DE102004025580A1 - Sensor-Anordnung, Sensor-Array und Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung - Google Patents

Sensor-Anordnung, Sensor-Array und Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung Download PDF

Info

Publication number
DE102004025580A1
DE102004025580A1 DE102004025580A DE102004025580A DE102004025580A1 DE 102004025580 A1 DE102004025580 A1 DE 102004025580A1 DE 102004025580 A DE102004025580 A DE 102004025580A DE 102004025580 A DE102004025580 A DE 102004025580A DE 102004025580 A1 DE102004025580 A1 DE 102004025580A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
sensor
electrode
diffusion
diffusion sensing
sensing electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE102004025580A
Other languages
English (en)
Inventor
Franz Dr. Hofmann
Alexander Frey
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Infineon Technologies AG
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Priority to DE102004025580A priority Critical patent/DE102004025580A1/de
Priority to US11/597,296 priority patent/US8480877B2/en
Priority to PCT/DE2005/000945 priority patent/WO2005116244A1/de
Publication of DE102004025580A1 publication Critical patent/DE102004025580A1/de
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54373—Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
    • G01N33/5438—Electrodes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
    • G01N27/3275—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
    • G01N27/3277—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction being a redox reaction, e.g. detection by cyclic voltammetry
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
    • C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
    • C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
    • C12Q1/6813—Hybridisation assays
    • C12Q1/6816—Hybridisation assays characterised by the detection means
    • C12Q1/6825—Nucleic acid detection involving sensors

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensor-Anordnung zum Erfassen von in einem Analyten möglicherweise enthaltenen Partikeln, mit einem Substrat, mit mindestens einer auf und/oder in dem Substrat angeordneten Sensor-Elektrode, auf der Fängermoleküle immobilisierbar sind, die derart eingerichtet sind, dass sie mit in einem Analyten möglicherweise enthaltenen zu erfassenden Partikeln hybridisieren, wobei bei einem Hybridisierungsereignis generierte elektrisch geladene Teilchen an der mindestens einen Sensor-Elektrode erfassbar sind, und mit mindestens einer in einem Umgebungsbereich der mindestens einen Sensor-Elektrode angeordneten Diffusionserfass-Elektrode, die derart eingerichtet ist, dass sie von der mindestens einen Sensor-Elektrode wegdiffundierende, bei einem Hybridiserungsereignis generierte elektrisch geladene Teilchen erfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Sensor-Anordnung, ein Sensor-Array und ein Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung.
  • Biosensoren zum Detektieren makromolekularer Biomoleküle gewinnen zunehmend an Bedeutung. [1] und [2] beschreiben aus dem Stand der Technik bekannte DNA-Sensoren.
  • Ein wichtiger Sensortyp, insbesondere bei vollelektronischen DNA-Sensorchips, ist das sogenannte Redox-Cycling. Grundlagen des Redox-Cycling sind in [3], [4] beschrieben. Beim Redox-Cycling werden makromolekulare Biopolymere an Oberflächen elektronisch durch Erfassen von mittels redoxaktiven Markierungen hervorgerufenen elektrischen Strömen nachgewiesen.
  • 1A, 1B zeigen eine Redox-Cycling-Sensor-Anordnung 100 gemäß dem Stand der Technik.
  • Die Redox-Cycling-Sensor-Anordnung 100 weist zwei Gold-Arbeitselektroden 101, 102 auf, die auf einem Substrat 103 gebildet sind. Auf jeder Arbeitselektrode 101, 102 sind DNA-Fängermoleküle 104 mit einer vorgegebenen Sequenz immobilisiert. Die Immobilisierung erfolgt beispielsweise gemäß der sogenannten Gold-Schwefel-Kopplung. Ferner ist in die Redox-Cycling-Sensor-Anordnung 100 ein zu untersuchender Analyt 105 eingebracht. Der Analyt 105 kann beispielsweise eine elektrolytische Lösung mit unterschiedlichen DNA-Molekülen sein.
  • Sind in dem Analyt 105 erste DNA-Halbstränge 106 mit einer Sequenz enthalten, die zu der Sequenz der DNA-Fängermoleküle 104 nicht komplementär ist, so hybridisieren diese ersten DNA-Halbstränge 106 nicht mit den DNA-Fängermolekülen 104 (siehe 1A). Man spricht in diesem Fall von einem "Mismatch".
  • Sind in dem Analyt 105 dagegen zweite DNA-Halbstränge 107 mit einer Sequenz enthalten, die zu der Sequenz der DNA-Fängermoleküle 104 komplementär ist, so hybridisieren diese zweiten DNA-Halbstränge 107 mit den DNA-Fängermolekülen 104. Man spricht in diesem Fall von einem "Match". Anders ausgedrückt ist ein DNA-Halbstrang 104 einer vorgegebenen Sequenz jeweils nur in der Lage, selektiv mit einem ganz bestimmten DNA-Halbstrang zu hybridisieren, nämlich mit dem DNA-Halbstrang mit zu dem jeweiligen Fängermolekül komplementärer Sequenz.
  • Wie in 1B gezeigt, enthalten die zu erfassenden zweiten DNA-Halbstränge 107 eine redoxaktive Markierung 108. Nach der Hybridisierung der zu erfassenden zweiten DNA-Halbstränge 107 mit den DNA-Fängermolekülen 104 wird mittels der redoxaktiven Markierung 108 (z.B. ein Enzym-Label wie z.B. eine alkalische Phosphatase) bei Anwesenheit geeigneter Zusatzmoleküle 109 (zum Beispiel para-Aminophenylphosphat, p-APP), ein Zyklus aus Oxidationen und Reduktionen von Bestandteilen der Zusatzmoleküle 109 ausgelöst, der unter Wechselwirkung mit den Gold-Elektroden 101, 102 zum Bilden reduzierter Moleküle 110 (z.B. para-Aminophenol) bzw. oxidierter Moleküle 111 (z.B. Chinonimin) führt. Der Zyklus aus Oxidationen und Reduktionen führt zu einem elektrischen Kreisstrom, der einen Nachweis der zweiten DNA-Halbstränge 107 ermöglicht.
  • Bei dem Redox-Cycling-Verfahren wird somit im Falle eines Bindungsereignisses zwischen einem zu erfassenden Partikel und einem Fängermolekül mittels eines Enzymlabels (z.B. einer alkalischen Phosphatase) eine redoxaktive Spezies erzeugt, indem zum Beispiel in einem Elektrolyten enthaltenes para-Aminophenylphosphat (p-APP)) in para-Aminophenol umgewandelt wird. Da laufend neue redoxaktive Spezies generiert werden, führt dies zu einem Anstieg des elektrischen Stroms zwischen den beiden Elektroden.
  • An der ersten Arbeitselektrode 101, die auch als Generatorelektrode bezeichnet werden kann, ist ein oxidierendes elektrisches Potential erforderlich. An der zweiten Arbeitselektrode 102, die auch als Kollektorelektrode bezeichnet werden kann, ist ein reduzierendes elektrisches Potential erforderlich.
  • In 2 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Interdigitalelektroden-Anordnung 200 gezeigt, die zwei fingerförmig ineinandergreifende Arbeitselektroden, nämlich eine Generatorelektrode 201 und eine Kollektorelektrode 202 aufweist. Ferner sind eine Referenzelektrode 203 und eine Gegenelektrode 204 gezeigt. Die Elektroden 201 bis 204 sind auf einem Substrat 205 gebildet. Auf die Interdigitalelektroden-Anordnung 200 kann ein elektrolytischer Analyt (nicht gezeigt) aufgebracht werden, der mit den Elektroden 201 bis 204 gekoppelt ist. Das elektrische Potential des elektrolytischen Analyten wird mittels der Referenzelektrode 203 einem invertierenden Eingang eines Komparators 206 bereitgestellt und von diesem mit einem elektrischen Sollpotential an dem nicht-invertierenden Eingang des Komparators 206 verglichen. Bei einer Abweichung des elektrischen Potentials der Referenzelektrode 203 von dem Sollpotential wird über einen Ausgang des Komparators 206 die Gegenelektrode 204 derart angesteuert, dass diese bedarfsweise elektrische Ladungsträger nachliefert, um das gewünschte elektrische Potential des Elektrolyten aufrechtzuerhalten. Anschaulich bildet die Referenzelektrode 203 gemeinsam mit dem Komparator 207 eine Potentiostat-Einrichtung. Die elektrischen Potentiale an den Arbeitselektroden 201, 202 werden relativ zu der Referenzspannung eingestellt. Mittels erster und zweiter Amperemeter 207, 208 werden elektrische Sensorströme der Generatorelektrode 201 bzw. der Kollektorelektrode 202 erfasst, welche Informationen über ein möglicherweise erfolgtes Sensorereignis enthalten.
  • Aus dem Stand der Technik ist ferner ein Sensor-Array bekannt, bei dem eine Mehrzahl von Interdigital-Elektroden-Anordnungen 200 miteinander beispielsweise matrixförmig verschaltet sind. In diesem können Komponenten 203, 204, 207, 208 für mehrere Sensor-Felder gemeinsam vorgesehen werden.
  • Tritt an einem Sensorfeld eines solchen Sensor-Arrays ein Sensorereignis auf, so werden reduzierte Moleküle 110 bzw. oxidierte Moleküle 111 gebildet. Es ist erwünscht, dass diese geladenen Teilchen an den Arbeitselektroden 201 bzw. 202 elektrisch erfasst werden. Allerdings sind diese geladenen Partikel in einem Analyten häufig einer Diffusion ausgesetzt und können unerwünschterweise zu einem benachbarten Sensorfeld (bzw. einem benachbarten Pixel) diffundieren, wo sie ein unerwünschtes elektrisches Stör-Signal generieren, welches das Messereignis verfälscht bzw. an falschen Sensor-Elektroden ein Sensorsignal generiert, ohne dass an diesen Sensor-Elektroden ein Sensorereignis stattgefunden hätte.
  • Gemäß dem Stand der Technik wird versucht, diesem Problem dadurch zu begegnen, dass die Messzeit so kurz gewählt wird, dass eine unerwünschte Diffusion nicht zum Tragen kommt bzw. vernachlässigbar klein bleibt. Dieses Vorgehen ist jedoch nachteilhaft, da sich dann nicht die volle Dynamik des Redoxprozesses zur Messung ausnutzen lässt. Anders ausgedrückt gehen bei einer zu kurz gewählten Messzeit viele elektrisch geladene Partikel, welche Folge eines Sensorereignisses sind, für die Messung verloren. Dadurch wird die Nachweissensitivität verringert bzw. das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert.
    •
  • Der Erfindung liegt insbesondere das Problem zugrunde, eine Sensor-Anordnung zum Erfassen von einem in einem Analyten möglicherweise enthaltenen Partikel bereitzustellen, bei der unerwünschte Effekte aufgrund einer Diffusion von elektrisch geladenen Teilchen effektiv unterdrückt sind.
  • Das Problem wird durch eine Sensor-Anordnung, durch ein Sensor-Array und durch ein Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung zum Erfassen von in einem Analyten möglicherweise enthaltenen Partikeln enthält ein Substrat und mindestens eine auf und/oder in dem Substrat angeordnete Sensor-Elektrode, auf der Fängermoleküle immobilisierbar sind, die derart eingerichtet sind, dass sie mit dem in einem Analyten möglicherweise enthaltenen zu erfassenden Partikeln hybridisieren, wobei bei einem Hybridisierungsereignis generierte elektrisch geladene Teilchen an der mindestens einen Sensor-Elektrode erfassbar sind. Ferner enthält die Sensor-Anordnung der Erfindung mindestens eine in einem Umgebungsbereich der mindestens einen Sensor-Elektrode angeordnete Diffusions-Erfass-Elektrode, die derart eingerichtet ist, dass sie von der mindestens einen Sensor-Elektrode wegdiffundierende, bei einem Hybridisierungsereignis generierte elektrisch geladene Teilchen erfasst.
  • Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein Sensor-Array mit einer Mehrzahl von auf und/oder in dem Substrat gebildeten Sensor-Anordnungen mit den oben beschriebenen Merkmalen geschaffen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung zum Erfassen von in einem Analyten möglicherweise enthaltenen Partikeln wird mindestens eine Sensor-Elektrode auf und/oder in einem Substrat gebildet, wobei auf der mindestens einen Sensor-Elektrode Fängermoleküle immobilisiert werden und derart eingerichtet werden, dass sie mit in einem Analyten möglicherweise enthaltenen zu erfassenden Partikeln hybridisieren, wobei bei einem Hybridisierungsereignis generierte elektrisch geladene Teilchen an der mindestens einen Sensor-Elektrode erfassbar sind. Darüber hinaus wird mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode in einem Umgebungsbereich der mindestens einen Sensor-Elektrode gebildet und derart eingerichtet, dass sie von der mindestens einen Sensor-Elektrode wegdiffundierende, bei einem Hybridisierungsereignis generierte elektrisch geladene Teilchen erfasst.
  • Eine Grundidee der Erfindung ist darin zu sehen, um eine oder mehrere Sensor-Elektroden herum oder in sonstiger Weise in einem Umgebungsbereich der Sensor-Elektrode(n) eine zusätzliche Diffusionserfass-Elektrode vorzusehen, die elektrisch geladene Teilchen (wie sie z.B. bei einem Redox-Cycling-Sensor im Fall eines Sensorereignisses anfallen) detektiert, wenn diese Teilchen in unerwünschter Weise von der mindestens einen Sensor-Elektrode wegdiffundieren. Das Wegdiffundieren von Teilchen aus einer Umgebung der Sensor-Elektrode kann beispielsweise als Trigger zum Beenden einer Messung verwendet werden, um zu verhindern, dass an benachbarten Sensor-Elektroden Artefakte auftreten, die auf die wegdiffundierenden Teilchen zurückzuführen sind. Dadurch kann exakt bestimmt werden, wie lange die Messzeit gewählt werden soll, ohne dass die Messung durch aus einem Sensor-Bereich herausdiffundierende elektrisch geladene Teilchen verfälscht oder sonst wie negativ beeinflusst wird. Dadurch wiederum kann die Dynamik des Redox-Prozesses maximal ausgenutzt werden, so dass die Nachweissensitivität der Sensor-Anordnung gegenüber dem Stand der Technik signifikant erhöht ist.
  • Die Diffusionserfass-Elektrode kann beispielsweise um die Sensor-Elektrode herum angebracht werden, so dass eine ringartige, vorzugsweise durchgehende Begrenzungsstruktur geschaffen ist, mit der in allen Diffusionsrichtungen ein Diffusionsstrom sicher erfasst werden kann. Die mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode kann auch aus mehreren Teilkomponenten vorgesehen sein, die z.B. in unterschiedlichen Richtungen in der Umgebung der mindestens einen Sensor-Elektrode angeordnet sind. Zum Beispiel können Diffusionserfass-Elektroden strukturell ähnlich oder genauso wie Sensor-Elektroden gebildet und/oder verschaltet sein und so betrieben werden (z.B. mittels Anlegens geeigneter elektrischer Potentiale), dass sie die Funktionalität einer Diffusionserfass-Elektrode (nämlich das Erfassen von Diffusion) erfüllen.
  • Anders ausgedrückt kann die Erfindung darin gesehen werden, mindestens eine zusätzliche Diffusionserfass-Elektrode um ein Messpixel herum bzw. in beliebig anderer Weise in einem Umgebungsbereich davon anzubringen. Eine solche Diffusionserfass-Elektrode kann beispielsweise als eine zusätzliche Interdigitalstruktur ausgeführt sein, die eine oder mehrere Leiterbahnen aufweisen kann, und ansonsten einen ähnlichen Aufbau haben kann bzw. eine ähnliche Verschaltung haben kann wie die mindestens eine Sensor-Elektrode im Messpixel. Im Unterschied zu dem Messpixel (d.h. der mindestens einen Sensor-Elektrode) kann die mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode aus einem anderen Elektrodenmaterial vorgesehen sein, das z.B. so eingerichtet sein kann, dass DNA-Stränge dort nicht immobilisiert werden können. Es ist aber auch möglich, das gleiche Elektrodenmaterial für die mindestens eine Sensor-Elektrode und für die mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode zu verwenden und beispielsweise in unerwünschter Weise an der mindestens einen Diffusionserfass-Elektrode immobilisierte DNA-Stränge von der mindestens einen Diffusionserfass-Elektrode zu entfernen, z.B. durch geeignete Spannungspulse (z.B. abzusprengen).
  • Als Elektrodenmaterial für die mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode kann beispielsweise Platin verwendet werden, da es bei Platin vermieden ist, dass Fängermoleküle unerwünschterweise an der Diffusionserfass-Elektrode immobilisiert werden. Grund hierfür ist, dass ein Immobilisieren von DNA-Halbsträngen als typisches Beispiel für Fängermoleküle aufgrund der chemisch besonders vorteilhaften Gold-Thiol-Kopplung (Thiol: SH-Gruppe) auf Gold besonders gut erfolgen kann, wohingegen ein Immobilisieren auf Platin nicht oder nur in vernachlässigbarer Menge erfolgt.
  • Aufgrund eines Detektionssignals, welches an der Diffusionserfass-Elektrode generiert wird, ist es erfindungsgemäß möglich, die Zeitdauer der Messung des Sensorereignisses soweit auszudehnen, bis sich ein Sättigungssignal zeigt oder die Diffusionserfass-Elektrode einen Strom anzeigt, der aufgrund der Diffusion von Redox-Teilchen generiert worden ist. Dann kann die Messung gestoppt werden, um zu verhindern, dass unerwünschterweise Redox-Teilchen das Messsignal verfälschen.
  • Eine solche kritische Messung tritt beispielsweise dann auf, wenn an den Sensor-Elektroden ein besonders starkes Hybridisierungsereignis auftritt und somit eine sehr große Anzahl von Redox-Teilchen erzeugt wird, und wenn bei dem Nachbarpixel keine oder nur eine sehr schwache Hybridisierung vorliegt. Mit Hilfe der Diffusionsmessung ist dann ersichtlich, zu welchem Zeitpunkt die Diffusion von Redox-Teilchen das Nachbarpixel erreicht und dort eine Verfälschung des Messsignals verursachen kann. Die eigentliche Messung der Sensorsignals kann dann beendet werden, um eine hohe Zuverlässigkeit der Messung zu garantieren.
  • Ein anderer Vorteil der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung ist darin zu sehen, dass der elektrische Strom (oder allgemein das elektrische Detektionssignal), der nicht von dem Redox-Strom im Messpixel herrührt, gemessen und gegebenenfalls von dem Messstrom abgezogen werden kann. Dieser unerwünschte Strom kann durch Verunreinigungen in der Flüssigkeit oder durch unerwünscht verschlepptes p-APP erzeugt werden und damit das Messsignal verfälschen.
  • Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Vorzugsweise sind zwei Sensor-Elektroden vorgesehen, die eine interdigitale Elektroden-Anordnung bilden. Anders ausgedrückt kann die mindestens eine Sensor-Elektrode in einer Form ähnlich wie die in 2 gezeigten Arbeitselektroden 201, 202 realisiert sein.
  • Die Sensor-Anordnung kann als Biosensor-Anordnung eingerichtet sein.
  • Insbesondere kann die Sensor-Anordnung als Redox-Cycling-Anordnung eingerichtet sein, die gemäß dem bezugnehmend auf 1A, 1B beschriebenen Prinzip betreibbar ist.
  • Die Sensor-Anordnung kann monolithisch in dem Substrat integriert sein. Das Substrat kann ein Silizium-Substrat, insbesondere ein Silizium-Wafer oder ein Silizium-Chip sein.
  • Ferner kann die Sensor-Anordnung eine Kompartimentierungs-Einrichtung aufweisen, welche um die mindestens eine Sensor-Elektrode herum angeordnet ist. Eine solche Kompartimentierungs-Einrichtung, z.B. eine ringartige Struktur, kann zum gezielten Aufbringen eines Flüssigkeitstropfens auf ein Sensorfeld vorgesehen sein.
  • Es können zwei Diffusionserfass-Elektroden vorgesehen sein, die ineinandergreifend gebildet sein können. Z.B. können die beiden Diffusionserfass-Elektroden im Wesentlichen kreisförmige Elektroden sein, die vorzugsweise konzentrisch sind und geringfügig unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Auch kann jede der Diffusionserfass-Elektroden durch mehrere Ringe realisiert sein, welche mit den mehreren Ringen der anderen Diffusionserfass-Elektrode verzahnt sind.
  • Die mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode kann die mindestens eine Sensor-Elektrode im Wesentlichen ringförmig umgeben. Insbesondere kann die Diffusionserfass-Elektrode eine kreisförmige oder rechteckförmige, dreieckförmige oder sonstige vieleckförmige Struktur aufweisen, insbesondere auch eine Wabenstruktur, die leicht fertigbar ist und eine Diffusion in alle Richtungen erfassen kann.
  • Vorzugsweise ist die mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode von Fängermolekülen frei. Das kann z.B. dadurch sichergestellt werden, dass die Diffusionserfass-Elektrode aus einem Material wie Platin hergestellt wird, auf welchem Fängermoleküle nicht oder nur schlecht immobilisierbar sind.
  • Die Sensor-Anordnung kann eine Steuer-Einrichtung aufweisen, die mit der mindestens einen Diffusionserfass-Elektrode gekoppelt ist und derart eingerichtet ist, dass sie einen Erfass-Betriebszustand beendet, wenn ein Signal an der mindestens einen Diffusionserfass-Elektrode einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Als Erfass-Betriebszustand wird hier ein Betriebszustand der Sensor-Anordnung bezeichnet, bei der an der mindestens einen Sensor-Elektrode ein Sensorereignis in Form eines Sensorstroms, einer Sensorspannung, etc. erfasst wird. Erreicht die Diffusion von elektrisch geladenen Partikeln aus dem Bereich der mindestens einen Sensor-Elektrode heraus einen vorgegebenen Schwellenwert, so erzeugt die Diffusion auch ein Signal an der mindestens einen Diffusionserfass-Elektrode. Überschreitet dieses Signal einen Schwellenwert, verwendet die Steuer-Einrichtung dies als Trigger dafür, einen Erfass-Betriebszustand zu beenden, da zeitlich später erfasste Detektionssignale aufgrund des unerwünschten Wegdiffundierens elektrisch geladener Teilchen fehlerbehaftet sind.
  • Ferner kann die Steuer-Einrichtung mit der mindestens einen Sensor-Elektrode gekoppelt sein und derart eingerichtet sein, dass sie einen Erfass-Betriebszustand beendet, wenn ein Signal der mindestens einen Sensor-Elektrode einen Sättigungs-Zustand erreicht. Gemäß dieser Weiterbildung wird berücksichtigt, dass auch ohne unerwünschte Diffusion elektrisch geladener Partikel aus einem Umgebungsbereich der mindestens einen Sensor-Elektrode heraus eine Messung dann beendet werden sollte, wenn ein Messsignal an der mindestens einen Sensor-Elektrode bereits in Sättigung gegangen ist. Auch dieses Szenario wird durch die beschriebene Einrichtung der Steuer-Einrichtung berücksichtigt.
  • Insbesondere kann die Sensor-Anordnung eine erste und eine zweite Sensor-Elektrode, eine erste und eine zweite Diffusionserfass-Elektrode und eine Potentialsteuer-Einrichtung aufweisen, die derart eingerichtet ist, dass sie der ersten Sensor-Elektrode und der ersten Diffusionserfass-Elektrode ein elektrisches Referenzpotential bereitstellt und zum Steuern des elektrischen Potentials der zweiten Sensor-Elektrode und der zweiten Diffusionserfass-Elektrode eingerichtet ist.
  • Ferner kann eine Signalverarbeitungs-Einrichtung zum Verarbeiten eines Signals der zweiten Sensor-Elektrode und/oder der zweiten Diffusionserfass-Elektrode vorgesehen sein.
  • Darüber hinaus kann eine Multiplex-Einrichtung bereitgestellt sein, welche die Signalverarbeitungs-Einrichtung selektiv mit der zweiten Sensor-Elektrode oder mit der zweiten Diffusionserfass-Elektrode koppelt.
  • Wenngleich die beschriebenen Ausgestaltungen bezugnehmend auf die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung beschrieben worden sind, gelten diese auch für das eine Mehrzahl von Sensor-Anordnungen aufweisende Sensor-Array.
  • Im Weiteren werden Ausgestaltungen des Sensor-Arrays beschrieben.
  • Für die mindestens eine Sensor-Elektrode und/oder für die mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode kann eine Verstärker-Einrichtung zum Verstärken eines erfassten Signals bereitgestellt sein. Ein solcher Verstärker kann für jede der Elektroden separat bereitgestellt werden, oder alternativ durch eine gemeinsame Verstärker-Einrichtung für mehrere oder alle Sensor-Anordnungen eines Sensor-Array gemeinsam.
  • Bei dem Sensor-Array können Diffusionserfass-Elektroden in Bereichen zwischen Sensor-Elektroden von unterschiedlichen Sensor-Anordnungen angeordnet sein. Jede Redox-Cycling-Sensor-Anordnung enthält mindestens eine Sensor-Elektrode und mindestens eine in einem Umgebungsbereich davon angeordnete Diffusionserfass-Elektrode. Die Diffusionserfass-Elektroden können zwischen Sensor-Elektroden unterschiedlicher Sensor-Anordnungen gebildet sein. Eine Diffusionserfass-Elektrode muss erfindungsgemäß eine Sensor-Elektrode nicht notwendigerweise vollständig umgeben, sondern es reicht aus, dass ein ausreichend großer Umgebungsbereich einer Sensor-Elektrode von einer benachbarten oder mehreren benachbarten Diffusionserfass-Elektroden umgeben ist, so dass im Falle des Wegdiffundierens von Ladungsträgern zumindest eine der benachbarten Diffusionserfass-Elektroden ein Diffusionsereignis detektieren kann. Eine Diffusionserfass-Elektrode kann somit zum Erfassen der Diffusion von mehreren Sensor-Elektroden dienen, die an eine jeweilige Diffusionserfass-Elektrode angrenzen.
  • Im Weiteren wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung näher beschrieben. Ausgestaltungen der Sensor-Anordnung gelten auch für das Verfahren zum Herstellen der Sensor-Anordnung und umgekehrt.
  • Vorzugsweise wird die mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode von Fängermolekülen frei gehalten. Das kann erreicht werden, indem die mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode aus einem Material vorgesehen wird, auf dem Fängermoleküle nicht immobilisierbar sind, z.B. Platin. Gold ist ein Material, auf dem Fängermoleküle besonders gut immobilisierbar sind. Deshalb ist eine Kombination besonders vorteilhaft, bei der die mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode aus Platin und bei der die mindestens eine Sensor-Elektrode aus Gold hergestellt ist.
  • Alternativ kann die mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode von Fängermolekülen frei gehalten werden, indem zunächst Fängermoleküle auch auf der mindestens einen Diffusionserfass-Elektrode immobilisiert werden und die Fängermoleküle nachfolgend selektiv von der mindestens einen Diffusionserfass-Elektrode entfernt werden, wohingegen Fängermoleküle auf der mindestens einen Sensor-Elektrode verbleiben. Dies kann realisiert werden, indem durch Anlegen geeigneter Spannungsimpulse die immobilisierten Fängermoleküle (z.B. DNA-Halbstränge) nur von den Diffusionserfass-Elektroden abgesprengt werden. Anders ausgedrückt können die Fängermoleküle von der mindestens einen Diffusionserfass-Elektrode mittels Anlegens eines elektrischen Potentials an die mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode entfernt werden.
    •
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1A, 1B unterschiedliche Betriebszustände einer Redox-Cycling-Sensor-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
  • 2 eine Interdigitalelektroden-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
  • 3 eine Sensor-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 4 ein Sensor-Array gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 5 eine Sensor-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 6 die in 5 gezeigte Sensor-Anordnung in einer detaillierteren Darstellung,
  • 7 eine Querschnittsansicht einer Sensor-Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 8 ein Sensor-Array gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
  • Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugsziffern versehen.
  • Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 3 eine Sensor-Anordnung 300 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Die Sensor-Anordnung 300 zum Erfassen von in einem Analyten möglicherweise enthaltenen Partikeln ist in bzw. auf einem Silizium-Substrat 301 monolithisch integriert. Die Sensor-Anordnung 300 enthält eine erste Sensor-Elektrode 302 und eine zweite Sensor-Elektrode 303, die fingerförmig ineinandergreifend als Interdigitalelektroden-Anordnung vorgesehen sind. Auf beiden Sensor-Elektroden 302, 303 sind DNA-Halbstränge (nicht gezeigt) als Fängermoleküle immobilisiert, die derart eingerichtet sind, dass sie mit in einem Analyten möglicherweise enthaltenen zu erfassenden Partikeln hybridisieren können, wobei bei einem Hybridisierungsereignis generierte elektrisch geladene Teilchen als elektrischer Sensorstrom an den Sensor-Elektroden 302, 303 erfassbar sind, gemäß dem bezugnehmend auf 1A, 1B beschriebenen Prinzip eines Redox-Cycling-Sensors.
  • Ferner sind, wie in 3 gezeigt, in einem Umgebungsbereich der Sensor-Elektroden 302, 303 eine erste Diffusionserfass-Elektrode 304 und eine zweite Diffusionserfass-Elektrode 305 gebildet, die derart eingerichtet sind, dass sie von den Sensor-Elektroden 302, 303 wegdiffundierende, bei einem Hybridisierungsereignis generierte elektrisch geladene Teilchen erfassen. Die Diffusionserfass-Elektroden 304, 305 sind jeweils als Mehrzahl von konzentrischen Ringen realisiert, wobei die beiden Diffusionserfass-Elektroden 304, 305 ineinandergreifend vorgesehen sind. Um die Sensor-Elektroden 302, 303 herum ist ferner ein Kompartimentierungsring 306 gebildet. Die Diffusionserfass-Elektroden 304, 305 aus Platinmaterial sind von Fängermolekülen frei. Die Fängermoleküle sind unter Verwendung der Gold-Schwefel-Bindung auf den Sensor-Elektroden 302, 303 aus Goldmaterial immobilisiert.
  • Im Fall eines Sensorereignisses zwischen DNA-Halbsträngen als Fängermolekülen auf den Sensor-Elektroden 302, 303 und zu erfassenden komplementären DNA-Halbsträngen in einem Analyten, welche komplementären DNA-Halbstränge ein redoxaktives Label aufweisen, werden gemäß dem Prinzip des Redox-Cyclings nahe der Sensor-Elektroden 302, 303 elektrisch geladene Redox-Partikel generiert, welche an den Sensor-Elektroden 302, 303 einen elektrischen Sensorstrom bewirken. Diese elektrisch geladene Partikel sind dem Einfluss der Diffusion in einem Analyten ausgesetzt und können aus dem Bereich der Sensor-Elektroden 302, 303 herausdiffundieren. Verlassen solche elektrisch geladenen Teilchen den Umgebungsbereich der Sensor-Elektroden 302, 303 und erreichen sie die Diffusionserfass-Elektroden 304, 305, so erzeugen sie an den Diffusionserfass-Elektroden 304, 305 ein Sensorsignal, welches detektiert werden kann und die Information beinhaltet, dass zu späteren Zeitpunkten eine Messung deshalb problematisch ist, weil elektrisch geladene Sensorteilchen die Redox-Cycling-Sensor-Anordnung 300 verlassen bzw. bereits verlassen haben. Dies kann als Trigger-Signal für das Beenden einer Messung verwendet werden.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 4 ein Sensor-Array 400 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Das Redox-Cycling-Sensor-Array 400 enthält eine Mehrzahl von Redox-Cycling-Sensor-Anordnungen 300. Hierbei sind die elektrischen Anschlüsse der ersten Diffusionserfass-Elektroden 304 der mehreren Redox-Cycling-Sensor-Anordungen 300 miteinander gekoppelt, und es sind die zweiten Diffusionserfass-Elektroden 305 der mehreren Redox-Cycling-Sensor-Anordnungen 300 miteinander gekoppelt. Dadurch ist die Anzahl der erforderlichen Anschlüsse der Anordnung verringert.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 5 eine Redox-Cycling-Sensor-Anordnung 500 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Wiederum sind eine erste Sensor-Elektrode 302 und eine zweite Sensor-Elektrode 303 gezeigt, die fingerförmig ineinandergreifend vorgesehen sind und auf denen Fängermoleküle (nicht gezeigt) immobilisiert sind. In einem Umgebungsbereich der Sensor-Elektroden 302, 303 und diese ringförmig umgebend ist eine erste Diffusionserfass-Elektrode 304 und eine zweite Diffusionserfass-Elektrode 305 vorgesehen. Die zweite Sensor-Elektrode 303 und die zweite Diffusionserfass-Elektrode 305 sind auf ein erstes elektrisches Potential 501 gebracht. Ein zweites elektrisches Potential 502 ist einer Potentialregel-Einrichtung 504 bereitgestellt, welche an die erste Sensor-Elektrode 302 und an die erste Diffusionserfass-Elektrode 304 angeschlossen ist. Die Potentialregel-Einrichtung 504 ist mit einer Auswahl-Schaltung 505 gekoppelt, der ein drittes elektrisches Potential 503 bereitgestellt ist. Die Auswahl-Schaltung 505 ist sowohl mit einer Hilfs-Stromquelle 506 als auch mit einer Signalverarbeitungs-Schaltung 508 zum Verarbeiten von bereitgestellten Ausgangssignalen gekoppelt, wobei an einem Signalausgang 507 die Signalverarbeitungs-Schaltung 508 ein vorverarbeitetes Ausgangssignal bereitstellen kann.
  • Somit ist in 5 die erfindungsgemäße Sensorstruktur mit einer effizienten Beschaltung dargestellt. Die zweite Sensor-Elektrode 303 und die zweite Diffusionserfass-Elektrode 305 sind direkt mit einer elektrischen Spannung des ersten elektrischen Potentials 501 versorgt. Die erste Sensor-Elektrode 302 und die erste Diffusionserfass-Elektrode 304 werden unter Verwendung der Potentialregel-Einrichtung 504 betrieben, so dass das generierte Stromsignal für eine Weiterverarbeitung und Auswertung zur Verfügung steht. Um den Platzbedarf der Schaltung gering zu halten, wird die Signalverarbeitungs-Schaltung 508 nicht für die Sensor-Elektroden 302, 303 einerseits und für die Diffusionserfass-Elektroden 304, 305 andererseits doppelt vorgesehen, sondern gemeinsam. Daher wird die Stromverarbeitungs-Schaltung 508 mit Hilfe der Auswahl-Schaltung 505 gemultiplext. Die jeweils nicht ausgewählte Elektrode aus der Gruppe der ersten Sensor-Elektrode 302 und der ersten Diffusionserfass-Elektrode 304 können jeweils mit der Hilfs-Stromquelle 506 gekoppelt werden.
  • In 6 ist nochmals die Redox-Cycling-Sensor-Anordnung 500 dargestellt, wobei für die Einzelkomponenten 504 bis 508 eine exemplarische schaltungstechnische Realisierung dargestellt ist.
  • Die Potentialregel-Einrichtung 504 weist einen ersten Komparator 600 auf, dessen nicht-invertierender Eingang auf das zweite elektrische Potential 502 gebracht ist und mit dem invertierenden Eingang eines zweiten Komparators 601 gekoppelt ist. Ferner ist ein Ausgang des ersten Komparators 600 mit einem Gate-Anschluss eines ersten n-MOS-Feldeffekttransistors 602 gekoppelt, dessen erster Source-/Drain-Anschluss mit dem invertierenden Eingang des ersten Komparators 600 und mit der ersten Sensor-Elektrode 302 gekoppelt ist. Ferner ist der invertierende Eingang des zweiten Komparators 601 mit der ersten Diffusionserfass-Elektrode 304 und mit einem ersten Source-/Drain-Anschluss eines zweiten n-MOS-Feldeffekttransistors 603 gekoppelt, dessen Gate-Anschluss mit einem Ausgang des zweiten Komparators 601 gekoppelt ist. Der zweite Source-/Drain-Anschluss des zweiten n-MOS-Feldeffekttransistors 603 ist mit einem ersten Source-/Drain-Anschluss eines ersten p-MOS-Feldeffekttransistors 604 und mit einem ersten Source-/Drain-Anschluss eines vierten n-MOS-Feldeffekttransistors 607 gekoppelt. Ferner ist ein zweiter Source-/Drain-Anschluss des ersten n-MOS-Feldeffekttransistors 602 mit einem ersten Source-/Drain-Anschluss eines dritten n-MOS-Feldeffekttransistors 606 und eines zweiten p-MOS-Feldeffekttransistors 605 gekoppelt. Die Gate-Anschlüsse der Transistoren 604 bis 607, welche Transistoren 604 bis 607 die Auswahl-Schaltung 505 bilden, sind auf das dritte elektrische Potential 503 gebracht. Die zweiten Source-/Drain-Anschlüsse des ersten p-MOS-Feldeffekttransistors 604 und des dritten n-MOS-Feldeffekttransistors 606 sind mit einem ersten Source-/Drain-Anschluss und mit dem Gate-Anschluss eines dritten p-MOS-Feldeffekttransistors 608 der Hilfs-Stromquelle 606 gekoppelt. Der zweite Source-/Drain-Anschluss des dritten p-MOS-Feldeffekttransistors 608 ist auf das Versorgungspotential VDD 609 gebracht. Ferner sind die zweiten Source-/Drain-Anschlüsse des zweiten p-MOS-Feldeffekttransistors 605 und des vierten n-MOS-Feldeffekttransistors 607 mit einem Eingang eines Verstärkers 610 gekoppelt, dessen Ausgang mit dem Signalausgang 507 gekoppelt ist. Der Verstärker 610 ist Teil der Signalverarbeitungs-Schaltung 508.
  • Das in 6 gezeigte Ausführungsbeispiel der Elektronenbeschaltung zeigt, dass die Potentialregel-Einrichtung 504 mit Hilfe von OTAs 600, 601 („operational transconductance amplifier") und von Stromregel-Transistoren 602, 603 realisiert ist. Die Auswahl-Schaltung 505 ist aus zwei n-MOS-Schalt-Transistoren 606, 607 und aus zwei p-MOS-Schalt-Transistoren 604, 605 gebildet. Die Hilfs-Stromquelle 506 ist als p-MOS-Diode 608 ausgeführt. In 6 ist die Stromsignalverarbeitungs-Schaltung 508 eine Stromverstärkerschaltung, so dass das Ausgangssignal an dem Signalausgang 507 ein analoges Signal ist. Es ist auch möglich, eine ADC-Schaltung (Analog-Digital-Wandler) zu betreiben und somit ein digitales Ausgangssignal zu erhalten.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 7 eine Redox-Cycling-Sensor-Anordnung 700 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • 7 zeigt eine Querschnittsansicht einer monolithisch integrierten Sensor-Anordnung 700. Die Redox-Cycling-Sensor-Anordnung 700 ist monolithisch in einem Silizium-Substrat 301 integriert. Auf der Oberfläche der Redox-Cycling-Sensor-Anordnung 700 sind erste und zweite Sensor-Elektroden 302, 303 aus Goldmaterial gebildet. Unter Verwendung der Gold-Schwefel-Bindung sind auf den Sensor-Elektroden 302, 303 DNA-Halbstränge 701 als Fängermoleküle immobilisiert. Auf anderen Oberflächenbereichen der Redox-Cycling-Sensor-Anordnung 700 sind erste und zweite Diffusionserfass-Elektroden 304, 305 aus Platinmaterial gebildet. Platinmaterial hat die Eigenschaft, dass Fängermoleküle 701 darauf nicht immobilisieren können, so dass die Diffusionserfass-Elektroden 304, 305 von Fängermolekülen 701 frei sind. 7 zeigt die Redox-Cycling-Sensor-Anordnung 700 in einem Betriebszustand, in dem zu erfassende Partikel 702 mit daran angebrachten redoxaktiven Labeln 703 mit Fängermolekülen 701 hybridisiert haben. Gemäß dem bezugnehmend auf 1A, 1B beschriebenen Prinzip werden elektrisch geladene Teilchen generiert, die an den Sensor-Elektroden 302, 303 nachgewiesen werden können. Verlassen solche elektrisch geladenen Partikel den Umgebungsbereich der Sensor-Elektroden 302, 303 und erreichen sie die außerhalb der Sensor-Elektroden 302, 303 angeordneten Diffusionserfass-Elektroden 304, 305, so kann an den Diffusionserfass-Elektroden 304, 305 ein entsprechendes Signal generiert werden.
  • Wie ferner in 7 gezeigt, ist zwischen dem Silizium-Substrat 301 und den Elektroden 302 bis 305 ein CMOS-Schaltkreis vorgesehen, der aus elektrisch geladenen Kontaktierungselementen 705 in einer Siliziumoxid-Schicht 704 und aus zusätzlichen, in 7 nicht gezeigten Komponenten gebildet ist. Die Kontaktierungselemente 705 stellen eine elektrische Kopplung zwischen den Sensor-Elektroden 302 bis 305 einerseits und tiefer in der Redox-Cycling-Sensor-Anordnung 700 andererseits gebildeten Auswerte-Elektronik-Komponenten her. Beispielsweise ist die zweite Sensor-Elektrode 303 über elektrisch leitfähige Kontaktierungselemente mit dem Gate-Bereich 705 eines Auslese-Transistors gekoppelt, dessen Source-/Drain-Bereiche 706 in dem Silizium-Substrat 301 als dotierte Bereiche vorgesehen sind, wobei ein Bereich 708 zwischen den Source-/Drain-Bereichen 706 und unterhalb des Gate-Bereichs 707 als Kanal-Bereich dient. Auf diese Weise können On-Chip Sensorsignale der Sensor-Elektroden 302, 303 bzw. Diffusionssignale der Diffusionserfass-Elektroden 304, 305 ausgewertet werden und zur Steuerung bzw. zum Bilden eines Sensorsignals der Redox-Cycling-Sensor-Anordnung 700 verwendet werden.
  • Es ist anzumerken, dass in 7 nur ein Teil der Komponenten der Redox-Cycling-Sensor-Anordnung 700 gezeigt ist, insbesondere sind die Diffusionserfass-Elektroden 304, 305 ringartig um die fingerförmig miteinander verzahnten Sensor-Elektroden 302, 303 angeordnet, um einen Umgebungsbereich der Sensor-Elektroden 302, 303 vollständig zu umschließen.
  • Im Weiteren wird bezugnehmend auf 8 ein Sensor-Array 800 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
  • Das Redox-Cycling-Sensor-Array 800 enthält eine Mehrzahl von Redox-Cycling-Sensor-Anordnungen. Jede Redox-Cycling-Sensor-Anordnung enthält ein Sensor-Elektrode 801 und in einem Umgebungsbereich davon angeordnete Diffusionserfass-Elektroden 802. Gemäß 8 sind die Diffusionserfass-Elektroden 802 zwischen den matrixförmig angeordneten Sensor-Elektroden 801 gebildet. Somit muss eine Diffusionserfass-Elektrode 802 erfindungsgemäß eine Sensor-Elektrode 801 nicht notwendigerweise vollständig umgeben, sondern es reicht aus, dass ein ausreichend großer Umgebungsbereich einer Sensor-Elektrode 801 von benachbarten Diffusionserfass-Elektroden 802 umgeben ist, so dass im Falle des Wegdiffundierens von Ladungsträgern zumindest eine der benachbarten Diffusionserfass-Elektroden 802 das Diffusionsereignis detektiert. Somit dient gemäß 8 eine Diffusionserfass- Elektrode 802 zum Erfassen der Diffusion von mehreren Sensor-Elektroden 801, nämlich insbesondere von all jenen Sensor-Elektroden 801, die an eine jeweilige Diffusionserfass-Elektrode 802 angrenzen.
  • In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
    • [1] Hofmann, F et al. "Passive DNA Sensor with Gold Electrodes Fabricated in a CMOS Backend Process" Proc. ESSDERC 2002, Digist of Tech. Papers, Seiten 487 bis 490
    • [2] Thewes, R et al. "Sensor Arrays for Fully Electronic DNA Detection on CMOS", ISSCC, Digist of Tech. Papers, 2002, Seiten 350 bis 351
    • [3] Hintsche, R et al. "Microelectrode arrays and application to biosensing devices", Biosensors & Bioelectronics, Vol. 9, Seiten 697 bis 705, 1994
    • [4] Hintsche, R et al. "Microbiosensors Using Electrodes Made in Si-Technology", Frontiers in Biosensorics, Fundamental Aspects, F. W. Scheller et al. (eds.), Dirk Hauser Verlag, Basel, Seiten 267 bis 283, 1997
    • 100
    Redox-Cycling-Sensor-Anordnung
    101
    erste Gold-Arbeitselektrode
    102
    zweite Gold-Arbeitselektrode
    103
    Substrat
    104
    DNA-Fängermoleküle
    105
    Analyt
    106
    erste DNA-Halbstränge
    107
    zweite DNA-Halbstränge
    108
    redoxaktive Markierung
    109
    Zusatzmoleküle
    110
    reduzierte Moleküle
    111
    oxidierte Moleküle
    200
    Interdigitalelektroden-Anordnung
    201
    Generatorelektrode
    202
    Kollektorelektrode
    203
    Referenzelektrode
    204
    Gegenelektrode
    205
    Substrat
    206
    Komparator
    207
    erstes Amperemeter
    208
    zweites Amperemeter
    300
    Redox-Cycling-Sensor-Anordnung
    301
    Silizium-Substrat
    302
    erste Sensor-Elektrode
    303
    zweite Sensor-Elektrode
    304
    erste Diffusionserfass-Elektrode
    305
    zweite Diffusionserfass-Elektrode
    306
    Kompartimentierungsring
    400
    Redox-Cycling-Sensor-Array
    500
    Redox-Cycling-Sensor-Anordnung
    501
    erstes elektrisches Potential
    502
    zweites elektrisches Potential
    503
    drittes elektrisches Potential
    504
    Potentialregel-Einrichtung
    505
    Auswahl-Schaltung
    506
    Hilfs-Stromquelle
    507
    Signalausgang
    508
    Signalverarbeitungs-Schaltung
    600
    erster Komparator
    601
    zweiter Komparator
    602
    erster n-MOS-Feldeffekttransistor
    603
    zweiter n-MOS-Feldeffekttransistor
    604
    erster p-MOS-Feldeffekttransistor
    605
    zweiter p-MOS-Feldeffekttransistor
    606
    dritter n-MOS-Feldeffekttransistor
    607
    vierter n-MOS-Feldeffekttransistor
    608
    dritter p-MOS-Feldeffekttransistor
    609
    Versorgungspotential
    610
    Verstärker
    700
    Redox-Cycling-Sensor-Anordnung
    701
    DNA-Halbstränge
    702
    zu erfassende DNA-Halbstränge
    703
    Label-Moleküle
    704
    Siliziumoxid-Schicht
    705
    Kontaktierungselemente
    706
    Source-/Drain-Bereiche
    707
    Gate-Bereich
    708
    Kanal-Bereich
    800
    Redox-Cycling-Sensor-Array
    801
    Sensor-Elektroden
    802
    Diffusionserfass-Elektroden

Claims (21)

  1. Sensor-Anordnung zum Erfassen von in einem Analyten möglicherweise enthaltenen Partikeln, • mit einem Substrat; • mit mindestens einer auf und/oder in dem Substrat angeordneten Sensor-Elektrode, auf der Fängermoleküle immobilisierbar sind, die derart eingerichtet sind, dass sie mit in einem Analyten möglicherweise enthaltenen zu erfassenden Partikeln hybridisieren, wobei bei einem Hybridisierungsereignis generierte elektrisch geladene Teilchen an der mindestens einen Sensor-Elektrode erfassbar sind; • mit mindestens einer in einem Umgebungsbereich der mindestens einen Sensor-Elektrode angeordneten Diffusionserfass-Elektrode, die derart eingerichtet ist, dass sie von der mindestens einen Sensor-Elektrode wegdiffundierende, bei einem Hybridisierungsereignis generierte elektrisch geladene Teilchen erfasst.
  2. Sensor-Anordnung nach Anspruch 1, mit zwei Sensor-Elektroden, die eine Interdigitalelektroden-Anordnung bilden.
  3. Sensor-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, eingerichtet als Biosensor-Anordnung.
  4. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, eingerichtet als Redox-Cycling-Anordnung.
  5. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die monolithisch in dem Substrat integriert ist.
  6. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Kompartimentierungs-Einrichtung, welche um die mindestens eine Sensor-Elektrode herum angeordnet ist.
  7. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit zwei Diffusionserfass-Elektroden, die ineinandergreifend vorgesehen sind.
  8. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode die mindestens eine Sensor-Elektrode im Wesentlichen ringförmig umgibt.
  9. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode von Fängermolekülen frei ist.
  10. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Steuer-Einrichtung, die mit der mindestens einen Diffusionserfass-Elektrode gekoppelt ist und derart eingerichtet ist, dass sie einen Erfass-Betriebszustand beendet, wenn ein Signal an der mindestens einen Diffusionserfass-Elektrode einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht.
  11. Sensor-Anordnung nach Anspruch 10, bei der die Steuer-Einrichtung mit der mindestens einen Sensor-Elektrode gekoppelt ist und derart eingerichtet ist, dass sie einen Erfass-Betriebszustand beendet, wenn ein Signal an der mindestens einen Sensor-Elektrode einen Sättigungs-Zustand erreicht.
  12. Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, die eine erste und eine zweite Sensor-Elektrode, eine erste und eine zweite Diffusionserfass-Elektrode und eine Potentialsteuer-Einrichtung aufweist, die derart eingerichtet ist, dass sie der ersten Sensor-Elektrode und der ersten Diffusionserfass-Elektrode ein elektrisches Referenzpotential bereitstellt und zum Steuern des elektrischen Potentials der zweiten Sensor-Elektrode und der zweiten Diffusionserfass-Elektrode eingerichtet ist.
  13. Sensor-Anordnung nach Anspruch 12, mit einer Signalverarbeitungs-Einrichtung zum Verarbeiten eines Signals der zweiten Sensor-Elektrode und/oder der zweiten Diffusionserfass-Elektrode.
  14. Sensor-Anordnung nach Anspruch 13, mit einer Multiplexer-Einrichtung, welche die Signalverarbeitungs-Einrichtung selektiv mit der zweiten Sensor-Elektrode oder mit der zweiten Diffusionserfass-Elektrode koppelt.
  15. Sensor-Array, mit einer Mehrzahl von auf und/oder in dem Substrat gebildeten Sensor-Anordnungen nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
  16. Sensor-Array nach Anspruch 15, mit einer Verstärker-Einrichtung zum Verstärken eines Signals der mindestens einen Diffusionserfass-Einrichtung, welche Verstärker-Einrichtung für eine Mehrzahl der Sensor-Anordnungen gemeinsam vorgesehen ist.
  17. Sensor-Array nach Anspruch 15 oder 16, bei dem Diffusionserfass-Elektroden in Bereichen zwischen Sensor-Elektroden von unterschiedlichen Sensor-Anordnungen angeordnet sind.
  18. Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung zum Erfassen von in einem Analyten möglicherweise enthaltenen Partikeln, bei dem • mindestens eine Sensor-Elektrode auf und/oder in einem Substrat gebildet wird und auf der mindestens einen Sensor-Elektrode Fängermoleküle immobilisiert werden und derart eingerichtet werden, dass sie mit in einem Analyten möglicherweise enthaltenen zu erfassenden Partikeln hybridisieren, wobei bei einem Hybridisierungsereignis generierte elektrisch geladene Teilchen an der mindestens einen Sensor-Elektrode erfassbar sind; • mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode in einem Umgebungsbereich der mindestens einen Sensor-Elektrode gebildet wird und derart eingerichtet wird, dass sie von der mindestens einen Sensor-Elektrode wegdiffundierende, bei einem Hybridisierungsereignis generierte elektrisch geladene Teilchen erfasst.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode von Fängermolekülen frei gehalten wird, indem sie aus einem Material vorgesehen wird, auf dem Fängermoleküle nicht immobilisierbar sind.
  20. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode von Fängermolekülen frei gehalten wird, indem zunächst Fängermoleküle auf der mindestens einen Diffusionserfass-Elektrode immobilisiert werden und die Fängermoleküle nachfolgend von der mindestens einen Diffusionserfass-Elektrode entfernt werden.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Fängermoleküle von der mindestens einen Diffusionserfass-Elektrode mittels Anlegens eines elektrischen Potentials an die mindestens eine Diffusionserfass-Elektrode entfernt werden.
DE102004025580A 2004-05-25 2004-05-25 Sensor-Anordnung, Sensor-Array und Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung Ceased DE102004025580A1 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004025580A DE102004025580A1 (de) 2004-05-25 2004-05-25 Sensor-Anordnung, Sensor-Array und Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung
US11/597,296 US8480877B2 (en) 2004-05-25 2005-05-24 Sensor arrangement comprising an electrode for detecting diffused loaded particles
PCT/DE2005/000945 WO2005116244A1 (de) 2004-05-25 2005-05-24 Sensor-anordnung mit electrode zur erfassung von diffundierenden geladenen teilchen

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004025580A DE102004025580A1 (de) 2004-05-25 2004-05-25 Sensor-Anordnung, Sensor-Array und Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102004025580A1 true DE102004025580A1 (de) 2005-12-22

Family

ID=35058793

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102004025580A Ceased DE102004025580A1 (de) 2004-05-25 2004-05-25 Sensor-Anordnung, Sensor-Array und Verfahren zum Herstellen einer Sensor-Anordnung

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8480877B2 (de)
DE (1) DE102004025580A1 (de)
WO (1) WO2005116244A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008033419A2 (en) * 2006-09-14 2008-03-20 Agency For Science, Technology And Research Electrochemical sensor with interdigitated microelectrodes and conducted polymer
DE102009010639A1 (de) * 2009-02-26 2010-11-11 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Anordnung zur Inhibierung einer chemischen Reaktion von Substanzen in einer Flüssigkeit vor einer Messung

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9395352B2 (en) 2007-04-06 2016-07-19 Arizona Board Of Regents On Behalf Of Arizona State University Devices and methods for target molecule characterization
WO2010042514A1 (en) 2008-10-06 2010-04-15 Arizona Board Of Regents Nanopore and carbon nanotube based dna sequencer and a serial recognition elements
WO2014059144A1 (en) 2012-10-10 2014-04-17 Arizona Board Of Regents Acting For And On Behalf Of Arizona State University Systems and devices for molecule sensing and method of manufacturing thereof
US20170016852A1 (en) * 2014-02-25 2017-01-19 Arizona Board Of Regents Acting For And On Behalf Of Arizona State University Methods, apparatuses, and systems for stabilizing nano-electronic devices in contact with solutions
WO2015131073A1 (en) 2014-02-27 2015-09-03 Arizona Board Of Regents Acting For And On Behalf Of Arizona State University Triazole-based reader molecules and methods for synthesizing and use thereof
KR20200064076A (ko) 2017-09-29 2020-06-05 베링거잉겔하임베트메디카게엠베하 회로 배열의 테스팅 및 교정

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD301930A9 (de) * 1989-04-04 1994-07-21 Gerald Urban Mikro-Mehrelektrodenanordnung
DE19610115A1 (de) * 1996-03-14 1997-09-18 Fraunhofer Ges Forschung Detektion von Molekülen und Molekülkomplexen
WO2000062048A2 (de) * 1999-04-14 2000-10-19 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Sensoranordnung mit elektrisch ansteuerbaren arrays
DE10015816A1 (de) * 2000-03-30 2001-10-18 Infineon Technologies Ag Biosensorchip
DE10058397A1 (de) * 2000-11-24 2002-06-06 Siemens Ag Anordnung für ein elektrochemisches Analyseverfahren und deren Verwendung
US20030155237A1 (en) * 2001-11-16 2003-08-21 Surridge Nigel A. Electrodes, methods, apparatuses comprising micro-electrode arrays
DE10214719A1 (de) * 2002-04-03 2003-11-20 Infineon Technologies Ag Sensor zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von (bio)organischen Oligomeren und Polymeren, Analyseverfahren hierzu sowie Verfahren zur Herstellung des Sensors
DE10228124A1 (de) * 2002-06-24 2004-01-29 Infineon Technologies Ag Biosensor-Array und Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10109777A1 (de) * 2001-03-01 2002-09-19 Infineon Technologies Ag Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren mittels mindestens einer Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren
DE10126341A1 (de) 2001-05-30 2002-12-12 Siemens Ag Elektrochemischer DNA-Sensor, Verfahren zur Herstellung und Betrieb eines solchen DNA-Sensors
DE10145700A1 (de) * 2001-09-17 2003-04-10 Infineon Technologies Ag Biochip-Anordnung, Sensor-Anordnung und Verfahren zum Betreiben einer Biochip-Anordnung
US7413859B2 (en) * 2001-11-14 2008-08-19 Siemens Aktiengesellschaft Method and biosensors for detecting macromolecular biopolymers

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD301930A9 (de) * 1989-04-04 1994-07-21 Gerald Urban Mikro-Mehrelektrodenanordnung
DE19610115A1 (de) * 1996-03-14 1997-09-18 Fraunhofer Ges Forschung Detektion von Molekülen und Molekülkomplexen
WO2000062048A2 (de) * 1999-04-14 2000-10-19 Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. Sensoranordnung mit elektrisch ansteuerbaren arrays
DE10015816A1 (de) * 2000-03-30 2001-10-18 Infineon Technologies Ag Biosensorchip
DE10058397A1 (de) * 2000-11-24 2002-06-06 Siemens Ag Anordnung für ein elektrochemisches Analyseverfahren und deren Verwendung
US20030155237A1 (en) * 2001-11-16 2003-08-21 Surridge Nigel A. Electrodes, methods, apparatuses comprising micro-electrode arrays
DE10214719A1 (de) * 2002-04-03 2003-11-20 Infineon Technologies Ag Sensor zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von (bio)organischen Oligomeren und Polymeren, Analyseverfahren hierzu sowie Verfahren zur Herstellung des Sensors
DE10228124A1 (de) * 2002-06-24 2004-01-29 Infineon Technologies Ag Biosensor-Array und Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Hofmann, F. (et al.): Passive DNA Sensor with Gold Electrodes Fabricated in a CNOS Backend Process, ESSDERC, Digest of Tech. Papers, 2002, S.487-490
Hofmann, F. (et al.): Passive DNA Sensor with GoldElectrodes Fabricated in a CNOS Backend Process, ESSDERC, Digest of Tech. Papers, 2002, S.487-490 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008033419A2 (en) * 2006-09-14 2008-03-20 Agency For Science, Technology And Research Electrochemical sensor with interdigitated microelectrodes and conducted polymer
WO2008033419A3 (en) * 2006-09-14 2008-07-24 Agency Science Tech & Res Electrochemical sensor with interdigitated microelectrodes and conducted polymer
DE102009010639A1 (de) * 2009-02-26 2010-11-11 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Anordnung zur Inhibierung einer chemischen Reaktion von Substanzen in einer Flüssigkeit vor einer Messung
DE102009010639B4 (de) 2009-02-26 2020-07-02 Boehringer Ingelheim Vetmedica Gmbh Verfahren und Anordnung zur Inhibierung einer chemischen Reaktion von Substanzen in einer Flüssigkeit vor einer Messung

Also Published As

Publication number Publication date
US8480877B2 (en) 2013-07-09
US20090308741A1 (en) 2009-12-17
WO2005116244A1 (de) 2005-12-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1516175B1 (de) Biosensor-array und verfahren zum betreiben eines biosensor-arrays
EP1554569B1 (de) Sensor-anordnung und verfahren zum betreiben einer sensor-anordnung
EP1761764B1 (de) Monolithisch integrierte hybridisierungs-sensor-anordnung und verfahren zu deren herstellung
EP1438571B1 (de) Biosensor-schaltkreis und ein aus einer mehrzahl dieser biosensor-schaltkreise bestehender sensor-array und biosensor-array
EP1272860B1 (de) Sensor-anordnung und verfahren zum erfassen eines zustands eines transistors einer sensor-anordnung
EP1344048B1 (de) Elektrochemisches analyseverfahren, zugehörige anordnungen und deren verwendung
EP1272842B1 (de) Biosensor und verfahren zum ermitteln makromolekularer biopolymere mit einem biosensor
DE102005027245A1 (de) Schaltkreisanordnung
WO2003006981A2 (de) Messzelle zur aufnahme des elektrischen potenzials einer probe
WO2005116244A1 (de) Sensor-anordnung mit electrode zur erfassung von diffundierenden geladenen teilchen
WO2004102211A1 (de) Schaltkreisanordnung zur potentialkonstanthaltung an einem biosensor und zur digitalisierung des messstroms
EP1761761B1 (de) Vorrichtung und verfahren zur emulation einer gegenelektrode in einem monolithisch integrierten elektrochemischen analysesystem
WO2003067238A2 (de) Schaltkreis-anordnung, elektrochemischer sensor, sensor-anordnung und verfahren zum verarbeiten eines über eine sensor-elektrode bereitgestellten stromsignals
DE3033730A1 (de) Vorrichtung zum feststellen chemischer substanzen
DE10224567B4 (de) Sensor-Anordnung und Verfahren zum Betreiben einer Sensor-Anordnung
EP1328799B1 (de) Elektronische schaltung, sensoranordnung und verfahren zum verarbeiten eines sensorsignals
DE19856294A1 (de) Chemischer Feldeffekttransistor und Verfahren zu seiner Herstellung
DE10331299A1 (de) Sensor-Transistor-Element, Sensor-Einheit und Sensor-Array
DE102005007539A1 (de) Einrichtung zur Bestimmung redoxaktiver Stoffe
DE10315080A1 (de) Sensor-Anordnung und Sensor-Array
DE10221885B4 (de) Sensor-Einheit, Sensor-Anordnung und Verfahren zum Betreiben einer Sensor-Einheit
DE10228124A1 (de) Biosensor-Array und Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays
DE10203996A1 (de) Schaltkreis-Anordnung, Redox-Recycling-Sensor, Sensor-Anordnung und Verfahren zum Verarbeiten eines über eine Sensor-Elektrode bereitgestellten Stromsignals
DE10228125A1 (de) Biosensor-Array und Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays
DE102008025680A1 (de) Analyseeinrichtung und Verfahren zum Redoxcycling ohne Potentiostat

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8131 Rejection