DE102006010495A1 - Verfahren und Substrat zur Immobilisierung von Biomolekülen - Google Patents
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Abstract
Erfindungsgemäß wird eine Immobilisierung von Biomolekülen entlang vorgegebener Positionen auf einer Oberfläche einer Halbleiterscheibe dadurch erreicht, dass in einem Bereich unterhalb der Oberfläche durch eine Einstellung einer Ladungsverteilung elektrische Felder erzeugt werden, die eine nicht verschwindende Feldkomponente vertikal zur Oberfläche besitzen. Die Biomoleküle werden, sofern sie eine Nettoladung oder Dipolmomente aufweisen, durch elektrostatische Wechselwirkung lokalisiert.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Immobilisierung von Molekülen, insbesondere Biomolekülen, auf einer Oberfläche eines halbleitenden Substrats, wobei ein die Moleküle enthaltendes Trägermedium auf die Oberfläche aufgebracht wird, und eine Verwendung eines Halbleiter-Wafers zur Immobilisierung von in einem Trägermedium befindlichen Biomolekülen auf einer Oberfläche des Halbleiter-Wafers. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Immobilisierung von Biomolekülen enthaltend eine Halbleiterscheibe und eine Einrichtung zum Aufbringen eines die Biomoleküle enthaltenden Trägermediums auf eine Oberfläche der Halbleiterscheibe.
- Die Abscheidung von spontan aggregierten Monolagen (self assembled monolayers, SAM) auf Metall-, Halbleiter- oder Isolator-Oberflächen ist aus biotechnologischen Anwendungen in Bauelementen der Molekular-Elektronik, bei Biosensoren oder Biokatalysatoren bekannt Da hierbei insbesondere die Abscheidung bzw. Bindung von Proteinen, Kohlehydraten, faserartigen Materialien auf anorganischen Substraten von Bedeutung ist, sind bereits Verfahren zur Abscheidung bzw. Bindung von derartigen Biomolekülen vorgeschlagen worden.
- So ist aus "Comparison of the selfchemisorption of azurin on gold and on functionalized oxide surfaces", Surf. Intert. Anal. 34, 2002, S. 40 von B. Schnyder et al. eine Chemisorption von Azurin, einem Protein mit einem komplex gebundenen Metallion, auf Gold und oxidierten Isolator-Oberflächen bekannt. Auf den Isolator-Oberflächen wird dabei aber lediglich eine teilweise und örtlich zufällige Adsorption erreicht.
- Allgemein wird eine Immobilisierung von Biomolekülen auf anorganischen Substraten durch das Herstellen von kovalenten Bindungen durchgeführt. Nukleinsäuren können beispielsweise durch Bestrahlung mit UV-Licht immobilisiert werden. Daneben können Biomoleküle derivatisiert werden und beispielsweise durch eine elektrostatische Wechselwirkung der Derivate mit dem Substrat auf diesem immobilisiert werden. Sowohl die Immobilisierung durch eine direkte Wechselwirkung der Biomoleküle mit dem Substrat als auch unter Vermittlung zusätzlicher Materialien wird allgemein als cross-linking bezeichnet. Diese Arten der Immobilisierung sind jedoch für eine Erzeugung einer geordneten bzw. lokalisierten Immobilisierung nicht geeignet.
- Daneben sind auch Verfahren zur Immobilisierung von Biomolekülen unter Einwirkung von elektrischen Feldern bekannt. So ist von F. Fixe et al. in "Covalent immobilization of DNA and hybridization on microchips by microseconds electric field pulses", Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Bd. 820, 2004 (O2.8.1.) eine durch ein elektrisches Feld unterstützte Immobilisierung und Hybridisierung von Desoxyribonukleinsäure (DNA) beschrieben worden. Dabei sind auf einem Kunststoff-Substrat mit einem Gleich-Spannungspuls belegbare Elektroden aufgebracht und mit einem Aluminiumoxid (Al2O3)-Film sowie einem Siliziumdioxid (SiO2)-Film zur Verhinderung von elektrochemischen Reaktionen abgedeckt. Die Immobilisierung des DNA-Materials auf dem SiO2-Film wird mittels Fluoreszenzmikroskopie nachgewiesen. Der Immobilisierungsprozess über eine kovalente Bindung unter Einfluss des elektrischen Feldes (E-Feld) erfolgt in einer im Vergleich zu einem E-Feld-freien Prozess drastisch reduzierten Zeitspanne. Die auftretenden Zeiten im Bereich von Mikrosekunden kommen in Bereiche, die für Prozessierungszeiten von Biochips interessant sind.
- Die vorgenannten Verfahren der Immobilisierung ermöglichen aber keine ausreichende Steuerung der Substratbereiche, auf denen eine Immobilisierung der Biomoleküle erfolgt.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Moleküle bzw. Biomoleküle entlang vorgebbarer Positionen bzw. in vorbestimmten Mustern auf der Oberfläche eines Substrates anzuordnen.
- Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung erfolgt die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einem Verfahren zur Immobilisierung von Biomolekülen, auf einer Substratoberfläche, mit den Schritten:
- – Bereitstellen eines halbleitenden Substrats;
- – Erzeugen einer räumlich strukturierten stationären Verteilung elektrischer Ladungen in einem der Substratoberfläche nahen Bereich des Substrats, derart, dass elektrische Felder mit einer nicht verschwindenden Feldkomponente der elektrischen Feldstärke aus der Substratoberfläche austreten, wobei räumlich benachbarte Strukturelemente der Verteilung elektrischer Ladungen einen Abstand von weniger als 100 Mikrometer haben;
- – Aufbringen eines die Biomoleküle enthaltenden Trägermediums auf die Substratoberfläche; und
- – Herbeiführen einer geordneten Ausrichtung der Biomoleküle entsprechend den elektrischen Feldern an der Substratoberfläche.
- Erfindungsgemäß wird eine Immobilisierung von Biomolekülen entlang vorgegebener Positionen auf der Oberfläche des halbleitenden Substrats dadurch erreicht, dass an diesen Positionen elektrische Felder vorhanden sind, die eine nicht verschwindende Feldkomponente der elektrischen Feldstärke außerhalb des Substrats aufweisen. Als Feldkomponente ist eine Vektorkomponente des Vektorfeldes der elektrischen Feldstärke zu verstehen. Dabei ist nicht von einer streng mathematischen Bedeutung auszugehen, wonach, je nach Bezugssystem, möglicherweise nur parallel oder senkrecht zur Substratoberfläche stehende Feldkomponenten in Frage kämen. Eine Feldkomponente im Sinne der vorliegenden Erfindung ist Vektor, der auch unter einem anderen Winkel zur Substratoberfläche stehen kann. Wichtig ist, dass der Betrag dieser Feldkomponente außerhalb des Substrats nicht verschwindet, also ausreichend groß ist, um anziehend auf geeignet geladene oder polarisierte Biomoleküle zu wirken, die sich auf der Substratoberfläche oder einer darüber liegenden Schicht oder Schichtstruktur befinden.
- Die elektrischen Felder entstehen durch ein gezieltes Vorsehen einer entsprechenden räumlich strukturierten stationären Verteilung elektrischer Ladungen, nachfolgend auch kurz als Ladungsverteilung bezeichnet, in einem der Substratoberfläche nahen Bereich des Substrats. Die räumlich strukturierte Ladungsverteilung kann beispielsweise von Strukturelementen in Form streifen- oder punktförmiger Bereiche im Substrat gebildet werden. Derartige räumliche Strukturelemente der haben erfindungsgemäß einen Abstand von weniger als 1 Mikrometer von einander.
- Biomoleküle, zu denen beispielsweise Nukleinsäuren, insbesondere Ribonukleinsäuren (RNA), Desoxyribonukleinsäuren (DNA), Proteine und Peptide, sowie deren Komplexe wie etwa DNA-Protein-Komplexe zählen, werden, sofern sie eine Nettoladung oder Dipolmomente aufweisen, durch elektrostatische Wechselwirkung aufgrund der elektrischen Felder lokalisiert.
- Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass mit der selektiven und kontrollierten Anbindung von Molekülen auf Halbleiteroberflächen eine Reihe von technischen Anwendungen zugänglich wird. Eine örtliche Steuerung der Immobilisierung von Biomolekülen für die Sensorik von Biomolekülen, einschließlich der Strukturierungstechniken im Sub-Mikrometerbereich der Sensorik ermöglicht es beispielsweise, zwei verschiedene Gruppen von Sensormolekülen auf Halbleiteroberflächen zu bringen, so dass sie in einem unmittelbaren Kontakt zueinander stehen.
- Ebenso ist es in der Proteombiologie wertvoll, über Substrate zu verfügen, auf denen eine Heteroepitaxie von Proteinen durchgeführt werden kann.
- Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht weiterhin, ausgehend von den Strukturelementen, insbesondere ihren Rändern, an denen beispielsweise eine vertikale Feldstärkekomponente am größten ist, ein Schichtwachstum zweidimensionaler kritalliner Schichten von Biomolekülen herbeizuführen, bei dem die Moleküle entsprechend geordnet zu einer Schicht zusammenwachsen.
- Diese Vorteile teilt ein erfindungsgemäßes Substrat gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung, das eine räumlich strukturierten stationäre Verteilung elektrischer Ladungen in einem einer halbleitenden Substratoberfläche nahen Bereich des Substrats aufweist, derart, dass elektrische Felder mit einer nicht verschwindenden Feldkomponente der elektrischen Feldstärke aus der Substratoberfläche austreten, wobei räumlich benachbarte Strukturelemente der Verteilung elektrischer Ladungen einen Abstand von weniger als 100 Mikrometer haben.
- Der Begriff „Substrat" bezeichnet hier allgemein einen Träger. Geeignete Substrate sind beispielsweise Halbleiterwafer, insbesondere Siliziumwafer. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf die Verwendung von Halbleiterwafern. Es können auch andere an sich bekannte Materialien Verwendung finden, die sich für die Verwendung als Träger eignen.
- Einen dritten Aspekt der Erfindung bildet die Verwendung eines Substrats des zweiten Aspekts der Erfindung zur Immobilisierung in einem Trägermedium (
12 ) befindlicher Biomoleküle auf der Substratoberfläche des Substrats, aus der elektrische Felder mit einer nicht verschwindenden Vertikalkomponente (Evert) der elektrischen Feldstärke aus der Substratoberfläche austreten. - Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Verschiedene Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, es sei denn, dass sie ausdrücklich als Alternativen zu einander beschrieben werden.
- Zunächst werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.
- Ausgehend von einer vorzugsweise monomolekularen Saatschicht kann in einem Ausführungsbeispiel wenigstens eine weitere Lage von Biomolekülen aufgebracht werden. Die Saatschicht kann entweder zur Förderung der Anbindung oder zur Förderung eines zweidimensionalen Schichtwachstums und also zur Vermeidung eines Wachstums dreidimensionaler Strukturen (Inselwachstum) geeignet ausgewählt werden. So ist ein epitaktisches Wachstum von Biomolekülen auf einem Substrat möglich, das auch die Möglichkeit einer Heteroabscheidung oder einer Heteroepitaxie einschließt. In der Heteroabscheidung werden kristalline Schichten unterschiedlicher Materialien aufeinander abgeschieden. In der Heteroepitaxie prägt die zuvor abgeschiedene Schicht der nachfolgend aufwachsenden Schicht eines anderen Materials zusätzlich sogar in ihre kristalline Struktur auf.
- Vorzugsweise wird im Schritt des Erzeugens einer räumlich strukturierten stationären Verteilung elektrischer Ladungen eine räumlich periodische Verteilung elektrischer Ladungen erzeugt. Derartige periodische Strukturen fördern das kristalline Wachstum von Biomolekülen.
- Die Ladungsverteilung wird in einem Ausführungsbeispiel durch ein Einbringen (Implantieren, Eindiffundieren) von Atomen hervorgerufen, die ihren Ladungszustand durch eine Abgabe (Donator) oder eine Anziehung von Elektronen (Akzeptor) ändern können und in einem ionisierten Zustand zu einer zumindest lokal wirkenden Raumladung führen. Dabei können insbesondere hinsichtlich ihrer Eignung zur Anziehung oder Abgabe von Elektronen unterschiedlich ausgebildete Donatoren und Akzeptoren benutzt werden. Im Silizium ist beispielsweise Arsen als Donator und Bor als Akzeptor wirksam. In einem Beispiel umfasst der Schritt des Erzeugens einer stationären Verteilung elektrischer Ladungen die Erzeugung wenigstens eines mit Akzeptoren dotierten Abschnitts und wenigstens eines zu diesem benachbarten und mit Donatoren dotierten Abschnitts unterhalb der Substratoberfläche. Diese Struktur wird vorzugsweise mit definierter Periode wiederholt.
- Alternativ oder zusätzlich können neben Fremddotieratomen auch durch eine bestimmte Bindungskonstellation in dem Kristallgitter des Halbleiters erzeugbare, sogenannte Eigenakzeptoren oder Eigendonatoren vorgesehen werden. Dabei ist beispielsweise das an sich bekannte gezielte Einbringen von Eigendefekten wie Zwischengitteratomen oder Gitterleerstellen, die als Donatoren und/oder Akzeptoren elektrisch aktiven möglich.
- Alternativ oder zusätzlich können durch eine geeignete Einstellung von Bandverbiegungen durch eine Kombination von Materialien verschiedener Bandlücken oder verschiedenen Leitungstyps Raumladungszonen gezielt erzeugt werden, die zumindest teilweise aus der Oberfläche austretende elektrische Feldkomponenten hervorrufen.
- Die Verteilung der Ladungen kann aber ebenso durch ein Aufbringen von Dielektrika und/oder andere halbleitende Materialien erzeugt werden. Ferner ist eine Einstellung einer Ladungsverteilung auch über ein Aufbringen von Metall-Anordnungen möglich, etwa solchen, die auf dem Halbleitermaterial des Substrats Schottky-Kontakte mit einhergehenden, an freien Ladungsträgern verarmten Zonen ausbilden.
- Die vorstehend genannten verschiedenen Techniken zur Erzeugung einer räumlich strukturierten stationären Verteilung elektrischer Ladungen zeigen, dass ein Einsatz von handelsüblichen Halbleiter-Wafern mit entsprechender Strukturierung möglich ist, die auf bekannten und sehr gut beherrschten Prozess-Abläufen in der Bauelementproduktion beruht. Somit können über übliche Halbleiterprozessschritte wie Ätztechniken, Photo- Röntgen- oder Elektronenstrahllithographie und Dotiertechniken mit hoher Genauigkeit geeignete geometrische Anordnungen von Ladungen im Halbleiter erzeugt werden. Über die von diesen Ladungsanordnungen ausgehenden elektrischen Felder besteht die Möglichkeit einer entsprechend genauen und ortsselektiven Immobilisierung von Biomolekülen.
- Es können sowohl Substrate aus Elementhalbleitern wie Silizium oder Germanium als auch aus Verbindungshalbleitern aus Elementen der Hauptgruppen II und VI oder III und V des Periodensystems, sowie tertiäre oder quaternäre Verbindungen daraus, zur Immobilisierung der Biomoleküle eingesetzt werden.
- Zur Unterstützung des Immobilisierungsvorgangs kann ein weiteres zwischen dem Halbleiter-Substrat und dem die Biomoleküle tragenden Medium wirkendes elektrisches Feld eingesetzt werden, mit welchem die Biomoleküle über elektrostatische Anziehung auf die Halbleiterscheibe bewegt werden. Vorteil dieser Verfahrensführung ist eine Verkürzung der Zeitspanne für einen Immobilisierungsvorgang. Das weitere Feld kann auch ein zeitlich veränderliches, insbesondere ein gepulstes Feld oder ein Hochfrequenzfeld sein. Zur Optimierung der Immobilsierung ist erfindungsgemäß eine Anpassung des über die Elektroden eingebrachten Feldes mit den von der Ladungsverteilung im Halbleiter hervorgerufenen Feldern hilfreich.
- Dabei ist es auch möglich, auf dem Halbleitersubstrat befindliche dielektrische Schichten wie Oxide oder Passivierungsschichten zu belassen, da diese über Maxwellsche Verschiebungsströme von dem Feld zwischen den Elektroden durchsetzt werden.
- Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Immobilisierung unterstützt, indem ein Trägermedium verwendet wird, das einen zur Erzeugung eines gewünschten Ladungszustands der Biomoleküle geeigneten pH-Wert aufweist. Neben einer Verwendung eines flüssigen Trägermediums sind im Rahmen der Erfindung auch gel- oder gallertartige Materialien als Träger für die Moleküle bzw. Biomoleküle denkbar.
- Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Susbtrats sowie der erfindungsgemäßen Verwendung ergeben sich unmittelbar und eindeutig aus der vorstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der nachfolgenden Beschreibung weiterer Ausführungsbeispiele anhand der Figuren.
- Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezug auf die beigefügten, in unterschiedlichen Maßstäben erstellten Zeichnungen, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, an Hand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigen
-
1 eine Anordnung zur Immobilisierung von Biomolekülen auf einem Halbleitersubstrat zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und -
2 eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Halbleitersubstrates mit darauf immobilisierten Biomolekülen. -
1 zeigt zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Anordnung zur Immobilisierung von Biomolekülen auf einem Halbleitersubstrat. In einen Bon-dotierten Si-Wafer1 sind unterhalb einer Oberfläche1a äquidistante Streifen2 einer Breite von 130 nm, von denen in der1 nur zwei Streifen gezeigt sind, mit einer As-Dotierung über Photo-Lithographie und Dotierungsverfahren eingebracht. Die zu n-Typ Silizium dotierten Streifen sind so angeordnet, dass zwischen ihnen befindliche p-Typ Silizumabschnitte3 die gleiche Breite wie die Streifen2 aufweisen. Auf einer dieser Dotierungsstreifenanordnung entgegengesetzten Oberfläche1b des Wafer1 ist ein durch Aufdampfen von Aluminium entstandener und in x-Richtung ausgedehnter Ohmscher Kontaktstreifen4 vorgesehen. - Der Si-Wafer
1 wird von einem hülsenartigen Haltestück6 mit einem abgebogenen Auflageabschnitt7 , der eine Bodenöffnung9 umgibt, gehalten. Das Haltestück6 ist aus einem in der Halbleitertechnologie üblichen Material wie Kunststoff oder Glas gefertigt. Das Haltestück6 umgibt den Si-Wafer1 nahezu flüssigkeitsdicht mit Seitenwandungen10 . - Auf die Oberfläche
1a , unterhalb derer sich das Dotierungsstreifenmuster befindet, wird mit einer Pipettenanordnung14 eine Biomoleküle11 enthaltende Lösung12 aufgebracht. Die Lösung12 wird so auf den Si-Wafer1 aufgebracht, dass sich ein den Wafer vollständig benetzender Flüssigkeitsstand mit einem Spiegel der Höhe h nach1 ausbildet. In eine zentrale Pipette15 der Pipettenanordnung14 ist eine plattenförmige Elektrode16 mit einem einer Stromzufuhr dienenden Stababschnitt16a eingesetzt und in dieser befestigt. - Die Pipettenanordnung
14 wird so über dem Si-Wafer1 positioniert, dass die aus der Pipettenanordnung14 in Richtung des Si-Wafers1 hervorstehende Elektrode16 sich unterhalb des Flüssigkeitsspiegels befindet. An den durch die Bodenöffnung9 des Haltestücks6 zugänglichen Ohmschen Kontakt4 wird eine zweite Elektrode17 angelegt. Die Elektroden16 ,17 sind über metallene Leitungsverbindungen18 ,19 mit einer Gleichspannungsquelle20 verbunden. - Für die weitere Beschreibung wird nun zusätzlich
2 herangezogen.2 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Halbleitersubstrates mit darauf immobilisierten Biomolekülen. Durch Anlegen einer Spannung an die Elektrode16 ,17 entsteht eine elektrochemische Zelle, in welcher die mit den Biomolekülen versetzte Lösung den Elektrolyten bildet. Um eine Berührungsfläche21 (2 ) zwischen einem n-Typ Si-Streifen2 und einem p-Typ Si-Abschnitt3 diffundieren die von den Donatoren abgegebenen Elektronen aus dem Streifen2 in den Bor-dotierten Abschnitt3 und die von den Akzeptoren abgegebenen Löcher aus dem Abschnitt3 in den Streifen2 . Durch eine Rekombination der Elektronen und Löcher entsteht eine die Streifen2 umgebende jeweils an freien Ladungsträgern verarmte Zone22 . Dabei entsteht in der Zone22 in einem Randabschnitt23 des Streifens2 eine positive, durch die lokalisierten und ionisierten Donatoratome hervorgerufene Ladungsverteilung. In einem den Streifen2 innerhalb des Si-Wafers1 umgebenden Randabschnitt24 des p-Typ Si-Materials entsteht innerhalb der Zone22 eine negative durch die lokalisierten und ionisierten Akzeptoratome hervorgerufene negative Ladungsverteilung. Ein sich zwischen diesen Ladungsverteilungen ausbildendes elektrische Feld tritt nach2 an der Oberfläche1a aus dem Si-Wafer1 mit einer Vertikalkomponente Evert heraus. Dies ist als Beispiel zu verstehen. Im allgemeinen ist nicht nur eine Vertikalkomponente vorhanden, sondern zusätzlich auch eine horizontale Komponente. Dieses außerhalb des Substrats vorhandene elektrische Feld ist gemeint, wenn in dieser Anmeldung im Zusammenhang mit elektrischen Feldern von einer aus der Sub stratoberfläche austretenden, nicht verschwindenden Feldkomponente der elektrischen Feldstärke gesprochen wird. Erfindungsgemäß ist das zwischen den Elektroden16 ,17 herrschende elektrische Feld dem durch die Ladungsverteilung innerhalb des Si-Wafers1 erzeugten elektrischen Feld derart angepasst, dass die beide Feldarten die Biomoleküle11 beeinflussen. - Durch Einstellung des pH-Wertes der die Biomoleküle
11 enthaltenden Lösung wird die Nettoladung der Biomoleküle11 beeinflusst. Wird beispielsweise eine saure Lösung verwendet, so weisen die Biomoleküle11 infolge einer Absättigung innerhalb des Biomoleküls11 vorhandener negativer Ladungen eine positive Nettoladung auf. Bei einer basischen Lösung ist die Nettoladung der Biomoleküle11 bedingt durch eine Anziehung von Protonen aus den Biomolekülen11 entsprechend negativ. Der pH-Wert der in1 und2 schematisch dargestellten Lösung12 ist so eingestellt, dass die Biomoleküle11 eine negative Nettoladung aufweisen. Somit bewirkt das zwischen den Elektroden16 ,17 herrschende elektrische Feld eine Anziehung der in der Lösung12 enthaltenen Biomoleküle11 auf die Oberfläche1a . - Die Biomoleküle
11 werden nach2 von dem zwischen den Elektroden16 ,17 herrschenden Feld in Richtung der Oberfläche1a des Si-Wafers1 bewegt. Sofern sie in die Nähe der Oberfläche1a gelangen, gelangen sie unter den Einfluss des in der Zone22 durch die ionisierten Donatoren und Akzeptoren hervorgerufenen Feldes. Die Biomoleküle11 werden gemäß der Vertikalkomponente Evert angezogen und lagern sich entlang der in y-Richtung über den Si-Wafer1 verlaufenden, dem Randstreifen23 entsprechenden Linie24 an. Dadurch wird eine genau einstellbare Lokalisierung der Biomoleküle11 im Sinne eines „Nanopatterning" mit einer hohen Ortselektivität erreicht. - Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf das in starker Vereinfachung beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Vielmehr können alle in der Mikroelektronik und der Biotechnologie üblichen Reinigungs-, Handhabungs- und Prozessierungstechniken im Rahmen der Erfindung zur Immobilisierung von Biomolekülen auf halbleitenden Substraten angewandt werden.
Claims (24)
- Verfahren zur Immobilisierung von Biomolekülen (
11 ) auf einer Substratoberfläche mit den Schritten: – Bereitstellen eines halbleitenden Substrats (1 ); – Erzeugen einer räumlich strukturierten stationären Verteilung elektrischer Ladungen in einem der Substratoberfläche (1a ) nahen Bereich (23 ,24 ) des Substrats (1 ), derart, dass elektrische Felder mit einer nicht verschwindenden Feldkomponente der elektrischen Feldstärke aus der Substratoberfläche (1a ) austreten, wobei räumlich benachbarte Strukturelemente der Verteilung elektrischer Ladungen einen Abstand von weniger als 100 Mikrometer haben; – Aufbringen eines die Biomoleküle (11 ) enthaltenden Trägermediums (12 ) auf die Substratoberfläche (1a ); und – Herbeiführen einer geordneten Ausrichtung der Biomoleküle entsprechend den elektrischen Feldern an der Substratoberfläche. - Verfahren nach Anspruch 1, bei dem vor dem Aufbringen des Trägermediums eine Saatschicht auf die Substratoberfläche (
1 ) aufgebracht wird. - Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Schritt des Erzeugens einer räumlich strukturierten stationären Verteilung elektrischer Ladungen eine räumlich periodische Verteilung elektrischer Ladungen erzeugt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Schritt des Erzeugens einer stationären Verteilung elektrischer Ladungen einen Schritt des Einbringens und Ionisierens von Dotieratomen in das Substrat enthält.
- Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der Schritt des Erzeugens einer stationären Verteilung elektrischer Ladungen die Erzeugung wenigstens eines mit Akzeptoren dotierten Abschnitts (
3 ) und wenigstens eines zu diesem benachbarten und mit Donatoren dotierten Abschnitts (2 ) unterhalb der Substratoberfläche (1a ) umfasst. - Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Dotieratome durch einen Implantationsprozess oder einen Diffusionsprozess eingebracht werden.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Schritt des Erzeugens einer räumlich strukturierten stationären Verteilung elektrischer Ladungen einen Schritt des Aufbringens einer Metallschicht, eines dielektrischen Schicht oder einer halbleitenden Schicht auf die Substratoberfläche enthält.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der Ladungen durch ein Aufbringen von Metall-Anordnungen erzeugt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Schritt des Herbeiführens einer geordneten Ausrichtung der Biomoleküle das Anlegen einer Spannung zwischen einer ersten, dem Trägermedium zugeordneten Elektrode (
16 ) und einer zweiten, am Substrat (1 ) angebrachten Elektrode (17 ) umfasst. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Elektroden (
16 ,17 ) eine sich zeitlich verändernde Spannung angelegt wird. - Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem ein Trägermedium verwendet wird, das einen zur Erzeugung eines gewünschten Ladungszustands der Biomoleküle geeigneten pH-Wert aufweist.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem auf den gemäß der Verteilung der Ladungen gebundenen Biomolekülen (
11 ) wenigstens eine weitere Lage mit zweiten Biomolekülen (11 ) aufgebracht wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem die räumlich strukturierte stationäre Verteilung elektrischer Ladungen in einem der Substratoberfläche (
1a ) nahen Bereich (23 ,24 ) des Substrats (1 ) derart ausgebildet wird, dass elektrische Felder mit einer nicht verschwindenden Vertikalkomponente der elektrischen Feldstärke aus der Substratoberfläche (1a ) austreten. - Substrat (
1 ) mit einer räumlich strukturierten stationären Verteilung elektrischer Ladungen in einem einer halbleitenden Substratoberfläche (1a ) nahen Bereich (23 ,24 ) des Substrats (1 ), derart, dass elektrische Felder mit einer nicht verschwindenden Feldkomponente der elektrischen Feldstärke aus der Substratoberfläche (1a ) austreten, wobei räumlich benachbarte Strukturelemente der Verteilung elektrischer Ladungen einen Abstand von weniger als 100 Mikrometer haben. - Substrat nach Anspruch 14, bei dem die räumlich strukturierte stationäre Verteilung elektrischer Ladungen eine räumlich periodische Verteilung elektrischer Ladungen ist.
- Substrat nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die räumlich strukturierte stationäre Verteilung elektrischer Ladungen ionisierte Dotanden enthält.
- Substrat nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem die räumlich strukturierte stationäre Verteilung elektrischer Ladungen mindestens einen mit Akzeptoren dotierten Abschnitt (
3 ) und mindestens eines zu diesem benachbarten und mit Donatoren dotierten Abschnitt (2 ) unterhalb der Substratoberfläche (1a ) enthält. - Substrat nach einem der Ansprüche 14 bis 17, bei dem auf der Substratoberfläche eine Metallschicht, eine dielektrischen Schicht oder eine halbleitende Schicht oder eine Kombination solcher Schichten angeordnet ist.
- Substrat nach einem der Ansprüche 14 bis 18, mit einer Elektrode, die an einer der Substratoberfläche abgewandten Substratseite angeordnet ist.
- Substrat nach einem der Ansprüche 14 bis 19, mit mindestens einer Schicht immobilisierter Biomoleküle.
- Substrat nach einem der Ansprüche 14 bis 20, bei dem die räumlich strukturierte stationäre Verteilung elektrischer Ladungen in einem der Substratoberfläche (
1a ) nahen Bereich (23 ,24 ) des Substrats (1 ) derart ausgebildet ist, dass elektrische Felder mit einer nicht verschwindenden Vertikalkomponente der elektrischen Feldstärke aus der Substratoberfläche (1a ) austreten. - Substrat nach einem der Ansprüche 14 bis 21, bei dem die räumlich benachbarten Strukturelemente der Verteilung elektrischer Ladungen einen Abstand von weniger als 50 Mikrometer haben.
- Substrat nach einem der Ansprüche 14 bis 22, bei dem die räumlich benachbarten Strukturelemente der Verteilung elektrischer Ladungen einen Abstand von weniger als 10 Mikrometer haben.
- Verwendung eines Substrats (
1 ) nach einem der Ansprüche 14 bis 23 zur Immobilisierung von in einem Trägermedium (12 ) befindlichen Biomolekülen (11 ) auf einer Substratoberfläche (1a ) des Substrats (1 ).
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Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DD245265A1 (de) * | 1985-12-23 | 1987-04-29 | Akad Wissenschaften Ddr | Verfahren zur abbildung von dotierungsstrukturen in mikroelektronischen bauelementen |
US5605662A (en) * | 1993-11-01 | 1997-02-25 | Nanogen, Inc. | Active programmable electronic devices for molecular biological analysis and diagnostics |
WO1999035688A1 (en) * | 1998-01-05 | 1999-07-15 | Combimatrix Corporation | Gettering device for ion capture |
US6120669A (en) * | 1997-04-16 | 2000-09-19 | Drexel University | Bipolar electrochemical connection of materials |
US6203985B1 (en) * | 1998-09-08 | 2001-03-20 | Motorola, Inc. | Bio-molecule analyzer with photosensitive material and fabrication |
US6203758B1 (en) * | 1997-11-10 | 2001-03-20 | Bio-Pixel Ltd. | Micro-circuit system with array of functionalized micro-electrodes |
US6605453B2 (en) * | 1999-12-01 | 2003-08-12 | The Regents Of The University Of California | Electric-field-assisted fluidic assembly of inorganic and organic materials, molecules and like small things including living cells |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SI9110476A (en) * | 1991-03-18 | 1996-02-29 | Iskra Stevci Ind Merilne In Up | Hall sensor in integrated CMOS circuit |
DE10195711T1 (de) * | 2000-12-21 | 2003-12-04 | Valeriy Moiseevich Ioffe | Halbleitergerät |
-
2006
- 2006-03-02 DE DE200610010495 patent/DE102006010495B4/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DD245265A1 (de) * | 1985-12-23 | 1987-04-29 | Akad Wissenschaften Ddr | Verfahren zur abbildung von dotierungsstrukturen in mikroelektronischen bauelementen |
US5605662A (en) * | 1993-11-01 | 1997-02-25 | Nanogen, Inc. | Active programmable electronic devices for molecular biological analysis and diagnostics |
US6120669A (en) * | 1997-04-16 | 2000-09-19 | Drexel University | Bipolar electrochemical connection of materials |
US6203758B1 (en) * | 1997-11-10 | 2001-03-20 | Bio-Pixel Ltd. | Micro-circuit system with array of functionalized micro-electrodes |
WO1999035688A1 (en) * | 1998-01-05 | 1999-07-15 | Combimatrix Corporation | Gettering device for ion capture |
US6203985B1 (en) * | 1998-09-08 | 2001-03-20 | Motorola, Inc. | Bio-molecule analyzer with photosensitive material and fabrication |
US6605453B2 (en) * | 1999-12-01 | 2003-08-12 | The Regents Of The University Of California | Electric-field-assisted fluidic assembly of inorganic and organic materials, molecules and like small things including living cells |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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