Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung oder einem Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Computerprogramm.The invention is based on a device or a method according to the preamble of the independent claims. The subject of the present invention is also a computer program.
Eine DNA-Analyse bzw. Analyse von DNA (deoxyribonucleic acid; Desoxyribonukleinsäure) stellt eine häufig eingesetzte Methode beispielsweise in der medizinischen Diagnostik, Forensik usw. dar. Die vollständige DNA-Entschlüsselung des menschlichen Genoms im Jahr 2001 war ein Meilenstein in der Geschichte der Medizin. Damals benötigte man für diese Aufgabe 11 Jahre.A DNA analysis or analysis of DNA (deoxyribonucleic acid) is a commonly used method in, for example, medical diagnostics, forensics, etc. The complete DNA decryption of the human genome in 2001 was a milestone in the history of medicine , At that time 11 years were needed for this task.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz ein Verfahren, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet, sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogramm gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Vorrichtung möglich.Against this background, with the approach presented here, a method, furthermore a control unit, which uses this method, and finally a corresponding computer program according to the main claims are presented. The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim device are possible.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können Poren, insbesondere kontaktierte Poren, beispielsweise kontaktierte Nanoporen, für eine Analyse auf molekularer Ebene, beispielsweise für eine DNA-Sequenzierung hergestellt bzw. bereitgestellt werden. Dabei können beispielsweise Prozesse aus der Mikrosystemtechnik so kombiniert werden, dass Porenstrukturen in einem Substrat bzw. Basismaterial erzeugt werden können.According to embodiments of the present invention, pores, in particular contacted pores, for example, contacted nanopores, can be prepared or provided for analysis on a molecular level, for example for DNA sequencing. In this case, for example, processes from microsystem technology can be combined in such a way that pore structures can be produced in a substrate or base material.
Vorteilhafterweise kann gemäß Ausführungsformen insbesondere eine gezielte bzw. definierte, technisch einfach umzusetzende und reproduzierbare Erzeugung von Poren, beispielsweise Nanoporen in einem 2D-Material, vorgenommen werden. Damit kann eine Analyse, wie zum Beispiel eine DNA-Sequenzierung, beschleunigt werden. So kann gemäß Ausführungsformen insbesondere eine gezielte und reproduzierbare Erzeugung von Poren in einer definierten Größe und an einer definierten Position erreicht werden bzw. können an vordefinierten Positionen gezielt Poren in einer vordefinierten Größe erzeugt werden. Zudem kann beispielsweise eine gezielte Kontaktierung der Poren erreicht werden.Advantageously, according to embodiments, in particular a targeted or defined, technically easy to implement and reproducible production of pores, such as nanopores in a 2D material, made. This can speed up an analysis, such as DNA sequencing. Thus, according to embodiments, in particular a targeted and reproducible production of pores in a defined size and at a defined position can be achieved or pores in a predefined size can be selectively generated at predefined positions. In addition, for example, a targeted contacting of the pores can be achieved.
Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer Porenvorrichtung für eine Analyse von Molekülen vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Ausformen zumindest einer Mulde in einer ersten Oberfläche eines Substrats, insbesondere wobei die Mulde ein sich zumindest teilweise verjüngendes Schnittprofil, speziell ein zumindest teilweise V-förmiges Schnittprofil aufweist;
Anordnen einer Metallschicht in einem Bereich der zumindest einen Mulde;
Entfernen der Metallschicht außerhalb eines Muldengrundes der zumindest einen Mulde, wobei von der Metallschicht in dem Muldengrund der zumindest einen Mulde ein Metallpartikel belassen wird; und
Bilden einer Pore zum Durchlassen eines zu analysierenden Moleküls von dem Muldengrund der zumindest einen Mulde bis zu einer von der ersten Oberfläche abgewandten, zweiten Oberfläche des Substrats unter Verwendung des Metallpartikels.A method for producing a pore device for an analysis of molecules is presented, the method comprising the following steps:
Molding at least one depression in a first surface of a substrate, in particular wherein the depression has an at least partially tapered cutting profile, especially an at least partially V-shaped cutting profile;
Arranging a metal layer in a region of the at least one trough;
Removing the metal layer outside of a depression bottom of the at least one depression, wherein a metal particle is left by the metal layer in the depression bottom of the at least one depression; and
Forming a pore for passing a molecule to be analyzed from the well bottom of the at least one well to a second surface of the substrate remote from the first surface using the metal particle.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein. In der Porenvorrichtung kann zumindest eine Pore gebildet werden. Bei den Molekülen kann es sich um Biomoleküle handeln, insbesondere um DNA-Moleküle bzw. DNS-Moleküle. Das Substrat kann Silizium oder dergleichen als ein Basismaterial aufweisen. Insbesondere kann das Substrat als ein Siliziumwafer oder dergleichen ausgeformt sein. Die Mulde kann beispielsweise durch eine pyramidenförmige Ausnehmung ausgeformt sein. Der Muldengrund kann einen Boden oder eine tiefste Stelle der Mulde repräsentieren. Die Metallschicht kann zumindest ein Metall, zumindest ein Edelmetall oder dergleichen aufweisen. Die zumindest eine Pore kann ein rechteckiges, dreieckiges, vieleckiges, ovales oder rundes Querschnittsprofil aufweisen. Eine Pore kann so gebildet werden, dass weniger als zwei zu analysierende Moleküle, beispielsweise DNA-Moleküle, parallel durch die Pore durchgelassen werden.This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit. At least one pore may be formed in the pore device. The molecules may be biomolecules, in particular DNA molecules or DNA molecules. The substrate may include silicon or the like as a base material. In particular, the substrate may be formed as a silicon wafer or the like. The trough may for example be formed by a pyramidal recess. The trough bottom may represent a bottom or deepest point of the trough. The metal layer may comprise at least one metal, at least one noble metal or the like. The at least one pore can have a rectangular, triangular, polygonal, oval or round cross-sectional profile. A pore may be formed so that less than two molecules to be analyzed, such as DNA molecules, are passed through the pore in parallel.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Ausformens die zumindest eine Mulde durch anisotropes Ätzen ausgeformt werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Entfernens die Metallschicht durch ionenassistiertes Ätzen oder nasschemisches Ätzen entfernt werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Bildens die Pore durch metallassistiertes Ätzen gebildet werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass bekannte Prozesse bzw. Abläufe aus der Mikrosystemtechnik, wie beispielsweise anisotropes KOH-Ätzen von Silizium oder Germanium, Metallstrukturierung, Metall-assistiertes chemisches Ätzen (MaCE, Metall-assisted Chemical Etching), 2D-Materialsynthese, z. B. Graphen-CVD (Chemical Vapor Deposition; chemische Gasphasenabscheidung), Trockenätztechniken und dergleichen, angewandt und kombiniert werden können, sodass doe Poren auf dem Substrat erzeugt werden können.In one embodiment, in the forming step, the at least one well may be formed by anisotropic etching. Additionally or alternatively, in the removal step, the metal layer may be removed by ion-assisted etching or wet-chemical etching. Additionally or alternatively, in the forming step, the pore may be formed by metal assisted etching. Such an embodiment offers the advantage that known microsystem processes such as anisotropic KOH etching of silicon or germanium, metal patterning, metal-assisted chemical etching (MaCE), 2D material synthesis, e.g. , For example, graphene CVD (Chemical Vapor Deposition), dry etching techniques and the like can be applied and combined so that the pores can be formed on the substrate.
Insbesondere kann im Schritt des Entfernens ein Metallpartikel mit einer Abmessung von maximal 10 Nanometern, insbesondere maximal 5 Nanometern, speziell maximal 3 Nanometern oder insbesondere maximal 2 Nanometern belassen werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt des Bildens eine Pore mit einer Querschnittsabmessung von maximal 10 Nanometern, insbesondere maximal 5 Nanometern, speziell maximal 3 Nanometern oder insbesondere maximal 2 Nanometern gebildet werden. Hierbei kann eine Abmessung eines Metallpartikels im Wesentlichen einer Abmessung eines Querschnittsprofils einer Pore entsprechen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass zuverlässig erreicht werden kann, genau ein zu analysierendes Molekül zu einer Zeit durch eine Pore durch zulassen. Für eine DNA-Sequenzierung können beispielsweise Minimaldurchmesser von 3 Nanometer im Falle einer Doppelstrang-DNA bzw. 1,5 Nanometer im Falle einer Einzelstrang-DNA erzeugt werden. In particular, in the removal step, a metal particle with a dimension of at most 10 nanometers, in particular a maximum of 5 nanometers, especially a maximum of 3 nanometers or in particular a maximum of 2 nanometers can be left. Additionally or alternatively, in the step of forming a pore having a cross-sectional dimension of at most 10 nanometers, in particular a maximum of 5 nanometers, especially a maximum of 3 nanometers or in particular a maximum of 2 nanometers can be formed. Here, a dimension of a metal particle may substantially correspond to a dimension of a cross-sectional profile of a pore. Such an embodiment offers the advantage that it can be reliably achieved to allow exactly one molecule to be analyzed through a pore at a time. For DNA sequencing, for example, minimum diameters of 3 nanometers in the case of double-stranded DNA and 1.5 nanometers in the case of single-stranded DNA can be generated.
Auch kann das Verfahren einen Schritt des Erzeugens zumindest einer Elektrode auf der zweiten Oberfläche des Substrats aufweisen. Dabei kann eine Öffnung der zumindest einen Pore durch die zumindest eine Elektrode freiliegen gelassen werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Analyse eines Moleküls bei einem Durchtritt durch die Pore zuverlässig, schnell und genau ermöglicht werden kann.Also, the method may include a step of generating at least one electrode on the second surface of the substrate. In this case, an opening of the at least one pore can be exposed through the at least one electrode. Such an embodiment offers the advantage that analysis of a molecule when passing through the pore can be made reliable, fast and accurate.
Dabei kann im Schritt des Erzeugens ein passivierter Film eines elektrisch leitfähigen Materials zumindest teilflächig auf der zweiten Oberfläche des Substrats aufgebracht werden. Zudem kann der passivierte Film strukturiert werden. Auch kann der passivierte Film elektrisch kontaktiert werden. Außerdem kann der passivierte Film in einem Bereich der zumindest einen Pore abgetragen werden. Der aufgebrachte passivierte Film kann eine Schicht des elektrisch leitfähigen Materials zwischen zwei Passivierungsschichten aufweisen. Das Strukturieren und zusätzlich oder alternativ das Abtragen des passivierten Films in einem Bereich der zumindest einen Pore kann durch Ätzen erfolgen. Das Aufbringen des passivierten Films kann vor dem Schritt des Bildens der Pore ausgeführt werden, wobei das Strukturieren, das Kontaktieren und zusätzlich oder alternativ das Abtragen nach dem Schritt des Bildens der Pore ausgeführt werden können. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die zumindest eine Elektrode auf genau definierte Weise, ohne Beeinträchtigung der Pore oder Poren sowie direkt benachbart zu der Pore oder den Poren erzeugt werden kann.In this case, in the step of producing a passivated film of an electrically conductive material at least partially applied to the second surface of the substrate. In addition, the passivated film can be structured. Also, the passivated film can be electrically contacted. In addition, the passivated film can be removed in an area of the at least one pore. The applied passivated film may comprise a layer of the electrically conductive material between two passivation layers. The structuring and additionally or alternatively the removal of the passivated film in a region of the at least one pore can be effected by etching. The application of the passivated film may be carried out prior to the step of forming the pore, wherein the patterning, the contacting, and additionally or alternatively the ablation may be carried out after the step of forming the pore. Such an embodiment offers the advantage that the at least one electrode can be generated in a well-defined manner, without affecting the pore or pores and directly adjacent to the pore or the pores.
Ferner kann im Schritt des Erzeugens die zumindest eine Elektrode erzeugt werden, um zumindest in einem Teilabschnitt eines Umfangs der Öffnung an die Pore anzugrenzen und zusätzlich oder alternativ eine Abmessung aufzuweisen, die einer Querschnittsabmessung der zumindest einen Pore entspricht oder ähnelt. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Porenvorrichtung so ausgeführt werden kann, dass Moleküle auf eine geeignete von verschiedenen Arten analysiert werden können, beispielsweise anhand eines elektrischen Oberflächenpotenzials oder eines elektrischen Tunnelstroms, die sich beispielsweise ändern, während ein Molekül durch eine Pore hindurchtritt.Furthermore, in the step of generating, the at least one electrode can be produced to adjoin the pore at least in a partial section of a circumference of the opening and additionally or alternatively have a dimension that corresponds or resembles a cross-sectional dimension of the at least one pore. Such an embodiment offers the advantage that the pore device can be designed so that molecules can be analyzed in a suitable manner of various types, for example by means of an electrical surface potential or an electrical tunneling current which, for example, change as a molecule passes through a pore.
Es wird auch ein mikrofluidisches System zum Analysieren von Molekülen vorgestellt, wobei das System folgende Merkmale aufweist:
zumindest eine Porenvorrichtung, die gemäß einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens hergestellt ist; und
eine Trägereinrichtung, in der zumindest ein Kanal zum Führen einer molekülhaltigen Probe ausgeformt ist, wobei die zumindest eine Porenvorrichtung zum Durchströmen der zumindest einen Pore mit der Probe mindestens teilweise innerhalb des zumindest einen Kanals fixierbar oder fixiert ist.Also presented is a microfluidic system for analyzing molecules, the system having the following features:
at least one pore device made according to one embodiment of the above method; and
a carrier device in which at least one channel for guiding a sample containing molecules is formed, wherein the at least one pore device for flowing the at least one pore with the sample is at least partially fixable or fixed within the at least one channel.
Das mikrofluidische System kann als ein sogenanntes Westentaschenlabor bzw. Lab-on-Chip (LoC) ausgeführt sein. In Verbindung mit dem mikrofluidischen System kann eine durch Ausführen einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens hergestellte Porenvorrichtung vorteilhaft eingesetzt bzw. verwendet werden.The microfluidic system can be designed as a so-called west pocket laboratory or lab-on-chip (LoC). In connection with the microfluidic system, a pore device made by carrying out an embodiment of the above-mentioned method can be advantageously used.
Gemäß einer Ausführungsform können in der Trägereinrichtung ein erster Kanal zum Führen einer molekülhaltigen, ersten Probe und ein zweiter Kanal zum Führen einer molekülfreien, zweiten Probe ausgeformt sein. Hierbei kann eine erste Porenvorrichtung mindestens teilweise innerhalb des ersten Kanals fixierbar oder fixiert sein, wobei eine zweite Porenvorrichtung mindestens teilweise innerhalb des zweiten Kanals fixierbar oder fixiert sein kann. Die Trägereinrichtung kann auch zumindest einen weiteren ersten Kanal zum Führen einer molekülhaltigen Probe, beispielsweise der ersten Probe aufweisen. Jedem Kanal der Trägereinrichtung kann zumindest eine Porenvorrichtung zugeordnet sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass zumindest zwei unabhängig voneinander betreibbare Kanäle und Porenvorrichtungen bereitgestellt werden können. So lassen sich beispielsweise Störeinflüsse bei der Analyse mittels einer Referenzprobe berücksichtigen.According to one embodiment, a first channel for guiding a molecule-containing first sample and a second channel for guiding a molecule-free, second sample may be formed in the carrier device. Here, a first pore device may be at least partially fixable or fixed within the first channel, wherein a second pore device may be at least partially fixable or fixed within the second channel. The carrier device may also have at least one further first channel for guiding a molecule-containing sample, for example the first sample. Each channel of the carrier device can be assigned at least one pore device. Such an embodiment offers the advantage that at least two independently operable channels and pore devices can be provided. For example, disturbing influences can be taken into account in the analysis by means of a reference sample.
Es wird ferner ein Verfahren zum Analysieren von Molekülen vorgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Leiten einer molekülhaltigen Probe durch zumindest eine Porenvorrichtung, die gemäß einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens hergestellt ist; und
Auswerten eines Messsignals von zumindest einer Elektrode, die benachbart zu der zumindest einen Pore der zumindest einen Porenvorrichtung angeordnet ist.A method for analyzing molecules is also presented, the method comprising the following steps:
Passing a sample containing molecules through at least one pore device made according to one embodiment of the above method; and
Evaluating a measurement signal from at least one electrode, which is arranged adjacent to the at least one pore of the at least one pore device.
Dieses Verfahren kann beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Steuergerät implementiert sein. Das Verfahren zum Analysieren kann in Verbindung mit oder unter Verwendung von zumindest einer Porenvorrichtung ausgeführt werden, die gemäß einer Ausführungsform des vorstehend genannten Verfahrens hergestellt ist. Auch kann das Verfahren zum Analysieren in Verbindung mit oder unter Verwendung von einer Ausführungsform des vorstehend genannten mikrofluidischen Systems ausgeführt werden.This method can be implemented, for example, in software or hardware or in a mixed form of software and hardware, for example in a control unit. The method of analyzing may be carried out in conjunction with or using at least one pore device made according to one embodiment of the above method. Also, the method of analyzing may be performed in conjunction with or using one embodiment of the aforementioned microfluidic system.
Gemäß einer Ausführungsform kann im Schritt des Auswertens ein Messsignal ausgewertet werden, das ein mittels der zumindest einen Elektrode erfasstes, molekülabhängiges, elektrisches Oberflächenpotenzial repräsentiert. Bei einem Durchtritt eines Moleküls durch eine Pore können Änderungen des elektrischen Oberflächenpotenzials erfasst werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass die Analyse von Molekülen exakt, schnell und zuverlässig ausgeführt werden kann.According to one embodiment, in the step of evaluating, a measurement signal can be evaluated which represents a molecule-dependent electrical surface potential detected by means of the at least one electrode. When a molecule passes through a pore, changes in surface electrical potential can be detected. Such an embodiment offers the advantage that the analysis of molecules can be performed accurately, quickly and reliably.
Alternativ kann im Schritt des Auswertens ein Messsignal ausgewertet werden, das einen mittels der zumindest einen Elektrode erfassten, molekülabhängigen, elektrischen Tunnelstrom repräsentiert. Bei einem Durchtritt eines Moleküls durch eine Pore können Änderungen des elektrischen Tunnelstroms erfasst werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass Moleküle sicher, schnell und genau analysiert werden können.Alternatively, in the step of evaluating a measurement signal can be evaluated, which represents a detected by means of the at least one electrode, molecule-dependent, electrical tunneling current. When a molecule passes through a pore, changes in the electrical tunneling current can be detected. Such an embodiment offers the advantage that molecules can be analyzed safely, quickly and accurately.
Ferner kann im Schritt des Leitens eine weitere, molekülfreie Probe durch eine weitere Porenvorrichtung geleitet werden, die nach dem Verfahren gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche hergestellt ist. Dabei kann im Schritt des Auswertens ein Referenzsignal von zumindest einer weiteren Elektrode, die benachbart zu der zumindest einen Pore der zumindest einen weiteren Porenvorrichtung angeordnet ist, ausgewertet werden und das Messsignal mit dem Referenzsignal verglichen werden. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass eine Kalibrierung bzw. Berücksichtigung von Störeinflüssen für die Analyse auf zuverlässige und einfache Weise ermöglicht werden kann.Further, in the step of conducting, another, molecule-free sample may be passed through another pore device made by the method of any one of the preceding claims. In this case, in the step of evaluating, a reference signal from at least one further electrode, which is arranged adjacent to the at least one pore of the at least one further pore device, can be evaluated and the measurement signal compared with the reference signal. Such an embodiment offers the advantage that a calibration or consideration of disturbing influences for the analysis can be made reliable and simple.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen, anzusteuern bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. The approach presented here also creates a control unit which is designed to execute, to control or to implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. Also by this embodiment of the invention in the form of a control device, the object underlying the invention can be achieved quickly and efficiently.
Hierzu kann das Steuergerät zumindest eine Recheneinheit zum Verarbeiten von Signalen oder Daten, zumindest eine Speichereinheit zum Speichern von Signalen oder Daten, zumindest eine Schnittstelle zu einem Sensor oder einem Aktor zum Einlesen von Sensorsignalen von dem Sensor oder zum Ausgeben von Steuersignalen an den Aktor und/oder zumindest eine Kommunikationsschnittstelle zum Einlesen oder Ausgeben von Daten aufweisen, die in ein Kommunikationsprotokoll eingebettet sind. Die Recheneinheit kann beispielsweise ein Signalprozessor, ein Mikrocontroller oder dergleichen sein, wobei die Speichereinheit ein Flash-Speicher, ein EPROM oder eine magnetische Speichereinheit sein kann. Die Kommunikationsschnittstelle kann ausgebildet sein, um Daten drahtlos und/oder leitungsgebunden einzulesen oder auszugeben, wobei eine Kommunikationsschnittstelle, die leitungsgebundene Daten einlesen oder ausgeben kann, diese Daten beispielsweise elektrisch oder optisch aus einer entsprechenden Datenübertragungsleitung einlesen oder in eine entsprechende Datenübertragungsleitung ausgeben kann.For this purpose, the control unit can have at least one arithmetic unit for processing signals or data, at least one memory unit for storing signals or data, at least one interface to a sensor or an actuator for reading sensor signals from the sensor or for outputting control signals to the actuator and / or or at least a communication interface for reading or outputting data embedded in a communication protocol. The arithmetic unit may be, for example, a signal processor, a microcontroller or the like, wherein the memory unit may be a flash memory, an EPROM or a magnetic memory unit. The communication interface can be designed to read or output data wirelessly and / or by line, wherein a communication interface that can read or output line-bound data, for example, electrically or optically read this data from a corresponding data transmission line or output to a corresponding data transmission line.
Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.In the present case, a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based embodiment, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains various functions of the control unit. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt durch das Steuergerät eine Steuerung einer Ausführungsform des vorstehend genannten mikrofluidischen Systems. Hierzu kann das Steuergerät beispielsweise auf Sensorsignale wie das Messsignal und das Referenzsignal zugreifen. Die Ansteuerung erfolgt über Aktoren wie beispielsweise eine mikrofluidische Pumpe, ein mikrofluidisches Ventil und zusätzlich oder alternativ eine andere mikrofluidische Einrichtung.In an advantageous embodiment, a control of an embodiment of the above-mentioned microfluidic system is performed by the control unit. For this purpose, the control unit can access, for example, sensor signals such as the measurement signal and the reference signal. The control is effected via actuators such as a microfluidic pump, a microfluidic valve and additionally or alternatively another microfluidic device.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung, Umsetzung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt oder Programm auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird.Also of advantage is a computer program product or computer program with program code which is stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical disk Memory may be stored and used for carrying out, implementing and / or driving the steps of the method according to one of the embodiments described above, in particular when the program product or program is executed on a computer or a device.
Ausführungsbeispiele des hier vorgestellten Ansatzes sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:Embodiments of the approach presented here are shown in the drawings and explained in more detail in the following description. It shows:
1 eine schematische Schnittansicht eines Teilabschnittes eines mikrofluidischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel; 1 a schematic sectional view of a portion of a microfluidic system according to an embodiment;
2 ein schematisches Diagramm eines Messsignals gemäß einem Ausführungsbeispiel; 2 a schematic diagram of a measuring signal according to an embodiment;
3 bis 16 schematische Darstellungen einer Porenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Herstellungszuständen; 3 to 16 schematic representations of a pore device according to an embodiment in different production conditions;
17 bis 21 schematische Darstellungen einer Porenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel in unterschiedlichen Herstellungszuständen; 17 to 21 schematic representations of a pore device according to an embodiment in different production conditions;
22 eine schematische Schnittansicht eines Teilabschnittes eines mikrofluidischen Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel; 22 a schematic sectional view of a portion of a microfluidic system according to an embodiment;
23 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen gemäß einem Ausführungsbeispiel; und 23 a flowchart of a method of manufacturing according to an embodiment; and
24 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Analysieren gemäß einem Ausführungsbeispiel. 24 a flowchart of a method for analyzing according to an embodiment.
Bevor nachfolgend auf Ausführungsbeispiele eingegangen wird, werden zunächst Hintergründe und Grundlagen beispielhaft erläutert. Before discussing exemplary embodiments, background information and principles will first be explained by way of example.
Als Methode zur DNA-Entschlüsselung wird häufig das sogenannte Sanger-Verfahren eingesetzt, bei dem die interessierende DNA mittels DNA-Polymerase abgeschrieben wird. Während des Abschreibevorgangs werden Didesoxy-Nukleotide eingebaut, die abhängig vom Einbau zu unterschiedlichen Fragmenten aufgrund zufälliger Strangabbrüche führen. Durch Elektrophorese werden die Nukleinsäurestränge entsprechend ihrer Länge aufgetrennt und die Sequenz abgelesen. Diese Methode der DNA-Sequenzierung ist in der Geschwindigkeit limitiert durch die Vielzahl an benötigten Prozessschritten auf dem Weg zur entschlüsselten DNA. Neben der klassischen Sanger-Methode wurden eine Vielzahl von sogenannten NextGenerationSequencing-Verfahren entwickelt, die beispielsweise auch auf der Verwendung von Fluoreszenzmarkern beruhen. Für die vollständige Decodierung eines menschlichen Genoms auf herkömmlichem Wege werden in spezialisierten Laboren beispielsweise mehrere Tage benötigt.As a method for DNA decryption is often used the so-called Sanger method in which the DNA of interest is written off by means of DNA polymerase. During the copying process, dideoxy nucleotides are incorporated which, depending on the incorporation, lead to different fragments due to random strand termination. By electrophoresis, the nucleic acid strands are separated according to their length and read the sequence. This method of DNA sequencing is limited in speed by the large number of required process steps on the way to the decrypted DNA. In addition to the classic Sanger method, a large number of so-called NextGenerationSequencing methods have been developed, which are based, for example, on the use of fluorescent markers. For the complete decoding of a human genome in a conventional way, for example, several days are required in specialized laboratories.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, wherein a repeated description of these elements is omitted.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Teilabschnittes eines mikrofluidischen Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das mikrofluidische System 100 ist ausgebildet, um Moleküle zu analysieren. Bei den Molekülen handelt es sich beispielsweise um DNA-Moleküle bzw. DNS-Moleküle (DNA = deoxyribonucleic acid; DNS = Desoxyribonukleinsäure), von denen lediglich beispielhaft ein DNA-Molekül 105 in der Darstellung von 1 gezeigt ist. Bei dem mikrofluidische System 100 handelt es sich beispielsweise um das mikrofluidische System aus 22 oder ein ähnliches mikrofluidisches System. 1 shows a schematic sectional view of a subsection of a microfluidic system 100 according to an embodiment. The microfluidic system 100 is designed to analyze molecules. The molecules are, for example, DNA molecules or DNA molecules (DNA = deoxyribonucleic acid, DNA = deoxyribonucleic acid), of which only one example is a DNA molecule 105 in the presentation of 1 is shown. In the microfluidic system 100 For example, it is the microfluidic system 22 or a similar microfluidic system.
Das mikrofluidische System 100 weist eine Porenvorrichtung 110 für die Analyse von Molekülen, hier beispielsweise den DNA-Molekülen 105 auf. In 1 ist die Porenvorrichtung 110 schematisch und in einem Teilabschnitt dargestellt. Die Porenvorrichtung 110 ist gemäß dem Verfahren aus 23 oder einem ähnlichen Verfahren hergestellt, wie es auch unter Bezugnahme auf die 3 bis 21 veranschaulicht ist. The microfluidic system 100 has a pore device 110 for the analysis of molecules, here for example the DNA molecules 105 on. In 1 is the pore device 110 shown schematically and in a subsection. The pore device 110 is in accordance with the procedure 23 or a similar process, as also with reference to the 3 to 21 is illustrated.
Die Porenvorrichtung 110 weist ein Substrat 120 auf, das beispielsweise aus Silizium ausgeformt ist. In dem Substrat 120 ist zumindest eine Pore 125 ausgeformt. In der Darstellung von 1 ist lediglich beispielhaft eine Pore 125 gezeigt. Die Pore 125 ist ausgebildet, um ein DNA-Molekül 105 durch die Porenvorrichtung 120 durchzulassen. Das DNA-Molekül 105 ist in der Darstellung von 1 teilweise innerhalb der Pore 125 angeordnet.The pore device 110 has a substrate 120 on, which is formed for example of silicon. In the substrate 120 is at least a pore 125 formed. In the presentation of 1 is merely an example of a pore 125 shown. The pore 125 is designed to be a DNA molecule 105 through the pore device 120 pass. The DNA molecule 105 is in the representation of 1 partly within the pore 125 arranged.
Ferner weist die Porenvorrichtung 110 zumindest eine Elektrode 130 auf. In der Darstellung von 1 ist lediglich eine Elektrode 130 gezeigt. Die Elektrode 130 ist an einer Oberfläche des Substrats 120 angeordnet. Im Bereich der Pore 125 weist die Elektrode 130 eine Durchgangsöffnung auf, sodass die Pore 125 freiliegt. Die Elektrode 130 weist eine Schicht aus einem leitfähigen Material 132, hier beispielsweise Graphen, bzw. eine Graphen-Schicht 132 zwischen zwei Passivierungsschichten 134, 136 bzw. Schichten 134, 136 aus einem Passivierungsmaterial, beispielsweise Bornitrid (BN), sowie eine elektrische Verbindung 138 bzw. einen elektrischen Kontakt 138 auf.Furthermore, the pore device 110 at least one electrode 130 on. In the presentation of 1 is just an electrode 130 shown. The electrode 130 is on a surface of the substrate 120 arranged. In the area of the pore 125 points the electrode 130 a passage opening on, so that the pore 125 exposed. The electrode 130 has a layer of a conductive material 132 , here for example graphene, or a graphene layer 132 between two passivation layers 134 . 136 or layers 134 . 136 from a passivation material, such as boron nitride (BN), as well as a electrical connection 138 or an electrical contact 138 on.
Das mikrofluidische System 100 weist ferner ein Voltmeter 140 und eine elektrische Leitung 145 zum Leiten elektrischen Stromes auf. Über die elektrische Leitung 145 ist das Voltmeter 140 mit dem leitfähigen Material 132 der Elektrode 130 der Porenvorrichtung 110 elektrisch verbunden. Das Voltmeter 140 ist elektrisch zwischen die Elektrode 130 und Masse 150 geschaltet.The microfluidic system 100 also has a voltmeter 140 and an electrical line 145 for conducting electrical power. About the electrical line 145 is the voltmeter 140 with the conductive material 132 the electrode 130 the pore device 110 electrically connected. The voltmeter 140 is electrically between the electrode 130 and mass 150 connected.
Unter Verwendung des mikrofluidischen Systems 100 ist eine DNA-Sequenzierung mittels der Poren 125 bzw. Nanoporen 125 durchführbar. Die Poren 125 können auch als Nanoporen 125 bezeichnet werden, wenn ihre Querschnittsabmessung im Bereich weniger Nanometer liegt. Ein in Lösung befindliches DNA-Molekül 105 wird über Elektrophorese durch die mit Graphen-Elektroden 130 versehene Pore 125 geleitet. Während des Durchtritts des DNA-Moleküls 105 ist eine Abfolge unterschiedlicher Basen der DNA beispielsweise über eine Änderung des elektrischen Oberflächenpotenzials an Graphen-Kontakten der Elektrode 130 auslesbar.Using the microfluidic system 100 is a DNA sequencing using the pores 125 or nanopores 125 feasible. The pores 125 can also be called nanopores 125 be designated if their cross-sectional dimension is in the range of a few nanometers. A DNA molecule in solution 105 is via electrophoresis by using graphene electrodes 130 provided pore 125 directed. During the passage of the DNA molecule 105 is a sequence of different bases of DNA, for example via a change in the electrical surface potential on graphene contacts of the electrode 130 read.
2 zeigt ein schematisches Diagramm eines Messsignals 245 gemäß einem Ausführungsbeispiel. In dem Diagramm ist an der Abszissenachse die Zeit t aufgetragen, wobei an der Ordinatenachse eine elektrische Spannung V aufgetragen ist. Das Messsignal 245 repräsentiert einen Graphen des Diagramms bzw. eine zeitliche Änderung der elektrischen Spannung V. Das Messsignal 245 bzw. die elektrische Spannung V ist an der zumindest einen Elektrode der Porenvorrichtung aus 1 oder einer ähnlichen Porenvorrichtung erfassbar bzw. abgreifbar und beispielsweise durch das Voltmeter aus 1 oder ein ähnliches Messgerät messbar. 2 shows a schematic diagram of a measuring signal 245 according to an embodiment. In the diagram, the time t is plotted on the abscissa axis, wherein an electrical voltage V is plotted on the ordinate axis. The measuring signal 245 represents a graph of the diagram or a temporal change of the electrical voltage V. The measurement signal 245 or the electrical voltage V is at the at least one electrode of the pore device 1 or a similar pore device can be detected or tapped off and, for example, by the voltmeter 1 or a similar measuring device measurable.
In den 3 bis 14 ist nachfolgend beispielhaft eine Prozesssequenz zur Herstellung einer Struktur zur DNA-Analyse mittels Poren bzw. Nanoporen und 2D-Materialien wie Graphen veranschaulicht. Anders ausgedrückt wird im Folgenden eine Prozesssequenz beschrieben, mit der insbesondere regulär angeordnete und elektrisch kontaktierte Poren bzw. Nanoporen zur DNA-Sequenzierung erzeugbar sind.In the 3 to 14 is exemplified below a process sequence for producing a structure for DNA analysis using pores or nanopores and 2D materials such as graphene illustrated. In other words, a process sequence is described below with which, in particular, regularly arranged and electrically contacted pores or nanopores for DNA sequencing can be generated.
3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Teilabschnittes einer Porenvorrichtung 110 gemäß einem Ausführungsbeispiel in einem ersten Herstellungszustand. Bei der Porenvorrichtung 110 handelt es sich um die Porenvorrichtung aus 1 oder eine ähnliche Porenvorrichtung. In dem ersten Herstellungszustand ist auf ein Substrat 120, das aus Silizium ausgeformt ist, eine Siliziumnitrid-Struktur 321 als Ätzmaske aufgebracht. Dabei ist die Siliziumnitrid-Struktur 321 an ersten Oberfläche bzw. Seite des Substrats 120 angeordnet. Die Siliziumnitrid-Struktur 321 bedeckt eine Teilfläche der ersten Oberfläche des Substrats 120, wobei ein Teilabschnitt der ersten Oberfläche freiliegt. 3 shows a schematic sectional view of a section of a pore device 110 according to an embodiment in a first manufacturing state. In the pore device 110 it is the pore device 1 or a similar pore device. In the first manufacturing state is on a substrate 120 formed of silicon, a silicon nitride structure 321 applied as an etching mask. Here is the silicon nitride structure 321 on the first surface or side of the substrate 120 arranged. The silicon nitride structure 321 covers a partial area of the first surface of the substrate 120 wherein a portion of the first surface is exposed.
4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 3 in einem zweiten Herstellungszustand. Hierbei ist auf die Porenvorrichtung 110 zudem eine Substratisolationsschicht 422 aufgebracht, wie es in 4 symbolisch durch Pfeile veranschaulicht ist. Die Substratisolationsschicht 422 ist dabei auf einer zweiten Oberfläche aufgebracht, die von der ersten Oberfläche des Substrats 120 abgewandt ist. Dabei ist die Substratisolationsschicht 422 ganzflächig auf der zweiten Oberfläche aufgebracht. 4 shows a schematic sectional view of the pore device 110 out 3 in a second state of manufacture. Here is on the pore device 110 also a substrate insulation layer 422 applied as it is in 4 symbolically illustrated by arrows. The substrate isolation layer 422 is applied to a second surface of the first surface of the substrate 120 turned away. In this case, the substrate insulation layer 422 Applied over the entire surface on the second surface.
5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 4 in einem dritten Herstellungszustand. Dabei ist in dem von der Siliziumnitrid-Struktur 321 freiliegenden Teilabschnitt der ersten Oberfläche des Substrats 120 zumindest eine Mulde 523 ausgeformt. In der Darstellung von 5 ist lediglich beispielhaft und darstellungsbedingt eine Mulde 520 gezeigt. Die Mulde 523 ist hierbei durch anisotropes Ätzen beispielsweise mittels KOH ausgeformt, wie es symbolisch durch Pfeile in 5 veranschaulicht ist. Die Mulde 523 ist so ausgeformt, dass zwischen einem Grund bzw. Boden der Mulde 523 und der zweiten Oberfläche des Substrats 120 Substratmaterial verbleibt. Die Mulde 520 weist in der Darstellung von 5 ein V-förmiges Schnittprofil auf. 5 shows a schematic sectional view of the pore device 110 out 4 in a third state of manufacture. It is in the of the silicon nitride structure 321 exposed portion of the first surface of the substrate 120 at least one hollow 523 formed. In the presentation of 5 is merely an example and presentation a trough 520 shown. The hollow 523 is formed here by anisotropic etching, for example by means of KOH, as symbolically indicated by arrows in FIG 5 is illustrated. The hollow 523 is shaped so that between a bottom of the trough 523 and the second surface of the substrate 120 Substrate material remains. The hollow 520 indicates in the illustration of 5 a V-shaped cutting profile on.
Insbesondere ist die Mulde 523 durch KOH-Ätzen in (100)-Richtung ausgeformt, um die Mulde 520 beispielsweise als ein dreieckiges Loch auszubilden bzw. als eine inverse Pyramide zu erzeugen. Durch KOH-Ätzen in einkristallinem Silizium oder Germanium als das Material des Substrats 120 lassen sich Mulden 523 als inverse Pyramiden mit atomar glatten Wänden erzeugen. Hierfür sind oder werden in der Siliziumnitrid-Struktur 321 lithografisch quadratische Ätzbereiche definiert, in denen die erste Oberfläche des Substrats 120 freiliegt und deren Kantenlänge so mit der verwendeten Substratdicke korrespondiert, dass am Grund der Ätzgruben bzw. Mulden 523 eine inverse Pyramidenspitze entsteht.In particular, the trough is 523 by KOH etching in ( 100 ) Direction formed around the trough 520 For example, to form as a triangular hole or to produce as an inverse pyramid. By KOH etching into monocrystalline silicon or germanium as the material of the substrate 120 can be hollows 523 as inverse pyramids produce with atomically smooth walls. This is or will be in the silicon nitride structure 321 lithographically defined square etching areas in which the first surface of the substrate 120 exposed and whose edge length corresponds to the substrate thickness used so that at the bottom of the etching pits or troughs 523 an inverse pyramid tip is created.
6 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 5 in einem vierten Herstellungszustand. Dabei ist eine Metallschicht 624 auf Seiten der ersten Oberfläche des Substrats 120 an der Porenvorrichtung 110 angeordnet bzw. aufgebracht. Die Metallschicht 624 weist zum Beispiel Platin (Pt) oder ein anderes Edelmetall auf. Genau gesagt ist die Metallschicht 624 bzw. Edelmetallschicht 624 auf die Mulde 523 und die Siliziumnitrid-Struktur 321 aufgebracht, wie es symbolisch durch Pfeile in 6 veranschaulicht ist. 6 shows a schematic sectional view of the pore device 110 out 5 in a fourth state of manufacture. This is a metal layer 624 on the side of the first surface of the substrate 120 at the pore device 110 arranged or applied. The metal layer 624 has, for example, platinum (Pt) or another noble metal. Strictly speaking, the metal layer 624 or noble metal layer 624 on the hollow 523 and the silicon nitride structure 321 applied as symbolically by arrows in it 6 is illustrated.
7 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 6 in einem fünften Herstellungszustand. Hierbei ist die Metallschicht bis auf ein Metallpartikel 725 am Grund der Mulde 523 entfernt, insbesondere durch Ätzen. Das Metallpartikel 725 repräsentiert ein Stück Metall bzw. Edelmetall am Grund der Mulde 523. Somit ist die Metallschicht außerhalb des Grundes der Mulde 523 von der Mulde 523 sowie von der Siliziumnitrid-Struktur 321 entfernt bzw. abgetragen. 7 shows a schematic sectional view of the pore device 110 out 6 in a fifth state of manufacture. Here, the metal layer is up to a metal particle 725 at the bottom of the hollow 523 removed, in particular by etching. The metal particle 725 represents a piece of metal or precious metal at the bottom of the trough 523 , Thus, the metal layer is outside the bottom of the trough 523 from the hollow 523 as well as the silicon nitride structure 321 removed or removed.
Anders ausgedrückt veranschaulichen 6 und 7 insbesondere einen Prozess zur selbstorganisierenden Herstellung von Metallpartikeln 725 bzw. Metall-Nanopartikeln. Zur DNA-Sequenzierung mit Poren bzw. Nanoporen können auf diese Weise Löcher bzw. Poren erzeugt bzw. gebildet werden, deren Durchmesser mit dem von DNA-Strängen korrespondiert. Um für die Porenerzeugung das sogenannte Metal-assisted Chemical Etching (MaCE) zu nutzen, werden die Metallpartikel 725 erzeugt, deren Größe im Wesentlichen einer gewünschten Porengröße entspricht. Erfahrung mit halbleitertechnischen Prozessen wie der Metallschichtdeposition mittels Sputtern zeigt, dass sich bei der Beschichtung strukturierter Oberflächen mit der Metallschicht 624 insbesondere Schichtdickenunterschiede zwischen Mulden und Ätzflanken ergeben. Diese Schichtdickenunterschiede können für die Erzeugung isolierter Metallpartikel 725 genutzt werden. Nach der Deposition der Metallschicht 624 wird durch einen geeigneten Ätzschritt mit linearer zeitlicher Ätzrate die Metallschicht 624 entfernt. Durch die Schichtdickenschwankung zwischen Flanken und Grund der Mulden 523 bzw. inversen Pyramiden wird das Metall von Seitenflächen und Bergspitzen auf dem Substrat 120 früher entfernt als in den Tälern bzw. auf dem Grund der Mulden 523. Bei entsprechend hoher Präzision der KOH-geätzten Pyramiden werden somit Metallpartikeln 725 jeweils am Grund der Mulden 523 bzw. inversen Pyramiden gebildet. Als Ätzverfahren zum Entfernen der Metallschicht 694 eignen sich beispielsweise ionenassistiertes Ätzen oder nasschemisches Ätzen.In other words, illustrate 6 and 7 in particular a process for the self-organizing production of metal particles 725 or metal nanoparticles. For DNA sequencing with pores or nanopores, holes or pores can thus be produced or formed whose diameter corresponds to that of DNA strands. In order to use the so-called metal-assisted chemical etching (MaCE) for the pore generation, the metal particles 725 generated, the size of which corresponds substantially to a desired pore size. Experience with semiconductor processes such as metal layer deposition by sputtering shows that when coating structured surfaces with the metal layer 624 especially layer thickness differences between wells and Ätzflanken yield. These layer thickness differences can be used for the production of isolated metal particles 725 be used. After the deposition of the metal layer 624 becomes the metal layer by a suitable etch step with a linear temporal etching rate 624 away. Due to the layer thickness variation between flanks and bottom of the hollows 523 or inverse pyramids becomes the metal of side surfaces and mountain peaks on the substrate 120 earlier removed than in the valleys or at the bottom of the hollows 523 , With correspondingly high precision of the KOH-etched pyramids, metal particles thus become 725 each at the bottom of the hollows 523 or inverse pyramids formed. As an etching method for removing the metal layer 694 For example, ion-assisted etching or wet-chemical etching are suitable.
8 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 7 in einem sechsten Herstellungszustand. Dabei ist an der zweiten Oberfläche des Substrats 120 eine Elektrode der Porenvorrichtung 130 erzeugt bzw. zumindest vorbereitet. Dazu ist auf der Substratisolationsschicht 422 eine erste Passivierungsschicht 134 aufgebracht. Auf der ersten Passivierungsschicht 134 ist eine Graphen-Schicht 132 aufgebracht. Auf der Graphen-Schicht 132 ist eine zweite Passivierungsschicht 136 aufgebracht. Die Passivierungsschichten 134, 136 weisen beispielsweise Bornitrid (BN) als Passivierungsmaterial auf. Somit ist auf der zweiten Oberfläche des Substrats 120 bzw. der Substratisolationsschicht 422 ein passivierter Graphen-Film aufgebracht, der Graphen-Schicht 132 zwischen den Passivierungsschichten 134, 136 umfasst, wie es symbolisch durch Pfeile in 8 veranschaulicht ist. 8th shows a schematic sectional view of the pore device 110 out 7 in a sixth state of manufacture. It is on the second surface of the substrate 120 an electrode of the pore device 130 generated or at least prepared. This is on the substrate isolation layer 422 a first passivation layer 134 applied. On the first passivation layer 134 is a graphene layer 132 applied. On the graphene layer 132 is a second passivation layer 136 applied. The passivation layers 134 . 136 have, for example, boron nitride (BN) as the passivation material. Thus, on the second surface of the substrate 120 or the substrate isolation layer 422 applied a passivated graphene film, the graphene layer 132 between the passivation layers 134 . 136 includes as it is symbolically indicated by arrows in 8th is illustrated.
Der passivierte Graphen-Film wird hierbei nach einem Ätzen der Mulden 523 bzw. inversen Pyramiden und dem Erzeugen der Metallpartikel 725 zunächst ganzflächig auf der unstrukturierten zweiten Oberfläche bzw. Rückseite des Substrats 120 aufgebracht. Als Herstellmethode können sowohl transferbasierte als auch transferfreie Graphen-Abscheidemethoden verwendet werden. Um den Einfluss von Störeinflüssen wie Feuchte oder Gasadsorption auf das Graphen zu minimieren, ist oder wird die Graphen-Schicht 132 verkapselt bzw. passiviert. Als Material für die Passivierschichten 134, 136 bietet sich insbesondere hexagonales Bornitrid an, welches die elektrischen Eigenschaften des Graphens nicht beeinträchtigt bzw. noch verbessert und das Graphen gleichzeitig hermetisch verkapselt und elektrisch isoliert. Als Alternative zu Graphen können auch andere leitfähige 2D-Materialien wie Molybdändisulfid (MoS2) oder Phosphen verwendet werden.The passivated graphene film is here after an etching of the wells 523 or inverse pyramids and the production of the metal particles 725 initially over the entire surface on the unstructured second surface or back of the substrate 120 applied. As a production method, both transfer-based and transfer-free graphene deposition methods can be used. To minimize the influence of interferences such as humidity or gas adsorption on the graphene, the graphene layer is or will be 132 encapsulated or passivated. As material for the passivation layers 134 . 136 hexagonal boron nitride is particularly suitable, which does not impair or even improve the electrical properties of the graphene and, at the same time, hermetically encapsulates and electrically isolates the graphene. As an alternative to graphene, other 2D conductive materials such as molybdenum disulfide (MoS2) or phosphene may also be used.
9 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 8 in einem siebten Herstellungszustand. Hierbei ist die Pore 125 von dem Grund der Mulde 523 bis zu der zweiten Oberfläche des Substrats 120 bzw. der Substratisolationsschicht 422 gebildet. Die Pore 125 ist dabei durch metallassistiertes Ätzen unter Verwendung des mit Metallpartikels 725 gebildet. Genauer gesagt wird zum Bilden der Pore 125 das Material des Substrats 120, beispielsweise Silizium, das zwischen dem Grund der Mulde 523 und der zweiten Oberfläche des Substrats 120 verbleibt, mit einer Mischung aus Flusssäure bzw. Fluorwasserstoff (HF) und Wasserstoffperoxid (H2O2) als Ätzmedium weggeätzt. Bei dem metallassistierten Ätzen handelt es sich beispielsweise um den sogenannten MaCE-Prozess. 9 shows a schematic sectional view of the pore device 110 out 8th in a seventh state of manufacture. Here is the pore 125 from the bottom of the hollow 523 to the second surface of the substrate 120 or the substrate isolation layer 422 educated. The pore 125 is by metal assisted etching using the metal particle 725 educated. More specifically, to make the pore 125 the material of the substrate 120 , for example silicon, between the bottom of the trough 523 and the second surface of the substrate 120 remains etched away with a mixture of hydrofluoric acid or hydrogen fluoride (HF) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) as the etching medium. The metal-assisted etching is, for example, the so-called MaCE process.
Beim metallassistierten Ätzen wird das Ätzmedium an einer Dreiphasengrenze zwischen Metallpartikel 725, Silizium des Substrats 120 und Ätzflüssigkeit chemisch aktiviert. Als Ätzmedium wird üblicherweise eine Mischung aus Flusssäure und Wasserstoffperoxid verwendet. Wasserstoffperoxid führt an der Dreiphasengrenze zu einer Oxidation des Siliziums und anschließend wird das erzeugte Siliziumoxid (SiOx) durch den in der Lösung enthaltenen Fluorwasserstoff entfernt. Da ein Ätzangriff im Bereich des katalytisch wirkenden Metallpartikels 725 erfolgt, entspricht die Größe des geätzten Bereichs, d.h. der Querschnitt der Pore 125, der Größe des bereitgestellten Metallpartikels 725 an der Siliziumoberfläche. Die Ätzung erfolgt solange, bis die verbleibende Substrat-Restschichtdicke unterhalb des Grundes der Mulde 523 bzw. der invertierten Pyramidenspitze durchgeätzt ist.In metal assisted etching, the etch medium becomes at a three phase boundary between metal particles 725 , Silicon of the substrate 120 and etching liquid chemically activated. The etching medium used is usually a mixture of hydrofluoric acid and hydrogen peroxide. Hydrogen peroxide oxidizes the silicon at the three-phase boundary and subsequently the silicon oxide produced (SiOx) is removed by the hydrogen fluoride contained in the solution. Since an etching attack in the region of the catalytically active metal particle 725 takes place, corresponds to the size of the etched area, ie the cross section of the pore 125 , the size of the metal particle provided 725 on the silicon surface. The etching takes place until the remaining substrate residual layer thickness below the bottom of the trough 523 or the inverted Pyramidenspitze is etched through.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 10 bis 13 ein beispielhafter Prozessfluss zum Strukturieren von Graphen-Elektroden veranschaulicht. Für eine parallele DNA-Sequenzierung mit einem Array aus Poren 125 bzw. Nanoporen ist jede Pore 125 einzeln zu kontaktieren. The following is with reference to 10 to 13 an exemplary process flow for patterning graphene electrodes is illustrated. For parallel DNA sequencing with an array of pores 125 or nanopores is every pore 125 to contact individually.
10 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 9 in einem achten Herstellungszustand. Dabei ist das in der Pore 125 verbliebene Metallpartikel 724 entfernt und ist ferner auf einem Teilabschnitt der zweiten Passivierungsschicht 136 auf Seiten der zweiten Oberfläche des Substrats 120 eine Abdeckschicht 1060 aus einem Abdeckmittel, Fotolack oder dergleichen aufgebracht, wie es symbolisch durch Pfeile veranschaulicht ist. Somit ist die Abdeckschicht 1060 teilflächig auf dem passivierten Graphen-Film aufgebracht. 10 shows a schematic sectional view of the pore device 110 out 9 in an eighth state of manufacture. It is in the pore 125 remaining metal particles 724 is removed and is further on a portion of the second passivation layer 136 on the side of the second surface of the substrate 120 a cover layer 1060 applied from a cover, photoresist or the like, as symbolically illustrated by arrows. Thus, the cover layer 1060 Partially applied on the passivated graphene film.
11 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 10 in einem neunten Herstellungszustand. Dabei ist der passivierte Graphen-Film aus der Graphen-Schicht 132 und den Passivierungsschichten 134, 136 teilweise weggeätzt, wie es symbolisch durch Pfeile veranschaulicht ist. Genauer gesagt sind die von der Abdeckschicht 1060 freiliegenden bzw. unbedeckten Abschnitte des passivierten Graphen-Films weggeätzt. Somit ist die Substratisolationsschicht 422 teilweise freigelegt, nachdem freiliegendes Bornitrid und Graphen weggeätzt ist. 11 shows a schematic sectional view of the pore device 110 out 10 in a ninth state of manufacture. The passivated graphene film is from the graphene layer 132 and the passivation layers 134 . 136 partially etched away, as it is symbolically illustrated by arrows. More specifically, those of the cover layer 1060 etched away exposed or uncovered portions of the passivated graphene film. Thus, the substrate insulation layer is 422 partially exposed after exposed boron nitride and graphene are etched away.
12 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 11 in einem zehnten Herstellungszustand. Hierbei ist die Abdeckschicht von der zweiten Passivierungsschicht 136 entfernt bzw. abgetragen. Somit verbleibt der passivierte Graphen-Film bzw. Schichtstapel aus erster Passivierungsschicht 134, Graphen-Schicht 132 und zweiter Passivierungsschicht 136 in einem Pore 125 umgebenden Abschnitt und einem die Pore 125 überdeckenden Abschnitt auf Seiten der zweiten Oberfläche des Substrats 120. 12 shows a schematic sectional view of the pore device 110 out 11 in a tenth state of manufacture. Here, the covering layer is of the second passivation layer 136 removed or removed. Thus, the passivated graphene film or layer stack of the first passivation layer remains 134 , Graphene layer 132 and second passivation layer 136 in a pore 125 surrounding section and one the pore 125 overlapping portion on sides of the second surface of the substrate 120 ,
13 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 12 in einem elften Herstellungszustand. Dabei ist zu dem passivierten Graphen-Film bzw. dem Schichtstapel aus erster Passivierungsschicht 134, Graphen-Schicht 132 und zweiter Passivierungsschicht 136 lediglich beispielhaft eine elektrische Verbindung 138 bzw. ein elektrischer Kontakt 138 hinzugefügt. Der elektrische Kontakt 138 ist ausgebildet, um eine elektrische Verbindung mit der Graphen-Schicht 132 zu ermöglichen. Dabei ist der elektrische Kontakt 138 gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel lateral an einer Seite des Schichtstapels angeordnet. 13 shows a schematic sectional view of the pore device 110 out 12 in an eleventh state of manufacture. In this case, the passivated graphene film or the layer stack consists of the first passivation layer 134 , Graphene layer 132 and second passivation layer 136 merely an example of an electrical connection 138 or an electrical contact 138 added. The electrical contact 138 is designed to be electrically connected to the graphene layer 132 to enable. Here is the electrical contact 138 arranged according to the embodiment shown here laterally on one side of the layer stack.
14 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 13 in einem zwölften Herstellungszustand. Hierbei sind im Bereich der Pore 125 die Substratisolationsschicht 422, die erste Passivierungsschicht 134, die Graphen-Schicht 132 und die zweite Passivierungsschicht 136 weggeätzt. Somit ist die Pore 125 sowohl von Seiten der ersten Oberfläche des Substrats 120 als auch von Seiten der zweiten Oberfläche des Substrats 120 zugänglich. 14 shows a schematic sectional view of the pore device 110 out 13 in a twelfth state of manufacture. Here are in the area of the pore 125 the substrate isolation layer 422 , the first passivation layer 134 , the graphene layer 132 and the second passivation layer 136 etched away. Thus, the pore 125 from both sides of the first surface of the substrate 120 as well as from the second surface of the substrate 120 accessible.
Somit ist ausgehend von dem in 13 gezeigten, elften Herstellungszustand zur Öffnung des die Pore 125 abdeckenden, passivierten Graphen-Films der Elektrode 130 ein zusätzlicher Ätzschritt zur Strukturierung des passivierten Graphen-Films durchzuführen, um den in 14 gezeigten, zwölften Herstellungszustand zu erreichen. Dies kann beispielsweise durch Sauerstoff-Plasmaätzen erfolgen, wobei der Ätzangriff von der Seite der Mulde 523 aus erfolgt, um ausschließlich das Graphen im Bereich der Pore 125 zu ätzen, ohne weiteres Graphen auf der zweiten Oberfläche bzw. Rückseite des Substrats 120 zu beeinträchtigen. Dieser Schritt kann am Ende der Prozesssequenz bzw. als letzter Herstellungsschritt oder Herstellungszustand erfolgen, um beim Einsatz der Abdeckschicht bzw. von Photolacken zur Lithografie und Strukturierung von Graphen-Kontakten und deren elektrischer Anbindung ein Eindringen des Lacks in die Poren 125 zu verhindern.Thus, starting from the in 13 shown, eleventh state of manufacture for the opening of the pore 125 covering, passivated graphene film of the electrode 130 to carry out an additional etching step for patterning the passivated graphene film in order to achieve the in 14 to reach the twelfth state of manufacture. This can be done for example by oxygen plasma etching, wherein the etching attack from the side of the trough 523 out to exclusively graphene in the area of the pore 125 etch, without further graphene on the second surface or back of the substrate 120 to impair. This step can take place at the end of the process sequence or as the last production step or production state in order to penetrate the paint into the pores when using the cover layer or photoresists for lithography and structuring of graphene contacts and their electrical connection 125 to prevent.
15 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Oberseite der Porenvorrichtung 110 aus 14. Die Oberseite entspricht dabei der zweiten Oberfläche des Substrats 120. Die Porenvorrichtung 110 weist lediglich beispielhaft vier Poren 125 sowie vier Elektroden auf. Hierbei sind in 15 von der Porenvorrichtung 110 darstellungsbedingt das Substrat 120, die Poren 125, die zweiten Passivierungsschichten 136 und die elektrischen Kontakte 138 dargestellt. In 15 ist erkennbar, dass die Elektroden gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine rechteckige oder quadratische Grundfläche aufweisen. Jede der Elektroden ist hierbei eine jeweilige Pore 125 umgebend angeordnet. Die Poren 125 weisen gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ein rechteckiges oder quadratisches Schnittprofil auf. 15 shows a schematic plan view of an upper side of the pore device 110 out 14 , The upper side corresponds to the second surface of the substrate 120 , The pore device 110 merely has four pores by way of example 125 and four electrodes. Here are in 15 from the pore device 110 due to the presentation, the substrate 120 , the pores 125 , the second passivation layers 136 and the electrical contacts 138 shown. In 15 It can be seen that the electrodes according to the embodiment shown here have a rectangular or square base. Each of the electrodes is in this case a respective pore 125 arranged surrounding. The pores 125 have a rectangular or square section profile according to the embodiment shown here.
16 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Unterseite der Porenvorrichtung 110 aus 14 bzw. 15. Die Unterseite entspricht hierbei der ersten Oberfläche des Substrats. 16 sind von der Porenvorrichtung 110 darstellungsbedingt die Siliziumnitrid-Struktur 321 bzw. Ätzmaske, die lediglich beispielhaft vier Mulden 523 und die Poren 125 gezeigt. 16 shows a schematic plan view of a bottom of the pore device 110 out 14 respectively. 15 , The bottom corresponds to the first surface of the substrate. 16 are from the pore device 110 due to the nature of the silicon nitride structure 321 or etching mask, the example only four wells 523 and the pores 125 shown.
In den 17 bis 20 ist nachfolgend beispielhaft ein alternativer Prozessfluss zum strukturieren von Elektroden bzw. zur Erzeugung von Graphen-Kontakten zur Messung von Tunnelstromänderungen durch die Pore dargestellt.In the 17 to 20 For example, an alternative process flow for patterning electrodes or for generating graphene contacts for measuring tunnel current changes through the pore is shown by way of example.
17 zeigt eine schematische Darstellung einer Porenvorrichtung 110 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel in einem achten Herstellungszustand. Hierbei entspricht die Porenvorrichtung 110 der in 10 dargestellten Porenvorrichtung mit Ausnahme dessen, dass die Abdeckschicht 1060 lediglich außerhalb eines die Pore 125 abdeckenden Bereichs des passivierten Graphen-Films aufgebracht ist. Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist benachbart zu dem die Pore 125 abdeckenden Bereich die Abdeckschicht 1060 in zwei Abschnitten aufgebracht. 17 shows a schematic representation of a pore device 110 according to another embodiment in an eighth state of manufacture. Here, the pore device corresponds 110 the in 10 shown pore device except that the cover layer 1060 just outside of a pore 125 covering area of the passivated graphene film is applied. According to the embodiment shown here is adjacent to the pore 125 covering area the covering layer 1060 applied in two sections.
18 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 17 in einem neunten Herstellungszustand. Dabei ist der passivierte Graphen-Film mit der Graphen-Schicht 132 und den Passivierungsschichten 134, 136 teilweise weggeätzt, wie es symbolisch durch Pfeile veranschaulicht ist. Genauer gesagt sind die von der Abdeckschicht 1060 freiliegenden bzw. unbedeckten Abschnitte des passivierten Graphen-Films weggeätzt. Somit ist die Substratisolationsschicht 422 teilweise freigelegt, nachdem freiliegendes Bornitrid und Graphen weggeätzt ist. Dabei liegt die Substratisolationsschicht 422 in dem die Pore 125 abdeckenden Bereich frei. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind somit zwei Schichtstapel aus Graphen-Schicht 132 und Passivierungsschichten 134, 136 erzeugt. 18 shows a schematic sectional view of the pore device 110 out 17 in a ninth state of manufacture. Here is the passivated graphene film with the graphene layer 132 and the passivation layers 134 . 136 partially etched away, as it is symbolically illustrated by arrows. More specifically, those of the cover layer 1060 etched away exposed or uncovered portions of the passivated graphene film. Thus, the substrate insulation layer is 422 partially exposed after exposed boron nitride and graphene are etched away. In this case, the substrate insulation layer lies 422 in which the pore 125 covering area free. According to the exemplary embodiment illustrated here, two layer stacks are thus made of graphene layer 132 and passivation layers 134 . 136 generated.
19 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 18 in einem elften Herstellungszustand. Dabei sind zu dem passivierten Graphen-Film bzw. den Schichtstapeln jeweils eine elektrische Verbindung 138 bzw. ein elektrischer Kontakt 138 hinzugefügt. Somit sind zwei durch einen die Pore 125 überdeckenden Zwischenraum getrennte Elektroden 130 erzeugt. Ein erster der elektrischen Kontakte 138 ist ausgebildet, um eine elektrische Verbindung mit einer ersten der Elektroden 130 zu ermöglichen. Ein zweiter der elektrischen Kontakte 138 ist ausgebildet, um eine elektrische Verbindung mit einer zweiten der Elektroden 130 zu ermöglichen. Dabei ist jeder der elektrischen Kontakte 138 auf einer von der Pore 125 abgewandten lateralen Seite der jeweiligen Elektrode 130 angeordnet. 19 shows a schematic sectional view of the pore device 110 out 18 in an eleventh state of manufacture. In each case, an electrically connected to the passivated graphene film or layer stacks 138 or an electrical contact 138 added. Thus, two by one are the pore 125 overlapping gap separate electrodes 130 generated. A first of the electrical contacts 138 is configured to be electrically connected to a first one of the electrodes 130 to enable. A second of the electrical contacts 138 is configured to be electrically connected to a second of the electrodes 130 to enable. Here is each of the electrical contacts 138 on one of the pore 125 remote lateral side of the respective electrode 130 arranged.
20 zeigt eine schematische Schnittdarstellung der Porenvorrichtung 110 aus 19 in einem zwölften Herstellungszustand. Hierbei ist im Bereich der Pore 125 die Substratisolationsschicht 422 weggeätzt. Somit ist die Pore 125 sowohl von Seiten der ersten Oberfläche des Substrats 120 als auch von Seiten der zweiten Oberfläche des Substrats 120 zugänglich. 20 shows a schematic sectional view of the pore device 110 out 19 in a twelfth state of manufacture. Here is in the area of the pore 125 the substrate isolation layer 422 etched away. Thus, the pore 125 from both sides of the first surface of the substrate 120 as well as from the second surface of the substrate 120 accessible.
21 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Oberseite der Porenvorrichtung 110 aus 20. Die Porenvorrichtung 110 entspricht hierbei der in 15 gezeigten Porenvorrichtung mit Ausnahme dessen, dass benachbart zu jeder der Poren 125 zwei Elektroden erzeugt sind und jede der Elektroden eine parallelogrammförmige oder parallelogrammähnliche Grundfläche aufweist. Dabei grenzen erste Enden der jeweiligen zwei Elektroden jeder der Poren 125 an einander gegenüberliegenden Seiten einer Öffnung der jeweiligen Pore 125 an, wobei sich die Elektroden zu einem zweiten Ende derselben hin verbreitern. An dem zweiten Ende ist jede der Elektroden durch den jeweiligen elektrischen Kontakt 138 kontaktiert. 21 shows a schematic plan view of an upper side of the pore device 110 out 20 , The pore device 110 corresponds to the in 15 shown pore device except that adjacent to each of the pores 125 two electrodes are produced and each of the electrodes has a parallelogram-shaped or parallelogram-like base. In this case, first ends of the respective two electrodes border each of the pores 125 on opposite sides of an opening of the respective pore 125 with the electrodes widening towards a second end thereof. At the second end, each of the electrodes is through the respective electrical contact 138 contacted.
22 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Teilabschnittes eines mikrofluidischen Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das mikrofluidische System 100 ist beispielsweise dem in 1 gezeigten mikrofluidischen System ähnlich. Das mikrofluidische System 100 ist ausgebildet, um Moleküle 105 zu analysieren, bei denen es sich beispielsweise um DNA-Moleküle 105 handelt. Dabei ist das mikrofluidische System 100 gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als ein Westentaschenlabor bzw. Lab-on-Chip-System (LoC-System) ausgeführt. Von dem mikrofluidischen System 100 sind in der Darstellung von 22 hierbei Porenvorrichtungen 110 und eine Trägereinrichtung 2270 mit Kanälen 2272, 2274 gezeigt. 22 shows a schematic sectional view of a subsection of a microfluidic system 100 according to an embodiment. The microfluidic system 100 is for example the in 1 similar to the microfluidic system shown. The microfluidic system 100 is designed to be molecules 105 to analyze, which are, for example, DNA molecules 105 is. Here is the microfluidic system 100 according to the embodiment shown here as a vest pocket lab or lab-on-chip system (LoC system) executed. From the microfluidic system 100 are in the representation of 22 here pore devices 110 and a carrier device 2270 with channels 2272 . 2274 shown.
Das mikrofluidische System 100 weist gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich beispielhaft zwei Porenvorrichtungen 110 auf. Bei jeder der Porenvorrichtungen 110 handelt es sich lediglich beispielhaft um eine Porenvorrichtung aus 20 bzw. 21. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel handelt es sich bei jeder der Porenvorrichtungen 110 um eine Porenvorrichtung aus einer der 1, 14, 15 bzw. 16 oder eine ähnliche Porenvorrichtung. Dabei sind die Porenvorrichtungen 110 in dem mikrofluidischen System 100 aufgenommen bzw. eingespannt.The microfluidic system 100 has only two pore devices according to the embodiment shown here by way of example 110 on. For each of the pore devices 110 it is merely an example of a pore device 20 respectively. 21 , In another embodiment, each of the pore devices is 110 to a pore device from one of 1 . 14 . 15 respectively. 16 or a similar pore device. Here are the pore devices 110 in the microfluidic system 100 recorded or clamped.
Die Trägereinrichtung 2270 des mikrofluidischen Systems 100 ist ausgebildet, um zumindest eine Porenvorrichtung 110 zu fixieren bzw. aufzunehmen. Die Porenvorrichtungen 110 sind hierbei der Trägereinrichtung 2270 angeordnet. In der Trägereinrichtung 2270 sind gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel die Kanäle 2272 und 2274 ausgeformt. Ein Signalkanal 2272 ist ausgebildet, um eine molekülhaltige Probe bzw. Probe mit den Molekülen 105 zu führen. Bei der molekülhaltigen Probe handelt es sich um eine mit DNA versehene Lösung. Ein Referenzkanal 2274 ist ausgebildet, eine molekülfreie Probe bzw. DNA-freie Lösung zu führen.The carrier device 2270 of the microfluidic system 100 is formed to at least one pore device 110 to fix or record. The pore devices 110 here are the carrier device 2270 arranged. In the carrier device 2270 are the channels according to the embodiment shown here 2272 and 2274 formed. A signal channel 2272 is designed to be a molecule-containing sample or sample with the molecules 105 respectively. The sample containing the molecule is a DNA-containing solution. A reference channel 2274 is designed to carry a molecule-free sample or DNA-free solution.
Eine erste der Porenvorrichtungen 110 ist zum Durchströmen der zumindest einen Pore der Porenvorrichtung 110 mit der molekülhaltigen Probe mindestens teilweise innerhalb des Signalkanals 2272 fixiert. Eine zweite der Porenvorrichtungen 110 ist zum Durchströmen der zumindest einen Pore der Porenvorrichtung 110 mit der molekülfreien Probe mindestens teilweise innerhalb des Referenzkanals 2274 fixiert. Die Porenvorrichtungen 110 sind im Hinblick auf einen Fluidfluss innerhalb des mikrofluidischen Systems 100 bezüglich einander parallel geschaltet.A first of the pore devices 110 is to flow through the at least one pore of the pore device 110 with the molecule-containing Sample at least partially within the signal channel 2272 fixed. A second of the pore devices 110 is to flow through the at least one pore of the pore device 110 with the molecule-free sample at least partially within the reference channel 2274 fixed. The pore devices 110 are in terms of fluid flow within the microfluidic system 100 connected in parallel with respect to each other.
Anders ausgedrückt zeigt 22 beispielhaft zwei DNA-Porenchips bzw. Porenvorrichtungen 110 in Kombination mit einem geeigneten Lab-on-Chip-System als mikrofluidisches System 100, in dem die Porenvorrichtungen 110 eingespannt sind. Die Trägereinrichtung 2270 des mikrofluidischen Systems 100 weist vorgefertigte mikrofluidische Kanäle 2272, 2274 auf, die mit den Poren der Porenvorrichtungen 110 fluidisch verbunden sind. Einer dieser Kanäle ist oder wird mit einer DNA-freien Referenzflüssigkeit versehen, um Störgrößen wie elektromagnetische Einflüsse, Temperatureinflüsse oder ähnliches aus einem Messsignal eliminieren zu können.In other words, shows 22 for example, two DNA pore chips or pore devices 110 in combination with a suitable lab-on-chip system as a microfluidic system 100 in which the pore devices 110 are clamped. The carrier device 2270 of the microfluidic system 100 has prefabricated microfluidic channels 2272 . 2274 on that with the pores of the pore devices 110 are fluidically connected. One of these channels is or will be provided with a DNA-free reference liquid in order to eliminate disturbances such as electromagnetic influences, temperature influences or the like from a measurement signal.
23 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 2300 zum Herstellen gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 2300 zum Herstellen ist ausführbar, eine Porenvorrichtung für eine Analyse von Molekülen herzustellen. Durch Ausführen des Verfahrens 2300 zum Herstellen ist die Porenvorrichtung aus einer der 1, 14, 15, 16, 20, 21 bzw. 22 oder eine ähnliche Porenvorrichtung herstellbar. Bei einer Ausführung des Verfahrens 2300 zum Herstellen sind Herstellungszustände, wie sie in den 3 bis 14 bzw. den 3 bis 9 und 17 bis 20 gezeigt sind, oder ähnliche Herstellungszustände erreichbar. 23 shows a flowchart of a method 2300 for manufacturing according to an embodiment. The procedure 2300 for manufacturing is feasible to produce a pore device for analysis of molecules. By performing the procedure 2300 For manufacturing, the pore device is one of 1 . 14 . 15 . 16 . 20 . 21 respectively. 22 or a similar pore device can be produced. In one embodiment of the method 2300 for manufacturing are manufacturing conditions, as in the 3 to 14 or the 3 to 9 and 17 to 20 are shown or similar manufacturing conditions achievable.
Das Verfahren 2300 zum Herstellen weist einen Schritt 2310 des Ausformens zumindest einer Mulde in einer ersten Oberfläche eines Substrats auf, insbesondere wobei die Mulde ein sich zumindest teilweise verjüngendes Schnittprofil, speziell ein zumindest teilweise V-förmiges Schnittprofil aufweist. In einem bezüglich des Schrittes 2310 des Ausformens nachfolgend ausführbaren Schritt 2320 des Anordnens wird bei dem Verfahren 2300 eine Metallschicht in einem Bereich der zumindest einen ausgeformten Mulde angeordnet. Nachfolgend wird in einem Schritt 2330 des Entfernens die Metallschicht außerhalb eines Muldengrundes der zumindest einen Mulde entfernt. Hierbei wird in dem Schritt 2330 des Entfernens von der Metallschicht in dem Muldengrund der zumindest einen Mulde ein Metallpartikel belassen. Nachfolgend wird in einem Schritt 2340 des Bildens unter Verwendung des Metallpartikels eine Pore zum Durchlassen eines zu analysierenden Moleküls von dem Muldengrund der zumindest einen Mulde bis zu einer von der ersten Oberfläche abgewandten, zweiten Oberfläche des Substrats gebildet.The procedure 2300 for manufacturing has one step 2310 the shaping of at least one depression in a first surface of a substrate, in particular wherein the depression has an at least partially tapered cutting profile, especially an at least partially V-shaped cutting profile. In one step 2310 the forming step below executable 2320 arranging is used in the method 2300 a metal layer is disposed in a region of the at least one molded trough. The following will be in one step 2330 removing the metal layer outside a trough bottom of the at least one trough. This is in the step 2330 the removal of the metal layer in the trough bottom of the at least one trough leaving a metal particle. The following will be in one step 2340 forming, using the metal particle, a pore for passing a molecule to be analyzed from the well bottom of the at least one well to a second surface of the substrate facing away from the first surface.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 2300 zum Herstellen auch einen Schritt 2350 des Erzeugens zumindest einer Elektrode auf der zweiten Oberfläche des Substrats auf. Dabei wird die Elektrode im Schritt 2350 des Erzeugens so erzeugt, dass eine Öffnung der zumindest einen Pore durch die zumindest eine Elektrode freiliegen gelassen wird. Der Schritt 2350 des Erzeugens ist optional vor, oder nach einem der vorstehend genannten Schritte 2310, 2320, 2330 und 2340 ausführbar.According to one embodiment, the method 2300 to make a step as well 2350 generating at least one electrode on the second surface of the substrate. The electrode is in the step 2350 generating so that an opening of the at least one pore is exposed by the at least one electrode. The step 2350 of generating is optional before, or after one of the above-mentioned steps 2310 . 2320 . 2330 and 2340 executable.
Insbesondere kann der Schritt 2350 des Erzeugens auch Teilschritte aufweisen. Dabei kann im Schritt 2350 des Erzeugens ein passivierter Film eines elektrisch leitfähigen Materials zumindest teilflächig auf der zweiten Oberfläche des Substrats aufgebracht werden, kann der passivierte Film strukturiert werden, kann der passivierte Film elektrisch kontaktiert werden und kann der passivierte Film in einem Bereich der zumindest einen Pore abgetragen werden. Die Teilschritte können zu unterschiedlichen Zeitpunkten während einer Ausführung des Verfahrens 2300 zum Herstellen durchgeführt werden.In particular, the step 2350 of generating also have sub-steps. It can in step 2350 If the passivated film is to be patterned, the passivated film may be electrically contacted, and the passivated film may be removed in a region of the at least one pore. The substeps may be at different times during an execution of the method 2300 to be made for manufacturing.
Optional kann im Schritt 2350 des Erzeugens die zumindest eine Elektrode erzeugt werden, um zumindest in einem Teilabschnitt eines Umfangs der Öffnung an die Pore anzugrenzen. Ein Beispiel hierfür findet sich in 14, 15 bzw. 16. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt 2350 des Erzeugens die zumindest eine Elektrode erzeugt werden, um eine Abmessung aufzuweisen, die einer Querschnittsabmessung der zumindest einen Pore entspricht oder ähnelt. Ein Beispiel hierfür findet sich in 20 bzw. 22.Optionally, in step 2350 the generating the at least one electrode are generated to at least in a portion of a circumference of the opening to adjoin the pore. An example of this can be found in 14 . 15 respectively. 16 , Additionally or alternatively, in step 2350 producing the at least one electrode to have a dimension that corresponds or resembles a cross-sectional dimension of the at least one pore. An example of this can be found in 20 respectively. 22 ,
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann im Schritt 2310 des Ausformens die zumindest eine Mulde durch anisotropes Ätzen ausgeformt werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt 2330 des Entfernens die Metallschicht durch ionenassistiertes Ätzen oder nasschemisches Ätzen entfernt werden. Zusätzlich oder alternativ kann im Schritt 2340 des Bildens die Pore durch metallassistiertes Ätzen gebildet werden.According to one embodiment, in step 2310 the molding, the at least one trough are formed by anisotropic etching. Additionally or alternatively, in step 2330 removing the metal layer by ion-assisted etching or wet-chemical etching. Additionally or alternatively, in step 2340 forming the pore by metal assisted etching.
Insbesondere wird der Schritt 2330 des Entfernens so ausgeführt, dass ein Metallpartikel mit einer Abmessung von maximal 2 Nanometern, maximal 3 Nanometern, maximal 5 Nanometern oder maximal 10 Nanometern belassen wird. Zusätzlich oder alternativ wird der Schritt 2340 des Bildens so ausgeführt, dass eine Pore mit einer Querschnittsabmessung von maximal 2 Nanometern, maximal 3 Nanometern, maximal 5 Nanometern oder maximal 10 Nanometern gebildet wird.In particular, the step 2330 Removal carried out so that a metal particle with a dimension of a maximum of 2 nanometers, a maximum of 3 nanometers, a maximum of 5 nanometers or a maximum of 10 nanometers is left. Additionally or alternatively, the step 2340 of forming so that a pore is formed with a cross-sectional dimension of a maximum of 2 nanometers, a maximum of 3 nanometers, a maximum of 5 nanometers or a maximum of 10 nanometers.
24 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 2400 zum Analysieren gemäß einem Ausführungsbeispiel. Das Verfahren 2400 zum Analysieren ist ausführbar, um Moleküle zu analysieren. Dabei ist das Verfahren 2400 zum Analysieren in Verbindung mit oder unter Verwendung von dem mikrofluidischen System aus 1 bzw. 22 oder einem ähnlichen mikrofluidischen System ausführbar. Auch ist das Verfahren 2400 zum Analysieren in Verbindung mit oder unter Verwendung von der Porenvorrichtung aus einer der 1, 14, 15, 16, 20, 21 und 22 oder einer ähnlichen Porenvorrichtung ausführbar. 24 shows a flowchart of a method 2400 for analyzing according to an embodiment. The procedure 2400 for analysing is executable to analyze molecules. Here is the procedure 2400 for analyzing in conjunction with or using the microfluidic system 1 respectively. 22 or a similar microfluidic system executable. Also, that's the procedure 2400 for analyzing in conjunction with or using the pore device of any one of 1 . 14 . 15 . 16 . 20 . 21 and 22 or a similar pore device executable.
Das Verfahren 2400 zum Analysieren weist einen Schritt 2410 des Leitens einer molekülhaltigen Probe durch zumindest eine Porenvorrichtung auf. Dabei ist die Porenvorrichtung gemäß dem Verfahren zum Herstellen aus 23 oder einem ähnlichen Verfahren hergestellt. Es handelt sich somit um die Porenvorrichtung aus einer der 1, 14, 15, 16, 20, 21 bzw. 22 oder eine ähnliche Porenvorrichtung. In einem Schritt 2420 des Auswertens wird ein Messsignal von zumindest einer Elektrode ausgewertet, die benachbart zu der zumindest einen Pore der zumindest einen Porenvorrichtung angeordnet ist. Der Schritt 2420 des Auswertens ist dabei zumindest während einer Ausführung des Schrittes 2410 des Leitens durchführbar.The procedure 2400 for analyzing has one step 2410 conducting a molecule-containing sample through at least one pore device. In this case, the pore device is made according to the method for manufacturing 23 or a similar process. It is thus the pore device of one of 1 . 14 . 15 . 16 . 20 . 21 respectively. 22 or a similar pore device. In one step 2420 the evaluation, a measurement signal of at least one electrode is evaluated, which is arranged adjacent to the at least one pore of the at least one pore device. The step 2420 the evaluation is at least during an execution of the step 2410 of conducting.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 2420 des Auswertens ein Messsignal ausgewertet, das ein mittels der zumindest einen Elektrode erfasstes, molekülabhängiges, elektrisches Oberflächenpotenzial repräsentiert. Hierbei ist beispielsweise die Porenvorrichtung aus einer der 1, 14, 15 und 16 oder eine ähnliche Porenvorrichtung verwendbar. Alternativ wird im Schritt 2420 des Auswertens ein Messsignal ausgewertet, das einen mittels der zumindest einen Elektrode erfassten, molekülabhängigen, elektrischen Tunnelstrom repräsentiert. Dabei ist insbesondere die Porenvorrichtung aus einer der 20, 21 und 22 verwendbar.According to one embodiment, in step 2420 evaluating a measurement signal that represents a detected by means of the at least one electrode, molecule-dependent, electrical surface potential. Here, for example, the pore device of one of 1 . 14 . 15 and 16 or a similar pore device usable. Alternatively, in step 2420 the evaluation evaluated a measurement signal representing a detected by means of the at least one electrode, molecule-dependent, electrical tunneling current. In particular, the pore device of one of 20 . 21 and 22 usable.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird im Schritt 2410 des Leitens eine weitere, molekülfreie Probe durch eine weitere Porenvorrichtung geleitet. Die weitere Porenvorrichtung ist hierbei insbesondere identisch mit der Porenvorrichtung. Hierbei wird ferner im Schritt 2420 des Auswertens ein Referenzsignal von zumindest einer weiteren Elektrode, die benachbart zu der zumindest einen Pore der zumindest einen weiteren Porenvorrichtung angeordnet ist, ausgewertet und wird das Messsignal mit dem Referenzsignal verglichen. Dabei ist beispielsweise das mikrofluidische System aus 22 verwendbar.According to a further embodiment is in step 2410 of conducting a further, molecule-free sample passed through another pore device. The further pore device here is in particular identical to the pore device. This is also in step 2420 evaluating a reference signal of at least one further electrode, which is arranged adjacent to the at least one pore of the at least one further pore device, evaluated and the measurement signal is compared with the reference signal. For example, the microfluidic system is made 22 usable.
Unter Bezugnahme auf die 1 bis 24 werden nachfolgend Ausführungsbeispiele zum Auslesen von DNA-Molekülen 105 während eines Transfers durch zumindest eine Pore 125 im Hinblick auf Auslesemechanismen mit anderen Worten zusammenfassend erläutert.With reference to the 1 to 24 Below are embodiments for reading DNA molecules 105 during a transfer through at least one pore 125 in other words, summarized in terms of readout mechanisms.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird zur Analyse eines DNA-Moleküls 105 eine Messung von Änderungen im elektrischen Oberflächenpotenzial durchgeführt. Jede Base im DNA-Strang besitzt eine andere chemische Zusammensetzung und erzeugt damit ein charakteristisches elektrisches Feld an der Oberfläche. Dieses charakteristische Oberflächenpotenzial lässt sich über Elektroden 130, deren Ausdehnung kleiner ist als die Ausdehnung einer einzelnen Base, theoretisch auslesen. Um die Potenzialänderungen messen zu können, ist es beispielsweise wichtig, dass das Kontaktmaterial sehr gut vor äußeren Einflüssen geschützt ist, damit die Messsignale 245 nicht von äußeren Einflüssen wie Rauschen überdeckt werden. Ein beispielhafter Prozessfluss zur Herstellung von Poren 125 mit Elektroden 130 bzw. elektrischen Kontakten aus Graphen zur Messung des Oberflächenpotenzials ist in den 3 bis 14 veranschaulicht.According to one embodiment, the analysis of a DNA molecule 105 a measurement of changes in surface electric potential performed. Each base in the DNA strand has a different chemical composition and thus creates a characteristic electric field at the surface. This characteristic surface potential can be achieved via electrodes 130 whose extent is smaller than the size of a single base, theoretically read. In order to be able to measure the potential changes, it is important, for example, that the contact material is very well protected against external influences, so that the measuring signals 245 not be covered by external influences such as noise. An exemplary process flow for the production of pores 125 with electrodes 130 or electrical contacts made of graphene for measuring the surface potential is in the 3 to 14 illustrated.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird zur Analyse eines DNA-Moleküls 105 eine Messung von Änderungen im Tunnelstrom durch eine Pore 125 durchgeführt. Ein solcher Auswerteprozess nutzt den Effekt, dass sich mit jeder Base des DNA-Strangs, die sich im Bereich der Pore 125 befindet, eine chemische Zusammensetzung sowie eine Dichte an Ionen innerhalb der Pore 125 ändert, was zu einer Änderung des Tunnelstroms zwischen zwei entgegengesetzt an der Pore 125 angeordneten Elektroden 130 führt. Das Tunnelstromprinzip hat den Vorteil, dass sich Änderungen in der Höhe von Potenzialbarrieren zwischen zwei Elektroden 130, wie sie z. B. durch ein Ausfüllen eines Raums der Pore 125 durch eine DNA-Base hervorgerufen wird, exponentiell auf einen elektrischen Stromfluss auswirken, was eine Signalstärke erhöhen kann. Ein beispielhafter modifizierter Prozessfluss zur Herstellung von Poren 125 mit Elektroden 130 bzw. Tunnelkontakten aus Graphen zur Messung des Tunnelstroms ist in den 3 bis 9 und 17 bis 21 veranschaulicht. Für eine solche Art der DNA-Auslese können die Elektroden 130 in der Dimension einer Größe der Pore 125 strukturiert sein bzw. werden. Neben nanolithografischen Verfahren wie Elektronenstrahlschreiben oder Nanoimprint könnten auch hier selbstorganisierende Ansätze verfolgt werden. Wichtig auch bei diesem Ansatz ist eine zuverlässige Passivierung der Graphen-Schicht 132, um ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis zu erreichen.According to one embodiment, the analysis of a DNA molecule 105 a measurement of changes in the tunnel current through a pore 125 carried out. Such an evaluation process takes advantage of the effect that deals with every base of the DNA strand that extends in the area of the pore 125 contains a chemical composition as well as a density of ions within the pore 125 changes, causing a change in the tunneling current between two opposite to the pore 125 arranged electrodes 130 leads. The tunnel current principle has the advantage that changes in the height of potential barriers between two electrodes 130 how they z. B. by filling a space of the pore 125 is caused by a DNA base, exponentially affect an electric current flow, which can increase a signal strength. An exemplary modified process flow for producing pores 125 with electrodes 130 or tunnel contacts of graphene for measuring the tunnel current is in the 3 to 9 and 17 to 21 illustrated. For such a type of DNA selection, the electrodes 130 in the dimension of a size of the pore 125 be structured or become. In addition to nanolithographic processes such as electron beam writing or nanoimprinting, self-organizing approaches could also be pursued here. Also important in this approach is a reliable passivation of the graphene layer 132 to achieve a high signal-to-noise ratio.
Für beide Auswerteverfahren ist es sinnvoll, auf dem Substrat 120 bzw. in dem mikrofluidischen System 100 mindestens eine der kontaktierten Poren 125 als Referenzstruktur zu nutzen und diese auf geeignete Art und Weise mit einer DNA-freien Lösung zu versehen, sodass gegebenenfalls äußere Einflüsse wie Sensordrift, Temperaturschwankungen oder Störpotenziale beispielsweise durch eine subtraktive Auswertung eliminiert werden können (Messsignal = Signal (mit DNA versetzte Pore) - Signal (Referenzpore)). Ein Beispiel hierfür ist in 22 dargestellt. Um ein solches Referenzsignal zu realisieren, ist ein Gesamtsystem vorgesehen, in dem der DNA-Porenchip bzw. die Porenvorrichtung 110 Teil eines mikrofluidischen Lab-on-Chip-Systems bzw. mikrofluidischen Systems 100 ist, in dem einzelne Poren 125 oder auch Gruppen von Poren 125 über mikrofluidische Kanäle 2272 und 2274 einzeln mit unterschiedlichen DNA-Proben oder mit DNA-freier Referenzflüssigkeit beaufschlagt werden können.For both evaluation methods, it makes sense on the substrate 120 or in the microfluidic system 100 at least one of the contacted pores 125 to use as a reference structure and to provide them in a suitable manner with a DNA-free solution, so that external influences such as sensor drift, temperature fluctuations or potential interference can be eliminated, for example, by a subtractive evaluation (signal signal = signal (DNA offset pore) - signal (Referenzpore)). An example of this is in 22 shown. In order to realize such a reference signal, an overall system is provided, in which the DNA pore chip or the pore device 110 Part of a microfluidic lab-on-chip system or microfluidic system 100 is in which individual pores 125 or groups of pores 125 via microfluidic channels 2272 and 2274 individually with different DNA samples or with DNA-free reference liquid can be applied.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.
