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Die
Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Sensor zur chemischen,
insbesondere biochemischen Analyse mit wenigstens einem mikromechanischen
Auslenkungsteil, wobei das mikromechanischen Auslenkungsteil an
wenigstens einer Oberfläche
Rezeptoren zur Bindung wenigstens eines Analyten aufweist.
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In
vielen molekularbiologischen Anwendungen werden Stoffe analysiert,
die nach außen
hin nicht elektrisch neutral sind. Beispiele hierfür sind Proteine
oder DNS-Fragmente. Die Einsatzmöglichkeit
eines piezoresistiven Biegebalkensensors mit hoher Empfindlichkeit
wird hier am Beispiel der Analyse von DNS-Fragmenten erläutert. DNS-Fragmente besitzen
eine zu ihrer Länge
proportionale negative Ladung. Die prinzipielle Funktionsweise lässt sich jedoch
auf alle Analysate (Liganden) mit elektrischer Ladung übertragen,
für die
spezifisch bindende Rezeptormoleküle existieren.
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Ziel
der DNS-Analyse ist der Nachweis des Vorhandenseins einer bestimmten
Basensequenz in einem DNS-Abschnitt. Dieser Abschnitt kann beispielsweise
für bestimmte
Erbkrankheiten typische Basenabfolgen aufweisen. Vor der Analyse
wird die DNS aus Zellen extrahiert, gereinigt und vervielfältigt. Anschließend wird
das zu analysierende Fragment mit einem speziellen Verfahren aus
dem DNS-Strang "herausgeschnitten".
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Ein
mögliches
Verfahren zur DNS-Analyse macht sich die spezifische Aneinanderlagerung
(Hybridisierung) zueinander passender (komplementärer) DNS-Einzelstränge zunutze.
DNS liegt üblicherweise
als Doppelstrang vor, der sich durch Erhitzen in 2 Einzelstränge zerlegen
lässt.
Zu jeder Basensequenz existiert genau eine komplementäre Basensequenz.
Werden Einzelstränge
auf einer Oberfläche immobilisiert
(DNS-Sonden), so werden durch Hybridisierung bei Vorhandensein die
dazu komplementären
Einzelstränge
aus einem Analysat eingefangen. Das Analysat wird üblicherweise
mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert, so dass nach erfolgter
Hybridisierung eine Auswertung durch Fluoreszenzmikroskopie erfolgen
kann. Ist die gesuchte Basensequenz im Analysat vorhanden, so tritt
nach einem Spülschritt
Fluoreszenz auf, während
bei Analysaten ohne die gesuchte Sequenz nach einem Spülschritt keine
Fluoreszenz mehr auftritt.
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Da
die Fluoreszenzmikroskopie aufwändig und
die Anschaffung der Geräte
teuer ist, ist man bestrebt, alternative Detektionsverfahren zum
Nachweis der Hybridisierung zu entwickeln. Erste Erfolge konnten
mit Biegebalken erzielt werden. Die Biegebalken ändern nach erfolgter Hybridisierung
ihre Auslenkung auf Grund der veränderten Oberflächenspannung.
Die Auslenkung wird mittels optischer Verfahren oder mittels in
die Biegebalken integrierter Piezowiderstände detektiert. Die optischen
Verfahren besitzen zwar eine höhere
Auflösung,
jedoch ist auch hier die Präparation
des Analysats und die Auswertung aufwändig sowie die Anschaffung
der Geräte teuer.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Sensor zur chemischen,
insbesondere biochemischen Analyse mit wenigstens einem mikromechanischen
Auslenkungsteil, wobei das mikromechanische Auslenkungsteil an wenigstens
einer Oberfläche
Rezeptoren zur Bindung wenigstens eines Analyten aufweist. Der Kern
der Erfindung besteht darin, dass der Sensor Mittel zur Erzeugung
eines elektrischen Feldes aufweist, wobei das mikromechanische Auslenkungsteil
unter dem Einfluss des Analyten und des elektrischen Feldes auslenkbar
ist. Die Erfindung schafft einer einfachen und dabei empfindlichen
mikromechanischen Sensor zur Detektion insbesondere von chemischen
oder biochemischen Analysaten. Vorteilhaft ist die Auslenkung des
mikromechanischen Auslenkungsteils des erfindungsgemäßen Sensors
wesentlich höher als die
Auslenkung des Biegebalkens eines Sensors im Stand der Technik bei
alleiniger Änderung
der Oberflächenspannung
während
der Immobilisierung der Rezeptoren bzw. des Analysats wäre. Der
Sensor besitzt im Vergleich zu einem rein auf Änderung der elektrischen Oberflächenspannung
an einer Seite eines Biegebalkens beruhenden Nachweisprinzip eine höhere Empfindlichkeit.
Bei Sensoren im Stand der Technik durfte das Analysat nur auf einer
Seite des Biegebalkens immobilisiert sein. Die Vermeidung einer
Immobilisierung auf der anderen Seite erfordert einen hohen Aufwand
(siehe „Label-free
protein assay based on a nanomechanical cantilever array", Nanotechnology
14, pp. 86-90 (2003), Y. Arntz, J.D. Selig, H.P. Lang, J. Zhang,
P. Hunziker, J.P. Ramseyer, E. Meyer, M. Hegner, Ch. Gerber). Vorteilhaft
verliert der in dieser Erfindung vorgestellte Sensor seine Funktionalität nicht,
falls das Analysat auf beiden Seiten immobilisiert ist.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Mittel zur Erzeugung
eines elektrischen Feldes als wenigstens zwei Elektroden ausgestaltet sind.
Zwischen zwei Elektroden lässt
sich auf einfachste Weise ein elektrisches Feld erzeugen.
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Vorteilhaft
ist weiterhin, wenn das mikromechanische Auslenkungsteil eine Elektrode
darstellt. Hierdurch wird der Analyt an das Auslenkungsteil angezogen
und schneller an den Rezeptoren gebunden.
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Vorteilhaft
ist auch, dass das mikromechanischen Auslenkungsteil zwischen zwei
Elektroden angeordnet ist. Vorteilhaft kann zwischen zwei festen Elektroden
ein homogenes und bei Auslenkung des Auslenkungsteil wenig veränderliches
elektrisches Feld erzeugt werden. Vorteilhaft wird das mit einem elektrisch
geladenen Analyten besetzte mikromechanische Auslenkungsteil im
elektrischen Feld zwischen den Elektroden besonders wirksam ausgelenkt.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das mikromechanische
Auslenkungsteil ein Biegebalken ist. Dies ist eine sehr einfach
zu fertigende Ausgestaltung eines mikromechanischen Auslenkungsteils.
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Eine
besonders voreilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das mikromechanische
Auslenkungsteil einen piezoresistiven Widerstandsbereich aufweist,
dessen Widerstand veränderlich
in Abhängigkeit
von der Auslenkung ist. Vorteilhaft kann hierbei die Auslenkung
des Auslenkungsteils leicht piezoresistiv bestimmt werden.
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Eine
andere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass der Sensor Mittel
zur optischen Messung der Auslenkung des mikromechanischen Auslenkungsteils
aufweist. Vorteilhaft kann die Auslenkung so berührungslos und ohne elektrische
Verbindung zum Auslenkungsteil gemessen werden.
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Vorteilhaft
ist weiterhin, dass der zu untersuchende Analyt elektrisch geladen
ist. Da die auf das mikromechanische Auslenkungsteil wirkende auslenkende
Kraft proportional zur Oberflächenladung
ist, kann hieraus auf die Anzahl der an den Rezeptoren anhaftenden
Analytteilchen oder Moleküle
geschlossen werden.
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Mikromechanischer
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel
zur Erzeugung eines elektrischen Feldes derart ausgestaltet sind,
dass verschiedene elektrische Feldstärken erzeugt werden können. Da
die auf das mikromechanische Auslenkungsteil wirkende auslenkende
Kraft proportional zur elektrischen Feldstärke ist, kann durch Variieren
der angelegten Spannung vorteilhaft der mögliche Messbereich über einige
Größenordnungen
verändert
werden.
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Durch
Erhöhung
der Rezeptor- bzw. Ligandmolekülkonzentration über der
Biegebalkenoberfläche
durch ein elektrisches Feld kann vorteilhaft die Immobilisierungszeit
verkürzt
werden. Die Immobilisierung von bei üblichen Verfahren nicht fluoreszenzmarkierten
Rezeptormolekülen
(z.B. DNS-Sonden) kann nachgewiesen werden, falls diese eine elektrische
Ladung besitzen. Bei Kenntnis der Ladungsmenge pro Rezeptor- bzw.
Ligandmolekül
kann ermittelt werden, wie hoch die Immobilisierungs- bzw. Hybridisierungsdichte
ist.
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Schließlich kann
der Sensor auch zur Massenflussmessung verwendet oder durch Anlegen
einer elektrischen Spannung an die piezoresistiven Widerstandsbereiche
der Biegebalken als Heizer betrieben werden, falls dies etwaige
vorzusehende Betriebszustände
erfordern.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Zeichnung
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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1 zeigt
einen Biegebalken als mmikromechanisches Auslenkungsteil eines erfindungsgemäßen mikromechanischen
Sensors.
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2 zeigt
schematisch eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen mikromechanischen
Sensors.
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3 zeigt
das Wirkprinzip eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors
mit elektrischem Feld zwischen Auslenkungsteil und Elektrode.
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4 zeigt
das Wirkprinzip eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors
mit Auslenkungsteil im elektrischen Feld zwischen zwei Elektroden.
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5 zeigt
schematisch eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen mikromechanischen
Sensors.
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Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
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Anhand
der im folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindung
detailliert dargestellt werden.
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1 zeigt
einen Biegebalken als mikromechanisches Auslenkungsteil eines erfindungsgemäßen mikromechanischen
Sensors. Ein Biegebalken 6 eines Sensorelements kann die
hier im Querschnitt dargestellte Form besitzen. Dargestellt ist
ein Grundkörper 1 des
Biegebalkens 6, der aus leitfähigem Material wie beispielsweise
n-dotiertem Silizium
besteht. Der Grundkörper 1 weist
an der Oberfläche
einen Isolationsmantel 2 aus nichtleitendem Material wie Siliziumdioxid
auf. An einer Oberfläche
des Biegebalkens 6 ist eine funktionale Schicht mit Rezeptoren 3 angeordnet,
an welchen die Analytmoleküle
anbinden können.
Die funktionale Schicht mit Rezeptoren 3 kann sich nicht
nur an einer sondern auch an mehreren Oberflächen des Biegebalkens 6,
insbesondere auch an gegenüberliegenden
Seiten befinden. Der Biegebalken 6 weist innerhalb eines
Biegebereiches piezoresistive Widerstandsbereiche 4 auf.
Die piezoresistiven Widerstandsbereiche 4 befinden sich
vorzugsweise an der Stelle mit der höchsten Stresseinkopplung bei
Auslenkung des Biegebalkens 6 und bestehen in diesem Beispiel
aus p-dotiertem Silizium. Zur elektrischen Kontaktierung der piezoresistiven
Widerstandsbereiche 4 können
beispielsweise p-dotierte Bereiche 5 in den Biegebalken 6 eingebracht
werden.
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2 zeigt
schematisch eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen mikromechanischen
Sensors mit einem Auslenkungsteil. Dargestellt ist ein Biegebalken 6,
dessen Grundkörper 1 aus
einem Siliziumsubstrat 100 herausstrukturiert ist. Das
Siliziumsubstrat 100 ist in einem Gehäuse 9 angeordnet.
Ober- und unterhalb des Biegebalkens 6 befinden sich 2
Elektroden 7 und 8, die beispielsweise an dem
Gehäuse 9 mittels
einer Klebeverbindung oder einer anderen Verbindung angebracht sein
können.
Die Anbringung an einer Außenseite
des Gehäuses 9 verhindert
eine Elektrolysereaktion während
der Analyse. Das Gehäuse 9 weist
Ein- und Auslassöffnungen 10 und 11 zur
Zufuhr und zum Ableiten eines Analysats, d.h. einer den Analyten
enthaltenden Flüssigkeit
auf. Die Ein- und Auslassöffnungen 10 und 11 eröffnen Zugänge zu einem
Hohlraum 200 in dem der Biegebalken 6 zugänglich für das Analysat
angeordnet ist. Das Gehäuse 9 weist außerdem elektrisch
leitende Verbindungen 12 und 13 (z.B. metallische
Verbindungen auf Bordbereiche des Substrats 100) zur elektrischen
Kontaktierung des piezoresistiven Widerstandsbereiches 4 des
Biegebalkens 6 auf.
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3 zeigt
das Wirkprinzip eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors
mit elektrischem Feld zwischen Auslenkungsteil und Elektrode. Zwischen
einer Elektrode 7 und einem Biegebalken 6 wird
mittels einer angeschlossenen Spannungsquelle 300 ein elektrisches
Feld 15 erzeugt. Ein mögliches
Anwendungsbeispiel des mikromechanischen Sensors ist die DNS-Analyse. Dazu
werden in den Hohlraum 200 des Sensors DNS-Fragmente 14 eingebracht.
Die DNS-Fragmente 14 haften an den Rezeptoren 3 auf
dem Biegebalken 6 an. Die DNS-Fragmente 14 besitzen
pro Base ein überzähliges Elektron
und damit eine zur Länge proportionale
negative elektrische Ladung. Während der
Immobilisierung der DNS-Sonden bzw. der Hybridisierung der DNS-Probe
kann das elektrische Feld 15 dazu verwendet werden, die
Konzentration der DNS-Fragmente an der Oberfläche des Biegebalkens 6 zu
erhöhen.
Dies erhöht
die Geschwindigkeit der Analyse, da ohne elektrisches Feld die DNS-Fragmente
ausschließlich
durch Diffusion an die Oberfläche
gelangen.
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4 zeigt
das Wirkprinzip eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors
mit Auslenkungsteil im elektrischen Feld zwischen zwei Elektroden.
Dargestellt ist ein Biegebalken 6 angeordnet zwischen zwei
Elektroden 7 und 8. Mittels einer Spannungsquelle 400 wird
zwischen den Elektroden 7 und 8 eine Spannung
angelegt, was zu einem elektrischen Feld 17 zwischen den
Elektroden 7 und 8 führt. Nach der Immobilisierung
bzw. Hybridisierung wie beispielsweise in 3 beschrieben,
kann nachgewiesen werden, dass DNS-Sonden an die Oberfläche bzw.
zu analysierende DNS-Fragmente 16 an
die DNS-Sonden angebunden sind. Dazu dient das elektrisches Feld 17 zwischen
den Elektroden 7 und 8. Das mikromechanische Auslenkungsteil,
hier der Biegebalken 6, welches mit dem elektrisch geladenen
Analyten 16 besetzt ist, wird in dem elektrischen Feld 17 ausgelenkt.
Die Auslenkung 18 des Biegebalkens 6 wird piezoresistiv
detektiert. Sie ist proportional zur Ladung an der Oberfläche des
Biegebalkens 6 und zur Feldstärke des elektrischen Feldes 17.
Durch Änderung
der Feldstärke
kann dementsprechend die Empfindlichkeit des Sensors verändert werden.
Der Analyt 16 befindet sich in einer Pufferlösung 410,
die zur Analyse in den Hohlraum 200 eingeleitet wird. Die
Pufferlösung 410 besitzt
vorzugsweise einen hohen elektrischen Widerstand.
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Die
in den 3 und 4 beschriebenen Wirkprinzipien
können
zum Nachweis auch miteinander kombiniert, also zum Beispiel nacheinander
angewendet werden.
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5 zeigt
schematisch eine zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen mikromechanischen
Sensors mit zwei Auslenkungsteilen. Dazu sind in einem Gehäuse 9 zwei
elektrisch voneinander getrennte Analysekammern 510 und 520 mit
zwei elektrischen Feldern gegensätzlicher
Polarität 19 und 20 vorgesehen.
In der einen Analysekammer erhöht sich
der Widerstand der piezoresistiven Bereiche 4 des Biegebalkens 6 während der
Analyse während
er sich in der anderen Analysekammer verringert. In einer hier nicht
dargestellten Auswerteschaltung können die Messsignale aus den
piezoresistiven Bereichen 4 ausgewertet werden. Durch aus
dem Stand der Technik an sich bekannte Auswerteverfahren wie etwa
Differenzbildung zwischen den beiden Messsignalen, können äußere Einflüsse und
Störungen,
die gleichermaßen
auf beide Biegebalken 6 einwirken, eliminiert werden.
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Alternativ
können
auch mehr Biegebalken vorgesehen sein, die sich in eine gemeinsame
oder in gegensätzliche
Richtungen auslenken lassen. Weiterhin kann das mikromechanische
Auslenkungsteil auch anders als in Form eines Biegebalkens ausgestaltet
sein und die Erfassung der Auslenkung kann nicht piezoresistiv sondern
beispielsweise optisch erfolgen. Dies wäre mittels einfacher Lichtschranken
möglich
oder auch mit einer Lichtquelle, die Licht gerichtet auf das Auslenkungsteil
wirft. Das Licht wird in Abhängigkeit
von der Auslenkung des Auslenkungsteils in einem bestimmten Winkel
reflektiert und kann mit geeigneten Sensoren ortsaufgelöst erfasst
werden. Hieraus lässt
sich im Rückschluss die
Auslenkung bestimmen.
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Zusammengefasst
lassen sich Aufbau und Wirkungsweise des mikromechanischen Sensors
wie folgt beschreiben. Gezeigt ist ein Sensor mit wenigstens einem
mikromechanischen Auslenkungsteil, insbesondere mit einem Biegebalken 6 mit
piezoresistiven Bereichen 4, mit wenigstens zwei Elektroden 7 und 8,
die sich an zwei gegenüberliegenden
Seiten des Biegebalkens befinden. Der Biegebalken 6 besitzt
eine mit Rezeptoren beschichtete Oberfläche, an der Analytmoleküle immobilisiert
werden können. Der
Analyt ist elektrisch geladen und es existieren Bindungsstellen,
die eine spezifische Bindung an die Rezeptoren erlauben. Der Raum 200 um
den Biegebalken 6 sowie zwischen den Elektroden 7 und 8 kann
mit einer Pufferlösung
befüllt
werden. An die beiden Elektroden 7 und 8 kann
eine elektrische Spannung 400 angelegt werden. Durch die
an die Elektroden 7 und 8 angelegte Spannung 400 bildet sich
ein elektrisches Feld 17 mit einer Komponente senkrecht
zum Biegebalken 6 aus. Die Auslenkung des Biegebalkens 6 ist
proportional zum angelegten elektrischen Feld 17 sowie
zur fixierten Ladungsmenge an der Biegebalkenoberfläche. Die
Auslenkung des Biegebalkens 6 kann mittels der piezoresistiven Widerstandsbereiche 4 detektiert
werden. Die Ligandmolekülkonzentration
bzw. bei Rezeptoren mit elektrischer Ladung die Rezeptormolekülkonzentration über der
Oberfläche
des Biegebalkens 6 kann während der Rezeptor-Ligand-Bindungsreaktion bzw.
der Rezeptorimmobilisierung durch Anlegen eines elektrischen Feldes 15 zwischen
Biegebalken und einer Elektrode erhöht werden. Der Sensor kann eine
elektrische Schaltung besitzen, welche beispielsweise die piezoresistiven
Widerstandsbereiche 4 in Form einer Wheatstoneschen Brückenschaltung verschaltet.
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Es
sind daneben auch weitere Ausführungsbeispiele
denkbar.