angezogen oder abgestoßen werden und eine Detektions-Einrichtung, die in dem Umgebungsbereich der Elektrode angeordnet ist, zum Anlagern und Erfassen einer Menge von Partikeln. Die Biochip-Anordnung weist ferner eine mit den Elektroden der Sensoren gekoppelte Steuer-Einrichtung zum sequentiellen Anlegen der vorgebbaren elektrischen Spannungen an die Elektroden der Sensoren auf.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Biochip-Anordnung, eine Sensor- Anordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Biochip- Anordnung.
  • Die Bio- und Gentechnologie hat in den letzten Jahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Eine Grundtechnik in der Bio- und Gentechnologie ist es, biologische Moleküle wie DNA (Desoxyribonukleinsäure) oder RNA, Proteine, Polypeptide, etc. nachweisen zu können. Insbesondere Bio-Moleküle, in deren Sequenz Erbgutinformation kodiert ist, insbesondere DNA-Moleküle (Desoxyribonukleinsäure) sind für viele Anwendungen der medizinischen Analytik (z. B. DNA-Analyse) von großem Interesse.
  • Eine DNA ist eine Doppelhelix, die aus zwei vernetzten wendelförmigen Einzelketten, sogenannten Halbsträngen, aufgebaut ist. Jeder dieser Halbstränge weist eine Basensequenz auf, wobei durch die Reihenfolge der Basen (Adenin, Guanin, Thymin, Cytosin) die Erbinformation festgelegt ist. DNA-Halbstränge weisen die charakteristische Eigenschaft auf, sehr spezifisch nur mit ganz bestimmten anderen Molekülen eine Bindung einzugehen. Daher ist es für das Anlagern eines Nukleinsäurestrangs an einen anderen Nukleinsäurestrang Voraussetzung, dass die beiden Moleküle zueinander komplementär sind. Anschaulich müssen die beiden Moleküle zueinander passen wie ein Schlüssel und das dazu passende Schloss (sogenanntes Schlüssel-Schloss-Prinzip).
  • Dieses von der Natur vorgegebene Prinzip kann zum selektiven Nachweis von Molekülen in einer zu untersuchenden Flüssigkeit verwendet werden. Die Grundidee eines auf diesem Prinzip basierenden Biochip-Sensors besteht darin, dass auf einem Substrat aus einem geeignetem Material zunächst sogenannte Fängermoleküle (z. B. mittels Mikrodispensierung) aufgebracht und immobilisiert werden, d. h. an der Oberfläche des Biochip- Sensors dauerhaft - zumindest für die Dauer der Messung - fixiert werden. In diesem Zusammenhang ist es bekannt, Bio- Moleküle mit Thiol-Gruppen (SH-Gruppen) an Gold-Oberflächen zu immobilisieren.
  • Ein solcher Biochip-Sensor mit einem Substrat mit daran gebundenen Fängermolekülen, die beispielsweise auf einen bestimmten, nachzuweisenden DNA-Halbstrang sensitiv sind, wird üblicherweise zum Untersuchen einer Flüssigkeit auf das Vorhandensein des auf die Fängermoleküle sensitiven DNA- Halbstrangs verwendet. Hierzu ist die auf das Vorhandensein eines bestimmten DNA-Halbstrangs zu untersuchende Flüssigkeit mit den immobilisierten Fängermolekülen in Wirkkontakt zu bringen. Sind ein Fängermolekül und ein zu untersuchender DNA-Halbstrang zueinander komplementär, so hybridisiert der DNA-Halbleiterstrang mit dem Fängermolekül. Unter Hybridisieren wird das Anbinden von DNA-Halbsträngen an Fängermoleküle bezeichnet. Wenn infolge dieser Bindung sich der Wert einer messtechnisch erfassbaren physikalischen Größe in charakteristischer Weise ändert, so kann der Wert dieser Größe gemessen werden und auf diese Weise das Vorhandenseins oder Nichtvorhandensein eines DNA-Halbstrangs in einer zu untersuchenden Flüssigkeit nachgewiesen werden. Ferner sind auch quantitative Aussagen über DNA-Halbstränge in der zu untersuchenden Flüssigkeit treffbar.
  • Das beschriebene Prinzip ist nicht auf den Nachweis von DNA- Halbsträngen beschränkt. Vielmehr sind weitere Kombinationen von auf dem Substrat aufgebrachten Fängermolekülen und zu erfassenden Molekülen in einer zu untersuchenden Flüssigkeit bekannt. So können beispielsweise Nukleinsäuren als Fängermoleküle für Peptide oder Proteine, die nukleinsäurespezifisch binden, verwendet werden. Weiterhin bekannt ist, Peptide oder Proteine als Fängermoleküle für andere, das Fängerpeptid bzw. das Fängerprotein bindende Proteine oder Peptide zu verwenden. Von Bedeutung ist ferner die Verwendung von niedermolekularen chemischen Verbindungen als Fängermoleküle für an diese niedermolekularen Verbindungen bindende Proteine oder Peptide. Niedermolekulare chemische Verbindungen sind solche chemischen Verbindungen, die weniger als etwa 1700 Dalton (Molekulargewicht in Gramm pro Mol) aufweisen. Umgekehrt ist auch die Verwendung von Proteinen und Peptiden als Fängermoleküle für eventuell in einer zu untersuchenden Flüssigkeit vorhandene niedermolekulare Verbindungen möglich.
  • Zum Nachweis der erfolgten Bindung zwischen dem auf dem Substrat aufgebrachten Fängermolekül und dem in der zu untersuchenden Flüssigkeit vorhandenen, zu erfassenden Molekül werden häufig elektronische Nachweisverfahren verwendet. So kann beispielsweise der Wert der Kapazität zwischen zwei Elektroden gemessen werden, an denen Fängermoleküle immobilisiert sind. Hybridisieren nachzuweisende Moleküle mit den Fängermolekülen, so verändert sich der Wert der Kapazität in charakteristischer Weise und das Hybridisierungsereignis kann durch ein elektrisches Signal nachgewiesen werden. Auch Impedanzmessungen sind möglich.
  • Alternativ werden optische Verfahren zum Nachweis der Hybridisierung von nachzuweisenden Molekülen verwendet. Die Detektion eines Hybridisierungsereignisses kann auf optische Weise erfolgen, wenn ein hybridisiertes Molekül einen Fluoreszenzfarbstoff mit der Fähigkeit aufweist, elektromagnetische Fluoreszenzstrahlung in einem charakteristischen Wellenlängenbereich zu emittieren, nachdem der Fluoreszenzfarbstoff durch Absorption von Licht eines primären Wellenlängenbereichs angeregt worden ist. Die im Analyten enthaltenen nachzuweisenden Biomoleküle, beispielsweise DNA-Halbstränge, sind hierfür über ein geeignetes Linker-Molekül mit einem Fluoreszenzmarker zu koppeln. Haben die auf diese Weise fluoreszenzmarkierten nachzuweisenden Biomoleküle mit den auf der Sensoroberfläche immobilisierten Fängermolekülen hybridisiert, und wird Licht einer geeigneten Wellenlänge eingestrahlt, das von dem Fluoreszenzmarker derart absorbierbar ist, so dass eine Anregung möglich ist, so wird das eingestrahlte Licht von den Fluoreszenzmarkern absorbiert und Lichtquanten einer anderen Wellenlänge reemittiert (Resonanzfluoreszenz). Die Intensität des von der Sensoroberfläche reemittierten Fluroreszenz- Lichtes ist dann ein Maß für die Menge der angedockten nachzuweisenden Moleküle. Aufgrund des Energieerhaltungssatzes hat das reemittierte Fluoreszenzlicht grundsätzlich eine längere Wellenlänge (und niedrigere Energie) als das anregende Primärlicht. Dieser physikalische Effekt macht eine Trennung des Fluoreszenzlichtes vom anregenden Licht durch Verwendung geeigneter optischer Filter möglich, die wellenlängenabhängig absorbieren, reflektieren bzw. transmittieren.
  • In Fig. 1A und Fig. 1B ist eine Biochip-Anordnung gemäß dem Stand der Technik gezeigt, die als DNA-Sensor gemäß dem oben beschriebenen Prinzip verwendet werden kann. Die Biochip- Anordnung 100 weist ein Substrat 101 auf, in dessen Oberflächenbereich eine erste Elektrode 102 sowie eine zweite Elektrode 103 angeordnet sind. Die erste Elektrode 102 ist mit einem ersten elektrischen Kontakt 104 gekoppelt. Die zweite Elektrode 103 ist mit einem zweiten elektrischen Kontakt 105 gekoppelt, wobei zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 104 und dem zweiten elektrischen Kontakt 105 ein elektrisches Signal abnehmbar ist. An der Oberfläche der ersten Elektrode 102 und an der Oberfläche der zweiten Elektrode 103 sind eine Vielzahl von Fängermolekülen 106 immobilisiert. Ferner ist in Fig. 1A eine zu untersuchende elektrolytische Flüssigkeit 107 gezeigt, die möglicherweise zu den Fängermolekülen 106 komplementäre DNA-Halbstränge 108 aufweist.
  • Sofern die Fängermoleküle 106 gemäß dem Schlüssel-Schloss- Prinzip (gemäß welchem nur diejenigen Moleküle in der zu untersuchenden Flüssigkeit 107 von den Fängermolekülen 106 gebunden werden können, für welche die letzteren eine ausreichende Bindungsspezifität besitzen) mit einem in der zu untersuchenden Flüssigkeit 107 vorhandenen Molekül eine spezifische Bindungsreaktion eingehen, wird das Molekül (z. B. ein DNA-Halbstrang 108) in der zu untersuchenden Flüssigkeit 107 durch die Fängermoleküle 106 spezifisch gebunden. Ist dies nicht der Fall, so wird das Molekül in der zu untersuchenden Flüssigkeit 107 nicht von einem der Fängermoleküle 106 gebunden. Sind in der zu untersuchenden elektrolytischen Flüssigkeit 107 DNA-Stränge 108 mit einer Basensequenz enthalten, die zu der Basensequenz der Fängermoleküle 106 (d. h. der DNA-Sondenmoleküle) komplementär ist, so hybridisieren diese DNA-Halbstränge 108 mit den DNA- Sondenmolekülen 106. Dies ist in Fig. 1B gezeigt.
  • Eine erfolgte Hybridisierung von DNA-Halbsträngen 108 mit Fängermolekülen 106 beeinflusst den Wert eines zwischen dem ersten elektrischen Kontakt 104 und dem zweiten elektrischen Kontakt 105 abnehmbaren elektrischen Signals in charakteristischer Weise. Die DNA-Halbstränge 108 und die Fängermoleküle 106 sind weitgehend elektrisch nichtleitend und schirmen anschaulich die erste Elektrode 102 bzw. die zweite Elektrode 103 elektrisch ab. Dadurch ändert sich die Kapazität zwischen der ersten Elektrode 102 und der zweiten Elektrode 103. Die Änderung der Kapazität wird als Messgröße für die Erfassung von DNA-Molekülen verwendet. Sind nämlich nachzuweisende Moleküle in der zu untersuchenden Flüssigkeit enthalten, und haben diese mit den Fängermolekülen auf der Oberfläche der Elektroden hybridisiert, so ändert sich der messtechnisch erfassbare Wert der Kapazität der als Kondensatorflächen interpretierbaren Elektroden 102, 103.
  • Jedoch weist die beschriebene Biochip-Anordnung gemäß dem Stand der Technik eine Reihe von Nachteilen auf. Häufig liegen biologische Moleküle wie beispielsweise DNA- Halbstränge oder Proteine in sehr geringer Konzentration vor. Daher ist die Ansprechzeit der in Fig. 1A, Fig. 1B gezeigten DNA-Sensoren sehr hoch. Unter Ansprechzeit wird eine charakteristische Zeit verstanden, die abgewartet werden muss, bis nachzuweisende Moleküle an Fängermolekülen in ausreichender Anzahl gebunden haben, um als Folge davon eine ausreichend starke Änderung der Kapazität messtechnisch nachweisen zu können. Indem die Hybridisierung, die Voraussetzung für die Funktionsweise des Biosensors ist, erst nach einer erheblichen Ansprechzeit eintritt, ist die Biochip-Anordnung gemäß dem Stand der Technik nur sehr begrenzt unter praktischen Laborbedingungen einsetzbar. Regelmäßig wird ein schneller Nachweis von Molekülen angestrebt. Vielfach denaturieren nachzuweisende Bio- Moleküle, beispielsweise instabile Mutanten von Proteinen, bereits mit Zeitkonstanten von einigen Stunden und weniger. Daher ist die langsame Ansprechzeit des beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten DNA-Sensors, äußerst nachteilhaft und schränkt die Anwendbarkeit der Vorrichtung ein. Ferner ist die Sensitivität der Biochip-Anordnung gemäß dem Stand der Technik nicht ausreichend hoch, was ebenfalls mit der geringen Konzentration der nachzuweisenden Bio- Moleküle in der Umgebung der mit Fängermolekülen versehenen Elektroden zusammenhängt.
  • Aus [1] ist eine Biochip-Anordnung bekannt, die es ermöglicht, auch bei geringen DNA-Konzentrationen eine ausreichend große Anzahl von DNA-Molekülen in ausreichend kurzer Zeit an den Fängermolekülen andocken zu lassen. Dies wird gemäß [1] erreicht, indem eine sogenannte Permeationsebene direkt auf den Chip aufgebracht wird. Die aus [1] bekannte Permeationsebene weist eine elektrisch leitfähige Schicht auf, die von einer porösen Schutzschicht umgeben ist. An die elektrisch leitfähige Schicht ist eine elektrische Spannung anlegbar.
  • Die in [1] beschriebene Biochip-Anordnung macht sich die Tatsache zunutze, dass viele Bio-Moleküle wie Proteine oder DNA elektrisch geladen sind. So sind bei Proteinen auf der Proteinoberfläche abhängig vom pH-Wert des umgebenden Mediums bestimmte Aminosäuren positiv, andere negativ geladen, so dass Proteine in der Summe entweder positiv oder negativ elektrisch geladen sein können. Auch DNA-Moleküle weisen bei physiologischen pH-Werten (pH6 bis pH9) regelmäßig eine negative elektrische Ladung auf (Polyanion).
  • Wird an eine sogenannte Permeationsschicht eine elektrische Spannung geeigneten Vorzeichens angelegt, so bewegen sich die Bio-Moleküle entsprechend ihrer elektrischen Ladung infolge Elektrophorese auf die Permeationsschicht zu, um sich in der direkten Umgebung der Permeationsschicht zu akkumulieren. Das Prinzip der Elektrophorese bei Bio-Molekülen ist beispielsweise in [2] oder [3] beschrieben. Wie bereits oben angesprochen, sind DNA-Moleküle in der Regel negativ geladen. Legt man an die Permeationsschicht eine positive Spannung an, so wird auf die DNA-Moleküle eine elektrisch anziehende Kraft ausgeübt, und die DNA-Moleküle werden sich in der Umgebung der Permeationsschicht ansammeln. Es findet daher eine Erhöhung der Konzentration der DNA-Halbstränge in der Nähe der Permeationsebene und daher in einem Umgebungsbereich der aktiven Sensorfläche statt. Infolge Diffusion gelangen die DNA-Halbstränge zu den Fängermolekülen. Aufgrund der erhöhten DNA-Konzentration verläuft die Hybridisierung infolge der an die Permeationsebene angelegten elektrischen Spannung nun schneller.
  • Das Aufkonzentrieren elektrisch neutraler Moleküle, die permanente oder induzierte elektrische Dipole aufweisen, ist durch Anlegen eines inhomogenen elektrischen Feldes erhöhbar, da auf elektrische Dipolmomente (und auf elektrische Multipolmomente höherer Ordnung) in inhomogenen elektrischen Feldern ebenfalls Kräfte einwirken. Dieses Prinzip wird als Dielektrophorese bezeichnet.
  • Allerdings ist zu betonen, dass DNA-Moleküle zersetzt werden können, wenn sie in direkten Kontakt mit freien Ladungsträgern an der Oberfläche einer Elektrode geraten, da dort lokal extreme pH-Werte vorliegen können. Daher können DNA-Moleküle und andere empfindliche Bio-Moleküle zerstört werden, wenn sie mit der elektrisch leitfähigen Schicht der Permeationsschicht in Kontakt geraten. Gemäß der aus [1] bekannten Biochip-Anordnung ist eine poröse Schutzschicht um die elektrisch leitfähige Kernschicht der Permeationsschicht vorgesehen. Diese poröse Schutzschicht um den elektrisch leitfähigen Kern der Permeationsschicht ist nur für kleine Moleküle und Ionen (z. B. H2O, NaCl) durchlässig, wohingegen Moleküle oberhalb einer vorgegebenen Größe die poröse Schutzschicht nicht durchdringen können. Daher können biologische Makromoleküle wie DNA-Halbstränge oder Proteine die poröse Schutzschicht nicht durchdringen, so dass die empfindlichen Bio-Moleküle mittels der porösen Schutzschicht vor einem direkten Kontakt mit der elektrisch leitfähigen Schicht der Permeationsschicht geschützt sind. Daher sind die Bio-Moleküle vor einer Zersetzung geschützt.
  • Auch die aus [1] bekannte Biochip-Anordnung ist mit einigen Nachteilen behaftet. So ist die Integration der Permeationsebene direkt auf dem Chip technologisch schwierig und aufwändig. Um ihre bestimmungsgemäße Funktion zu gewährleisten, muss eine ausreichend große Fläche des Chips mit der Permeationsschicht versehen sein. Dieser Flächenbedarf geht auf Kosten der aktive Sensorfläche. Daher ist die aktive Oberfläche, an denen Fängermoleküle immobilisiert werden können, durch das Vorhandensein der Permeationsschicht reduziert. Dies ist mit einem Verlust an Nachweissensitivität verbunden. Die Ansprechzeit, die bis zu einer Hybridisierung der nachzuweisenden Moleküle mit den Fängermolekülen abgewartet werden muss, wird dadurch erhöht.
  • Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Biochip- Anordnung mit einer erhöhten Nachweisempfindlichkeit zu schaffen.
  • Das Problem wird durch eine Biochip-Anordnung, eine Sensor- Anordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Biochip- Anordnung mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
  • Die Biochip-Anordnung der Erfindung weist ein Substrat und eine Mehrzahl von in oder auf dem Substrat angeordneten Sensoren auf. Jeder Sensor weist auf eine Elektrode, an die eine vorgebbare elektrische Spannung anlegbar ist, wobei mittels der elektrischen Spannung ein elektrisches Multipolmoment aufweisende Partikel in einem Umgebungsbereich der Elektrode angezogen oder abgestoßen werden, und eine Detektions-Einrichtung, die in dem Umgebungsbereich der Elektrode angeordnet ist, zum Anlagern und Erfassen von Partikeln. Die Biochip-Anordnung weist ferner eine mit den Elektroden der Sensoren gekoppelte Steuer-Einrichtung zum sequentiellen Anlegen der vorgebbaren elektrischen Spannungen an die Elektroden der Sensoren auf.
  • Im Folgenden wird anschaulich die Funktionalität der erfindungsgemäßen Biochip-Anordnung beschrieben. Grundgedanke ist es, ein elektrisches Multipolmoment aufweisende Partikel, die in sehr geringer Konzentration vorliegen, mittels der Biochip-Anordnung nachzuweisen. Unter einem elektrischen Multipolmoment wird im Weiteren entweder eine elektrische Ladung, ein permanentes oder induziertes elektrisches Dipolmoment, ein elektrisches Quadrupolmoment oder ein Multipolmoment einer höheren Entwicklungsordnung verstanden. Ein elektrisches Multipolmoment aufweisende Partikel weisen die Eigenschaft auf, in einem (homogenen bzw. inhomogenen) elektrischen Feld einer elektrischen Feldkraft ausgesetzt zu sein. Die Grundidee beim Erfassen von nachzuweisenden Partikeln mittels der Biochip-Anordnung besteht darin, eine erste Teilmenge der Partikel an einem ersten Sensor der Biochip-Anordnung anzulagern und zu erfassen, und dann sequentiell weitere Teilmengen der nachzuweisenden Partikel an weiteren Sensoren der Biochip-Anordnung anzulagern und zu erfassen, bis idealerweise alle nachzuweisenden Partikel an einem der Sensoren der Biochip-Anordnung angelagert sind. Hierzu ist eine Steuerung der zu erfassenden ein elektrisches Multipolmoment aufweisenden Partikel erforderlich.
  • Im Weiteren wird beschrieben, auf welche Weise die erste Teilmenge der nachzuweisenden Partikel an den ersten Sensor angelagert und erfasst werden kann. Hierzu ist an die Elektrode des ersten Sensors eine elektrische Spannung eines derartigen Vorzeichens anzulegen, dass aus der an der Elektrode des Sensors angelegten ersten elektrischen Spannung eine solche elektrische Feldkraft auf die nachzuweisenden Partikel resultiert, dass diese in einem Umgebungsbereich der Elektrode des ersten Sensors akkumuliert werden. Diese lokale Konzentrationserhöhung nachzuweisender Partikel in der Umgebung der Elektrode des ersten Sensors wird dadurch unterstützt, dass an die Elektroden der restlichen Sensoren jeweils eine elektrische Spannung eines solchen Vorzeichen angelegt wird, dass die aus dem Anlegen dieser Spannung resultierende elektrische Feldkraft auf nachzuweisende Partikel abstoßend ist. Dadurch wird die Konzentration in der Umgebung desjenigen Sensors, an dessen Detektions-Einrichtung ein erster Teil der nachzuweisenden Partikel angelagert und erfasst werden soll, weiter erhöht. Sollen beispielsweise DNA-Halbstränge nachgewiesen werden, die unter physiologischen Bedingungen regelmäßig eine negative elektrische Ladung aufweisen, so ist die elektrische Spannung an der Elektrode desjenigen Sensors, an dem der Nachweis erfolgen soll, mit einem positiven Vorzeichen zu wählen, wohingegen die an den Elektroden der restlichen Sensoren anliegende elektrische Spannung mit negativen Vorzeichen zu wählen ist. Die Detektions-Einrichtung desjenigen Sensors, an dem die erste Teilmenge der nachzuweisenden Partikel angelagert werden soll, ist derart eingerichtet, dass daran Partikel anlagerbar und erfassbar sind. Da die lokale Konzentration der nachzuweisenden Moleküle in einem Umgebungsbereich der Detektions-Einrichtung ausreichend groß ist, wenn die nachzuweisenden Moleküle in dem Analyten vorhanden sind, koppeln Partikel an diese Detektions- Einrichtung an. Anschließend können die an den Elektroden der Sensoren angelegten elektrischen Spannungen so eingestellt werden, dass eine Teilmenge der nicht an der Detektions- Einrichtung des ersten Sensors angelagerten und erfassten Partikel an der Detektions-Einrichtung eines zweiten Sensors, auf dem die gleichen Fängermoleküle immobilisiert sind, angelagert und erfasst werden. Das sukzessive Anlagern von Teilmengen nachzuweisender Partikel an Sensoren kann so lange fortgesetzt werden, bis alle anzulagernden und zu erfassenden Partikel an Detektions-Einrichtungen von Sensoren angelagert sind.
  • Anhand dieser anschaulichen Beschreibung der Funktionalität der Biochip-Anordnung der Erfindung lassen sich eine Anzahl von Vorteilen erkennen. Ein Vorteil besteht darin, dass mittels der erfindungsgemäßen Biochip-Anordnung eine lokale Erhöhung der Konzentration nachzuweisender Partikel nicht nur mittels einer anziehenden elektrischen Kraft erreicht wird, sondern darüber hinaus flankierend mittels einer abstoßenden elektrischen Kraft von benachbarten Sensoren unterstützt wird. Dadurch können selbst die in der Biochemie üblichen sehr geringen Konzentrationen von Partikeln ausreichen, um mittels der erfindungsgemäßen Biochip-Anordnung nachgewiesen und quantifiziert werden zu können. Die Nachweisempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Biochip- Anordnung ist daher verbessert und die Ansprechzeit ist herabgesetzt.
  • Es ist ein weiterer Vorteil der Biochip-Anordnung der Erfindung, dass die Konzentrationserhöhung nachzuweisender Partikel sehr stark in dem Umgebungsbereich eines jeweils ausgewählten Sensors lokalisiert ist. Dagegen erfolgt bei der aus [1] bekannten Biochip-Anordnung die Konzentrationserhöhung mittels der elektrisch geladenen Permeationsebene derart, dass die Konzentration nachzuweisender Partikel in der Umgebung der gesamten Sensorebene erhöht wurde. Erfindungsgemäß ist die Konzentrationserhöhung der nachzuweisenden Partikel auf einen räumlich eng begrenzten Umgebungsbereich eines einzigen Sensors beschränkt. Dadurch ist die Konzentrationserhöhung in der Umgebung eines bestimmten Sensors besonders hoch, was durch die abstoßenden elektrischen Kräfte in den Umgebungsbereichen der anderen Sensoren noch verstärkt wird. Infolge dieser räumlich stark lokalisierten Konzentrationserhöhung ist die Nachweisempfindlichkeit der Biochip-Anordnung erhöht und die Ansprechzeit verbessert.
  • Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass die Detektions-Einrichtungen der Sensoren derart eingerichtet sind, dass an jedem Sensor nur eine im Wesentlichen vorgebbare Menge von Partikeln erfassbar ist. Diese vorgebbare Menge von Partikeln, die von der Detektions- Einrichtung eines Sensors erfassbar ist, ist vorzugsweise wesentlich kleiner als die Gesamtmenge nachzuweisender Partikel in einer zu untersuchenden Flüssigkeit. Dadurch ist realisiert, dass an der Detektions-Einrichtung eines Sensors die vorgebbare Menge von Partikeln anlagerbar ist und dadurch eine annähernd 100%ige Sättigung des Sensors herbeiführbar ist. Mit anderen Worten ist ein Sensor idealerweise entweder zu 0% oder zu 100% gesättigt. 100% bedeutet, dass den Versuchsbedingungen entsprechend maximal viel Moleküle gebunden haben. Dies führt zu einer sehr großen relativen Änderung von denjenigen Eigenschaften eines Sensors, die Gegenstand der Detektion sind (beispielsweise elektrische oder optische Eigenschaften), was mit einer erhöhten Nachweisempfindlichkeit einher geht. Mit anderen Worten ist an einer ersten Mehrzahl von Sensoren jeweils die im Wesentlichen vorgebbare Menge von Partikeln angelagert und erfasst, wohingegen eine zweite Mehrzahl der Sensoren frei von nachzuweisenden Partikeln ist, was ebenfalls erfassbar ist. Die erste Mehrzahl von Sensoren weist stark veränderte elektrische bzw. optische Eigenschaften gegenüber dem Ausgangszustand auf, wohingegen die zweite Mehrzahl von Sensoren im Wesentlichen unveränderte Eigenschaften gegenüber dem Ausgangszustand aufweist. Durch sukzessives Auslesen der einzelnen Sensoren ist deren Belegung beispielsweise mittels einer robusten Schwellwertlogik feststellbar. Dadurch ist die Anzahl der in der zu untersuchenden Flüssigkeit befindlichen nachzuweisenden Moleküle, und damit die Konzentration nachzuweisender Partikel in kleinen Einheiten direkt quantisierbar. Dadurch ist eine einfache, fehlerrobuste und sehr genaue Konzentrationsbestimmung nachzuweisender Partikel selbst dann möglich, wenn diese Konzentration sehr gering ist. Hierzu ist im Wesentlichen bloß die Anzahl der mit nachzuweisenden Partikeln belegten Sensoren abzuzählen.
  • Wie oben angesprochen, sind die Sensoren vorzugsweise in dem Substrat integriert. Dadurch ist erfindungsgemäß sichergestellt, dass bei der Biochip-Anordnung die Vorteile der herkömmlichen Silizium-Mikroelektronik nutzbar sind. Durch den hohen Grad der Integration ist eine Ankoppelung an eine mikroelektronische Schaltung möglich. Der hohe Grad an Integration bringt eine hohe Messgenauigkeit und einen hohen Grad an Miniaturisierung mit sich, da auf die Vorteile der ausgereiften Silizium-Mikroelektronik zurückgegriffen werden kann.
  • Das Substrat der Biochip-Anordnung ist vorzugsweise ein Halbleiter-Substrat, insbesondere ein Silizium-Wafer, ein Glas-Substrat, ein Keramik-Substrat oder ein Kunststoff- Substrat. Ist das Substrat ein Silizium-Wafer, so sind die oben angesprochenen Vorteile der Ankoppelbarkeit an eine herkömmliche Silizium-Mikroelektronik nutzbar. Vorzugsweise wird zur Herstellung des Sensors ein Prozess der Halbleitertechnologie wie beispielsweise ein CMOS-Prozess auf Silizium-Basis benutzt. Ist das Substrat ein Silizium-Wafer, so kann auch die mit den Elektroden der Sensoren gekoppelte Steuer-Einrichtung zum sequentiellen Anlegen der vorgebbaren elektrischen Spannungen an die Elektroden der Sensoren in dem Substrat integriert sein. Mit anderen Worten kann der Chip zumindest teilweise die Steuer- und Messelektronik enthalten. Dies bewirkt, dass die Biochip-Anordnung der Erfindung klein und somit platzsparend dimensionierbar ist und wenig aufwändig und somit kostengünstig herstellbar ist.
  • Zumindest eine der Elektroden und/oder der Detektions- Einrichtungen ist vorzugsweise aus einem im Wesentlichen chemisch inerten Material wie Gold und/oder Platin hergestellt. Aufgrund der Verwendung eines chemisch inerten Materials ist sichergestellt, dass die Elektroden bzw. die Detektions-Einrichtungen der Sensoren vor einer negativen Beeinflussung durch eine möglicherweise chemisch aggressive, nachzuweisende Partikel aufweisende Elektrolytlösung geschützt ist. Dadurch ist die Lebensdauer der Biochip- Anordnung erhöht und die Biochip-Anordnung ausreichend robust, um für den Betrieb im Labor geeignet zu sein.
  • Zumindest eine der Detektions-Einrichtungen der Sensoren kann zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt sein. Zudem kann die Oberfläche zumindest einer der Elektroden und/oder zumindest einer der Detektions- Einrichtungen zumindest teilweise von einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben sein. Wie oben angesprochen, können empfindliche Biomoleküle wie Proteine oder DNA- Halbstränge durch freie elektrische Ladungsträger, wie sie an metallischen Oberflächen von Elektroden auftreten, zerstört werden. Dieses Zerstören ist erfindungsgemäß vermieden, indem die Oberfläche zumindest einer der Elektroden und/oder zumindest einer der Detektions-Einrichtungen zumindest teilweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben ist. Die elektrisch isolierende Schicht kann beispielsweise für kleine Moleküle des Elektrolyten wie Natrium-Ionen, Chlor-Ionen oder Wasser-Moleküle durchlässig sein, wohingegen die elektrisch isolierende Schicht für empfindliche biologische Makromoleküle wie Proteine oder DNA-Halbstränge undurchlässig ist. Dadurch ist einerseits eine Zerstörung der Biomoleküle vermieden und andererseits steht dadurch der Analyt in direktem elektrischen Kontakt mit den Elektroden zur Erzeugung des elektrischen Feldes. Letzteres ist erforderlich, da anderenfalls aufgrund der großen Dielektrizitätskonstante von Wasser und aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit von Wasser, eines Lösungsmittels bzw. eines Elektrolyten, das elektrische Feld innerhalb der wässrigen Lösung des Analyten nicht ausreichend groß wäre. Die elektrisch isolierende Schicht ist vorzugsweise aus Siliziumnitrid und/oder Siliziumdioxid und/oder Aluminiumoxid und/oder Titanoxid hergestellt.
  • Vorzugsweise bilden bei mindestens einem Sensor der Biochip- Anordnung die Elektrode und die Detektions-Einrichtung eine gemeinsame Detektions-Elektrode. Mit anderen Worten können die Elektrode, an die eine elektrische Spannung anlegbar ist, und die Detektions-Elektrode, an der nachzuweisende Partikel anlagerbar und erfassbar sind, zu einem gemeinsamen Bauelement vereinigt sein. Eine derartige Detektions- Elektrode ist derart eingerichtet, dass daran einerseits eine elektrische Spannung anlegbar ist, andererseits an deren Oberfläche Partikel anlagerbar sind und ein für dieses Anlagern charakteristisches Signal erfassbar ist. Indem bei mindestens einem Sensor der Biochip-Anordnung die Elektrode und die Detektions-Einrichtung zu einer gemeinsamen Detektions-Elektrode zusammengefasst sind, ist Platz eingespart, wodurch die Integrationsdichte der Sensoren auf der Biochip-Anordnung erhöht ist. Dadurch ist auch die Ansprechzeit herabgesetzt, die Nachweisempfindlichkeit erhöht und die Größe des Biosensor-Chips erniedrigt.
  • Vorzugsweise sind auf einem Oberflächenbereich der Detektions-Einrichtungen Fängermoleküle immobilisiert, wobei die Fängermoleküle derart eingerichtet sind, dass an jedes der Fängermoleküle ein zu dem Fängermolekül komplementärer, zu erfassender Partikel anlagerbar ist. Die Fängermoleküle und/oder die nachzuweisenden Partikel können beispielsweise Nukleinsäuren wie DNA oder RNA, Peptide, Polypeptide, Proteine oder niedermolekulare Verbindungen (chemische Verbindungen mit molekularen Massen von weniger als ungefähr 1700 Dalton, d. h. Molekularmasse in Gramm pro Mol) sein.
  • Anschaulich ist eine zumindest in einem Toleranzbereich bekannte und daher im Wesentlichen vorgebbare Menge von Fängermolekülen auf einem Oberflächenbereich der Detektions- Einrichtung immobilisierbar. Das heißt, die Fängermoleküle werden auf der Oberfläche der Detektions-Einrichtung dauerhaft fixiert.
  • Das Immobilisieren kann mittels Mikrodispensierung realisiert sein. Als besonders geeignetes Materialpaar für die Ankopplung von Fängermolekülen auf Oberflächen wird die sogenannte Gold-Thiol-Kopplung verwendet. Thiol-Endgruppen (SH-Gruppen) von biologischen Molekülen koppeln dabei an Gold-Oberflächen an. Jedes der Fängermoleküle ist derart eingerichtet, dass ein zu dem Fängermolekül komplementäres nachzuweisendes Molekül mit dem Fängermolekül hybridisieren kann, d. h. an dieses Fängermolekül ankoppeln kann.
  • Die Menge der mittels einer Detektions-Einrichtung erfassbaren Partikel ist gleich der Anzahl der auf der Oberfläche der Detektions-Einrichtung immobilisierten, bindungsbereiten Fängermoleküle. Beim Erfassen von nachzuweisenden Partikeln wird eine, diese nachzuweisenden Partikel gegebenenfalls aufweisende, zu untersuchende Flüssigkeit mit dem Fängermolekülen an der Oberfläche der Detektions-Einrichtungen in Wirkkontakt gebracht.
  • Infolge der an die Elektroden angelegten Spannungen ist die Konzentration nachzuweisender Partikel in einem Umgebungsbereich der Elektrode eines Sensors erhöht. Nachzuweisende Partikel hybridisieren dann mit den an der Detektions-Einrichtung eines Sensors immobilisierten Fängermolekülen, falls die Fängermoleküle zu den nachzuweisenden Partikeln komplementär sind. Die Anzahl der Fängermoleküle, die an der Detektions-Einrichtung eines Sensors immobilisiert sind, ist üblicherweise wesentlich kleiner als die Anzahl der nachzuweisenden Moleküle, sodass der Sensor mit nachzuweisenden Molekülen gesättigt wird.
  • Ein Sensor ist gesättigt, wenn idealerweise alle Fängermoleküle dieses Sensors mit komplementären nachzuweisenden Molekülen hybridisiert haben. Die restlichen, mit dem ersten Sensor nicht hybridisierten nachzuweisenden Moleküle können dann an den Fängermolekülen der Detektions- Einrichtungen der restlichen Sensoren hybridisieren, wenn die Spannungen an den Elektroden der Sensoren geeignet gewählt sind.
  • Unter der Annahme, dass die Besetzungsdichte der Detektions- Einrichtungen mit Fängermolekülen für unterschiedliche Sensoren konstant ist, ergibt sich bei gleichen mit Fängermolekülen belegten Flächen von Detektions-Einrichtungen der Sensoren eine im Rahmen statistischer Schwankungen konstante Anzahl von immobilisierten Fängermolekülen pro Sensor. Die Anzahl der an einem Sensor maximal anlagerbaren DNA-Moleküle weist somit idealerweise für unterschiedliche Sensoren einen konstanten Wert auf. Dadurch ist die Anzahl der mit Fängermolekülen belegten Sensoren ein Maß für die Anzahl der nachzuweisenden Partikel in der zu untersuchenden Flüssigkeit und damit ein Maß für die Konzentration der nachzuweisenden Partikel in der zu untersuchenden Flüssigkeit. Dies ermöglicht die Konzentrationsbestimmung nachzuweisender Moleküle in einer zu untersuchenden Flüssigkeit durch Abzählen der Anzahl von denjenigen Sensoren, deren Fängermoleküle mit nachzuweisenden Partikeln hybridisiert haben.
  • Jedoch können die Detektions-Einrichtungen der Sensoren der Biochip-Anordnung auch derart eingerichtet sein, dass die mit Fängermolekülen versehenen Oberflächenbereiche der Detektions-Einrichtungen bei unterschiedlichen Sensoren unterschiedlich groß sind. Mit anderen Worten kann die mit Fängermolekülen belegte Fläche der Detektions-Einrichtungen bei unterschiedlichen Sensoren unterschiedlich groß sein, beispielsweise kann sie kann mit beliebigen vorgebbaren Faktoren gewichtet sein. Da diejenigen Flächen der Detektions-Einrichtungen, an denen Fängermoleküle immobilisiert sind und an denen folglich nachzuweisende Partikel anlagerbar und erfassbar sind, ein Maß für die Anzahl der maximal anlagerbaren nachzuweisenden Partikel darstellt, ergibt sich in diesem Fall eine nichtlineare Quantisierung der an den Detektions-Einrichtungen unterschiedlicher Sensoren ankoppelbaren und erfassbaren nachzuweisenden Partikeln. Mit anderen Worten ist die Anzahl der Partikel, die an den unterschiedlichen Sensoren ankoppelbar und erfassbar sind, unterschiedlich groß. Dadurch kann unter Umständen eine Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit erreicht werden. So kann beispielsweise die mit Fängermolekülen belegte Fläche der Detektions-Einrichtung eines ersten Sensors derart vorgesehen sein, dass daran eine große Anzahl nachzuweisender Partikel ankoppelbar ist. Bei den im weiteren Vorgehen ausgewählten Sensoren können dann beispielsweise eine sukzessive abnehmende Zahl von Fängermolekülen an den Detektions- Einrichtungen immobilisiert sein. Auf diese Weise kann eine sukzessive Verfeinerung der Messgenauigkeit von Sensor zu Sensor realisiert werden.
  • Vorzugsweise weisen mittels der Biochip-Anordnung erfassbare Partikel oder immobilisierte Fängermoleküle einen Fluoreszenzmarker auf, wobei der Fluoreszenzmarker derart eingerichtet ist, dass der Fluoreszenzmarker nach Absorption von elektromagnetischer Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs elektromagnetische Fluoreszenzstrahlung eines zweiten, von dem ersten Wellenlängenbereich zumindest teilweise verschiedenen Wellenlängenbereichs emittiert, und wobei die Detektions-Einrichtungen derart eingerichtet sind, dass das Anlagern von Partikeln an den Detektions- Einrichtungen mittels Erfassen der elektromagnetischen Fluoreszenzstrahlung nachgewiesen und ausgewertet wird.
  • Wie oben ausgeführt, kann ein Hybridisierungsereignis an der Oberfläche der Detektions-Einrichtung eines Sensors dadurch nachgewiesen werden, dass elektromagnetische Fluoreszenzstrahlung mit einem nachzuweisenden Partikel gekoppelten Fluoreszenzmarker detektiert wird. Fluoreszenzmarker wie beispielsweise Coumann sind über sogenannte Linker-Moleküle an biologische Makromoleküle ankoppelbar. Derartige Fluoreszenzmarker sind durch elektromagnetische Strahlung eines bestimmten Wellenlängenbereiches in einen elektronischen Anregungszustand versetzbar. In diesem elektronischen Anregungszustand befindliche Fluoreszenzmarker gehen unter Emission von elektromagnetischer Fluoreszenzstrahlung eines charakteristischen Wellenlängenbereichs in ihren elektronischen Grundzustand über. Die Fluoreszenzstrahlung ist langwelliger als die elektromagnetische Strahlung des anregenden Primärlichts. Dadurch ist eine spektroskopische Trennung des Primärlichts von dem Fluoreszenzlicht möglich. Mittels Messung der Intensität des Fluoreszenzlichtes, das von den Fluoreszenzmarkern an den nachzuweisenden Partikeln abgestrahlt wird, welche nachzuweisenden Partikel mit an der Oberfläche der Detektions-Einrichtung eines Sensors immobilisierten Fängermolekülen hybridisiert haben, ist eine Bestimmung der Konzentration der nachzuweisenden Partikel möglich. In diesem Fall werden die Hybridisierungsereignisse optisch detektiert.
  • Alternativ oder ergänzend zu dem oben beschriebenen optischen Auslesen von Sensoren ist auch elektrisches Auslesen von den Sensoren möglich. Hierbei sind die Detektions-Einrichtungen derart eingerichtet, dass das Anlagern von Partikeln an den Detektions-Einrichtungen mittels Erfassen eines elektrischen Signals nachgewiesen und ausgewertet wird. Das elektrische Erfassen eines Hybridisierungsereignisses, das zwischen Fängermolekülen an der Oberfläche der Detektions-Einrichtung eines Sensors und nachzuweisenden Partikeln erfolgt ist, ist weiter oben genauer beschrieben. Beispielsweise ändert sich der Wert der Kapazität zweier als Elektroden fungierenden Detektions-Einrichtungen, wenn an der Oberfläche der Detektions-Einrichtungen (d. h. genauer gesagt an den dort immobilisierten Fängermolekülen) nachzuweisende Moleküle angelagert sind. Neben einer solchen Kapazitätsmessung existieren andere elektrische Messverfahren, die auf anderen physikalisch-chemischen Parametern beruhen und die zum Nachweis eines Hybridisierungsereignisses herangezogen werden können (beispielsweise Impedanzmethode, Conductometrie, Potentiometrie, Redoxrecycling).
  • Im Weiteren werden geometrische Ausgestaltungen der Biochip- Anordnung erläutert. Zum einen ist darauf abzustellen, wie innerhalb eines Sensors der Biochip-Anordnung die Detektions- Einrichtung einerseits und die Elektrode andererseits zueinander geometrisch angeordnet sind, bzw. welche geometrischen Formen die Detektions-Einrichtung und/oder die Elektrode aufweisen. Andererseits ist darauf abzustellen, wie die unterschiedlichen Sensoren der Biochip-Anordnung zueinander geometrisch angeordnet sind.
  • Bei der Biochip-Anordnung kann bei mindestens einem Sensor die Detektions-Einrichtung von der Elektrode oder die Elektrode von der Detektions-Einrichtung in mindestens zwei Dimensionen vollständig umgeben sein.
  • So kann beispielsweise die Elektrode als Kreiszylinder ausgestaltet sein und die Detektions-Einrichtung als um diesen Kreiszylinder herum angeordneter Kreiszylindermantel ausgestaltet sein. Umgekehrt kann auch die Detektions- Einrichtung als Kreiszylinder ausgestaltet sein und die Elektrode als um diesen Kreiszylinder herum angeordneter Kreiszylindermantel ausgestaltet sein. Ebenfalls ist denkbar, dass die Detektions-Einrichtung im Wesentlichen als Rechteck ausgestaltet ist und die Elektrode als um dieses Rechteck, vorzugsweise konzentrisch, herum angeordneter Rahmen ausgestaltet ist. Gemäß einer anderen denkbaren Geometrie ist die Detektions-Einrichtung im Wesentlichen als Rechteck ausgestaltet und die Elektrode als darum angeordneter Kreisring ausgestaltet. Eine andere beispielhafte Ausgestaltung ist darin zu sehen, dass sowohl die Detektions- Einrichtung als auch die Elektrode beide als Kreisringe mit unterschiedlichen inneren und äußeren Radien eingerichtet sind.
  • Unterschiedliche Sensoren können in mindestens zwei Dimensionen im Wesentlichen konzentrisch umeinander herum im Wesentlichen kreisförmig, im Wesentlichen hohlkugelförmig, im Wesentlichen rechteckförmig, im Wesentlichen zylinderförmig oder im Wesentlichen hohlwürfelförmig zueinander bzw. umeinander herum angeordnet sein. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die unterschiedlichen Sensoren also konzentrische Hohlzylinder, die umeinander angeordnet sind. Die unterschiedlichen Sensoren können allerdings auch ineinander geschachtelte Hohlkugeln mit einem gemeinsamen Kugelschwerpunkt sein.
  • Vorzugsweise können bei der Biochip-Anordnung der Erfindung bei mindestens einem Sensor die Detektions-Einrichtung und die Elektrode nebeneinander angeordnet sein. In diesem Falle können Detektions-Einrichtung und Elektrode beide im Wesentlichen rechteckförmig ausgestaltet sein.
  • Unterschiedliche Sensoren können in mindestens einer Dimension nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sein. So können unterschiedliche Sensoren entlang einer Reihe angeordnet sein. Ebenfalls können unterschiedliche Sensoren in zwei Dimensionen im Wesentlichen matrixförmig angeordnet sein, d. h. dass jedem Sensor wäre in diesem Fall eine Zeilenzahl und eine Spaltenzahl zuzuordnen. Ebenfalls ist denkbar, dass die Sensoren in drei Dimensionen angeordnet sind, wodurch beispielsweise eine im Wesentlichen würfelförmige Biochip-Anordnung, die aus einer Mehrzahl ineinander angeordneter Hohlwürfel (den Sensoren) aufgebaut ist, ausgebildet ist.
  • Von der Art und Weise, wie die Detektions-Einrichtung bezüglich der Elektrode geometrisch angeordnet ist, sind auch die elektrischen Feldeigenschaften des zugehörigen Sensors abhängig. Mit anderen Worten ist die Stärke und die Ortsabhängigkeit des elektrischen Feldes, das durch Anlegen einer elektrischen Spannung an eine Elektrode ausgebildet wird, von der Geometrie der Elektrode abhängig. Die auf die nachzuweisenden Partikel einwirkenden elektrischen Feldkräfte sind ferner von der Anordnung der Detektions-Einrichtung bezüglich der Elektrode abhängig. Folglich ist die Funktionalität und die Betreibbarkeit der Biochip-Anordnung davon abhängig, wie die einzelnen Sensoren der Biochip- Anordnung zueinander angeordnet sind. Um die Abhängigkeiten zu verstehen, werden im Folgenden für verschiedene Elektrodengeometrien die Ortsabhängigkeiten der resultierenden elektrischen Felder und der Konzentration nachzuweisender Partikel berechnet und daraus für die Geometrie der Sensoren technische Schlussfolgerungen gezogen.
  • Bei der Elektrophorese bzw. bei der Dielektrophorese sind zwei voneinander unabhängige, konkurrierende Prozesse zu beachten. Zum einen führen die nachzuweisenden Moleküle in der zu untersuchenden Flüssigkeit Diffusion mit der Tendenz aus, eine Gleichverteilung der nachzuweisenden Moleküle innerhalb der Lösung herbeizuführen. Der Diffusion, die das Bestreben hat, die Unordnung in einer Flüssigkeit zu erhöhen, wirkt eine ordnende elektrische Kraft auf geladene Teilchen in der Flüssigkeit bzw. auf permanente und/oder induzierte Dipolmomente von Makromolekülen entgegen. Auf elektrische Ladungen wirkt selbst in einem homogenen elektrischen Feld eine elektrische Kraft ein, die eine Translation der elektrisch geladenen Teilchen bewirkt. Dagegen wirkt eine translatorische elektrische Kraft auf permanente bzw. induzierte elektrische Dipolmomente nur dann ein, wenn das elektrische Feld inhomogen ist, d. h. eine Ortsabhängigkeit aufweist. Es sei hinzugefügt, dass für die folgenden Betrachtungen der Einfluss des Schwerefeldes (also der Gravitationskraft) vernachlässigt ist.
  • Die elektrische Kraft F auf ein Teilchen mit der Ladung q, dem permanenten Dipolmoment m und einer Polarisierbarkeit α im elektrischen Feld E beträgt:

    F = (q + (m + αE) ≙)E (1)

  • Dabei ist ≙ der Nabla-Operator. Dieser elektrischen Kraft wirkt die laminare Reibungskraft des bewegten Makromoleküls in der zu untersuchenden Flüssigkeit entgegen. Die Trägheitskraft sowie die Gravitationskraft sind hier vernachlässigt. Für ein kugelförmiges Teilchen mit dem Radius R hat die stokessche Reibungskraft G die Form:

    G = 6πηRv (2)

  • Dabei steht η für die Viskosität des umgebenden Mediums und v für die Geschwindigkeit des Teilchens im Feld, π ist die Kreiszahl. Nach Einschalten des elektrischen Feldes stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der elektrischen Kraft und der stokesschen Reibungskraft ein, sodass sich eine Driftgeschwindigkeit v ergibt:

    v = (q + (m + αE) ≙)E/6πηR (3)

  • Für den Teilchenfluss durch eine beliebige Fläche gilt im Gleichgewicht von elektrischer Kraft und Diffusion:

    -D ≙c = cv (4)

  • Dabei steht c für die Konzentration der nachzuweisenden Partikel im Lösungsmittel, und D ist die Diffusionskonstante. Die Diffusionskonstante D hängt in folgender Weise mit der Viskosität η der Lösung zusammen:

    D = kBT/(6πηR) (5)

  • Dabei ist kB die Boltzmann-Konstante und T die absolute Temperatur. Nach einfacher Umformung ergibt sich folgende Differentialgleichung für die räumliche Konzentrationsverteilung c:

    ≙c = -(q + (m + αE) ≙)E/(kBT)c (6)

  • Im Folgenden soll das sich einstellende Konzentrationsprofil in Abhängigkeit von den Eigenschaften der nachzuweisenden Partikel und der Geometrie der Elektroden der Sensoren berechnet werden. Zum Zwecke der Vereinfachung wird im Folgenden lediglich auf den Fall elektrisch geladener Teilchen Bezug genommen, da die Wirkung eines inhomogenen elektrischen Feldes auf permanente bzw. induzierte Dipole um mehrere Größenordnungen schwächer ist als die Wirkung des elektrischen Feldes auf geladene Teilchen. Auch sind praktisch wichtige Beispiele für nachzuweisende Partikel häufig elektrisch geladen. Wie oben ausgeführt, sind DNA- Halbstränge unter physiologischen pH-Werten üblicherweise negativ geladen (polyanionischer Charakter) und auch Proteine weisen an ihrer Oberfläche elektrisch geladene Aminosäuren auf.
  • Als erster Spezialfall wird die Differentialgleichung (6) für den Fall eines homogenen elektrischen Feldes gelöst. Ist das elektrische Feld von zweier voneinander in einem Abstand d parallel zueinander angeordneten flächigen Elektroden erzeugt, zwischen denen eine elektrische Spannung U angelegt ist, so resultiert zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld E

    E = U/de (7)

  • Dabei ist e ein Einheitsvektor, der auf beiden Elektrodenflächen senkrecht steht. In diesem Fall vereinfacht sich die Differentialgleichung (6) zu

    (d/dx)c = -qU/(kBTd)c (8)
  • Eine Lösung dieser Differenzialgleichung führt auf folgenden Ausdruck für die Ortsabhängigkeit (Ort x) der Konzentration:

    c(x) = c0exp(-qU/(kBTd)x) (9)
  • Die Konzentration der nachzuweisenden Partikel nimmt Gleichung (9) zufolge exponentiell mit zunehmendem Abstand x von der einen Elektrodenfläche ab.
  • Die Abstandsabhängigkeit der Partikelkonzentration für den Fall eines homogenen elektrischen Feldes ist in dem in Fig. 2 gezeigten Diagramm 200 als Kurve 201 eingezeichnet. Aus der doppelt logarithmischen Darstellung in Fig. 2 ist ersichtlich, dass im Falle eines homogenen elektrischen Feldes die Konzentration nachzuweisender Partikel in unmittelbarer Nähe der Elektroden deutlich erhöht ist, und mit zunehmenden Abstand zur Elektrodenoberfläche abfällt.
  • Im Weiteren soll die Abstandsabhängigkeit der Konzentration nachzuweisender Partikel für den Fall eines zylindersymmetrischen elektrischen Feldes diskutiert werden. Ein zylindersymmetrisches elektrisches Feld wird durch einen Zylinderkondensator ausgebildet, d. h. zwei konzentrische Hohlzylinder mit Radien r1 bzw. r2. Das elektrische Feld in Abhängigkeit des Abstands r von der gemeinsamen Zylinderachse ergibt sich in diesem Falle zu

    E(r) = U/(rln(r2/r1))er (10)

  • Dabei ist U die zwischen die zylindrischen Kondensatorelektroden angelegte Spannung und er ein radial nach außen gerichteter Einheitsvektor. Setzt man die Feldabhängigkeit (10) in Differentialgleichung (6) ein, so ist keine allgemeine analytische Lösung der Differenzialgleichung angebbar. Für den Spezialfall eines elektrisch geladenen Partikels (Ladung q) ohne permanentes bzw. induziertes elektrisches Dipolmoment (m = 0, α = 0) ergibt sich die folgende Lösung für die Abstandsabhängigkeit der Konzentration

    c(r) = c0(r/r)^(qUln(r1/r2)/kBT)) (11)

  • Wie Gleichung (11) zeigt, ist die Abstandsabhängigkeit der Konzentration nachzuweisender Teilchen im Falle von Elektroden mit zylindrischer Geometrie eine Potenzfunktion. Diese Abstandsabhängigkeit ist in dem Diagramm 200 von Fig. 2 als Kurve 202 gezeigt. Wie schon im Fall eines homogenen Feldes ist die Konzentration nachzuweisender Partikel in der direkten Umgebung einer Elektrode erhöht und fällt dann mit zunehmenden Abstand rasch ab. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Konzentrationserhöhung bei der Kurve 202 in unmittelbarer Nähe der Elektrode größer als im Falle eines homogenen elektrischen Feldes, das der Kurve 201 zugeordnet ist. Dies bedeutet, dass eine zylindrische Geometrie für die Aufkonzentrierung nachzuweisender Partikel noch besser geeignet ist als ein homogenes elektrisches Feld.
  • Als drittes Beispiel soll im Weiteren die Abhängigkeit der Konzentration nachzuweisender geladener Partikel von dem Abstand zu einer Elektrode für kugelsymmetrische Geometrie berechnet werden. Eine Vorrichtung zum Erzeugen eines kugelsymmetrischen elektrischen Feldes kann durch eine geladene Kugel realisiert sein. Wie die Lösung der Maxwell- Gleichungen zeigt, gehorcht die Abstandsabhängigkeit des elektrischen Feldes in einem Abstand r zum Kugelmittelpunkt dem Ausdruck

    E(r) = r0U/r2er (12)

  • Dabei ist r0 der Radius der Kugel, U die anliegende Spannung und er ein radial nach außen gerichteter Einheitsvektor. Der angegebene Ausdruck gilt für Abstände r größer r0, das heißt außerhalb der Kugel. Auch mit diesem Ausdruck für die Ortsabhängigkeit des elektrischen Feldes ist es nicht möglich, die Differentialgleichung (6) analytisch zu lösen. Für den Spezialfall eines geladenen Teilchens (Ladung q) ohne permanentes bzw. induziertes elektrisches Dipolmoment (m = 0, α = 0) ergibt sich folgende Lösung:

    c(r) = c0exp(-|qU|(r0/r - 1)/kBT) (13)

  • Auch für den Fall eines kugelsymmetrischen elektrischen Feldes ergibt sich eine exponentielle Ortsabhängigkeit der Konzentration, was durch die Kurve 203 in der doppeltlogarithmischen Darstellung des Diagramms 200 von Fig. 2 gezeigt ist. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist im Falle kugelsymmetrischer Geometrie ebenfalls die Konzentration nachzuweisender Partikel für geringe Abstände von der Elektrodenoberfläche stark erhöht, für größere Abstände fällt diese Konzentration dann sehr rasch ab.
  • Wie mit den Kurven 201, 202, 203 in Fig. 2 gezeigt, kann durch Anlegen einer Spannung zwischen zwei Elektroden sowohl für den Fall eines homogenen elektrischen Feldes als auch für den Fall einer zylindrischen Geometrie als auch für den Fall einer kugelsymmetrischen Geometrie in der direkten Umgebung einer Elektrode eine Konzentrationserhöhung geladener nachzuweisender Partikel erreicht werden. Wie die obigen quantitativen Ausdrucke zeigen, hängt die Stärke der Konzentrationserhöhung von der Elektrodengeometrie, den elektrischen Eigenschaften der nachzuweisenden Partikel, von den Eigenschaften des Lösungsmittels sowie von der angelegten Spannung ab. Sind in den Bereichen, in denen die Konzentration der nachzuweisenden Partikel infolge einer elektrischen Kraft deutlich erhöht sind, mit Fängermolekülen besetzte Detektions-Einrichtungen angeordnet, so kann die Aufkonzentrierung der nachzuweisenden Moleküle dazu genutzt werden, Hybridisierungsereignisse zwischen nachzuweisenden Partikeln und Fängermolekülen an der Oberfläche der Detektions-Einrichtungen herbeizuführen, sofern die nachzuweisenden Partikel und die Fängermoleküle komplementär zueinander sind. Dadurch kann die Messung von Hybridisierungsereignissen und damit die Bestimmung der Konzentration der zu erfassenden Partikel vorteilhafterweise beschleunigt werden. Wie in Fig. 2 gezeigt, kann durch Verwendung einer zylindersymmetrischen oder kugelsymmetrischen Anordnung von Elektroden die Erhöhung der Konzentration verglichen mit dem Fall eines homogenen elektrischen Feldes noch weiter deutlich verbessert werden. Dies ist vorteilhaft und führt zu einer Erhöhung der Nachweissensitivität sowie zu einer Herabsetzung der Ansprechzeit des Biosensor-Chips.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass die in Fig. 2 gezeigten Kurven 201, 202, 203 für die Abstandsabhängigkeit der Konzentration nachzuweisender Partikel von dem Abstand zur Elektrodenoberfläche für typische Werte eines hochintegrierten Systems (d = 1 µm, r0 = 1 µm, r1 = 1 µm, r2 = 2 µm) gerechnet sind. Als Ausgangskonzentration nachzuweisender Partikel ist ein Wert c0 = 1 pM gewählt. Kurve 204 in Fig. 2 entspricht dem Fall, dass keinerlei elektrische Kraft auf die Partikel einwirkt, d. h. dass an die Elektroden keine elektrische Spannung angelegt ist (Fall eines verschwindenden elektrischen Feldes). In diesem Fall ist die Konzentration der nachzuweisenden Partikel ortsunabhängig c0 = 1 pM. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist abhängig von der gewählten Geometrie eine lokale Konzentrationserhöhung um etwa drei Größenordnungen und mehr möglich. Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass die in Fig. 2 gezeigten Kurven für eine Temperatur von 37°C (d. h. für eine physiologische Temperatur) und für eine Ladungszahl nachzuweisender Partikel von q = 20 berechnet sind. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, ist für alle drei untersuchten Geometrien die Konzentration in einem Abstand von ungefähr 10 nm von der Elektrode auf den ursprünglichen Wert von 1 pM abgefallen.
  • Für die beschriebene Biochip-Anordnung hat dies die Konsequenz, dass eine im Wesentlichen kreisförmige, im Wesentlichen hohlkugelförmige, im Wesentlichen rechteckförmige, im Wesentlichen zylinderförmige und/oder im Wesentlichen hohlwürfelförmige, vorzugsweise im Wesentlichen konzentrische Anordnung der unterschiedlichen Sensoren zueinander besonders vorteilhaft ist, da dadurch eine besonders starke Konzentrationserhöhung nachzuweisender Partikel in einem Umgebungsbereich der Elektroden und daher auch der in dem Umgebungsbereich der Elektroden angeordneten Detektions-Einrichtungen erfolgt. Dadurch kann die Nachweissensitivität der Biochip-Anordnung erhöht werden und die Ansprechzeit herabgesetzt werden.
  • Die Biochip-Anordnung weist einen hohen Grad an geometrischer Flexibilität auf. So ist die geometrische Ausgestaltung der Elektroden und/oder der Detektions-Einrichtungen bzw. der Sensoren zueinander flexibel auf die Bedürfnisse des Einzelfalls einstellbar, sodass die für eine bestimmte Anwendung erforderliche Konzentrationserhöhung einstellbar ist. Insbesondere die Wahl einer zylinder- oder kugelsymmetrischen Anordnung erhöht die Konzentration nachzuweisender Partikel in der direkten Umgebung der Elektroden der Sensoren in besonderer Weise, wodurch die Nachweisempfindlichkeit erhöht ist.
  • Im Weiteren wird das Verfahren zum Betreiben einer Biochip- Anordnung zur Konzentrationsmessung einer Substanz in einem zu untersuchenden Analyten beschrieben. Die erfindungsgemäß betreibbare Biochip-Anordnung weist ein Substrat und eine Mehrzahl von in oder auf dem Substrat angeordneten Sensoren auf. Jeder Sensor weist eine Elektrode, an die eine vorgebbare elektrische Spannung anlegbar ist, wobei mittels der elektrischen Spannung ein elektrisches Multipolmoment aufweisende Partikel in einem Umgebungsbereich der Elektrode angezogen oder abgestoßen werden und eine Detektions- Einrichtung auf, die in dem Umgebungsbereich der Elektrode angeordnet ist, zum Anlagern und Erfassen von Partikeln. Die Biochip-Anordnung weist ferner eine mit den Elektroden der Sensoren gekoppelte Steuer-Einrichtung zum sequentiellen Anlegen der vorgebbaren elektrischen Spannungen an die Elektroden der Sensoren auf. Verfahrensgemäß wird in einem Schritt A an die Elektrode eines ersten Sensors eine erste elektrische Spannung angelegt und simultan an die Elektroden von zumindest einem Teil der restlichen Sensoren eine zweite elektrische Spannung angelegt, derart, dass die zu erfassenden, ein elektrisches Multipolmoment aufweisenden Partikel von der Elektrode des ersten Sensors angezogen werden und von den Elektroden von zumindest einem Teil der restlichen Sensoren abgestoßen werden, und dass die Menge von Partikeln mittels der Detektions-Einrichtung des ersten Sensors erfasst wird. In einem Schritt B wird der auf dem ersten Sensor angewandte Schritt A sequentiell auf alle restlichen Sensoren angewandt, sodass sequentiell alle zu erfassenden Partikel mittels des Detektions-Einrichtungen zumindest eines Teils der restlichen Sensoren erfasst werden.
  • In einem optionalen weiteren Schritt kann aus der Anzahl der von den Sensoren erfassten Partikeln die Konzentration der Partikel in einer die Partikel aufweisenden Flüssigkeit bestimmt werden.
  • Mit anderen Worten wird verfahrensgemäß zunächst an die Elektrode eines ersten Sensors eine erste elektrische Spannung eines geeigneten Vorzeichens und Betrags angelegt, die derart eingerichtet ist, dass damit nachzuweisende Partikel infolge einer elektrischen Kraft angezogen werden. Dagegen wird an die Elektroden von zumindest einem Teil der restlichen Sensoren eine Spannung eines entgegengesetzten Vorzeichens und eines geeigneten Betrags angelegt, sodass nachzuweisende Partikel von diesen Elektroden elektrisch abgestoßen werden. Dies führt zu einer Akkumulation nachzuweisender Partikel in einem Umgebungsbereich der Elektrode des ersten Sensors, in welchem Umgebungsbereich die Detektions-Einrichtung des ersten Sensors angeordnet ist. Mittels der auf der Oberfläche der Detektions-Einrichtung immobilisierten Fängermoleküle können nachzuweisende Moleküle mit diesen Fängermolekülen hybridisieren. Die Menge der Fängermoleküle, die an der Oberfläche der Detektions- Einrichtung des ersten Sensors immobilisiert sind, ist vorzugsweise wesentlich kleiner als die Menge der nachzuweisenden Partikel. Mit anderen Worten wird der erste Sensor gesättigt, d. h., dass an annähernd allen Fängermolekülen der Detektions-Einrichtung eines Sensors nachzuweisende Partikel angelagert sind. Daher verbleiben in dem Umgebungsbereich des ersten Sensors nachzuweisende Partikel, die keinen Hybridisierungspartner an der Oberfläche der Detektions-Einrichtung des ersten Sensors finden. Wird in dem Schritt B die ein auf zu erfassende Partikel anziehendes elektrisches Feld ausbildende elektrische Spannung an den zweiten, vorzugsweise zu dem ersten Sensor benachbarten, Sensor angelegt und wird gleichzeitig die auf zu erfassenden Partikel ein abstoßendes elektrisches Feld generierende elektrische Spannung an zumindest einen Teil der anderen Sensoren (wahlweise auch an dem ersten Sensor) angelegt, so wirkt auf die restlichen, noch nicht hybridisierten, nachzuweisenden Partikel eine solche elektrische Kraft, dass die nachzuweisenden Partikel sich in einem Umgebungsbereich der Elektrode des zweiten Sensors akkumulieren. Es ist zu betonen, dass ein Teil der anderen Sensoren (oder auch alle anderen Sensoren) einfach ausgeschaltet sein können. Eine weitere Teilmenge der noch nicht hybridisierten, nachzuweisenden Partikel kann dann mit den Fängermolekülen an der Oberfläche der Detektions-Einrichtung des zweiten Sensors hybridisieren, sofern die nachzuweisenden Moleküle mit den Fängermolekülen an der Oberfläche der Detektions-Einrichtung des zweiten Sensors komplementär sind. Jedoch kann an der Detektions-Einrichtung des zweiten Sensors wiederum nur eine solche Teilmenge nachzuweisender Partikel hybridisieren, die der Menge der an der Detektions-Einrichtung des zweiten Sensors angeordneten Fängermolekülen entspricht. Die auf nachzuweisende Partikel ein anziehendes elektrisches Feld ausbildende elektrische Spannung wird nun nacheinander an zumindest einen Teil der weiteren Elektroden der restlichen Sensoren angelegt und so die Menge der nachzuweisenden Moleküle, die noch an keiner Detektions-Einrichtung eines Sensors hybridisiert sind, sukzessive verringert. In Abhängigkeit der ursprünglichen Gesamtmenge nachzuweisender Partikel sind nach einer gewissen Anzahl von Verfahrensschritte alle nachzuweisenden Partikel an einem der Sensoren angelagert, sodass an die weiteren Sensoren keine nachzuweisenden Partikel mehr anlagerbar sind. Idealerweise sind die Fängermoleküle an den Detektions-Einrichtungen eines ersten Teils der Sensoren vollständig mit nachzuweisenden Partikeln belegt, wohingegen idealerweise die Fängermoleküle der Detektions-Einrichtungen eines zweiten Teils der Sensoren vollständig von nachzuweisenden Partikeln frei sind. Ist die Menge der an den einzelnen Sensoren immobilisierten Fängermolekülen für alle Sensoren bekannt und wird die Anzahl der Sensoren, die mit nachzuweisenden Molekülen gesättigt sind, bestimmt, und wird die Anzahl der Sensoren, die von nachzuweisenden Molekülen frei sind, bestimmt, so ist durch einfache mathematische Operationen die Menge nachzuweisender Partikel in einer zu untersuchenden Flüssigkeit bestimmbar und deren Konzentration berechenbar. Wie oben beschrieben, kann das Feststellen, ob ein Sensor von nachzuweisenden Molekülen frei ist oder mit nachzuweisenden Molekülen gesättigt ist unter Verwendung optischer und/oder elektrischer Verfahren bestimmt werden.
  • Vorzugsweise sind bei der verfahrensgemäß betriebenen Biochip-Anordnung der Erfindung unterschiedliche Sensoren in mindestens zwei Dimensionen im Wesentlichen konzentrisch umeinander herum im Wesentlichen kreisförmig, im Wesentlichen kugelförmig, im Wesentlichen rechteckförmig, im Wesentlichen zylinderförmig oder im Wesentlichen hohlzylinderförmig angeordnet. Dann wird verfahrensgemäß die erste elektrische Spannung zunächst an die Elektrode des am weitesten innen oder außen angeordneten Sensors angelegt und dann sequentiell an die Elektroden der Sensoren von innen nach außen oder von außen nach innen angelegt.
  • Beispielsweise sind die Sensoren der Biochip-Anordnung im Wesentlichen als Kreisringe umeinander angeordnet. Dann kann beispielsweise die anziehende elektrische Spannung zunächst an den am weitesten innen angeordneten Sensor angelegt werden und dann sukzessive von innen nach außen verschoben werden.
  • Bei der verfahrensgemäß betriebenen Biochip-Anordnung können die Sensoren auch in einer Reihe angeordnet sein, wobei verfahrensgemäß die erste elektrische Spannung zunächst an die Elektrode eines Sensors an einem Endabschnitt der Reihe angelegt wird, und dann sequentiell an die Elektroden der restlichen Sensoren entlang einer Richtung der Reihe angelegt wird.
  • Sind beispielsweise die Sensoren in einer Reihe angeordnet, so wird die elektrische Spannung zunächst an den ganz links der Reihe befindlichen Sensor angelegt. Anschließend wird die einzige eine anziehende elektrische Kraft bewirkende elektrische Spannung an den einzigen zu dem links in der Biochip-Anordnung befindlichen Sensor benachbarten Sensor angelegt, usw. Auf diese Weise werden von links nach rechts sukzessive die einzelnen Sensoren der Biochip-Anordnung angesteuert.
  • Bei der verfahrensgemäß betriebenen Biochip-Anordnung der Erfindung können die Sensoren auch im Wesentlichen matrixförmig angeordnet sein, wobei gemäß dem Verfahren die erste elektrische Spannung vorzugsweise zunächst an die Elektrode eines Sensors an einer Ecke der Matrix angelegt und dann sequentiell an die Elektroden der restlichen Sensoren in mäanderförmiger Reihenfolge in der Matrix angelegt wird. Das bedeutet, dass die Sensoren der Biochip-Anordnung zweidimensional angeordnet sind, d. h. als Matrix mit Zeilen und Spalten angeordnet sind. Der in Schritt A ausgewählte Sensor ist beispielsweise in einem Eckbereich der Matrixanordnung angeordnet. In weiteren Verfahrensschritten wird der ausgewählte Sensor zunächst entlang der ersten Reihe der Sensoren der Biochip-Anordnung verschoben, bis der letzte Sensor der ersten Reihe der Biochip-Anordnung erreicht ist. Ein Großteil der bislang noch nicht erfassten nachzuweisenden Partikel befindet sich dann in einem Umgebungsbereich des letzten Sensors der ersten Reihe der Biochip-Anordnung. Würde man in einem nächsten Schritt den ersten Sensor der zweiten Reihe der Biochip-Anordnung auswählen, so müssten die bislang noch nicht erfassten nachzuweisenden Partikel eine große Wegstrecke zurücklegen, um zu dem nächsten ausgewählten Sensor zu gelangen. Vorteilhafter ist es, stattdessen den zu dem letzten Sensor der ersten Reihe der Biochip-Anordnung direkt benachbarten letzten Sensor der zweiten Reihe als in einem nächsten Schritt mit der ersten elektrischen Spannung zu belegenden Sensor auszuwählen und in weiteren Schritten die restlichen Sensoren der zweiten Reihe von rechts nach links hin auszuwählen. Indem man diese Auswahlprozedur konsequent fortsetzt, werden die einzelnen Sensoren der Biochip-Anordnung nacheinander derartig ausgewählt, dass sich eine mäanderförmige Auswahl-Reihenfolge in der Matrix ergibt.
  • Alternativ ist denkbar, dass die Sensoren einer beispielsweise quadratischen Matrixanordnung nacheinander entlang benachbarter Sensorachsen angesteuert werden, welche Sensorachsen parallel zu einer Diagonale der quadratischen Matrix-Anordnung angeordnet sind und welche Sensorachsen von der Diagonale bis zu den beiden nicht auf der Diagonale liegenden Ecken der Matrixanordnung eine sukzessive abnehmende Anzahl von Sensoren aufweisen. Das sequentielle Ansteuern der Sensorachsen kann ausgehend von einer Ecke aus beginnen oder alternativ ausgehend von einer Diagonale.
  • Es ist zu betonen, dass alle oben bezugnehmend auf die Biochip-Anordnung der Erfindung beschriebenen Ausgestaltungen auch auf das Verfahren zum Betreiben der Biochip-Anordnung anzuwenden sind. Selbstverständlich sind umgekehrt auch alle Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Biochip-Anordnung auf die Biochip-Anordnung anzuwenden.
  • Ferner ist erfindungsgemäß eine Sensor-Anordnung mit einer Mehrzahl von im Wesentlichen matrixförmig angeordneten Biochip-Anordnungen mit den oben genannten Merkmalen geschaffen. Vorzugsweise weisen unterschiedliche Biochip- Anordnungen der Sensor-Anordnung unterschiedliche Fängermoleküle auf. Dadurch ist eine parallele Untersuchung eines Analyten, der etwa mehrere unterschiedliche Arten von zu erfassenden Partikeln aufweist, mit der Sensor-Anordnung der Erfindung möglich.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • Fig. 1A eine Querschnittsansicht einer Biochip-Anordnung gemäß dem Stand der Technik in einem ersten Betriebszustand,
  • Fig. 1B eine Querschnittsansicht der Biochip-Anordnung gemäß dem Stand der Technik in einem zweiten Betriebszustand,
  • Fig. 2 ein Diagramm, das schematisch die Abhängigkeit der Konzentration nachzuweisender Partikel von dem Abstand zu einer Elektrodenoberfläche zeigt,
  • Fig. 3A eine Draufsicht einer Biochip-Anordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • Fig. 3B eine Querschnittsansicht entlang der Linie I-I' der in Fig. 3A gezeigten Biochip-Anordnung gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • Fig. 4A ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Sensors der erfindungsgemäßen Biochip-Anordnung,
  • Fig. 4B ein zweites bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Sensors der erfindungsgemäßen Biochip-Anordnung,
  • Fig. 4C ein drittes bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Sensors der erfindungsgemäßen Biochip-Anordnung,
  • Fig. 5A eine Draufsicht der geometrischen Anordnung der Sensoren der Biochip-Anordnung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem ersten Betriebszustand,
  • Fig. 5B eine Draufsicht der geometrischen Anordnung der Sensoren der Biochip-Anordnung gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem zweiten Betriebszustand,
  • Fig. 6A eine Draufsicht der geometrischen Anordnung der Sensoren der Biochip-Anordnung gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem ersten Betriebszustand,
  • Fig. 6B eine Draufsicht der geometrischen Anordnung der Sensoren der Biochip-Anordnung gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem zweiten Betriebszustand,
  • Fig. 7A eine Draufsicht der Biochip-Anordnung gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem ersten Betriebszustand,
  • Fig. 7B eine Draufsicht der Biochip-Anordnung gemäß dem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem zweiten Betriebszustand,
  • Fig. 7C eine Draufsicht der Biochip-Anordnung gemäß dem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem dritten Betriebszustand.
  • Bezugnehmend auf Fig. 3A, Fig. 3B wird im Weiteren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Biochip-Anordnung beschrieben.
  • In Fig. 3A ist eine Draufsicht einer Biochip-Anordnung 300 gezeigt. In Fig. 3B ist eine Querschnittsansicht der Biochip- Anordnung 300 entlang der in Fig. 3A gezeigten Linie I-I' gezeigt. Die Biochip-Anordnung 300 weist ein Substrat 301 und vier auf dem Substrat 301 angeordnete Sensoren 302 auf. Jeder der Sensoren 302 hat eine Elektrode 303, an die eine vorgebbare elektrische Spannung anlegbar ist, wobei mittels der elektrischen Spannung ein elektrisches Multipolmoment aufweisende Partikel in einem Umgebungsbereich der Elektrode 303 angezogen oder abgestoßen werden, und eine Detektions- Einrichtung 304, die in dem Umgebungsbereich der Elektrode 303 angeordnet ist, zum Anlagern und Erfassen von Partikeln. Ferner weist die Biochip-Anordnung 300 eine mit den Elektroden 303 der Sensoren 302 gekoppelte Steuer-Einrichtung 305 zum sequentiellen Anlegen der vorgebbaren elektrischen Spannungen an die Elektroden 303 der Sensoren 302 auf.
  • Das in Fig. 3A, Fig. 3B gezeigte Substrat 301 ist gemäß der Biochip-Anordnung 300 ein Silizium-Wafer. Die Elektroden 303 sind gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel aus Platin- Material hergestellt, das chemisch inert ist. Die Detektions- Einrichtungen 304 sind teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt. Die in Fig. 3B gezeigten Kernbereiche 304a der Detektions-Einrichtungen 304 sind aus Gold-Material hergestellt. Die Oberfläche der Detektions- Einrichtungen 304 optional sind mit einem Hüllbereich 304b aus einem elektrisch isolierenden Material umgeben. Vorzugsweise sind die elektrisch leitfähigen Oberflächen jedoch direkt in Kontakt mit dem Analyten. Wie ferner in Fig. 3B gezeigt, sind die Elektroden 303 der Sensoren 302 mit der Steuer-Einrichtung 305 mittels elektrisch leitfähiger Verbindungsmittel 306 gekoppelt.
  • Mittels der Steuer-Einrichtung 305 erfolgt das Anlegen geeigneter elektrischer Spannungen an die Elektroden 303 der Sensoren 302. Daher weist die Steuer-Einrichtung 305 einen zu diesem Zweck geeigneten Schaltplan auf, der einen entsprechenden Algorithmus enthält. Um ihre bestimmungsgemäße Aufgabe zu erfüllen, kann die Steuer-Einrichtung geeignete Software- und/oder Hardware-Komponenten aufweisen.
  • Darüber hinaus sind bei der Biochip-Anordnung 300 auf einem Oberflächenbereich der Detektions-Einrichtungen 304 der Sensoren 302 Fängermoleküle 307 immobilisiert, die derart eingerichtet sind, dass an jedes der Fängermoleküle 307 ein zu dem Fängermolekül komplementärer, zu erfassender Partikel (nicht gezeigt in Fig. 3A, Fig. 3B) anlagerbar ist. Die Fängermoleküle 307 sind Nukleinsäuren, genauer gesagt DNA- Halbstränge.
  • Die Detektions-Einrichtungen 304 sind gemäß dem in Fig. 3A, Fig. 3B gezeigten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Biosensor-Anordnung 300 nicht als offene Elektrode ausgeführt (eine offene Elektrode weist eine galvanische Verbindung zu einer mit der Biochip-Anordnung 300 in Wirkkontakt stehenden zu untersuchenden Flüssigkeit auf). Wie in Fig. 3A, Fig. 3B gezeigt, sind die Fängermoleküle auf der elektrisch isolierenden Hüllschicht 304b immobilisiert, im Falle der Biochip-Anordnung 300 ist das elektrisch isolierende Material Siliziumnitrid. Der Kernbereich 304a der Detektions- Einrichtung 304 ist aus Gold-Material hergestellt und kann gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel verwendet werden, um ein Hybridisierungsereignis durch Erfassen eines elektrischen Signals zu detektieren. Die Steuer-Einrichtung 305 ist derart eingerichtet, dass die Steuer-Einrichtung 305 die an die Elektroden 303 der Sensoren 302 anlegbaren elektrischen Spannungen bereitstellt. Diese Spannungssignale sind mittels der elektrisch leitfähigen Verbindungsmittel 306 an die Elektroden 303 der Sensoren 302 anlegbar. Die elektrisch leitfähigen Verbindungsmittel 306 sind in das Substrat 301 integriert, wie in Fig. 3B gezeigt. Dies kann praktisch realisiert sein, indem in das Substrat 301 zunächst Durchgangslöcher (z. B. mittels einer geeigneten Ätztechnik) eingebracht werden und diese dann mit einem elektrisch leitfähigen Material (beispielsweise Polysilizium-Material) gefüllt werden.
  • Die Detektions-Einrichtungen 304 der Sensoren 302 sind derart eingerichtet, dass das Anlagern von Partikeln an den Detektions-Einrichtungen 304 mittels Erfassen eines elektrischen Signals nachweisbar und auswertbar ist. Die Mittel zum Erfassen des elektrischen Signals, die Teil der Detektions-Einrichtung 304 sind, sind in Fig. 3B nicht gezeigt.
  • Bei den Sensoren 302 der Biochip-Anordnung 300 sind die Detektions-Einrichtung 304 und die Elektrode 303nebeneinander angeordnet und die Sensoren in zwei Dimensionen nebeneinander und übereinander angeordnet. Mit anderen Worten sind die vier Sensoren 302 in einer Matrix mit zwei Zeilen und zwei Spalten angeordnet. Selbstverständlich kann die Biochip-Anordnung der Erfindung eine beliebige Anzahl von Zeilen bzw. eine beliebige Anzahl von Spalten aufweisen, in deren Kreuzungsbereichen eine beliebige Anzahl von Sensoren angeordnet sein können.
  • Bezugnehmend auf Fig. 4A, Fig. 4B, Fig. 4C werden im Weiteren drei bevorzugte Ausführungsformen von Sensoren der erfindungsgemäßen Biochip-Anordnung erläutert.
  • In Fig. 4A ist ein Sensor 400 gezeigt, bei dem die Detektions-Einrichtung 401 von der Elektrode 402 in zwei Dimensionen vollständig umgeben ist. Wie in Fig. 4A gezeigt, ist die Detektions-Einrichtung 401 im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet, und es sind Fängermoleküle 403 an der Oberfläche der rechteckförmigen Detektions-Einrichtung 401 immobilisiert. Die Elektrode 402 ist rahmenartig um die rechteckige Detektions-Einrichtung 401 herum in einem Abstand davon angeordnet. Ist an die Elektrode 402 eine derartige elektrische Spannung angelegt, dass nachzuweisende Moleküle infolge dieser Spannung eine anziehende elektrische Kraft erfahren, so ist die Konzentration der nachzuweisenden Moleküle in einem Umgebungsbereich der Elektrode 402 und folglich auch in dem Zwischenraum zwischen der Detektions- Einrichtung 401 und der Elektrode 402 erhöht. Dies ermöglicht eine Hybridisierung nachzuweisender Moleküle an den auf der Oberfläche der Detektions-Einrichtung 401 angeordneten Fängermolekülen 403, falls diese zu den nachzuweisenden Molekülen komplementär sind. Ist umgekehrt an die Elektrode 402 eine derartige elektrische Spannung angelegt, dass auf nachzuweisende Partikel infolge der elektrischen Spannung eine abstoßende elektrische Kraft einwirkt, so haben die Partikel die Tendenz, sich von dem Sensor 400 zu entfernen.
  • In Fig. 4B ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Sensors 410 der Biochip-Anordnung der Erfindung gezeigt, bei dem die Detektions-Einrichtung 411 von der Elektrode 412 in zwei Dimensionen vollständig umgeben ist. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel des Sensors 410 sind sowohl die Elektrode 412 als auch die Detektions-Einrichtung 411 im Wesentlichen als konzentrische Kreisringe ausgebildet. Die als Kreisring ausgebildete Detektions-Einrichtung 411 weist im Inneren ein Loch auf und hat sowohl an inneren als auch an äußeren Oberflächen-Bereichen Fängermoleküle 413 immobilisiert. In einem Abstand zu der als innerer Kreisring ausgebildeten Detektions-Einrichtung 411 ist darum herum die Elektrode 412 kreisringartig ausgebildet. Daher unterscheidet sich der in Fig. 4B gezeigte Sensor 410 von dem in Fig. 4A gezeigten Sensor 400 im Wesentlichen dadurch, dass die Detektions- Einrichtung 411 in ihrem Inneren ein Loch aufweist und dass sowohl die Detektions-Einrichtung 411 als auch die Elektrode 412 kreisringförmig ausgebildet sind, wohingegen die Elektrode 402 und die Detektions-Einrichtung 401 des Sensors 400 im Wesentlichen rechteckförmig bzw. rahmenförmig ausgebildet sind.
  • Gemäß dem in Fig. 4C gezeigten Ausführungsbeispiel des Sensors 420 sind die Detektions-Einrichtung 421 und die Elektrode 422 nebeneinander angeordnet. Wiederum sind auf der Oberfläche der Detektions-Einrichtung 421 Fängermoleküle 423 immobilisiert. Wie in Fig. 4C gezeigt, sind sowohl die Elektrode 422 als auch die Detektions-Einrichtung 421 im Wesentlichen rechteckförmig ausgebildet und nebeneinander angeordnet. Ist an die Elektrode 422 eine solche elektrische Spannung angelegt, dass nachzuweisende Partikel infolge des durch die elektrische Spannung ausgebildeten elektrischen Feldes angezogen werden, so ist dadurch die Konzentration nachzuweisender Partikel in einem Umgebungsbereich der Elektrode 422 und folglich in einem Umgebungsbereich der Detektions-Einrichtung 421 erhöht, und zu erfassende Partikel können mit den an der Oberfläche der Detektions-Einrichtung 421 immobilisierten Fängermolekülen 423 hybridisieren, falls diese zu den Fängermolekülen 423 komplementär sind. Ist dagegen an die Elektrode 422 eine derartige elektrische Spannung angelegt, dass auf elektrisch geladene nachzuweisende Partikel infolge des daraus resultierenden elektrischen Feldes eine abstoßende elektrische Kraft einwirkt, so ist der entsprechende Sensor 420 in dem beschriebenen Betriebszustand nicht ausgewählt.
  • Die in Fig. 4A, Fig. 4B und Fig. 4c gezeigten Sensoren weisen jeweils räumlich voneinander getrennte Detektions- Einrichtungen und Elektroden auf.
  • Gemäß einem alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Biochip-Anordnung (nicht gezeigt in der Figur) sind dagegen bei mindestens einem Sensor die Elektrode und die Detektions-Einrichtung zu einer gemeinsamen Detektions-Elektrode zusammengefasst. Mit anderen Worten bilden die Elektrode und die Detektions-Einrichtung in einem solchen Fall ein einziges gemeinsames Bauelement. In einem solchen Fall ist die Detektions-Elektrode derart ausgebildet, dass an die Detektions-Elektrode einerseits eine elektrische Spannung anlegbar ist, dass andererseits an der Oberfläche der Detektions-Elektrode Fängermoleküle immobilisiert sind und dass darüber hinaus ein Hybridisierungsereignis nachzuweisender Partikel an den Fängermolekülen auf der Oberfläche der Detektions-Elektrode mittels der Detektions- Elektrode erfassbar ist, und zwar vorzugsweise elektrisch und/oder optisch.
  • Im Weiteren werden bezugnehmend auf Fig. 5A, Fig. 5B bzw. Fig. 6A, Fig. 6B zwei Ausführungsbeispiele der geometrischen Anordnung unterschiedlicher Sensoren in einer Biochip- Anordnung beschrieben.
  • Bezugnehmend auf Fig. 5A, Fig. 5B ist eine schematische Draufsicht einer Biochip-Anordnung 500 gezeigt, bei der drei in dem Substrat 501 integrierte Sensoren 502a, 502b, 502c in zwei Dimensionen im Wesentlichen konzentrisch umeinander herum und im Wesentlichen kreisförmig angeordnet sind. In Fig. 5A ist ein erster Betriebszustand des Biosensor-Chips 500 gezeigt. In diesem Betriebszustand ist an dem gemäß Fig. 5A innersten Sensor 502a (schraffiert in Fig. 5A) eine solche elektrische Spannung angelegt, dass nachzuweisende Partikel infolge des aus der elektrischen Spannung resultierenden elektrischen Feldes eine solche elektrische Feldkraft erfahren, dass nachzuweisende Partikel sich in einem Umgebungsbereich des Sensors 502a akkumulieren. Falls die auf der Oberfläche der Detektions-Einrichtung (nicht gezeigt in Fig. 5A, Fig. 5B) immobilisierten Fängermoleküle zu den nachzuweisenden Partikeln komplementär sind, können die Fängermoleküle des ersten Sensors 502a mit den nachzuweisenden Partikeln hybridisieren.
  • In Fig. 5B ist die Biochip-Anordnung 500 in einem zweiten Betriebszustand gezeigt. Gemäß diesem zweiten Betriebszustand ist nun an dem zweiten Sensor 502b (schraffiert in Fig. 5B) der Biochip-Anordnung 500 eine solche elektrische Spannung angelegt, die ein elektrisches Feld erzeugt, das auf die elektrisch geladenen nachzuweisenden Partikel anziehend wirkt. Mit anderen Worten sind diejenigen nachzuweisenden Partikel, die nicht schon in dem in Fig. 5A gezeigten Betriebszustand an den Fängermolekülen der Detektions- Einrichtung des ersten Sensors 502a hybridisiert sind, in einem Umgebungsbereich der Elektrode des zweiten Sensors 502b akkumuliert. Daher können in diesem zweiten, in Fig. 5B gezeigten Betriebszustand, verbliebene nachzuweisende Partikel mit den auf der Oberfläche der Detektions- Einrichtungen des Sensors 502b immobilisierten Fängermolekülen hybridisieren.
  • In einem in den Figuren nicht gezeigten weiteren Verfahrensschritt könnten auch nach diesem zweiten Betriebszustand verbliebene, d. h. noch nicht hybridisierte nachzuweisende Partikel an dem dritten Sensor 503c, der am weitesten außerhalb in der Biochip-Anordnung 500 angeordnet ist, hybridisieren.
  • Wie in Fig. 5A, Fig. 5B gezeigt, ist die Oberfläche des ersten Sensors 502a wesentlich kleiner als die Oberfläche des zweiten Sensors 502b. Daher ist auch diejenige Oberfläche der Detektions-Einrichtung des ersten Sensors 502a, an der Fängermoleküle immobilisiert sind, kleiner als die entsprechende Oberfläche des zweiten Sensor 502b. Das heißt, dass die Detektions-Einrichtungen des ersten Sensors 502a, des zweiten Sensors 502b und auch des dritten Sensors 502c derart eingerichtet sind, dass die mit Fängermolekülen versehenen Oberflächenbereiche der Detektions-Einrichtungen der Sensoren 502a, 502b, 502c unterschiedlich groß sind. Die Menge der an den entsprechenden Detektions-Einrichtungen erfassbaren nachzuweisenden Partikeln ist daher von Sensor zu Sensor verschieden, sodass man von einer nichtlinearen Gewichtung der Detektions-Einrichtungen sprechen kann.
  • Bezugnehmend auf Fig. 6A, Fig. 6B wird im Weiteren ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der geometrischen Anordnung der Sensoren der Biochip-Anordnung der Erfindung erläutert. Die in Fig. 6A gezeigte Biochip-Anordnung 600 weist insgesamt sechzehn Sensoren 602, 602a auf, die auf dem Substrat 601 angeordnet sind. Von den sechzehn in Fig. 6A gezeigten Sensoren 602, 602a ist der ganz links oben befindliche Sensor als ausgewählter Sensor 602a schraffiert eingezeichnet. Als ausgewählter Sensor 602a ist im Weiteren derjenige der Sensoren 602, 602a bezeichnet, an dem eine elektrische Spannung eines derartigen Vorzeichens angelegt ist, dass mittels dieser Spannung ein elektrisches Feld eines solchen Vorzeichens erzeugt ist, dass infolge dieses elektrischen Feldes nachzuweisende elektrisch geladene Partikel angezogen werden und dadurch in der Umgebung des ausgewählten Sensors 602a akkumuliert sind. Gemäß der in Fig. 6A gezeigten Biochip-Anordnung 600 sind die Sensoren 602, 602a in zwei Dimensionen nebeneinander und übereinander, d. h. matrixförmig, angeordnet. In Fig. 6B ist ein zweiter Betriebszustand der Biochip-Anordnung 600 gezeigt, bei dem anders als in Fig. 6A der Sensor in der ersten Reihe und der zweiten Spalte der matrixförmig angeordneten Sensoren 602 als ausgewählter Sensor 602a ausgewählt ist (schraffiert in Fig. 6B). Die gestrichelte, in Fig. 6B eingezeichnete mäanderförmige Linie 603 zeigt, in welcher Reihenfolge vorzugsweise die Sensoren 602 sequentiell auswählbar sind.
  • Die Sensoren 602, 602a aus Fig. 6A, Fig. 6B sind derart dargestellt, dass die Detektions-Einrichtung und die Elektrode, die jeder der Sensoren 602a, 602 aufweist, nicht einzelnen gezeigt sind. Vorzugsweise ist die Struktur jedes der Sensoren 602a, 602 derart ausgestaltet wie in Fig. 4C gezeigt. Das heißt dass vorzugsweise bei jedem der Sensoren 602, 602a die Detektions-Einrichtung und die Elektrode nebeneinander angeordnet sind. Wird die ein auf nachzuweisende Partikel anziehend wirkendes elektrisches Feld ausbildende elektrische Spannung von einem Sensor auf einen benachbarten Sensor umgeschaltet, so streifen die aufkonzentrierten nachzuweisenden Partikel ausgehend von der Elektrode des zuerst elektrisch anziehenden Sensors über dessen Detektions-Einrichtung bis zu der nunmehr elektrisch anziehenden Elektrode des neu ausgewählten Sensors hinweg. Dadurch sind die noch nicht hybridisierten nachzuweisenden Partikel in der Lage, zumindest teilweise mit den Fängermolekülen an der Oberfläche der Detektions-Einrichtung des nunmehr elektrisch anziehenden Sensors zu hybridisieren.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 7A, Fig. 7B, Fig. 7C ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Biochip-Anordnung zur Konzentrationsmessung einer Substanz in einem zu untersuchenden Analyten beschrieben. Die verfahrensgemäß betreibbare Biochip-Anordnung 700 weist ein Substrat 701 und vier auf dem Substrat 701 angeordnete Sensoren 702 auf. Jeder der Sensoren 702 weist auf eine Elektrode 703, an die eine vorgebbare elektrische Spannung anlegbar ist, wobei mittels der elektrischen Spannung ein elektrisches Multipolmoment aufweisende Partikel in einem Umgebungsbereich der Elektrode 703 angezogen oder abgestoßen werden, und eine Detektions- Einrichtung 704, die in dem Umgebungsbereich der Elektrode 703 angeordnet ist, zum Anlagern und Erfassen von Partikeln. Die Biochip-Anordnung 700 weist ferner eine mit den Elektroden 703 der Sensoren 702 gekoppelte Steuer-Einrichtung (nicht gezeigt in Fig. 7A, Fig. 1B, Fig. 7C) zum sequentiellen Anlegen der vorgebbaren elektrischen Spannungen an die Elektroden 703 der Sensoren 702 auf.
  • Bei der Biochip-Anordnung 700 sind auf einem Oberflächenbereich der Detektions-Einrichtungen 704 Fängermoleküle 705 immobilisiert, die derart eingerichtet sind, dass an jedes der Fängermoleküle 705 ein zu dem Fängermolekül 705 komplementärer, zu erfassender Partikel 706 anlagerbar ist. Jeder zu erfassende Partikel 706 weist einen Fluoreszenzmarker 707 auf, wobei der Fluoreszenzmarker 707 derart eingerichtet ist, dass der Fluoreszenzmarker 707 nach Absorption von elektromagnetischer Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs elektromagnetische Fluoreszenzstrahlung eines zweiten, von dem ersten Wellenlängenbereich zumindest teilweise verschiedenen Wellenlängenbereichs emittiert, und wobei die Detektions-Einrichtungen 704 derart eingerichtet sind, dass das Anlagern von Partikeln 706 an den Detektions- Einrichtungen 704 mittels Erfassen der elektromagnetischen Fluoreszenzstrahlung der Fluoreszenzmarker 707 nachgewiesen und ausgewertet wird.
  • Verfahrensgemäß wird in einem Schritt A an die Elektrode 703 eines ersten Sensors 702 eine erste elektrische Spannung angelegt und simultan an die Elektroden 703 der restlichen Sensoren 702 eine zweite elektrische Spannung angelegt, derart, dass die zu erfassenden, ein elektrisches Multipolmoment aufweisenden Partikel 706 von der Elektrode 703 des ersten Sensors 702 angezogen werden und von den Elektroden 703 der restlichen Sensoren 702 abgestoßen werden, und dass die Menge von Partikeln 706 mittels der Detektions- Einrichtung 704 des ersten Sensors 702 erfasst wird.
  • In Fig. 7A ist der erste Sensor 702 dadurch zeichnerisch hervorgehoben, dass die Elektrode 703 des ersten Sensors 702 schraffiert ist. Wie beschrieben, ist die an dem ersten Sensor 702 angelegte erste elektrische Spannung mit einem derarten Vorzeichen gewählt, dass die ein elektrisches Multipolmoment aufweisenden zu erfassenden Moleküle 706 durch das aus der ersten elektrischen Spannung resultierenden elektrischen Feld in der Umgebung des zugehörigen Sensors 702 akkumuliert werden. Dieses Szenario ist in Fig. 7A gezeigt. Dort sind fünf zu erfassende Partikel 706 gezeigt, die gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel DNA-Halbstränge sind. Diese DNA-Halbstränge weisen ein elektrisches Monopolmoment auf, d. h. eine elektrische Ladung. Bei physiologischen pH- Werten ist die elektrische Ladung von DNA-Halbsträngen negativ. Daher ist die erste Spannung, die an die Elektrode 703 des ersten Sensors 702 angelegt wird, positiv gegenüber der Bad-Spannung (also desjenigen elektrischen Potentials, auf dem der Analyt liegt, welcher die zu erfassenden Partikel 706 aufweist) zu wählen. Dagegen ist die zweite elektrische Spannung, die an den Elektroden 703 aller restlichen Sensoren 702 angelegt wird, negativ gegenüber der ersten elektrischen Spannung und der Bad-Spannung zu wählen. In einem solchen Szenario akkumulieren, wie in Fig. 7A gezeigt, negativ geladene Partikel in einem Umgebungsbereich des ersten Sensors 703. Wie in Fig. 7A ferner gezeigt, versammeln sich neben den zu erfassenden Partikeln 706 auch weitere Partikel 708, die eine negative elektrisch Ladung aufweisen, in einem Umgebungsbereich des ersten Sensors 702.
  • Der gemäß Fig. 7A links oben in der Biochip-Anordnung 700 angeordnete Sensor 702 weist eine Detektions-Einrichtung 704 auf, an deren Oberfläche drei Fängermoleküle 705immobilisiert sind. Von den in Fig. 7A gezeigten fünf zu erfassenden Partikeln 706 sind daher nur drei an die drei Fängermoleküle 705 an der Oberfläche der Detektions- Einrichtung 704 des ersten Sensors 702 ankoppelbar. Nach drei Hybridisierungsereignissen ist der Sensor 702 gesättigt. Die weiteren Partikel 708 sind nicht in der Lage, mit den Fängermolekülen 705 zu hybridisieren. Der Grund hierfür ist, dass die weiteren Partikel 708 zu den Fängermolekülen 705 nicht komplementär sind.
  • Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Biochip-Anordnung 700 zur Konzentrationsmessung einer Substanz in einem zu untersuchenden Analyten wird in einem Schritt B der auf dem ersten Sensor 702 angewandte Schritt A sequentiell auf alle restlichen Sensoren 702 angewandt, sodass sequentiell alle zu erfassenden Partikel 706 mittels der Detektions-Einrichtungen 704 zumindest eines Teils der restlichen Sensoren 702 erfasst werden.
  • In Fig. 7B ist ein Szenario gezeigt, bei dem die erste elektrische Spannung an den gemäß Fig. 7B rechts oben angeordneten Sensor 702 angelegt wird. Dagegen wird die zweite elektrische Spannung, die eine auf die zu erfassenden Partikel 706 abstoßend wirkende elektrische Kraft hervorruft, an die Elektroden 703 der drei restlichen Sensoren 702 angelegt. Als Folge der wie beschrieben an die Elektroden 703 der Sensoren 702 angelegten ersten bzw. zweiten elektrischen Spannung sind diejenigen elektrisch negativ geladenen Partikel 706, 708, die nicht in dem in Fig. 7A gezeigten Betriebszustand an den links oben angeordneten Sensor 702 angelagert worden sind, in der Umgebung des rechts oben angeordneten Sensors 702, der gemäß dem in Fig. 7B gezeigten Betriebszustand ausgewählt ist, akkumuliert. In dem gemäß Fig. 7B rechts oben angeordneten Sensor 702 sind zwei Fängermoleküle 705 an der Oberfläche der Detektions- Einrichtung 704 immobilisiert. Jedes dieser Fängermoleküle 705 ist dazu in der Lage, mit einem komplementären, zu erfassenden Partikel 706 zu hybridisieren. Wie in Fig. 7B gezeigt, sind beide zu erfassenden Partikel 706, die nicht bereits an dem links oben angeordneten Sensor 702 angelagert sind, an die beiden Fängermoleküle 705 des rechts oben angeordneten Sensors 702 angelagert. Dagegen sind die weiteren Partikel 708, die zu den Fängermolekülen 705 nicht komplementär sind, nicht dazu in der Lage, mit den Fängermolekülen 705 zu hybridisieren.
  • Wie oben bezugnehmend auf Schritt B des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der Biochip-Anordnung 700 zur Konzentrationsmessung einer Substanz in einem zu untersuchenden Analyten beschrieben, wird die eine auf die zu erfassenden Partikel 706 anziehend wirkende elektrische Kraft hervorrufende erste elektrische Spannung sequentiell an alle restlichen Sensoren 702 angelegt.
  • Fig. 7C zeigt einen weiteren Betriebszustand der Biochip- Anordnung 700. Wie in Fig. 7C gezeigt, wird die erste elektrische Spannung an den unten rechts in der Biochip- Anordnung 700 gezeigten Sensor 702 angelegt. Dagegen ist an alle drei restlichen Sensoren 702 die zweite elektrische Spannung angelegt. Infolge der elektrischen Kräfte akkumulieren sich die weiteren Partikel 708 gemäß Fig. 7C an dem rechts unten angeordneten Sensor 702. Da bereits in vorangegangenen Verfahrensschritten alle fünf zu erfassenden Partikel 706 mit Fängermolekülen 705 der links oben bzw. rechts oben angeordneten Sensoren 702 hybridisiert haben, verbleiben keine zu erfassenden Partikel 706, die mit dem Fängermolekül 705 der Detektions-Einrichtung 704 des gemäß Fig. 7C rechts unten angeordneten Sensors 702 hybridisieren könnten. Daher erfolgt an dem gemäß Fig. 7C rechts unten befindlichen Sensor 702 kein Hybridisierungsereignis.
  • Wie in Fig. 7A, Fig. 7B, Fig. 7C gezeigt, weisen die zu erfassenden Partikel 706 Fluoreszenzmarker 707 auf. Die Hybridisierungsereignisse an den gemäß der Biochip-Anordnung 700 linken oberen und rechten oberen Sensoren 702 können mittels eines optischen Verfahrens erfasst werden. Das optische Nachweisverfahren beruht darauf, dass die Detektions-Einrichtungen 704 derart eingerichtet sind, dass das Anlagern von zu erfassenden Partikeln 706 an den Detektions-Einrichtungen 704 mittels Erfassen der elektromagnetischen Fluoreszenzstrahlung der Fluoreszenzmarker 707 nachgewiesen und ausgewertet wird. Dadurch kann für jeden Sensor 702 festgestellt werden, ob mit den an den Detektions-Einrichtungen 704 immobilisierten Fängermolekülen 705 zu erfassende Partikel 706 hybridisiert sind. Die Intensität des Fluoreszenzlichtes der mit den Fängermolekülen 705 hybridisierten, zu erfassenden Partikeln 706, genauer gesagt die Fluoreszenzstrahlung der mit den zu erfassenden Partikeln 706 gekoppelten Fluoreszenzmarkern 707, ist ein Maß für die Menge der an einem Sensor 702 hybridisierten zu erfassenden Partikel 706.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass die Detektions-Einrichtungen 704 der Sensoren 702 bei der Biochip-Anordnung 700 derart eingerichtet sind, dass die mit Fängermolekülen 705 versehenen Oberflächenbereiche der Detektions-Einrichtungen 704 bei unterschiedlichen Sensoren 702 unterschiedlich groß sind. Wie in Fig. 7A, Fig. 7B, Fig. 7C gezeigt, ist die Detektions-Einrichtung 704 des links oben angeordneten Sensors 702 mit drei Fängermolekülen 705 versehen, die Detektions-Einrichtung 704 des rechts oben befindlichen Sensors 702 ist mit zwei Fängermolekülen versehen und die links unten bzw. rechts unten angeordneten Sensoren 702 weisen Detektions-Einrichtungen 704 auf, an denen jeweils nur ein Fängermolekül 705 immobilisiert ist. Anschaulich erfassen die Sensoren 702 der Biochip-Anordnung 700 eine unterschiedliche Anzahl zu erfassender Partikel 706.
  • Es ist zu betonen, dass die beschriebene Konfiguration mit drei, zwei bzw. einem Fängermolekül(en) zum Zwecke einer vereinfachten Erklärung der Funktionalität der Biochip- Anordnung 700 dient. Diese Mengen von Fängermolekülen an den Detektions-Einrichtungen 704 sind schematisch und symbolisch aufzufassen. Bei praktischen Realisierungen werden in der Regel wesentlich mehr Fängermoleküle an den Detektions- Einrichtungen immobilisiert.
  • Der Betriebszustand, in dem an die Elektrode 703 des gemäß Fig. 7A, Fig. 7B, Fig. 7C links unten gezeigten Sensors 702 die erste elektrische Spannung angelegt wird, die derart eingerichtet ist, dass dadurch negativ geladene zu erfassende Partikel 706 und weitere Partikel 708 in einem Umgebungsbereich des links unten befindlichen Sensors 702 akkumuliert werden, ist in den Figuren nicht gezeigt. Hybridisierungsereignisse finden in diesem Verfahrensschritt nicht statt, da bereits alle in der zu untersuchenden Flüssigkeit befindlichen, zu erfassenden Partikel 706 an eines der Fängermoleküle 705 des linken oberen bzw. des rechten oberen Sensors 702 angedockt sind.
  • Aus der optisch detektierten Anzahl der an den linken oberen und rechten oberen Sensoren 702 angelagerten zu erfassenden Partikeln 706 wird in einem weiteren Verfahrensschritt die Konzentration der zu erfassenden Partikel 706 in der die zu erfassenden Partikel 706 aufweisenden Flüssigkeit bestimmt. Hierzu ist neben der Anzahl der in der zu untersuchenden Flüssigkeit enthaltenen erfassten Partikel 706 im Wesentlichen das Volumen der zu untersuchenden Flüssigkeit zu bestimmen.
  • In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
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    [3] Kok, W (2000) "Capillary Electrophoresis", Vieweg Verlag, ISBN 3-528-06891-4. Bezugszeichenliste 100 Biochip-Anordnung
    101 Substrat
    102 erste Elektrode
    103 zweite Elektrode
    104 erster elektrischer Kontakt
    105 zweiter elektrischer Kontakt
    106 Fängermoleküle
    107 zu untersuchende elektrolytische Flüssigkeit
    108 DNA-Halbstränge
    200 Abstandsabhängigkeit der Partikelkonzentration
    201 Fall eines homogenen elektrischen Felds
    202 Fall eines zylindersymmetrischen elektrischen Felds
    203 Fall eines kugelsymmetrischen elektrischen Felds
    204 Fall eines verschwindenden elektrischen Felds
    300 Biochip-Anordnung
    301 Substrat
    302 Sensor
    303 Elektrode
    304 Detektions-Einrichtung
    304a Kernbereich der Detektions-Einrichtung
    304b Hüllbereich der Detektions-Einrichtung
    305 Steuer-Einrichtung
    306 elektrisch leitfähige Verbindungsmittel
    307 Fängermoleküle
    400 Sensor
    401 Detektions-Einrichtung
    402 Elektrode
    403 Fängermoleküle
    410 Sensor
    411 Detektions-Einrichtung
    412 Elektrode
    413 Fängermoleküle
    420 Sensor
    421 Detektions-Einrichtung
    422 Elektrode
    423 Fängermoleküle
    500 Biochip-Anordnung
    501 Substrat
    502a erster Sensor
    502b zweiter Sensor
    502a dritter Sensor
    600 Biochip-Anordnung
    601 Substrat
    602 Sensoren
    602a ausgewählter Sensor
    603 mäanderförmige Linie
    700 Biochip-Anordnung
    701 Substrat
    702 Sensor
    703 Elektrode
    704 Detektions-Einrichtung
    705 Fängermolekül
    706 zu erfassender Partikel
    707 Fluoreszenzmarker
    708 weitere Partikel

Claims (23)

1. Biochip-Anordnung
mit einem Substrat;
mit einer Mehrzahl von in oder auf dem Substrat angeordneten Sensoren
mit einer Elektrode, an die eine vorgebbare elektrische Spannung anlegbar ist, wobei mittels der elektrischen Spannung ein elektrisches Multipolmoment aufweisende Partikel in einem Umgebungsbereich der Elektrode angezogen oder abgestoßen werden;
mit einer Detektions-Einrichtung, die in dem Umgebungsbereich der Elektrode angeordnet ist, zum Anlagern und Erfassen von Partikeln;
mit einer mit den Elektroden der Sensoren gekoppelten Steuer-Einrichtung zum sequentiellen Anlegen der vorgebbaren elektrischen Spannungen an die Elektroden der Sensoren.
2. Biochip-Anordnung nach Anspruch 1, bei der das Substrat
ein Halbleiter-Substrat, insbesondere ein Silizium-Wafer
ein Glas-Substrat
ein Keramik-Substrat oder
ein Kunststoff-Substrat
ist.
3. Biochip-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der zumindest eine der Elektroden und/oder der Detektions-Einrichtungen aus einem im Wesentlichen chemisch inerten Material hergestellt ist.
4. Biochip-Anordnung nach Anspruch 3, bei der das im Wesentlichen chemisch inerte Material
Gold und/oder
Platin
aufweist.
5. Biochip-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der zumindest eine der Detektions-Einrichtungen zumindest teilweise aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt ist.
6. Biochip-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Oberfläche zumindest einer der Elektroden und/oder zumindest einer der Detektions-Einrichtungen zumindest teilweise mit einer elektrisch isolierenden Schicht umgeben ist.
7. Biochip-Anordnung nach Anspruch 6, bei der die elektrisch isolierende Schicht aus
Siliziumnitrid und/oder
Siliziumdioxid und/oder
Aluminiumoxid und/oder
Titanoxid
hergestellt ist.
8. Biochip-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der bei mindestens einem Sensor die Elektrode und die Detektions-Einrichtung eine gemeinsame Detektions-Elektrode bilden.
9. Biochip-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der auf einem Oberflächen-Bereich der Detektions- Einrichtungen Fängermoleküle immobilisiert sind, die derart eingerichtet sind, dass an die Fängermoleküle zu den Fängermolekülen komplementäre, zu erfassende Partikel anlagerbar sind.
10. Biochip-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der zumindest ein Teil der Fängermoleküle und/oder der nachzuweisenden Partikel
Nukleinsäuren
Peptide
Proteine oder
niedermolekulare Verbindungen
sind.
11. Biochip-Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, bei der die Detektions-Einrichtungen derart eingerichtet sind, dass die mit Fängermolekülen versehenen Oberflächen- Bereiche der Detektions-Einrichtungen bei unterschiedlichen Sensoren unterschiedlich groß sind.
12. Biochip-Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei der zu erfassende Partikel oder immobilisierte Fängermoleküle einen Fluoreszenzmarker aufweisen,
wobei der Fluoreszenzmarker derart eingerichtet ist, dass der Fluoreszenzmarker nach Absorption von elektromagnetischer Strahlung eines ersten Wellenlängenbereichs elektromagnetische Fluoreszenz- Strahlung eines zweiten, von dem ersten Wellenlängenbereich zumindest teilweise verschiedenen Wellenlängenbereichs emittiert, und
wobei die Detektions-Einrichtungen derart eingerichtet sind, dass das Anlagern von Partikeln an den Detektions- Einrichtungen mittels Erfassen der elektromagnetischen Fluoreszenz-Strahlung nachgewiesen und ausgewertet wird.
13. Biochip-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Detektions-Einrichtungen derart eingerichtet sind, dass das Anlagern von Partikeln an den Detektions- Einrichtungen mittels Erfassen eines elektrischen Signals nachgewiesen und ausgewertet wird.
14. Biochip-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der bei mindestens einem Sensor die Detektions- Einrichtung von der Elektrode oder die Elektrode von der Detektions-Einrichtung in mindestens zwei Dimensionen vollständig umgeben ist.
15. Biochip-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der unterschiedliche Sensoren in mindestens zwei Dimensionen im Wesentlichen konzentrisch umeinander herum
im Wesentlichen kreisförmig
im Wesentlichen hohlkugelförmig
im Wesentlichen rechteckförmig
im Wesentlichen zylinderförmig oder
im Wesentlichen hohlwürfelförmig
angeordnet sind.
16. Biochip-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der bei mindestens einem Sensor die Detektions- Einrichtung und die Elektrode nebeneinander angeordnet sind.
17. Biochip-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der die Sensoren in mindestens einer Dimension nebeneinander und/oder übereinander angeordnet sind.
18. Verfahren zum Betreiben einer Biochip-Anordnung mit einer Biochip-Anordnung
mit einem Substrat;
mit einer Mehrzahl von in oder auf dem Substrat angeordneten Sensoren
mit einer Elektrode, an die eine vorgebbare elektrische Spannung anlegbar ist, wobei mittels der elektrischen Spannung ein elektrisches Multipolmoment aufweisende Partikel in einem Umgebungsbereich der Elektrode angezogen oder abgestoßen werden;
mit einer Detektions-Einrichtung, die in dem Umgebungsbereich der Elektrode angeordnet ist, zum Anlagern und Erfassen von Partikeln;
mit einer mit den Elektroden der Sensoren gekoppelten Steuer-Einrichtung zum sequentiellen Anlegen der vorgebbaren elektrischen Spannungen an die Elektroden der Sensoren;
wobei gemäß dem Verfahren
1. an die Elektrode eines ersten Sensors eine erste elektrische Spannung angelegt wird und simultan an die Elektroden zumindest eines Teils der restlichen Sensoren eine zweite elektrische Spannung angelegt wird, derart, dass die zu erfassenden, ein elektrisches Multipolmoment aufweisenden Partikel von der Elektrode des ersten Sensors angezogen werden und von den Elektroden von zumindest einem Teil der restlichen Sensoren abgestoßen werden und dass Partikel mittels der Detektions- Einrichtung des ersten Sensors erfasst werden;
2. der auf den ersten Sensor angewandte Schritt A sequentiell auf zumindest einen Teil der restlichen Sensoren angewandt wird, so dass sequentiell alle zu erfassenden Partikel mittels der Detektions- Einrichtungen zumindest eines Teils der restlichen Sensoren erfasst werden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem aus der Anzahl der von den Sensoren erfassten Partikeln die Konzentration der Partikel in einer die Partikel aufweisenden Flüssigkeit bestimmt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem bei der Biochip-Anordnung unterschiedliche Sensoren in mindestens zwei Dimensionen im Wesentlichen konzentrisch umeinander herum
im Wesentlichen kreisförmig
im Wesentlichen hohlkugelförmig
im Wesentlichen rechteckförmig
im Wesentlichen zylinderförmig oder
im Wesentlichen hohlwürfelförmig
angeordnet sind, und wobei gemäß dem Verfahren die erste elektrische Spannung zunächst an die Elektrode des am weitesten innen oder außen angeordneten Sensors angelegt wird, und dann sequentiell an die Elektroden der Sensoren von innen nach außen oder von außen nach innen angelegt wird.
21. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem bei der Biochip-Anordnung die Sensoren in einer Reihe angeordnet sind, und wobei gemäß dem Verfahren die erste elektrische Spannung zunächst an die Elektrode eines Sensors an einem Endabschnitt der Reihe angelegt wird, und dann sequentiell an die Elektroden der restlichen Sensoren entlang einer Richtung der Reihe angelegt wird.
22. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem bei der Biochip-Anordnung die Sensoren im Wesentlichen matrixförmig angeordnet sind, und wobei gemäß dem Verfahren die erste elektrische Spannung zunächst an die Elektrode eines Sensors an einer Ecke der Matrix angelegt wird, und dann sequentiell an die Elektroden der restlichen Sensoren in mäanderförmiger Reihenfolge in der Matrix angelegt wird.
23. Sensor-Anordnung mit einer Mehrzahl von im Wesentlichen matrixförmig angeordneten Biochip-Anordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 17.
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