DE102004025269A1

DE102004025269A1 - Biochipzelle mit Biochipsubstrat und Abdeckung für Aufnahme und optische Analyse biologischer Proben und Verfahren zur Präparation und Durchführung der Analyse

Info

Publication number: DE102004025269A1
Application number: DE102004025269A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Weber; Jochen Dipl.-Ing. Dangelmaier; Horst Dr.rer.nat. Dipl.-Phys. Theuss; Robert Dr.-Ing. Hagen
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2004-05-19
Filing date: 2004-05-19
Publication date: 2005-09-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Biochipzelle (10) mit Biochipsubstrat (1) und Abdeckung (2) für die Aufnahme und optische Analyse biologischer Proben (3) und ein Verfahren zur Präparation und Durchführung der Analyse. Dazu weist das Biochipsubstrat (1) eine Vielzahl von Analyseinseln (6) auf, die von einem Kunststoffrahmen (9) umgeben sind. Der Kunststoffrahmen (9) trägt eine Abdeckung (2) aus einem transparenten Material, sodass die Biochipzelle (10) für optische Untersuchungen geeignet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Biochipzelle mit Biochipsubstrat und Abdeckung für eine Aufnahme und eine optische Analyse biologischer Proben und ein Verfahren zur Präparation und Durchführung der Analyse.

Im Durchschnitt dauert die Entwicklung und Testphase eines neuen Medikaments 12 bis 15 Jahre. Jede Verkürzung dieser Testphase kann einerseits die Heilungschancen für Patienten verbessern und andererseits die Einführung von neuen pharmazeutischen Produkten in den Markt beschleunigen. Einen bedeutenden Beitrag dazu können so genannte Biochip-Systemlösungen liefern. Das Herzstück dieser Biochipsysteme ist eine Biochipzelle, auf der man ein ganzes Labor in Miniaturform unterbringen kann. Für eine optische Analyse können auf einem Quadratzentimeter zeitgleich die Reaktion von gegenwärtig bis zu 400 bekannten Genen auf einen bestimmten Wirkstoff überprüft werden. Dazu weist das "Labor in Miniaturformat" Analyseinseln auf, die mit unterschiedlichen genetischen Substanzen beschichtet werden und anschließend können die Reaktionen dieser 400 unterschiedlichen Genproben in ihrer Reaktion auf einen Wirkstoff überprüft werden.

Mit derartigen Biochipzellen können Untersuchungen von Entzündungen, von verschiedenen Krebsarten, von neurologischen Erkrankungen, von Multipler Sklerose, usw. untersucht werden. Außerdem können derartige Biochipzellen in der Lebensmittelforschung, der Vaterschaftsanalyse, der Phorensik, der Prä dispositionsdiagnostik oder für höhere Resistenzuntersuchungen eingesetzt werden.

Bisher werden als Biochipzellen Hohlraumspritzgussgehäuse eingesetzt, die verschiedene Kammern und Kanäle zur Führung der Reaktionsflüssigkeiten aufweisen. Diese Lösung für Biochipzellen hat nachteilig große Abmessungen, ist komplex in seiner Herstellung und verursacht hohe Fertigungskosten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Biochipzelle mit Biochipsubstrat und Abdeckung für Aufnahme und optische Analyse biologischer Proben zu schaffen, die kostengünstig herstellbar ist und eine minutenschnelle Analyse ermöglicht. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Präparation und Durchführung der Analyse mit entsprechend hohem Zeitgewinn anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Erfindungsgemäß wird eine Biochipzelle mit Biochipsubstrat und Abdeckung für die Aufnahme und die optische Analyse biologischer Proben geschaffen. Diese Biochipzelle weist ein Substrat auf, das auf seiner Oberseite eine Vielzahl voneinander räumlich isolierter und auf der Oberseite gleichmäßig verteilter Analyseninseln besitzt. Diese Analyseinseln dienen dem Andocken von biologischem Probenmaterial Die Biochipzelle weist mindestens einen Kunststoffrahmen aus gummielastischem Material auf, der auf der Oberseite des Halbleitersubstrats angeordnet ist und einen Analysebereich mit einer begrenzten Anzahl von Analyseinseln umschließt. Zum hermetischen Abdecken des Analysebereichs weist die Biochipzelle eine einsei tig klebende Abdeckung auf, die in ihrer flächigen Erstreckung dem Biochipsubstrat oder mindestens einem Analysebereich angepasst ist.

Eine derartige Biochipzelle hat den Vorteil, dass sie vom Anwender leicht handhabbar ist und für vielfältige Anwendungen einsetzbar ist. So kann ein Arzt in seiner Praxis in Minutenschnelle für einen Patienten eine individuelle Medikation ermitteln. Dazu kann er mit einer Blutprobe, die er auf die Analyseinseln verteilt, das spezifische Ansprechen auf ein Medikament überprüfen und über Nebenwirkungen und Reaktionszeiten Aussagen treffen. Dies ist ein bedeutender Fortschritt in der Behandlung von Krankheiten, wie Depressionen oder Bluthochdruck, wo die Dauer bis zur einsetzenden Wirkung eines Medikaments von größter Bedeutung ist.

Mit der Biochipzelle der vorliegenden Erfindung kann eine Zeitersparnis bei der Entwicklung neuer Medikamente von ein bis zwei Jahren erreicht werden, wobei ein "Blockbuster"-Medikament eine entsprechend dann frühere Zulassung bewirken kann, was erhebliche Einsparungen an Entwicklungskosten bedeutet.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Analyseninsel eine ringförmige Struktur auf, wodurch räumlich die einzelne Analyseninsel von benachbarten Anlayseinseln abgegrenzt ist. Mit dieser ringförmigen Struktur aus einem Beschichtungsmaterial wird dafür gesorgt, dass die einzelnen Mikrotropfen der einzelnen DNA-Proben nicht ineinander laufen und sich vermischen. Dazu kann das Biochipsubstrat eine Beschichtung aufweisen, in der als Analyseinseln Aussparungen angeordnet sind.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das Biochipsubstrat eine Beschichtung aus zwei Lagen auf, eine untere Lage, die auf dem Biochipsubstrat angeordnet ist und eine obere Lage, die als Analyseinseln ringförmige Öffnungen zur unteren Lage hin aufweist. Dabei kann das Substrat eine Glasplatte oder einen Halbleiterwafer aufweisen, die mit einer geschlossenen Metallschicht als untere Lage bedeckt sind. Auf der Metallschicht kann als zweite Lage eine strukturierte Isolationsschicht mit Öffnungen zu der Metallschicht angeordnet sein, so dass die zu analysierenden Proben in den Öffnungen über die Metallschicht an ein elektrisches Potential zur Verbesserung der Analyseaussagen in vorteilhafter Weise angeschlossen werden können. Das Potential kann dazu außerhalb der Biochipzelle an die untere Lage aus Metall angelegt werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung steht die Analyseinsel mit einer integrierten Schaltung eines Halbleitersubstrats elektrisch in Verbindung, wobei Elektroden der integrierten Schaltung auf der Oberseite des Biosubstrats für ein Benetzen mit einem biologischen Probenmaterial, insbesondere mit DNA-Proben, frei liegen. Derartige Analyseinseln haben den Vorteil, dass zusätzlich zu der Aufnahme von biologischem Probenmaterial, dieses Probenmaterial auf ein vorbestimmtes Potenzial gehoben werden kann, um die Analyseaussagen zu verbessern.

Weiterhin ist es vorgesehen, Rahmen auf dem Biosubstrat so zu gestalten, dass sie eine Höhe aufweisen, die größer ist als ein Außendurchmesser einer Injektionsnadel. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass nach dem Herstellen von Analysebereichen, die jeweils von dem gummielastischen Kunststoffrahmen umgeben sind und von einer op tisch transparenten Platte abgedeckt sind, die Möglichkeit besteht, eine Reaktionslösung in den Hohlraum zwischen Abdeckung und Biochipsubstrat mit einer Injektionsnadel zu injizieren, um dann die Reaktion des biologischen Probenmaterials auf den Analyseinseln optisch zu beobachten.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, die Kunststoffrahmen auf dem Biochipsubstrat mit einer Öffnung zu versehen. Diese Öffnung ist größer als der Außendurchmesser einer Injektionsnadel und dient dazu, mit anderen Hilfsmitteln eine Reaktionslösung in den Hohlraum zwischen Abdeckung und Biochipsubstrat einzubringen. Dazu werden auch zwei Öffnungen vorgesehen, eine als Einlassöffnung und die andere als Auslassöffnung, sodass die Reaktionslösungen durch einen Analysebereich geführt werden können.

Außerdem besteht die Möglichkeit, ein System aus Verbindungskanälen und Analysebereichen zu bilden, mit dem eine vernetze Analyse möglich wird. Schließlich ist es über die Einlass- und Auslassöffnungen auch möglich, nacheinander unterschiedliche Reaktionslösungen über gleiche Analysebereiche strömen zu lassen. Für eine optische Untersuchung weist die Abdeckung einen optisch transparenten Träger auf, der einseitig mit einer optisch transparenten Klebestoffschicht bedeckt ist. Diese Klebstoffschicht verbindet sich mit dem gummielastischen Kunststoffrahmen und sorgt für eine hermetische Abdichtung einzelner Biochipzellen.

Als transparenter Träger kann für die Abdeckung eine Glasplatte vorgesehen werden, ähnlich einer Deckplatte auf einem Mikroskopobjektträger. Andererseits ist es auch möglich, als transparenten Träger für die Abdeckung eine Acrylplatte vorzusehen. Anstelle einer Klebstoffschicht kann auch eine dop pelseitig klebende optisch transparente Folie auf eine Glasplatte oder einen anderen transparenten Träger geklebt werden, was die Fertigungskosten erheblich vermindert.

Ein Verfahren zur Präparation einer Biozelle mit Biochipsubstrat und Abdeckung für eine biochemische Analyse weist nachfolgende Verfahrensschritte auf. Zunächst wird ein Biochipsubstrat mit einer Vielzahl voneinander räumlich isolierter, auf der Oberseite des Substrats gleichmäßig verteilter Analyseinseln zum Andocken von biochemischem Probenmaterial hergestellt. Dabei können die Anlayseinseln in Analysebereiche gegliedert sein. Anschließend wird mindestens ein Kunststoffrahmen aus gummielastischem Material aufgebracht. Dieser wird auf der Oberseite des Biochipsubstrats derart angeordnet, dass jeweils eine begrenzte Anzahl von Analyseinseln für jeweils einen Analysebereich umschlossen wird.

Nach dem Herstellen des Biochipsubstrats mit dem entsprechenden Kunststoffrahmen wird ein biologisches Probenmaterial auf die Analyseinseln des Biochipsubstrats mithilfe von Mikropipetten aufgebracht. Anschließend werden die Analysebereiche mit einer einseitig klebenden Abdeckung abgedeckt und hermetisch abgeschlossen. Anschließend kann die Analyse dadurch beginnen, dass eine Folge von Reaktionslösungen im Wechsel mit Spüllösungen in die Analysebereiche injiziert wird. Jeweils nach Aufbringen und Abspülen einer Reaktionslösung kann eine optische Analyse der Reaktionsprodukte auf den Analyseinseln erfolgen.

Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass mit relativ einfachen Mitteln mit einem Substrat und einer transparenten Abdeckung, sowie dem Aufbringen von gummielastischem Kunststoffrahmen, eine Vielzahl von Analyseinseln, nicht nur mit Probenmaterial bestückt werden kann, sondern auch untersucht werden kann und somit eine schnelle Aussage über die Reaktion zwischen der reaktiven Lösung und den biochemischen Proben, wie beispielsweise DNA-Proben kurzfristig und preiswert ermittelt werden kann.

Der Kunststoffrahmen aus gummielastischem Material kann mittels Spritzgussverfahren aufgebracht werden, oder mittels eines Dispensverfahrens erfolgen. Darüber hinaus ist es auch möglich, eine Vielzahl von Kunststoffrahmen aus gummielastischem Material mittels drucktechnischer Verfahren aufzubringen. Diese können mit einer und auch ohne eine Schablone oder eine Maske erfolgen, indem eine Strahldrucktechnik, wie sie bei Tintenstrahldruckern üblich ist, angewandt wird.

Zum Aufbringen von biologischem Probenmaterial auf die Analyseinseln können Harfen von Mikropipetten vor dem Abdecken der Analysebereiche mit einer transparenten Abdeckung erfolgen. Derartige Mikropipettenharfen weisen eine Vielzahl in einer Reihe angeordneter Mikropipetten auf, die ihrerseits unterschiedliche DNA-Proben gleichzeitig von so genannten Probentabletts aufnehmen und auf die Analyseinseln übertragen können. Sobald ein Analysebereich durch eine Abdeckung hermetisch abgeschlossen ist, kann mit Hilfe einer Injektionskanüle eine Reaktionslösung durch den gummielastischen Kunststoffrahmen hindurch in den Zwischenraum zwischen Abdeckung und Biochipsubstrat eingespritzt werden, so dass sich kurzfristig eine optische Analyse anschließen kann. Auch ist es möglich, eine Folge von Reaktionslösungen im Wechsel mit Spüllösungen in die Anlaysenbereiche mittels eines Einbringens von Flüssigkeiten einer Reaktionslösung in entsprechend gestaltete Verbundkanäle von einem Analysebereich zum nächsten durchzuführen.

In einer bevorzugten Durchführung des Verfahrens werden die Moleküle der Reaktionslösung mit fluoreszierenden Markern versehen, sodass bei Reaktion mit dem zu analysierenden Material auf den Analyseinseln eine optisch erkennbare Fluoreszenz auftritt.

Zusammenfassend ist festzustellen, dass die erfindungsgemäße Biochipzelle und das hier vorgestellte Verfahren die nachfolgenden Vorteile aufweist:

1. Das Aufbringen der Analyse-DNA kann auf Waferebene nach dem Erzeugen der Kunststoffrahmen erfolgen, wenn als Substrat ein Halbleiterwafer zur Verfügung gestellt wird. Danach kann als Deckel die einseitig klebende Abdeckung aufgebracht werden, sodass die mit der Analyse-DNA geimpften aktiven Chipflächen im Bereich der Analyseinseln beim nachfolgenden Sägeprozess des Halbleiterwafers in einzelne Biochipzellen geschützt sind. Somit können kostengünstig, sowohl die Hohlraumerzeugung für die Untersuchung, als auch die "Microspotting" im so genannten "Batch-Prozess" auf Waferebene stattfinden.
2. Die Technologie und das entsprechende Design ermöglichen kleinste Gehäuse im "Chip Scale Package"-Bereich, einem Gehäuse, das nur unwesentlich größer ist als das Halbleitersubstrat für den entsprechenden Analysebereich.
3. Wird die Hohlraumbewandung, die aus dem Kunststoffrahmen gebildet ist, aus einem gummielastischen Material ausgeführt, so kann die Injektion der zu analysierenden Substanz in einfachster Weise erfolgen, indem die gummi elastische Kunststoffwand des Kunststoffrahmens mit einer kanülenartigen Spitze durchstoßen wird.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Biochipzelle einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 – 5 zeigen Prinzipskizzen zur Herstellung der Biochipzelle gemäß 1;
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Biochipsubstrat mit mehreren Analysebereichen;
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Biochipsubstrat und eine Mikropipette beim Auffüllen einer Analyseninsel mit biologischem Probenmaterial;
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Biochipsubstrat nach Abdecken der Analysebereiche mit einer Abdeckung;
5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Biochipsubstrat unter Aufteilen des Biochipsubstrats in mehrere Biochipzellen;
6 zeigt eine prinzipielle perspektivische Skizze einer Biochipzelle gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
7 zeigt eine perspektivische Prinzipskizze einer Biochipzelle gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
8 zeigt eine prinzipielle perspektivische Ansicht einer Biochipzelle gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung;
9 zeigt eine Prinzipskizze zum Andocken eines DNA-Indikators an eine DNA-Probe;
10 zeigt eine Prinzipskizze eines Bereitstellens einer zu analysierenden DNA-Probe auf einer Analyseinsel;
11 zeigt eine Prinzipskizze eines Andockens eines DNA-Indikators auf einer Analyseinsel;
12 zeigt eine Prinzipskizze von DNA-Indikatoren angedockt an DNA-Proben auf einer Analyseinsel;
13 zeigt eine Prinzipskizze eines Bereitstellens von zu analysierenden DNA-Proben;
14 zeigt eine Prinzipskizze eines Abweisens von DNA-Indikatoren auf einer Analyseinsel;
15 zeigt eine Prinzipskizze einer nicht markierten DNA-Probe auf einer Analyseinsel;
16 zeigt eine prinzipielle Draufsicht auf einen Analysebereich unter UV-Licht.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer Biochipzelle 10 einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Biochipzelle 10 weist ein Biochipsubstrat 1 auf, das in diesem Falle ein Halbleitersubstrat 4 aus einem Halbleiterwafer ist. Auf der Oberseite 5 ist ein Kunststoffrahmen 9 angeordnet, der einen Analysebereich 7 umgibt. Innerhalb des Kunststoffrahmens 9 eines Analysebereichs 7 sind eine Vielzahl von Analyseinseln 6 angeordnet. Die Anzahl der Analyseinseln 6 kann mehrere hundert Stück betragen. In der schematischen Querschnittansicht der 1 sind lediglich drei Analyseinseln 6 beispielhaft gezeigt.
Die Biochipzelle 10 wird von einer optisch transparenten Abdeckung 2 hermetisch verschlossen, indem die Abdeckung 2 auf dem Kunststoffrahmen 9 aufgeklebt ist. Vor dem hermetischen Verschließen der Biochipzelle 10 mit einer Abdeckung 2 ist auf die Analyseninsel 6 ein biologisches Probenmaterial 8 einer biologischen Probe 3 aufgebracht worden. Die Analyseinsel 6 ist hier als Mesastruktur auf der Oberseite 5 des Halbleitersubstrats 4 dargestellt. Diese Mesastruktur besteht in dieser Ausführungsform der Erfindung aus einem Kunststoffring, der auf die Oberseite 5 des Halbleitersubstrats 4 aufgebracht ist. Die Analyseinseln 6 können jedoch auch durch Einbringen von Vertiefungen in eine Beschichtung auf dem Halbleitersubstrat 4 realisiert werden.
Der Boden der Analyseinseln 6 kann eine metallische Elektrode 11 aufweisen, an die von außerhalb der Biochipzelle 10 ein Potential zur Verbesserung der Analyseergebnisse angelegt werden kann. Der Kunststoffrahmen 9 besteht aus einem gummielastischen Kunststoff und weist eine Höhe h auf, die größer ist als ein Außendurchmesser einer Injektionsnadel. Somit ist es möglich, eine Reaktionsflüssigkeit 15 in die Biochipzelle 10 durch den gummielastischen Kunststoffrahmen 9 hindurch zu injizieren. Ferner ist es möglich, über die optisch transparente Abdeckung 2 optisch Reaktionen der biologischen Probe 3 mit der injizierten Reaktionsflüssigkeit 15 zu beobachten.
Die 2 bis 5 zeigen Prinzipskizzen zur Herstellung der Biochipzelle 10 gemäß 1. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in 1 werden in den 2 – 5 mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Biochipsubstrat 1 mit mehreren Analysebereichen 7. Dieses Biochipsubstrat 1 ist bei diesem Herstellungsschritt ein großflächiger Halbleiterwafer 17, auf dem eine Vielzahl von Analyseinseln 6 angeordnet sind. Diese Analyseinseln 6 bestehen aus "Berandungen" und sind gleichmäßig auf der Oberseite 5 des Halbleiterwafers 17 verteilt.
Ferner weist der Halbleiterwafer 17 auf seiner Oberseite 5 Kunststoffrahmen 9 auf, die eine begrenzte Anzahl von Analyseinseln 6 umgeben und somit die Vielzahl der Analyseinseln 6 in Analysebereiche 7 aufteilen. Diese Kunststoffrahmen 9 aus einem gummielastischen Kunststoff werden beispielsweise durch Aufbringen eines SU8-Lackes in einem Schleuderbeschichtungsverfahren aufgebracht, wobei anschließend durch einen photolithographischen Schritt der aufgeschleuderte SU8-Lack in die in 2 gezeigten Kunststoffrahmen 9 strukturiert wird. Eine derart präparierte Oberseite 5 eines Halbleiterwafers 17 kann dann mit einem Probematerial versehen werden, wie es 3 zeigt.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Biochipsubstrat 1 und eine Mikropipette 16 beim Auffüllen einer Analyseinsel 6 mit biologischem Probenmaterial B. Die erste Analyseinsel 18 weist bereits eine biologische Probe 3 auf, von der aus die Mikropipette 16 in Pfeilrichtung A zu einer zweiten Analyseinsel 19 verfahren wurde und auch hier ist das Bestücken der zweiten Analyseinsel 19 bereits beendet, so dass in Pfeilrichtung B die Mikropipette 16 zu der nächsten Analyseinsel 6 verfahren werden kann.
Mit einem derartigen seriellen Verfahren können nacheinander sämtliche Analyseinseln 6 eines Halbleiterwafers 17 mit Probenmaterial versehen werden. Einen höheren Durchsatz beim Bestücken der Analyseinseln 6 mit biologischen Proben 3 wird durch eine Mikropipettenharfe erreicht, bei der gleichzeitig eine ganze Zeile von Analyseinseln 6 mit biologischen Proben 3 bestückt wird. Nach Auffüllen sämtlicher Analyseinseln 6 mit biologischen Proben 3 wird, wie es die nächste Figur zeigt, der Halbleiterwafer 17 von einer Glasplatte abgedeckt.
4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Biochipsubstrat 1 nach Abdecken der Analysebereiche 7 mit einer Abdeckplatte 2. Diese Abdeckplatte 2 ist transparent, da die in dieser Weise hergestellten Biochipzellen für eine optische Analyse vorbereitet werden sollen und weist eine Glasplatte 21 auf. Zum hermetischen Abdichten der Analysebereiche 7 weist die Glasplatte 21 auf ihrer Rückseite eine Klebstoffschicht auf, mit der die Glasplatte 21 auf die Kunststoffrahmen 9 gepresst wird. Diese Konstruktion ist derart dicht, dass nun der Halbleiterwafer 17 mitsamt der Glasplatte 21 und den zu untersuchenden Proben in einem nächsten Schritt in einzelne Biochipzellen 10, wie sie in 1 gezeigt werden, aufgetrennt werden kann.
5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das Biochipsubstrat 1 unter Aufteilen des Biochipsubstrats 1 in mehrere Biochipzellen 10. Während in 5 sowohl Glasplatte 21 als auch Halbleiterwafer 17 von einem Sägeblatt 22 gleichzeitig durchtrennt werden, ist es auch möglich, eine Vielzahl von Glasplatten 21 für die Vielzahl von Analysebereichen 7 vorzusehen, um diese getrennt auf die Analysebereiche 7 aufzubringen, so dass das Sägeblatt 22 lediglich den Halbleiterwafer 17 zu durchtrennen hat. Dazu ist die flächige Erstreckung der jeweiligen Glasplatte 21 pro Analysebereich 7 größer als der Kunststoffrahmen 9, jedoch kleiner als das Halbleitersubstrat 4 einer jeden Biochipzelle 10. Ein derartiges Beispiel einer Ausführungsform wird in der nächsten Figur gezeigt.
6 zeigt eine prinzipielle perspektivische Skizze einer Biochipzelle 20 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Die Biochipzelle 20 gemäß 6 unterscheidet sich von der Biochipzelle 10 gemäß 1 dadurch, dass die flächige Erstreckung der transparenten Abdeckung 2 kleiner ist als die flächige Erstreckung des Halbleitersubstrats 4. Der Kunststoffrahmen 9 umschließt hier beispielsweise nur sechs Analyseinseln 6, um die Darstellung zu vereinfachen, in Wirklichkeit kann ein Kunststoffrahmen 9 mehrere hundert Analyseinseln 6 umschließen.
Ferner wird in dieser 6 mit dem Bezugszeichen 15 eine Reaktionslösung gekennzeichnet, die den Hohlraum 23 zwischen der transparenten Abdeckung 2 und der Oberseite 5 innerhalb des Kunststoffrahmens 9 einnimmt und mit den biologischen Proben 3 auf den Analyseinseln 6 in Reaktion tritt. Diese Reaktionslösung 15 wurde durch den gummielastischen Kunststoffrahmrahmens 9 in den Hohlraum 23 mit Hilfe einer Injektions kanüle eingespritzt. Aufgrund der gummielastischen Eigenschaften des Kunststoffrahmens 9 wird die Einspritzöffnung, welche beim Durchstechen durch die Kanüle geschaffen wird, nach dem Eindringen der Reaktionslösung 15 in den Hohlraum 23 beim Herausziehen der Kanüle wird geschlossen.
7 zeigt eine perspektivische Prinzipskizze einer Biochipzelle 30 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die dritte Ausführungsform der Erfindung gemäß 7 unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform der Biochipzelle 20 gemäß 6 dadurch, dass der Kunststoffrahmen 9 Öffnungen 12 aufweist, die an zwei gegenüberliegenden Seiten des Kunststoffrahmens 9 angeordnet sind, so dass sich eine Einlassöffnung 13 und eine Auslassöffnung 14 ergeben. Der Querschnitt dieser Einlass- bzw. Auslassöffnungen 13 und 14 ist größer als der Querschnitt einer Kanüle. Über diese Einlass- und Auslassöffnungen 13 bzw. 14 ist es möglich, auch Reaktionslösungen 15 durch den Hohlraum 23 beispielsweise in Pfeilrichtung D fließen zu lassen.
Ferner ist es möglich, Reaktionslösungen 15 auszutauschen, so dass nach einer aktiven Reaktionsphase eine Neutralisierungsphase folgen kann. Auch ermöglicht diese Biochipzelle 30 nacheinander unterschiedliche Reaktionslösungen, über die Analyseinseln, die mit Probenmaterial 8 aufgefüllt sind, strömen zu lassen. Das Probenmaterial 8 kann auch DNA-Proben 26 umfassen, um genetische Analysen vorzunehmen. Weiterhin ist es möglich, mehrere derartige Biochipzellen 30 über die Eingangs- bzw. Ausgangsöffnungen 13 und 14 zusammenzukoppeln und ein System mit Verbindungskanälen aufzubauen.
8 zeigt eine prinzipielle perspektivische Ansicht einer Biochipzelle 40 gemäß einer vierten Ausführungsform der Er findung. In dieser Ausführungsform der Erfindung weist das Biochipsubstrat 1 als Analyseinsel 6 Vertiefungen 24 auf, die in eine Beschichtung 25 auf der Oberseite 5 des Halbleitersubstrats 4 eingebracht sind. Diese Vertiefungen 24 sind kreisförmig und werden über eine Pipette 16 in Pfeilrichtung C mit biologischem Probenmaterial 8 aufgefüllt. Die Herstellung derartiger mit Fenstern, Vertiefungen 24 oder Öffnungen versehenen Beschichtungen 25 auf einem Halbleiterwafer ist vorteilhaft ausführbar, indem Standard-Halbleitertechnologien eingesetzt werden. Das Auffüllen mit einer einzelnen Mikropipette 16 der Vertiefungen 24 in der Beschichtung 25 ist jedoch ein serielles Verfahren, was eine lange Fertigungszeit für eine Biochipzelle 40 verursacht. Um diese Zeit zu verkürzen, werden zum Auffüllen der Vertiefungen 24 in der Beschichtung 25 mit Probenmaterial 8 auch Pipettenharfen eingesetzt, die synchron und gleichzeitig mehrere Vertiefungen 24 in einer Zeile mit Probenmaterial 8 füllen können.
Die 9 bis 15 zeigen Prinzipskizzen eines Andockens bzw. eines Abweisens von DNA-Indikatoren 27 auf Analyseinseln 6, die mit DNA-Proben 26 bestückt sind.
9 zeigt eine Prinzipskizze zum Andocken eines DNA-Indikators 27 an eine DNA-Probe 26. Die DNA-Probe 26 weist in vorgegebener Reihe und Art Rezeptoren 28 auf, an die nur DNA-Indikatoren 27 andocken können, wenn deren Rezeptoren 29 in Anordnung und Art den Rezeptoren 28 der DNA-Probe 26 entsprechen. Außerdem weist der DNA-Indikator 27 einen Marker 31 auf, der in dieser Ausführungsform der Erfindung aus einem fluoreszierenden Material besteht. Bei Bestrahlung der Probe 3 auf der Analyseinsel 6 mit ultraviolettem Licht leuchtet der angedockte DNA-Indikator 27 aufgrund des angehängten fluoreszierenden Markers 31 gegenüber Analyseinseln 6, bei denen keine DNA-Indikatoren 27 festmachen konnten, auf. Eine Ausgangssituation für eine derartige Analyse zeigt die nächste Figur.
10 zeigt eine Prinzipskizze eines Bereitstellens einer zu analysierenden DNA-Probe 26 auf einer Analyseinsel 6. Diese DNA-Probe 26 ist auf die Analyseinsel 6 begrenzt, auf die sie mit einer Micropipette aufgebracht wurde. Diese DANN-Probe 26 wird nun mit einer Reaktionslösung 15, die über der Analyseinsel 6 angeordnet wird, in Kontakt gebracht.
11 zeigt eine Prinzipskizze eines Andockens eines DNA-Indikators 27 an die DNA-Proben 26 auf der Analyseinsel 6. Da Art und Anordnung der Rezeptoren 28 der DNA-Probe 26 und der Rezeptoren 29 des DNA-Indikators 27 übereinstimmen, belegen die DNA-Indikatoren 27, die in der Reaktionslösung 15 enthalten sind, die auf der Analyseinsel 6 angeordneten DNA-Proben 26, so dass sich die nächste 12 ergibt.
12 zeigt eine Prinzipskizze von angedockten DNA-Indikatoren 27 an DNA-Proben 26 auf einer Analyseinsel 6. Aufgrund der Marker 31 der DNA-Indikatoren 27 kann diese DNA-Probe 26 auf der Analyseinsel 6 eindeutig identifiziert werden, zumal bei UV-Bestrahlung der Marker 31 aufleuchtet.
13 zeigt eine Prinzipskizze eines Bereitstellens einer zu analysierenden DNA-Probe 26. Dieses ist die gleiche Ausgangssituation wie sie bereits die 10 zeigt. Diesmal befinden sich jedoch, wie 14 zeigt, keine für ein Andocken an die DNA-Proben 26 passenden DNA-Indikatoren 27 in der Reaktionslösung 15, so dass diese abgewiesen werden und in der Reaktionsflüssigkeit 15 verbleiben. Das Ergebnis zeigt 15.
15 zeigt eine Prinzipskizze von nicht markierten DNA-Proben 26 auf der Analyseninsel 6. Da kein passender DNA-Indikator aus der Reaktionslösung 15 an die DNA-Proben 26 angedockt wurde, bleibt diese Analyseninsel 6 beim Bestrahlen mit einer UV-Quelle dunkel. Das Gesamtergebnis dieser Vorgänge innerhalb eines Analysebereichs zeigt die nächste Figur.
16 zeigt eine prinzipielle Draufsicht auf einen Analysebereich 7 unter UV-Licht. Auf allen hell markierten Analyseinseln 6 haben demnach DNA-Indikatoren aus der Reaktionslösung angedockt und ihre Marker verbreiten ein helles UV-angeregtes Fluoreszens Leuchten. Die übrigen Analyseinseln 6 mit DNA-Proben sind dunkel geblieben, weil keine DNA-Indikatoren andocken konnten.

1: Biochipsubstrat
2: Abdeckung
3: biologische Probe
4: Halbleitersubstrat
5: Oberseite des Halbleitersubstrats
6: Analyseninsel
7: Analysebereich
8: biologisches Probenmaterial
9: Kunststoffrahmen
10: Biochipzelle
11: Elektroden
12: Öffnung im Kunststoffrahmen
13: Einlassöffnung im Kunststoffrahmen
14: Auslassöffnung im Kunststoffrahmen
15: Reaktionslösung oder Reaktonsflüssigkeit
16: Mikropipette
17: Halbleiterwafer
18: erste Analyseinsel
19: zweite Analyseinsel
20: Biochipzelle
21: Glasplatte
22: Sägeblatt
23: Hohlraum
24: Vertiefung
25: Beschichtung
26: DNA-Probe
27: DNA-Indikator
28: Rezeptor einer DNA-Probe
29: Rezeptor eines DNA-Indikators
30: Biochipzelle
31: Marker
40: Biochipzelle
A: Pfeilrichtung
B: Pfeilrichtung
C: Pfeilrichtung
D: Pfeilrichtung
h: Höhe des Kunststoffrahmens

Claims

Biochipzelle mit Biochipsubstrat (1) und Abdeckung (2) für Aufnahme und optische Analyse biologischer Proben (3) mit – einem Biochipsubstrat (1), das auf seiner Oberseite (5) eine Vielzahl voneinander räumlich isolierter auf der Oberseite (5) gleichmäßig verteilter Analyseinseln (6), mindestens eines Analysebereichs (7) zum Andocken von biologischem Probenmaterial (8) aufweist; – mindestens einem Kunststoffrahmen (9) aus gummielastischem Material, der auf der Oberseite (5) angeordnet ist und einen Analysebereich (7) mit einer begrenzten Anzahl von Analyseinseln (6) umschließt; – einer einseitig klebenden Abdeckung (2), die in ihrer flächigen Erstreckung dem Biochipsubstrat (1) oder dem mindestens einen Analysebereich (7) für ein hermetisches Abschließen des Analysebereichs (7) angepasst ist.
Biochipzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseinsel (6) mit einer integrierten Schaltung eines Halbleitersubstrats (4) elektrisch in Verbindung steht , wobei Elektroden (11) der integrierten Schaltung auf der Oberseite (5) des Biochipsubstrats (1) für ein Benetzen mit biologischem Probenmaterial (8) insbesondere DNA-Proben (26) frei liegen.
Biochipzelle nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseinsel (6) durch eine ringförmige Struktur räumlich von benachbarten Analyseinseln (6) abgegrenzt ist.
Biochipzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffrahmen (9) auf dem Biochipsubstrat (1) eine Höhe (h) aufweisen, die größer ist als ein Außendurchmesser einer Injektionsnadel.
Biochipzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffrahmen (9) auf dem Biochipsubstrat (1) eine Öffnung (12) aufweisen, die größer ist als der Außendurchmesser einer Injektionsnadel.
Biochipzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffrahmen (9) auf dem Biochipsubstrat (1) eine Einlassöffnung (13) und eine Auslassöffnung (14) aufweisen.
Biochipzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Biochipsubstrat (1) ein System aus Kunststoffrahmen (9) und Verbundkanälen, die mehrere Analysebereiche (7) verbinden aufweist.
Biochipzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (2) einen optisch transparenten Träger aufweist, der einseitig von einer optisch transparenten Klebstoffschicht bedeckt ist.
Biochipzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (2) als Träger eine Glasplatte (21) aufweist.
Biochipzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (2) als Träger eine Acrylplatte aufweist.
Biochipzelle mit Abdeckung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (2) als Klebstoffschicht eine doppelseitig klebende optisch transparente Folie aufweist.
Verfahren zur Präparation einer Biochipzelle (10) mit Biochipsubstrat (1) und Abdeckung (2) für eine biochemische Analyse, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: – Herstellen eines Biochipsubstrats (1) mit einer Vielzahl voneinander räumlich isolierter auf der Oberseite (5) des Biochipsubstrats (1) gleichmäßig verteilter Analyseinseln (6) zum Andocken von biologischem Probenmaterial (8), wobei die Analyseinseln (6) in Analysebereiche (7) gegliedert sind; – Aufbringen von mindestens einem Kunststoffrahmen (9) aus gummielastischem Material, der auf der Oberseite (5) angeordnet ist und jeweils eine begrenzte Anzahl von Analyseinseln (6) eines Analysebereichs (7) umschließt; – Aufbringen von biologischem Probenmaterial (8) auf die Analyseinseln (6) des Biochipsubstrats (1); – Abdecken der Analysebereiche (7) mit einer einseitig klebenden Abdeckung (2); – Einbringen einer Folge von Reaktionslösungen (15) im Wechsel mit Spüllösungen in die Analysebereiche (7); – optisches Analysieren der Reaktionsprodukte auf den Analyseinseln (6).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen von mindestens einem Kunststoffrahmen (9) aus gummielastischem Material mittels eines Spritzgussverfahrens erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen von mindestens einem Kunststoffrahmen (9) aus gummielastischem Material mittels eines Dispensverfahrens erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen von mindestens einem Kunststoffrahmen (9) aus gummielastischem Material mittels eines drucktechnischen Verfahrens erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass Aufbringen von biologischem Probenmaterial (8) auf die Analyseinseln (6) mittels Mikropipetten (16) vor dem Abdecken der Analysebereiche (7) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen von biologischem Probenmaterial (8) auf die Analyseinseln (6) mittels einer Harfe aus Mikropipetten (16) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen einer Folge von Reaktionslösungen (15) im Wechsel mit Spüllösungen in die Analysebereiche (7) mittels einer Injektionskanüle erflogt, die dazu den gummielastischen Kunststoffrahmen (9) durchstößt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Einbringen einer Folge von Reaktionslösungen im Wechsel mit Spüllösungen in die Analysebereiche (7) mittels eines Einbringens der Flüssigkeiten in entsprechend gestaltete Verbundkanäle zu den Analysebereichen (7) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Analyse der Reaktionsprodukte auf den Analyseinseln (6) mittels detektieren von Fluoreszenzerscheinungen der Reaktionsprodukte erfolgt.