DE102004053261A1 - Mikromechanischer Sensor zur chemischen Analyse - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung geht aus von einem mikromechanischen Sensor zur chemischen Analyse mit wenigstens einem mikromechanischen Auslenkungsteil (6), wobei das mikromechanische Auslenkungsteil (6) an wenigstens einer Oberfläche Rezeptoren (3) zur Bindung wenigstens eines Analyten (14) aufweist. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Sensor Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Feldes aufweist, wobei das mikromechanische Auslenkungsteil (6) unter dem Einfluss des Analyten (14) und des elektrischen Feldes (15, 17, 19, 20) auslenkbar ist.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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".
  • 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.
  • 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.
  • Vorteile der Erfindung
  • 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.
  • 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.
  • Vorteilhaft ist weiterhin, wenn das mikromechanische Auslenkungsteil eine Elektrode darstellt. Hierdurch wird der Analyt an das Auslenkungsteil angezogen und schneller an den Rezeptoren gebunden.
  • 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.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das mikromechanische Auslenkungsteil ein Biegebalken ist. Dies ist eine sehr einfach zu fertigende Ausgestaltung eines mikromechanischen Auslenkungsteils.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Zeichnung
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
  • 1 zeigt einen Biegebalken als mmikromechanisches Auslenkungsteil eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors.
  • 2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors.
  • 3 zeigt das Wirkprinzip eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors mit elektrischem Feld zwischen Auslenkungsteil und Elektrode.
  • 4 zeigt das Wirkprinzip eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors mit Auslenkungsteil im elektrischen Feld zwischen zwei Elektroden.
  • 5 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen mikromechanischen Sensors.
  • Beschreibung von Ausführungsbeispielen
  • Anhand der im folgenden beschriebenen Ausführungsformen soll die Erfindung detailliert dargestellt werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die in den 3 und 4 beschriebenen Wirkprinzipien können zum Nachweis auch miteinander kombiniert, also zum Beispiel nacheinander angewendet werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Es sind daneben auch weitere Ausführungsbeispiele denkbar.

Claims (9)

  1. Mikromechanischer Sensor zur chemischen Analyse mit wenigstens einem mikromechanischen Auslenkungsteil (6), – wobei das mikromechanische Auslenkungsteil (6) an wenigstens einer Oberfläche Rezeptoren (3) zur Bindung wenigstens eines Analyten (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Feldes aufweist, – wobei das mikromechanische Auslenkungsteil (6) unter dem Einfluss des Analyten (14) und des elektrischen Feldes (15, 17, 19, 20) auslenkbar ist.
  2. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung eines elektrischen Feldes als wenigstens zwei Elektroden (6, 7, 8) ausgestaltet sind.
  3. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Auslenkungsteil (6) eine der Elektroden (6, 7, 8) darstellt.
  4. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Auslenkungsteil (6) zwischen zwei Elektroden (7, 8) angeordnet ist.
  5. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Auslenkungsteil (6) ein Biegebalken ist.
  6. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mikromechanische Auslenkungsteil (6) einen piezoresistiven Widerstandsbereich (4) aufweist, dessen Widerstand veränderlich in Abhängigkeit von der Auslenkung (18) ist.
  7. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor Mittel zur optischen Messung der Auslenkung (18) des mikromechanischen Auslenkungsteils (6) aufweist.
  8. Mikromechanischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Analyt elektrisch geladen ist.
  9. 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.
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