DE102018218122A1 - Device and method for the analysis of biological, chemical and biochemical substances - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (6) zur Analyse biologischer, chemischer und biochemischer Substanzen, umfassend ein mikroelektronisches Sensorsystem (1) mit zumindest einem Halbleitersensor (4), zumindest einer mit dem zumindest einen Halbleitersensor (4) gekoppelten anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (5) zur Signalverarbeitung eines mittels des zumindest einen Halbleitersensors (4) generierten elektrischen Signals, zumindest einer technischen Schnittstelle (3) zur Aufbringung zumindest einer biologischen, chemischen oder biochemischen Substanz in einem Erfassungsbereich des zumindest einen Halbleitersensors (4) und zumindest einer Einstellvorrichtung (17) zur Einstellung eines Dynamikbereichs und/oder einer Signalauflösung des mittels des zumindest einen Halbleitersensors (4) generierten elektrischen Signals.Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Analyse biologischer, chemischer und biochemischer Substanzen mittels eines mikroelektronischen Sensorsystems (1).The invention relates to a device (6) for analyzing biological, chemical and biochemical substances, comprising a microelectronic sensor system (1) with at least one semiconductor sensor (4), at least one application-specific integrated circuit (5) coupled to the at least one semiconductor sensor (4) Signal processing of an electrical signal generated by means of the at least one semiconductor sensor (4), at least one technical interface (3) for applying at least one biological, chemical or biochemical substance in a detection range of the at least one semiconductor sensor (4) and at least one setting device (17) for setting a dynamic range and / or a signal resolution of the electrical signal generated by means of the at least one semiconductor sensor (4). The invention further relates to a method for analyzing biological, chemical and biochemical substances by means of a microelectronic sensor system ms (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse biologischer, chemischer und biochemischer Substanzen.The invention relates to a device for analyzing biological, chemical and biochemical substances.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Analyse biologischer, chemischer und biochemischer Substanzen.The invention further relates to a method for analyzing biological, chemical and biochemical substances.

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Vorrichtungen und Verfahren zur Analyse biologischer, chemischer und biochemischer Substanzen bekannt.Various devices and methods for analyzing biological, chemical and biochemical substances are known from the prior art.

Ein solches Verfahren ist die so genannte patientennahe Labordiagnostik, auch als Point-of-Care-Testing, kurz: PoCT, bekannt. Hierzu zählen diagnostische Untersuchungen, welche in unmittelbarer Nähe zu einem Patienten und nicht in einem Zentrallabor durchgeführt werden, aber auch so genannte Schnelltests, wie beispielsweise Schwangerschaftstests, Blutgerinnungstests oder Blutzuckertests. Auch wird das Point-of-Care-Testing für diagnostische Untersuchungen in anderen Anwendungsbereichen, beispielsweise in der Lebensmittel- und Umweltanalytik eingesetzt. Das Point-of-Care-Testing zeichnet sich dabei durch eine besonders schnelle Verfügbarkeit von Analysenergebnissen für einen Anwender aus.One such method is the so-called patient-oriented laboratory diagnostics, also known as point-of-care testing, in short: PoCT. This includes diagnostic tests that are carried out in the immediate vicinity of a patient and not in a central laboratory, but also so-called rapid tests, such as pregnancy tests, blood coagulation tests or blood sugar tests. Point-of-care testing is also used for diagnostic examinations in other areas of application, for example in food and environmental analysis. The point-of-care testing is characterized by a particularly fast availability of analysis results for a user.

Ein weiteres Verfahren ist die so genannte In-vitro-Diagnostik, welche sich durch präzise und quantitative Laboranalysen auszeichnet, jedoch kostenintensive und große Laborgeräte und eine große Analysezeit erfordert. In der In-vitro-Diagnostik werden unter anderem optische Analysen durchgeführt, wobei hierzu als Laborgeräte Ultraviolett-Spektrophometer, Spektrophometer mit visuellem Spektrum, Infrarot-Spektrophometer, beispielsweise so genannte NIR-Spektrophometer, welche im nahen Infrarot-Wellenlängenbereich arbeiten, und Mikroarray-Scanner verwendet werden. Derartige Laborgeräte sind jedoch für Anwendungen des Point-of-Care-Testing zu groß, zu kostenintensiv und erfordern eine Bedienung durch geschultes Fachpersonal.Another method is the so-called in vitro diagnostics, which is characterized by precise and quantitative laboratory analyzes, but requires expensive and large laboratory equipment and a long analysis time. In in-vitro diagnostics, among other things, optical analyzes are carried out, using ultraviolet spectrophometers, spectrophometers with a visual spectrum, infrared spectrophometers, for example so-called NIR spectrophometers, which operate in the near infrared wavelength range, and microarray scanners as laboratory devices be used. However, such laboratory devices are too large, too cost-intensive for point-of-care testing applications and require operation by trained specialist personnel.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung und ein verbessertes Verfahren zur Analyse biologischer, chemischer und biochemischer Substanzen anzugeben.The invention is based on the object of specifying an improved device and an improved method for analyzing biological, chemical and biochemical substances compared to the prior art.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 11 angegebenen Merkmale gelöst.With regard to the device, the object is achieved according to the invention by the features specified in claim 1 and with respect to the method by the features specified in claim 11.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Analyse biologischer, chemischer und biochemischer Substanzen umfasst ein mikroelektronisches Sensorsystem mit zumindest einem Halbleitersensor, zumindest einer mit dem zumindest einen Halbleitersensor gekoppelten anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zur Signalverarbeitung eines mittels des zumindest einen Halbleitersensors generierten elektrischen Signals, zumindest einer technischen Schnittstelle zur Aufbringung zumindest einer biologischen, chemischen oder biochemischen Substanz in einem Erfassungsbereich des zumindest einen Halbleitersensors und zumindest einer Einstellvorrichtung zur Einstellung eines Dynamikbereichs und/oder einer Signalauflösung des mittels des zumindest einen Halbleitersensors generierten elektrischen Signals.The device according to the invention for analyzing biological, chemical and biochemical substances comprises a microelectronic sensor system with at least one semiconductor sensor, at least one application-specific integrated circuit coupled to the at least one semiconductor sensor for signal processing of an electrical signal generated by means of the at least one semiconductor sensor, at least one technical interface for application a biological, chemical or biochemical substance in a detection range of the at least one semiconductor sensor and at least one setting device for setting a dynamic range and / or a signal resolution of the electrical signal generated by means of the at least one semiconductor sensor.

Die Vorrichtung ermöglicht Analysen biologischer, chemischer und biochemischer Substanzen mithilfe von optischen und nicht-optischen Verfahren, wie beispielsweise elektromagnetischen, elektrischen, magnetischen und/oder elektrochemischen Verfahren, um damit beispielsweise pathogene Veränderungen biologischer, chemischer und/oder biochemischer Substanzen nachzuweisen. Dabei ermöglicht die Vorrichtung aufgrund der Einstellung des Dynamikbereichs und/oder der Signalauflösung die Durchführung einer Vielzahl optischer, elektromagnetischer, elektrischer, magnetischer, elektrochemischer und biochemischer Analyseverfahren, wobei eine Anzahl notwendiger Vorbereitungsschritte, ein Materialverbrauch zur Probenaufbereitung und eine Anzahl technischer, beispielsweise optischer Komponenten signifikant reduziert werden können. Die Einstellmöglichkeiten haben dabei beispielsweise Auswirkungen auf einen Aufbau, einen Ablauf und eine Funktion des Detektionsverfahrens und eines gesamten biochemischen Analyseverfahrens, das heißt auf technische Komponenten, wie zum Beispiel Optiken eines Detektions-/Diagnosesystems oder eine technische Schnittstelle des mikroelektronischen Sensorsystems, auf eine Menge von Proben, auf eine Menge zusätzlich benötigter Substanzen, eine Anzahl und Dauer von Vorbereitungsschritten und damit auf eine Zeitdauer des gesamten Analyseverfahrens sowie auf eine reine Detektionszeit.The device enables analyzes of biological, chemical and biochemical substances with the aid of optical and non-optical methods, such as, for example, electromagnetic, electrical, magnetic and / or electrochemical methods, in order to use them to detect pathogenic changes in biological, chemical and / or biochemical substances. Due to the setting of the dynamic range and / or the signal resolution, the device enables a large number of optical, electromagnetic, electrical, magnetic, electrochemical and biochemical analysis methods to be carried out, with a number of necessary preparation steps, material consumption for sample preparation and a number of technical, for example optical, components being significant can be reduced. The setting options have an impact, for example, on a structure, a sequence and a function of the detection method and an entire biochemical analysis method, that is to say on technical components, such as optics of a detection / diagnosis system or a technical interface of the microelectronic sensor system, on a quantity of Samples, for a lot of additionally required substances, a number and duration of preparation steps and thus for a duration of the entire analysis process as well as for a pure detection time.

Dabei ermöglicht die anwendungsspezifische integrierte Schaltung, kurz auch als ASIC bezeichnet, gemeinsam mit dem Halbleitersensor anhand einer Translation biologisch, chemisch und/oder biochemisch induzierter Signale in ein elektrisches Signal aufgrund von Komponenten und/oder Reaktionen in einer Analysenprobe direkt auf der technischen Schnittstelle des mikroelektronischen Sensor-Systems, welche beispielsweise eine Oberfläche des Halbleitersensors ist, ein unter anderem verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis und damit eine höhere Sensitivität. Eine unmittelbare sowie weiterführende Signalverarbeitung kann zusätzliche Störgrößen, wie zum Beispiel Rauschen, reduzieren sowie ein Nutzsignal verstärken und digitalisieren. Letzteres vereinfacht eine Kommunikation und eine Weiterverarbeitung in digital arbeitenden SensorSystemen einer Datenverarbeitung/-visualisierung außerhalb der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung. Insbesondere ist ein digitalisiertes Nutzsignal auch robuster gegen äußere Störeinflüsse.The application-specific integrated circuit, also referred to as ASIC for short, together with the semiconductor sensor enables biological, chemical and / or biochemically induced signals to be translated into an electrical signal based on components and / or reactions in an analysis sample directly on the technical interface of the microelectronic Sensor system, which for example a surface of the Semiconductor sensor is, among other things, an improved signal-to-noise ratio and thus a higher sensitivity. Immediate and advanced signal processing can reduce additional disturbances, such as noise, and amplify and digitize a useful signal. The latter simplifies communication and further processing in digitally operating sensor systems for data processing / visualization outside of the application-specific integrated circuit. In particular, a digitized useful signal is also more robust against external interference.

Ferner sind mittels der Vorrichtung biologische, chemische und biochemische Analysen bis auf molekularer Ebene durchführbar. Somit leistet die Vorrichtung einen erheblichen Beitrag zur Verbesserung einer medizinischen Diagnostik in Point-of-Care-Testing-Anwendungen und In-vitro-Diagnostik-Anwendungen, da ein Großteil einer technischen Komplexität in das mikroelektronische Sensorsystem integriert ist.Furthermore, biological, chemical and biochemical analyzes can be carried out down to the molecular level by means of the device. The device thus makes a significant contribution to improving medical diagnostics in point-of-care testing applications and in-vitro diagnostic applications, since a large part of a technical complexity is integrated in the microelectronic sensor system.

Beispielsweise umfasst das mikroelektronische Sensorsystem einen oder mehrere Halbleitersensoren, welche zum Beispiel als Photodioden ausgebildet sind, und beispielsweise in einem standardisierten Halbleiter-Prozess, beispielsweise als Complementary Metal-Oxide Semiconductor, kurz CMOS, ausgebildet sind.For example, the microelectronic sensor system comprises one or more semiconductor sensors, which are designed, for example, as photodiodes and, for example, are designed in a standardized semiconductor process, for example as a complementary metal oxide semiconductor, or CMOS for short.

Dabei ist das mikroelektronische Sensorsystem in einer weiteren möglichen Ausgestaltung unmittelbar unterhalb der biologischen, chemischen oder biochemischen Substanz, im Folgenden als Analyt bezeichnet, angeordnet und steht mit diesem und/oder anderen Bestandteilen in einer Analysenprobe in direktem Kontakt.In a further possible embodiment, the microelectronic sensor system is arranged directly below the biological, chemical or biochemical substance, hereinafter referred to as analyte, and is in direct contact with this and / or other constituents in an analysis sample.

Der Analyt ist dabei insbesondere Bestandteil einer zu analysierenden Probe bzw. Analysenprobe. Die zu analysierende Probe bzw. Analysenprobe kann dabei ohne Anspruch auf Vollständigkeit folgende Bestandteile umfassen:

  • - eine biologisch, chemisch und/oder biochemisch funktionale Struktur und/oder
  • - eine Fänger-Struktur und/oder
  • - eine Ziel-Struktur und/oder
  • - eine Markierungs-Struktur und/oder
  • - zusätzliche zur Interaktion der benannten Strukturen führende und/oder die Analyse beeinflussende, jedoch nicht zwangsweise nachweisrelevante Strukturen.
The analyte is in particular part of a sample or analysis sample to be analyzed. The sample or analysis sample to be analyzed can include the following components without claiming to be complete:
  • - A biologically, chemically and / or biochemically functional structure and / or
  • - a catcher structure and / or
  • - a target structure and / or
  • - a marking structure and / or
  • - Additional structures leading to the interaction of the named structures and / or influencing the analysis, but not necessarily relevant to evidence.

Die biologischen, chemischen und/oder biochemischen Strukturen können unter anderem atomare, molekulare, genbasierte, proteinbasierte, zellbasierte, natürliche und/oder synthetisch erzeugte Komponenten, einzeln oder in Kombination umfassen.The biological, chemical and / or biochemical structures can include, among others, atomic, molecular, gene-based, protein-based, cell-based, natural and / or synthetically produced components, individually or in combination.

Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung ist zumindest ein Halbleitersensor als optischer Halbleitersensor ausgebildet und eine Strahlungsquelle ist zur Emission von Licht in Richtung des zumindest einen Halbleitersensors vorgesehen. Ein optischer Halbleitersensor, beispielsweise eine Photodiode, besitzt eine oder mehrere speziell erstellte Schichten, beispielsweise aus Si3N4 und/oder SiO2 und/oder anderen Materialien oder Materialkombinationen, die optische Eigenschaften des Halbleitersensors hinsichtlich seines optischen Signalübertragungsverhaltens, wie beispielsweise eine spektrale Sensitivität und/oder Selektivität, Signal-Störgrößen-Eigenschaften und eine Signalverstärkung, beeinflussen, insbesondere verbessern. Das heißt, optische Halbleitersensoren nutzen einen so genannten inneren photoelektrischen Effekt, um elektromagnetische Strahlung, wie beispielsweise Licht im sichtbaren Wellenbereich, aber auch im infraroten und/oder ultravioletten Wellenlängenbereich, und/oder Röntgenstrahlung in ein elektrisches Signal umzuwandeln.According to a possible embodiment of the device, at least one semiconductor sensor is designed as an optical semiconductor sensor and a radiation source is provided for emitting light in the direction of the at least one semiconductor sensor. An optical semiconductor sensor, for example a photodiode, has one or more specially created layers, for example made of Si 3 N 4 and / or SiO 2 and / or other materials or material combinations, the optical properties of the semiconductor sensor with regard to its optical signal transmission behavior, such as a spectral sensitivity and / or selectivity, signal disturbance variable properties and signal amplification influence, in particular improve. This means that optical semiconductor sensors use a so-called internal photoelectric effect in order to convert electromagnetic radiation, such as light in the visible wavelength range, but also in the infrared and / or ultraviolet wavelength range, and / or X-ray radiation into an electrical signal.

Alternativ oder zusätzlich ist zumindest ein Halbleitersensor als nicht-optischer Halbleitersensor ausgebildet. Beispielsweise umfasst der nicht-optische Halbleitersensor zumindest einen ionensensitiven Feldeffekttransistor, kurz ISFET, welcher ein typisches Halbleiter-Bauelement, beispielsweise ein MOSFET, und eine oder mehrere ionensensitive Schichten, beispielsweise gebildet aus Siliziumoxid (SiO2), Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid (Al2O3), Tantal(V)-oxid (Ta2O5), Zirkonium(IV)-oxid (ZrO2), Hafnium(IV)-oxid (HfO2), Ruthenium(IV)-oxid (RuO2), Iridium(IV)-oxid (IrO2), Titan(IV)-oxid (TiO2), Titannitrid (TiN), Titanoxinitrid (TiON) und/oder anderen als technische Schnittstelle geeigneten Schichten, umfasst. ISFETs besitzen aufgrund ihrer technischen Schnittstelle die Eigenschaft, Änderungen von Ionenmengen gegebenenfalls ionenspezifisch auf ihrer Sensoroberfläche in einem Medium in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Deswegen eignen sie sich unter anderem als pH-Sensoren, bei der sie eine Sensitivität und gegebenenfalls eine Selektivität für Wasserstoffionen aufweisen. Im nicht-optischen Halbleiter beispielsweise integrierte elektrochemische Sensoren, wie zum Beispiel Sauerstoffsensoren, besitzen ein oder mehrere Elektrodenstrukturen mit definierten Abmaßen, deren Material ein im nicht-optischen Halbleiter verwendetes Metall ist und deren technische Schnittstelle beispielsweise Edelmetalle wie Gold, Silber, Platin, Iridium u. a., und/oder andere Materialien umfasst. Durch die Veredelung des Elektrodenmaterials weisen die nicht-optischen Halbleiter beispielsweise eine besonders hohe elektrochemische Stabilität, zum Beispiel bei Redoxreaktionen, auf und beeinflussen aufgrund ihrer Elektroden-Materialeigenschaften eine eigentliche Nachweisreaktion nicht verfälschend.Alternatively or additionally, at least one semiconductor sensor is designed as a non-optical semiconductor sensor. For example, the non-optical semiconductor sensor comprises at least one ion-sensitive field effect transistor, ISFET for short, which is a typical semiconductor component, for example a MOSFET, and one or more ion-sensitive layers, for example formed from silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), Aluminum oxide (Al 2 O 3 ), tantalum (V) oxide (Ta 2 O 5 ), zirconium (IV) oxide (ZrO 2 ), hafnium (IV) oxide (HfO 2 ), ruthenium (IV) oxide ( RuO 2 ), iridium (IV) oxide (IrO 2 ), titanium (IV) oxide (TiO 2 ), titanium nitride (TiN), titanium oxynitride (TiON) and / or other layers suitable as technical interfaces. Due to their technical interface, ISFETs have the property of converting changes in ion quantities into an electrical signal in a medium, possibly in an ion-specific manner, on their sensor surface. That is why they are suitable, among other things, as pH sensors, in which they have sensitivity and, if appropriate, selectivity for hydrogen ions. For example, electrochemical sensors such as oxygen sensors integrated in the non-optical semiconductor have one or more electrode structures with defined dimensions, the material of which is a metal used in the non-optical semiconductor and the technical interface of which is, for example, noble metals such as gold, silver, platinum, iridium and others , and / or other materials. Due to the refinement of the electrode material, the non-optical semiconductors, for example, have a particularly high electrochemical stability, for example in the case of redox reactions, and influence them on account of their Electrode material properties do not falsify an actual detection reaction.

Eine Verwendung nicht-optischer Halbleitersensoren und eines darauf abgestimmten konfigurierbaren Signalverarbeitungspfads ermöglicht eine nicht-optische, insbesondere andersartig elektromagnetische, elektrische, magnetische und/oder elektrochemische Analyse biologischer, chemischer und/oder biochemischer Analysenproben. Eine solche Verwendung nicht-optischer Analyseverfahren ermöglicht einem Anwender Analysemöglichkeiten, bei welchen gegebenenfalls höhere Sensitivitäten und/oder Signalauflösungen erreicht und/oder andere Dynamikbereiche genutzt werden können, die in optischen Analyseverfahren gegebenenfalls begrenzt sind.The use of non-optical semiconductor sensors and a configurable signal processing path matched to them enables a non-optical, in particular electromagnetic, electrical, magnetic and / or electrochemical analysis of biological, chemical and / or biochemical analysis samples. Such a use of non-optical analysis methods enables a user to carry out analysis options in which, where appropriate, higher sensitivities and / or signal resolutions can be achieved and / or other dynamic ranges can be used, which may be limited in optical analysis methods.

Bei einer ausschließlichen Verwendung nicht-optischer Halbleitersensoren im mikroelektronischen Sensorsystem können sämtliche optische Systemkomponenten, die für optische Analysen notwendig sind, entfallen. Hierdurch können eine Systemkomplexität und daraus folgend mögliche Fehlerquellen verringert werden sowie eine Kostenersparnis durch einen Verzicht auf optische Komponenten und eine daraus verringerte Anzahl notwendiger Systemkomponenten erreicht werden.If non-optical semiconductor sensors are used exclusively in the microelectronic sensor system, all optical system components that are necessary for optical analyzes can be omitted. As a result, system complexity and consequently possible sources of error can be reduced, and cost savings can be achieved by dispensing with optical components and a reduced number of necessary system components.

Gegenüber optischen Analyseverfahren sind bzw. ist in bestimmten Anwendungsfällen ein anderes Material für Analysenproben für eine Nachweisreaktion und/oder eine andere Art und Anzahl an Vorbereitungsschritten erforderlich. Hierbei kann in Abhängigkeit eines spezifischen Anwendungsfalls - eine Verwendung einer geringeren Menge von Analysenprobenmaterial und/oder eine Verwendung von kostengünstigerem Analysenprobenmaterial und/oder

  • - eine Verwendung einer geringeren Menge von Substanzen für eine Nachweisreaktion und/oder eine Verwendung von kostengünstigeren Substanzen für eine Nachweisreaktion und/oder
  • - eine verringerte Anzahl von Vorbereitungsschritten und/oder Vorbereitungsschritte mit verringertem Zeitaufwand und/oder kostengünstigere Vorbereitungsschritte
  • - eine Verringerung einer Detektionszeit und/oder einer Zeitdauer des gesamten Analyseverfahrens und/oder eines Kostenaufwands des gesamten Analyseverfahrens
erreicht werden.Compared to optical analysis methods, a different material for analysis samples for a detection reaction and / or a different type and number of preparation steps are or are required in certain applications. Depending on a specific application, the use of a smaller amount of analysis sample material and / or the use of less expensive analysis sample material and / or
  • use of a smaller amount of substances for a detection reaction and / or use of less expensive substances for a detection reaction and / or
  • - A reduced number of preparatory steps and / or preparatory steps with reduced expenditure of time and / or less expensive preparatory steps
  • a reduction in a detection time and / or a time period of the entire analysis method and / or a cost of the entire analysis method
can be achieved.

Weiterhin hat die Verwendung nicht-optischer Halbleitersensoren Auswirkungen auf eine Spezifität und Selektivität des Analyseverfahrens und somit auf eine Korrektheit von Ergebnissen sowie auf eine Robustheit des Analyseverfahrens.Furthermore, the use of non-optical semiconductor sensors has an impact on the specificity and selectivity of the analysis method and thus on the correctness of results and on the robustness of the analysis method.

Eine Verwendung zumindest eines optischen Halbleitersensors in Kombination mit zumindest einem nicht-optischen Halbleitersensor hat Auswirkungen auf eine Validität von mittels des Analyseverfahrens ermittelten Messdaten. Dabei ermöglicht die kombinierte Verwendung optischer und nicht-optischer Halbleitersensoren eine Verwendung von Analyseverfahren, die gleichzeitig kombinierte optische und nicht-optische Effekte zur Analyse von biologischen, chemischen und/oder biochemischen Analysenproben nutzen. Dadurch müssen nicht verschiedene Verfahren mit unterschiedlichen Materialien und Substanzen sowie unterschiedlicher Anzahl und Dauer von Vorbereitungsschritten angewandt werden, um die Vorteile der kombinierten Verwendung optischer und nicht-optischer Halbleitersensoren zu nutzen. Dies führt gegebenenfalls zu einer Verringerung einer Detektionszeit und/oder einer Zeitdauer des gesamten Analyseverfahrens und/oder zu einer Verringerung eines Kostenaufwands zur Durchführung des Analyseverfahrens. Weiterhin hat die kombinierte Verwendung optischer und nicht-optischer Halbleitersensoren Auswirkungen auf eine Spezifität und Selektivität des Analyseverfahrens und somit auf eine Korrektheit von Ergebnissen sowie auf eine Robustheit des Analyseverfahrens.The use of at least one optical semiconductor sensor in combination with at least one non-optical semiconductor sensor has effects on the validity of measurement data determined by means of the analysis method. The combined use of optical and non-optical semiconductor sensors enables analysis methods to be used which simultaneously use combined optical and non-optical effects for the analysis of biological, chemical and / or biochemical analysis samples. As a result, different methods with different materials and substances as well as different numbers and duration of preparation steps do not have to be used in order to take advantage of the combined use of optical and non-optical semiconductor sensors. This may lead to a reduction in a detection time and / or a time duration of the entire analysis method and / or to a reduction in the cost of carrying out the analysis method. Furthermore, the combined use of optical and non-optical semiconductor sensors has an impact on the specificity and selectivity of the analysis method and thus on the correctness of results and on the robustness of the analysis method.

Bei der kombinierten Verwendung optischer und nicht-optischer Halbleitersensoren wird eine Messdatenerfassung für einen einzelnen Analyten über mindestens zwei verschiedene Messprinzipien entsprechend der verwendeten Halbleitersensoren ermöglicht, wodurch sich eine Aussagekraft über ein Verhalten und/oder Eigenschaften des Analyten und/oder andere in der Analysenprobe befindliche Strukturen erhöht.When optical and non-optical semiconductor sensors are used in combination, measurement data acquisition for an individual analyte is made possible via at least two different measurement principles in accordance with the semiconductor sensors used, which provides meaningfulness about the behavior and / or properties of the analyte and / or other structures in the analysis sample elevated.

Bei der kombinierten Verwendung optischer und nicht-optischer Halbleitersensoren wird eine Messdatenerfassung für mehrere Analyten ermöglicht, wodurch sich eine Aussagekraft über ein Verhalten und/oder Eigenschaften der Analyten selbst und/oder von anderen zu analysierenden Strukturen innerhalb der Analysenprobe erhöht.When optical and non-optical semiconductor sensors are used in combination, measurement data acquisition for several analytes is made possible, which increases the significance of the behavior and / or properties of the analytes themselves and / or of other structures to be analyzed within the analysis sample.

Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen, welche auf einer Erfassung von lumineszierendem Licht beruhen, das aufgrund einer Verwendung so genannter Marker, welche an die eigentliche zu untersuchende Substanz gebunden sind, bei der Beleuchtung mit der Strahlungsquelle entsteht, ist es mit der Vorrichtung insbesondere möglich, Analysen biologischer, chemischer und biochemischer Substanzen mithilfe eines anderen Verfahrens, beispielsweise eines optischen Verfahrens in Form einer Lichtabsorptionsmessung, durchzuführen und damit pathogene Veränderungen biologischer, chemischer und/oder biochemischer Strukturen nachzuweisen.In contrast to solutions known from the prior art, which are based on the detection of luminescent light, which arises due to the use of so-called markers, which are bound to the actual substance to be examined, when illuminated with the radiation source, it is with the Device particularly possible to carry out analyzes of biological, chemical and biochemical substances using another method, for example an optical method in the form of a light absorption measurement, and thus to detect pathogenic changes in biological, chemical and / or biochemical structures.

Die vorliegende Vorrichtung ist bei Verwendung zumindest eines optischen Halbleitersensors beispielsweise für eine Analyse von biologischen, chemischen und/oder biochemischen Proben durch Messung einer Extinktion, beispielsweise einer Lichtabsorption, optimiert. Dies beinhaltet eine Reihe von Vorteilen: Bei fluoreszenzbasierten Analysen werden Filter benötigt, um das Anregungslicht mit definierter Wellenlänge zu filtern oder zu dämpfen. Bei der Messung von Lichtabsorption werden keine Filter benötigt, da eine Signalveränderung infolge einer Lichtdämpfung vom eingestrahlten Licht gemessen wird. When using at least one optical semiconductor sensor, the present device is optimized, for example, for an analysis of biological, chemical and / or biochemical samples by measuring an absorbance, for example a light absorption. This includes a number of advantages: Filters are required for fluorescence-based analyzes in order to filter or attenuate the excitation light with a defined wavelength. No filters are required when measuring light absorption, since a signal change due to light attenuation is measured by the incident light.

Bei einer Lichtabsorptionsmessung mit der Vorrichtung ist im Gegensatz zu fluoreszenzbasierten Analysen keine Filterung des Anregungslichts erforderlich, so dass weiterhin auch kein paralleler Strahlengang und damit keine Kollimatoren zur Erzeugung eines solchen erforderlich sind.In contrast to fluorescence-based analyzes, no light filtering of the excitation light is required for a light absorption measurement with the device, so that furthermore no parallel beam path and thus no collimators are required to generate one.

Ein weiterer begrenzender Faktor ist die Strahlungsquelle bei Fluoreszenzmessungen, da zur Anregung der Fluoreszenzmoleküle oftmals hochenergetische Strahlung im kurzwelligen ultravioletten bis blauen Bereich des Lichts erforderlich ist. Zur Erzeugung dieser Wellenlängen werden zum einen teure Strahlenquellen, wie beispielsweise Xenon- oder Halogenquellen, und daraus resultierend zum anderen zusätzliche und teure optische Komponenten, wie beispielsweise Monochromatoren, verwendet, um die Anregungsstrahlung mit gewünschten Wellenlängen von ungewünschten Wellenlängen zu trennen. Alternativen stellen Laser, Laserdioden, Leuchtdioden oder organische Leuchtdioden dar, welche Strahlung in einem sehr schmalbandigen Wellenlängenbereich erzeugen können. Dabei arbeiten gerade Laser und Laserdioden mit einer hohen Strahlungsleistung und zeichnen sich in einem hochenergetischen Wellenlängenbereich durch hohe Kosten aus. Leuchtdioden und organische Leuchtdioden arbeiten meist mit geringeren Strahlungsleistungen, was jedoch eine Nutzbarkeit verschiedener Fluorophore und damit eine diagnostische oder analytische Anwendung einschränken kann, da bestimmte Fluorophorarten eine Mindestenergie der Anregungsstrahlung zur Emission von Fluoreszenzlicht benötigen. Die Absorptionsmessung mit der vorliegenden Vorrichtung kann dagegen im gesamten Spektralbereich des Lichts, das heißt im ultravioletten, im visuellen Spektrum, im nahen Infrarotspektrum und im Infrarotspektrum erfolgen, da sich zu messende Signaländerungen aufgrund intrinsischer Strahlungsdämpfungseigenschaften der zu analysierenden Strukturen in der Analysenprobe, wie zum Beispiel dem Analyten selbst und/oder gebundenen Markern, ergeben.Another limiting factor is the radiation source in fluorescence measurements, since high-energy radiation in the short-wave ultraviolet to blue range of light is often required to excite the fluorescence molecules. To generate these wavelengths, expensive radiation sources, such as xenon or halogen sources, are used, on the one hand, and, as a result, additional and expensive optical components, such as monochromators, are used to separate the excitation radiation with desired wavelengths from undesired wavelengths. Alternatives are lasers, laser diodes, light-emitting diodes or organic light-emitting diodes, which can generate radiation in a very narrow-band wavelength range. Lasers and laser diodes in particular work with a high radiation power and are characterized by high costs in a high-energy wavelength range. Light-emitting diodes and organic light-emitting diodes mostly work with lower radiation powers, but this can restrict the usability of different fluorophores and thus a diagnostic or analytical application, since certain types of fluorophore require a minimum energy of the excitation radiation for the emission of fluorescent light. The absorption measurement with the present device, on the other hand, can be carried out in the entire spectral range of light, that is to say in the ultraviolet, in the visual spectrum, in the near infrared spectrum and in the infrared spectrum, since signal changes to be measured are due to intrinsic radiation attenuation properties of the structures to be analyzed in the analysis sample, for example the analyte itself and / or bound markers.

Durch die hohe Sensitivität der Vorrichtung können auch geringe Bestrahlungsstärkeänderungen der Strahlungsquelle in der Analysenprobe bei geringer emittierter Bestrahlungsstärke nachgewiesen werden. Als Strahlungsquelle können deshalb beispielsweise kostengünstige Leuchtdioden mit geringer Strahlungsleistung und beliebiger Wellenlänge einzeln und/oder in kombinierter Verwendung in Abhängigkeit von der analytischen Anwendung genutzt werden.Due to the high sensitivity of the device, even small changes in irradiance of the radiation source in the analysis sample can be detected with low emitted irradiance. For example, inexpensive light-emitting diodes with low radiation power and any wavelength can be used individually and / or in combination as a radiation source, depending on the analytical application.

Aufgrund der hohen Sensitivität bei variabler Signalauflösung und einstellbarem Dynamikbereich der Vorrichtung ist es weiterhin möglich, auf eine Verwendung von Markern zu verzichten. Durch den Verzicht auf Marker können zusätzliche Verbrauchsmaterialien, wie zum Beispiel die Marker selbst, Flüssigkeiten und zusätzliche Verfahrensschritte des Markierungsvorgangs bei einer Analysenprobenvorbereitung sowie daraus folgend Zeit und Kosten eingespart werden.Because of the high sensitivity with variable signal resolution and adjustable dynamic range of the device, it is also possible to dispense with the use of markers. By dispensing with markers, additional consumables, such as the markers themselves, liquids and additional process steps of the marking process when preparing analytical samples, and consequently time and costs, can be saved.

Durch die hohe Sensitivität der Vorrichtung können außerdem so genannte Analytvervielfältigungsschritte, wie zum Beispiel so genannte Polymerase-Kettenreaktionen (englisch: Polymerase Chain Reaction, kurz PCR) in der Analysenvorbereitung sowie dafür notwendige Materialien zumindest reduziert oder vollständig eingespart werden. Dies führt wiederum zu einer Kostensenkung und zu einer Zeitersparnis.Due to the high sensitivity of the device, so-called analyte multiplication steps, such as so-called polymerase chain reactions (PCR) in the preparation for analysis and the materials required for this, can at least be reduced or completely saved. This in turn leads to a reduction in costs and time savings.

Außerdem ermöglicht die Vorrichtung die Durchführung analytischer Anwendungen mit einer Vielzahl unterschiedlicher Analyten und Analyt-Konzentrationen. Dabei können analytische Anwendungen mit Analyseplattformen mit unterschiedlichen Analytarten auf atomarer, molekularer, genbasierter, proteinbasierter, zellbasierter oder anders gearteter Ebene unter Nutzung verschiedener optischer Verfahren, wie zum Beispiel Fluoreszenz-, Lumineszenz- und insbesondere Extinktions- und Absorptionsmessungen von elektromagnetischer Strahlung, und anderer Verfahren verwendet werden.In addition, the device enables analytical applications to be carried out with a large number of different analytes and analyte concentrations. Analytical applications with analysis platforms with different types of analytes can be carried out on an atomic, molecular, gene-based, protein-based, cell-based or other level using various optical methods, such as fluorescence, luminescence and in particular extinction and absorption measurements of electromagnetic radiation, and other methods be used.

Somit ist die Vorrichtung für eine Integration als Technologie-Plattform in diagnostische Systeme für schnelle, preiswerte, benutzerfreundliche aber vor allem präzise, zuverlässige und gegebenenfalls kontinuierliche und personalisierte Vor-Ort-Analysen, in Point-of-Care-Testing- und In-vitro-Diagnostik-Anwendungen geeignet.Thus, the device for integration as a technology platform in diagnostic systems for fast, inexpensive, user-friendly but above all precise, reliable and possibly continuous and personalized on-site analyzes, in point-of-care testing and in vitro -Diagnostic applications suitable.

In einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Einstellvorrichtung zumindest eine zwischen dem Halbleitersensor und der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung oder zwischen einer Komponente der Einstellvorrichtung und der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung angeordnete Verstärkerschaltung, welche zu einer Verstärkung des mittels des Halbleitersensors generierten elektrischen Signals eingerichtet ist.In one possible embodiment of the device, the setting device comprises at least one amplifier circuit arranged between the semiconductor sensor and the application-specific integrated circuit or between a component of the setting device and the application-specific integrated circuit, which is set up to amplify the electrical signal generated by the semiconductor sensor.

Mittels der Verstärkerschaltung ist dabei eine einstellbare Verstärkung des mittels des Halbleitersensors generierten elektrischen Signals als Eingangssignal für die anwendungsspezifische integrierte Schaltung durchführbar. Bei einer Verwendung einer Integratorschaltung zur Integration des generierten elektrischen Signals ist mittels der Verstärkung des generierten elektrischen Signals weiterhin eine Einstellung des Dynamikbereichs möglich, da die eingestellte Verstärkung eine Größe des zu integrierenden verstärkten elektrischen Signals definiert. Ferner kann aufgrund der Definition der Größe des zu integrierenden verstärkten elektrischen Signals durch die Verstärkung Einfluss auf eine Integrationszeit des generierten elektrischen Signals sowie auf die Integrationskapazität ausgeübt werden. Auch kann mittels der Verstärkung eine Signalauflösung beeinflusst werden. Unter dem Begriff Signalauflösung wird zum einen ein messbarer Wert eines Signals oder einer Signaländerung und/oder eine Feinheit oder Schrittweite einer Abtastung eines Signals bzw. der Signaländerung zur Konvertierung des analogen Signals in ein digitales Signal angesehen. Ein Signal-Rausch-Verhältnis, also ein Verhältnis eines Nutzsignals bzw. einer Signaländerung zu einem Störsignal, beispielsweise einem Rauschen, kann dabei ein Maß zur Beurteilung einer Qualität der Signalauflösung sein. Weiterhin ist mittels der Verstärkerschaltung eine Sensitivität der Vorrichtung einstellbar. The amplifier circuit can be used to carry out an adjustable amplification of the electrical signal generated by the semiconductor sensor as an input signal for the application-specific integrated circuit. If an integrator circuit is used to integrate the generated electrical signal, it is still possible to set the dynamic range by means of the amplification of the generated electrical signal, since the set amplification defines a size of the amplified electrical signal to be integrated. Furthermore, due to the definition of the size of the amplified electrical signal to be integrated, the amplification can influence the integration time of the generated electrical signal and the integration capacity. A signal resolution can also be influenced by means of the amplification. The term signal resolution refers to a measurable value of a signal or a signal change and / or a fineness or step size of a sampling of a signal or the signal change for converting the analog signal into a digital signal. A signal-to-noise ratio, that is to say a ratio of a useful signal or a signal change to an interference signal, for example noise, can be a measure for assessing a quality of the signal resolution. Furthermore, a sensitivity of the device can be set by means of the amplifier circuit.

Dabei führt eine hohe Verstärkung beispielsweise zur Detektionsfähigkeit kleiner Signale oder Signaländerungen und zur Fokussierung auf einen Ausschnitt des Dynamikbereiches, weiterhin zu erhöhter Sensitivität, zu weniger notwendigem Material von Analysenproben für eine Nachweisreaktion, zu weniger Probenmaterial und/oder weniger zusätzlichen Substanzen für die Nachweisreaktion, zu weniger und/oder kürzeren notwendigen Vorbereitungsschritten, zur Verkürzung der Detektionszeit und/oder einer Zeitdauer des gesamten Analyseverfahrens.A high gain leads, for example, to the ability to detect small signals or signal changes and to focus on a section of the dynamic range, to increased sensitivity, to less material of analysis samples required for a detection reaction, to less sample material and / or fewer additional substances for the detection reaction fewer and / or shorter necessary preparatory steps to shorten the detection time and / or a duration of the entire analysis process.

Eine kleine Verstärkung führt beispielsweise zu einer Detektionsmöglichkeit größerer Signale oder Signaländerungen und zur Betrachtung eines größeren Ausschnitts oder des gesamten Dynamikbereichs und ermöglicht somit eine Nutzung für optische Detektionsverfahren mit großem Dynamikbereich, wie beispielsweise kinetische Messungen, wie zum Beispiel eine Messung von Enzym- Kinetiken.A small amplification leads, for example, to the detection of larger signals or signal changes and to the observation of a larger section or the entire dynamic range and thus enables use for optical detection methods with a large dynamic range, such as, for example, kinetic measurements, such as a measurement of enzyme kinetics.

Durch die Einstellung der Verstärkung und die daraus folgende Einstellung des Dynamikbereiches sowie die Beeinflussung der Sensitivität wird ein Einsatzgebiet der Vorrichtung vergrößert und es wird eine Nutzung des mikroelektronischen Sensorsystems mit verschiedenen optischen Detektionsprinzipien für verschiedene Analyseverfahren, zum Beispiel mit Endpunktbestimmungen oder kinetischen Messungen, ermöglicht.By adjusting the gain and the consequent adjustment of the dynamic range and influencing the sensitivity, a field of application of the device is enlarged and the microelectronic sensor system can be used with different optical detection principles for different analysis methods, for example with end point determinations or kinetic measurements.

Weiterhin ermöglicht die einstellbare Verstärkung, dass abhängig von einem verwendeten optischen Detektionsprinzip und abhängig von einem verwendeten Analyseverfahren, wie zum Beispiel Extinktion oder Lumineszenz, nur wenige optische Komponenten erforderlich sind.Furthermore, the adjustable amplification enables only a few optical components to be required depending on an optical detection principle used and on an analysis method used, such as extinction or luminescence.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die Einstellvorrichtung zumindest einen zwischen dem Halbleitersensor und der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung angeordneten Strom-Digital-zu-Analog-Wandler, welcher zu einer Addition elektrischer Ströme mit unterschiedlichen Vorzeichen auf das mittels des Halbleitersensors generierte elektrische Signal eingerichtet ist.In a further possible embodiment of the device, the setting device comprises at least one current-digital-to-analog converter which is arranged between the semiconductor sensor and the application-specific integrated circuit and which is set up to add electrical currents with different signs to the electrical signal generated by the semiconductor sensor .

Mittels des Strom-Digital-zu-Analog-Wandlers kann eine Anpassung des Dynamikbereichs durch Addition von elektrischen Strömen mit unterschiedlichem Vorzeichen auf das generierte elektrische Signal erfolgen. Bei einer Verwendung einer Integratorschaltung zur Integration des generierten elektrischen Signals ist mittels der Addition von elektrischen Strömen auf das generierte elektrische Signal weiterhin die Einstellung des Dynamikbereichs möglich, da das erzeugte Gesamtsignal eine Größe des zu integrierenden verstärkten elektrischen Signals definiert und einen Einfluss auf eine Integrationszeit hat. Weiterhin können ein Einfluss auf die Signalauflösung und die Sensitivität der Vorrichtung realisiert werden. Somit führt die Addition von elektrischen Strömen mit unterschiedlichem Vorzeichen auf das generierte elektrische Signal zu weniger notwendigem Material von Analysenproben für eine Nachweisreaktion, zu weniger Probenmaterial und/oder weniger zusätzlichen Substanzen für die Nachweisreaktion, zu weniger und/oder kürzeren notwendigen Vorbereitungsschritten, zur Verkürzung der Detektionszeit und/oder einer Zeitdauer des gesamten Analyseverfahrens. Weiterhin ermöglicht die Addition von elektrischen Strömen mit unterschiedlichem Vorzeichen auf das generierte elektrische Signal, dass abhängig von einem verwendeten optischen Detektionsprinzip und abhängig von einem verwendeten Analyseverfahren, wie zum Beispiel Extinktion oder Lumineszenz, nur wenige optische Komponenten erforderlich sind.The current-digital-to-analog converter can be used to adapt the dynamic range by adding electrical currents with different signs to the generated electrical signal. When using an integrator circuit for integrating the generated electrical signal, the addition of electrical currents to the generated electrical signal further enables the dynamic range to be set, since the total signal generated defines a size of the amplified electrical signal to be integrated and has an influence on an integration time . Furthermore, an influence on the signal resolution and the sensitivity of the device can be realized. Thus, the addition of electrical currents with different signs to the generated electrical signal leads to less necessary material of analysis samples for a detection reaction, to less sample material and / or fewer additional substances for the detection reaction, to fewer and / or shorter necessary preparation steps, to shorten the Detection time and / or a duration of the entire analysis process. Furthermore, the addition of electrical currents with different signs to the generated electrical signal makes it possible that, depending on an optical detection principle used and on an analysis method used, such as extinction or luminescence, only a few optical components are required.

In einer möglichen Weiterbildung der Vorrichtung umfasst die Einstellvorrichtung zumindest eine zwischen dem Halbleitersensor und der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung angeordnete Integratorschaltung, welche eine einstellbare elektrische Kapazität umfasst, welche mit dem mittels des Halbleitersensors generierten elektrischen Signal beaufschlagbar ist.In one possible development of the device, the setting device comprises at least one integrator circuit which is arranged between the semiconductor sensor and the application-specific integrated circuit and which comprises an adjustable electrical capacitance which can be acted upon by the electrical signal generated by the semiconductor sensor.

Mittels der Integratorschaltung ist in einfacher Weise eine Beeinflussung des Signal-Rausch-Verhältnisses durch natürliche Tiefpasscharakteristik und daraus folgend eine Unterdrückung von hochfrequentem Rauschen realisierbar. Die einstellbare Größe der Kapazität zur Integration führt zu einer veränderbaren Tiefpasscharakteristik und damit zu einer veränderbaren Filtercharakteristik von Rauschen sowie zur Anpassung des Dynamikbereichs, da unter anderem die Größe der Kapazität definiert, wieviel elektrischer Strom auf die Kapazität integriert werden kann. Ferner ist von der einstellbaren Größe der Kapazität die Integrationszeit zur Integration des mittels des Halbleitersensors generierten elektrischen Signals abhängig. Ferner ist mittels der Integratorschaltung die Signalauflösung beeinflussbar. Umfasst die Integratorschaltung einen Schalter, kann mittels diesem eine Resetfunktion realisiert werden, welche eine Akkumulation von Ladung auf die Integrationskapazität, wodurch ein eigentlicher Messwert des integrierten elektrischen Signals bei Auswahl des Sensors verfälscht würde, verhindert. Weiterhin kann ein Einfluss auf die Sensitivität der Vorrichtung realisiert werden. Somit führt die Verwendung der Integratorschaltung zu weniger notwendigem Material von Analysenproben für eine Nachweisreaktion, zu weniger Probenmaterial und/oder weniger zusätzlichen Substanzen für die Nachweisreaktion, zu weniger und/oder kürzeren notwendigen Vorbereitungsschritten, zur Verkürzung der Detektionszeit und/oder einer Zeitdauer des gesamten Analyseverfahrens. Weiterhin ermöglicht die Addition von elektrischen Strömen mit unterschiedlichem Vorzeichen auf das generierte elektrische Signal, dass abhängig von einem verwendeten optischen Detektionsprinzip und abhängig von einem verwendeten Analyseverfahren, wie zum Beispiel Extinktion oder Lumineszenz, nur wenige optische Komponenten erforderlich sind.The integrator circuit can be used to influence the signal-noise in a simple manner. Ratio through natural low-pass characteristics and consequently suppression of high-frequency noise can be realized. The adjustable size of the capacitance for integration leads to a changeable low-pass characteristic and thus to a changeable filter characteristic of noise as well as to the adjustment of the dynamic range, since among other things the size of the capacitance defines how much electrical current can be integrated into the capacitance. Furthermore, the integration time for integrating the electrical signal generated by the semiconductor sensor is dependent on the adjustable size of the capacitance. Furthermore, the signal resolution can be influenced by means of the integrator circuit. If the integrator circuit comprises a switch, this can be used to implement a reset function which prevents accumulation of charge on the integration capacity, which would falsify an actual measured value of the integrated electrical signal when the sensor is selected. Furthermore, an influence on the sensitivity of the device can be realized. Thus, the use of the integrator circuit leads to less necessary material of analysis samples for a detection reaction, to less sample material and / or fewer additional substances for the detection reaction, to fewer and / or shorter necessary preparation steps, to a shortening of the detection time and / or a time duration of the entire analysis method . Furthermore, the addition of electrical currents with different signs to the generated electrical signal makes it possible that, depending on an optical detection principle used and on an analysis method used, such as extinction or luminescence, only a few optical components are required.

In einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass der Integratorschaltung eine Komparatorschaltung nachgeschaltet ist, welche eingerichtet ist, ein Ansteigen einer aus einer Aufladung der einstellbaren elektrischen Kapazität der Integratorschaltung resultierenden elektrischen Integrationsspannung zu erfassen und einen Wert der resultierenden elektrischen Integrationsspannung mit zumindest zwei unterschiedlichen Signalschwellen zu vergleichen. Mit Kenntnis einer vergangenen Zeit zwischen dem Erreichen der beiden Signalschwellen kann in einfacher und zuverlässiger Weise ein Anstieg der elektrischen Integrationsspannung über der Kapazität ermittelt werden.In a possible embodiment of the device it is provided that the integrator circuit is followed by a comparator circuit which is set up to detect a rise in an electrical integration voltage resulting from charging the adjustable electrical capacitance of the integrator circuit and a value of the resulting electrical integration voltage with at least two different signal thresholds to compare. With knowledge of a past time between reaching the two signal thresholds, an increase in the electrical integration voltage above the capacitance can be determined in a simple and reliable manner.

In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung ist vorgesehen, dass mit der Komparatorschaltung eine Zählerschaltung gekoppelt ist, welche eingerichtet ist, bei Erreichen einer ersten Signalschwelle der resultierenden elektrischen Integrationsspannung einen Zeitzählvorgang in Abhängigkeit eines in das mikroelektronische Sensorsystem eingespeisten Takts mit definierter Frequenz zu starten und bei Erreichen einer höheren zweiten Signalschwelleden Zeitzählvorgang zu stoppen. Somit ist es möglich, einem Anwender eine Information über ein Ende eines Signalverarbeitungsvorganges für einen Halbleitersensor auszugeben. Somit können ein Überlappen zweier aufeinanderfolgender Sensor-Auslesevorgänge sowie ein gegenseitiger und signalverfälschender Einfluss verhindert werden.In a further possible embodiment of the device, it is provided that a counter circuit is coupled to the comparator circuit, which is set up to start a time counting process at a defined frequency as a function of a clock fed into the microelectronic sensor system and when a first signal threshold of the resulting electrical integration voltage is reached Stop reaching a higher second signal threshold to count the time. It is thus possible to output information to a user about an end of a signal processing process for a semiconductor sensor. In this way, an overlapping of two successive sensor reading processes and a mutual and signal-distorting influence can be prevented.

In einer möglichen Weiterbildung der Vorrichtung umfasst das mikroelektronische Sensorsystem zumindest eine Heizstruktur zur Beheizung der technischen Schnittstelle. Die integrierte Heizstruktur ermöglicht es, dem Analyt thermische Energie zuzuführen, welche gegebenenfalls Verbindungsreaktionen einzelner Bestandteile im Analyt fördert und somit Reaktionsgeschwindigkeiten beschleunigt. Dadurch kann das Analyseverfahren signifikant beschleunigt werden, wodurch sich Analysezeiten verkürzen und ein Einsatz der Vorrichtung in schnellen Point-of-Care-Testing- und In-vitro-Diagnostik-Anwendungen möglich ist. Hierbei kann ein in einer möglichen Weiterbildung der Vorrichtung vorgesehener integrierter Temperatursensor sowohl für eine Temperaturüberwachung des Analyten unmittelbar auf der technischen Schnittstelle als auch für eine Regelung einer Temperatur der Heizstruktur sowie von gegebenenfalls vorgesehenen Kühlelementen verwendet werden.In one possible development of the device, the microelectronic sensor system comprises at least one heating structure for heating the technical interface. The integrated heating structure enables thermal energy to be supplied to the analyte, which, if necessary, promotes compound reactions of individual constituents in the analyte and thus accelerates reaction rates. As a result, the analysis process can be significantly accelerated, which shortens analysis times and enables the device to be used in fast point-of-care testing and in-vitro diagnostic applications. In this case, an integrated temperature sensor provided in one possible development of the device can be used both for temperature monitoring of the analyte directly on the technical interface and for regulating a temperature of the heating structure and any cooling elements provided.

Gemäß einer möglichen Ausgestaltung der Vorrichtung umfasst die technische Schnittstelle zumindest eine ionensensitive Schicht, welche zum Beispiel Siliziumoxid (SiO2), Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid (Al2O3), Tantal(V)-oxid (Ta2O5), Zirkonium(IV)-oxid (ZrO2), Hafnium(IV)-oxid (HfO2), Ruthenium(IV)-oxid (RuO2), Iridium(IV)-oxid (IrO2), Titan(IV)-oxid (TiO2), Titannitrid (TiN), Titanoxinitrid (TiON) und/oder zumindest eine andere als technische Schnittstelle geeignete Schicht umfasst.According to a possible embodiment of the device, the technical interface comprises at least one ion-sensitive layer which, for example, silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), tantalum (V) oxide (Ta 2 O 5 ), zirconium (IV) oxide (ZrO 2 ), hafnium (IV) oxide (HfO 2 ), ruthenium (IV) oxide (RuO 2 ), iridium (IV) oxide (IrO 2 ), titanium (IV ) oxide (TiO 2 ), titanium nitride (TiN), titanium oxynitride (TiON) and / or at least one other layer suitable as a technical interface.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Analyse biologischer, chemischer und biochemischer Substanzen mittels eines mikroelektronischen Sensorsystems wird zumindest eine biologische, chemische oder biochemische Substanz auf eine in einem Erfassungsbereich zumindest eines Halbleitersensors angeordnete technische Schnittstelle aufgebracht. Mittels des zumindest einen Halbleitersensors wird eine in Abhängigkeit der Substanz ausgebildete Substanzinformation erfasst und ein mit der Substanzinformation korrespondierendes elektrisches Signal generiert. Das elektrische Signal wird einer Einstellvorrichtung zugeführt, mittels welcher ein Dynamikbereich und/oder eine Signalauflösung des elektrischen Signals eingestellt werden bzw. wird und ein modifiziertes elektrisches Signal erzeugt wird. Das modifizierte elektrische Signal wird einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung zur Signalverarbeitung zugeführt.In the method according to the invention for analyzing biological, chemical and biochemical substances by means of a microelectronic sensor system, at least one biological, chemical or biochemical substance is applied to a technical interface arranged in a detection area of at least one semiconductor sensor. By means of the at least one semiconductor sensor, substance information formed as a function of the substance is detected and an electrical signal corresponding to the substance information is generated. The electrical signal is fed to an adjusting device, by means of which a dynamic range and / or a signal resolution of the electrical signal is or is set and a modified electrical signal is generated. The modified electrical signal becomes one application-specific integrated circuit for signal processing supplied.

Das Verfahren ermöglicht Analysen biologischer, chemischer und biochemischer Substanzen mithilfe von optischen und nicht-optischen Verfahren, wie beispielsweise elektromagnetischen, elektrischen, magnetischen und/oder elektrochemischen Verfahren, um damit beispielsweise pathogene Veränderungen biologischer, chemischer und/oder biochemischer Substanzen nachzuweisen. Dabei ermöglicht das Verfahren aufgrund der Einstellung des Dynamikbereichs und/oder der Signalauflösung die Durchführung einer Vielzahl optischer, elektromagnetischer, elektrischer, magnetischer, elektrochemischer und biochemischer Analyseverfahren, wobei eine Anzahl notwendiger Vorbereitungsschritte, ein Materialverbrauch zur Probenaufbereitung und eine Anzahl technischer, beispielsweise optischer Komponenten signifikant reduziert werden können. Die Einstellmöglichkeiten haben dabei beispielsweise Auswirkungen auf einen Aufbau, einen Ablauf und eine Funktion des Detektionsverfahrens und eines gesamten biochemischen Analyseverfahrens, das heißt auf technische Komponenten, wie zum Beispiel Optiken eines Detektions-/Diagnosesystems oder eine technische Schnittstelle des mikroelektronischen Sensorsystems, auf eine Menge von Proben, auf eine Menge zusätzlich benötigter Substanzen, eine Anzahl und Dauer von Vorbereitungsschritten und damit auf eine Zeitdauer des gesamten Analyseverfahrens sowie auf eine reine Detektionszeit.The method enables analyzes of biological, chemical and biochemical substances with the aid of optical and non-optical methods, such as, for example, electromagnetic, electrical, magnetic and / or electrochemical methods, in order to detect pathogenic changes in biological, chemical and / or biochemical substances. Due to the setting of the dynamic range and / or the signal resolution, the method enables a large number of optical, electromagnetic, electrical, magnetic, electrochemical and biochemical analysis methods to be carried out, with a number of necessary preparation steps, material consumption for sample preparation and a number of technical, for example optical, components being significant can be reduced. The setting options have an impact, for example, on a structure, a sequence and a function of the detection method and an entire biochemical analysis method, that is to say on technical components, such as optics of a detection / diagnosis system or a technical interface of the microelectronic sensor system, on a quantity of Samples, for a lot of additionally required substances, a number and duration of preparation steps and thus for a duration of the entire analysis process as well as for a pure detection time.

Gemäß einer möglichen Weiterbildung des Verfahrens ist die technische Schnittstelle zwischen zumindest einem als optischer Halbleitersensor ausgebildeten Halbleitersensor und zumindest einer Strahlungsquelle angeordnet, wobei mittels der Strahlungsquelle Licht in Richtung der Substanz und des zumindest einen Halbleitersensors emittiert wird und mittels des zumindest einen Halbleitersensors als Substanzinformation ein in Abhängigkeit der Substanz ausgebildetes Differenzlicht erfasst und ein mit dem Differenzlicht korrespondierendes elektrischen Signal generiert wird.According to a possible development of the method, the technical interface is arranged between at least one semiconductor sensor designed as an optical semiconductor sensor and at least one radiation source, light being emitted in the direction of the substance and the at least one semiconductor sensor by means of the radiation source and an in as substance information by means of the at least one semiconductor sensor Dependence of the substance formed differential light is detected and an electrical signal corresponding to the differential light is generated.

In einer möglichen Ausgestaltung des Verfahrens werden bzw. wird mittels der Einstellvorrichtung das mittels des Halbleitersensors generierte elektrische Signal verstärkt, elektrische Ströme mit unterschiedlichen Vorzeichen auf das mittels des Halbleitersensors generierte elektrische Signal addiert und/oder eine einstellbare elektrische Kapazität einer Integratorschaltung mit dem mittels des Halbleitersensors generierten elektrischen Signal beaufschlagt, ein Ansteigen einer aus einer Aufladung der einstellbaren elektrischen Kapazität der Integratorschaltung resultierenden elektrischen Integrationsspannung erfasst, ein Wert der resultierenden elektrischen Integrationsspannung mit Signalschwellen verglichen, bei Erreichen einer ersten Signalschwelle ein Zeitzählvorgang in Abhängigkeit eines in das mikroelektronische Sensorsystem eingespeisten Takts mit definierter Frequenz gestartet und bei Erreichen einer höheren zweiten Signalschwelleder Zeitzählvorgang gestoppt. Hierdurch wird eine besonders zuverlässige und einfach durchführbare Einstellung des Dynamikbereichs und/oder der Signalauflösung des elektrischen Signals möglich.In one possible embodiment of the method, the setting device is used to amplify the electrical signal generated by means of the semiconductor sensor, add electric currents with different signs to the electrical signal generated by means of the semiconductor sensor, and / or to set an adjustable electrical capacitance of an integrator circuit with that by means of the semiconductor sensor Generated electrical signal is applied, an increase in an electrical integration voltage resulting from charging the adjustable electrical capacitance of the integrator circuit is detected, a value of the resulting electrical integration voltage is compared with signal thresholds, and when a first signal threshold is reached, a time counting process as a function of a clock fed into the microelectronic sensor system with a defined clock Frequency started and the time counting process stopped when a higher second signal threshold was reached. This makes it possible to set the dynamic range and / or the signal resolution of the electrical signal in a particularly reliable and simple manner.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Darin zeigen:

  • 1 schematisch einen Ausschnitt eines mikroelektronischen Sensorsystems mit einer Analysenprobe,
  • 2 schematisch einen Ablauf zur Vorbereitung des mikroelektronischen Sensorsystems und der Analysenprobe,
  • 3 schematisch einen Ablauf eines Verfahrens zum biologischen, chemischen und/oder biochemischen Nachweis in einer genbasierten Substanz,
  • 4 schematisch einen Ablauf eines Verfahrens zum biologischen, chemischen und/oder biochemischen Nachweis in einer proteinbasierten Substanz,
  • 5 schematisch einen Ablauf eines Verfahrens zum biologischen, chemischen und/oder biochemischen Nachweis in einer zellbasierten Substanz,
  • 6 schematisch einen Ausschnitt einer Vorrichtung zur Analyse biologischer, chemischer und biochemischer Substanzen,
  • 7 schematisch ein Blockschaltbild eines mikroelektronischen Sensorsystems mit Grundkomponenten,
  • 8 schematisch ein Blockschaltbild eines mikroelektronischen Sensorsystems,
  • 9 schematisch ein Blockschaltbild eines Signalpfads eines mikroelektronischen Sensorsystems und
  • 10 schematisch zeitliche Signalverläufe von in dem Signalpfad gemäß 9 vorhandenen Signalen.
In it show:
  • 1 schematically a section of a microelectronic sensor system with an analysis sample,
  • 2nd schematically a sequence for the preparation of the microelectronic sensor system and the analysis sample,
  • 3rd schematically a sequence of a method for biological, chemical and / or biochemical detection in a gene-based substance,
  • 4th schematically a sequence of a method for biological, chemical and / or biochemical detection in a protein-based substance,
  • 5 schematically a sequence of a method for biological, chemical and / or biochemical detection in a cell-based substance,
  • 6 schematically a section of a device for the analysis of biological, chemical and biochemical substances,
  • 7 schematically a block diagram of a microelectronic sensor system with basic components,
  • 8th schematically a block diagram of a microelectronic sensor system,
  • 9 schematically shows a block diagram of a signal path of a microelectronic sensor system and
  • 10th schematically temporal waveforms of in the signal path according to 9 existing signals.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.

1 zeigt einen Ausschnitt eines möglichen Ausführungsbeispiels eines mikroelektronischen Sensorsystems 1 mit einer Analysenprobe 2, wobei das mikroelektronische Sensorsystem 1 zu einer biologischen, chemischen und/oder biochemischen Analyse der Analysenprobe 2 ausgebildet ist. 1 shows a section of a possible embodiment of a microelectronic sensor system 1 with an analytical sample 2nd , the microelectronic sensor system 1 to a biological, chemical and / or biochemical analysis of the analytical sample 2nd is trained.

Die Analysenprobe 2 umfasst eine biologische, chemische und/oder biochemische Struktur 2.1 mit Analyt und eine biochemische Schnittstelle 2.2. Unter dem Begriff „biologische, chemische und/oder biochemische Struktur 2.1 mit Analyt“ werden alle Strukturen 2.1 versstanden, die unter der Begrifflichkeit Analysenprobe 2 beschrieben sind, mit Ausnahme einer funktionalen Struktur 2.1. Die funktionale Struktur 2.1 umfasst zumindest im Wesentlichen eine Struktur oder einen Strukturkomplex mit den für die Analyse notwendigen und zu bewertenden Analyten.The analytical sample 2nd comprises a biological, chemical and / or biochemical structure 2.1 with analyte and a biochemical interface 2.2 . Under the term "biological, chemical and / or biochemical structure 2.1 with analyte “all structures 2.1 understand that under the conceptual analysis sample 2nd are described, with the exception of a functional structure 2.1 . The functional structure 2.1 comprises at least essentially a structure or a structure complex with the analytes necessary and to be evaluated for the analysis.

Um den Analyten bewerten zu können, ist gegebenenfalls ein biotechnologisches Nachweisverfahren zur Vorbereitung der Analysenprobe 2 notwendig. In order to be able to evaluate the analyte, a biotechnological detection method may be required to prepare the analysis sample 2nd necessary.

Kernelement eines möglichen Nachweisverfahrens kann beispielsweise eine Interaktion zwischen einer Fänger- und einer Zielstruktur, die beispielsweise eine Bindungsreaktion ist, sein. Die Fängerstruktur ist dabei derart ausgebildet, dass sie sich nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip spezifisch nur mit Strukturen der Zielstruktur infolge einer biologischen, chemischen und/oder biochemischen Reaktion verbindet, die pathogenene Merkmale besitzen. Damit können Krankheiten und/oder pathogene Veränderungen von biologischen, chemischen und/oder biochemischen Strukturen 2.1 eindeutig identifiziert werden.The core element of a possible detection method can, for example, be an interaction between a capture structure and a target structure, which is, for example, a binding reaction. The catcher structure is designed in such a way that, according to the key-lock principle, it specifically connects only to structures of the target structure as a result of a biological, chemical and / or biochemical reaction that have pathogenic characteristics. This can cause diseases and / or pathogenic changes in biological, chemical and / or biochemical structures 2.1 be clearly identified.

Ferner kann die „biologische, chemische und/oder biochemische Struktur 2.1 mit Analyt“ eine Markierungsstruktur beinhalten, die beispielsweise so genannte Marker, Tags und/oder Label Dyes umfasst und gegebenenfalls an die Zielstruktur und/oder an eine mit dieser zusätzlich verbundenen Struktur gebunden sind. Im Folgenden wird der Einfachheit halber nur noch von Markern gesprochen mit für die Analyse wichtigen biologischen, chemischen, biochemischen und/oder physikalischen Eigenschaften.Furthermore, the “biological, chemical and / or biochemical structure 2.1 with analyte ”contain a marking structure that includes, for example, so-called markers, tags and / or label dyes and, if appropriate, are bound to the target structure and / or to a structure additionally connected to it. In the following, for the sake of simplicity, we will only speak of markers with biological, chemical, biochemical and / or physical properties that are important for the analysis.

Marker können beispielsweise Fluorophore, Nanopartikel, Farbstoffe usw. sein. Marker dienen zunächst durch ihre intrinsischen Eigenschaften einer Verbesserung eines Detektionsverfahrens, beispielsweise durch Verstärkung eines zu messenden Signals und/oder einer Signalveränderung und/oder beispielsweise zur Verbesserung einer spezifischen Bindungsreaktion. Die Eigenschaften solcher Marker werden im Folgenden hinsichtlich ihrer Bedeutung für optische Nachweisverfahren in der medizinischen Diagnostik in Ansätzen erläutert.Markers can be, for example, fluorophores, nanoparticles, dyes, etc. First of all, because of their intrinsic properties, markers serve to improve a detection method, for example by amplifying a signal to be measured and / or a signal change and / or for example to improve a specific binding reaction. The properties of such markers are explained in the following in terms of their importance for optical detection methods in medical diagnostics.

Bei möglichen optischen Detektionsverfahren unter Verwendung von Markern werden ein oder mehrere Marker mit derselben, ähnlichen oder unterschiedlichen biologischen, chemischen und/oder biochemischen Struktur 2.1, wobei diese mit ähnlichem oder unterschiedlichem strukturellen Aufbau auch unterschiedliche Eigenschaften aufweisen können, an die Zielstruktur und/oder an eine mit ihr zusätzlich verbundenen Zwischenstruktur, gebunden. Die Marker können die Eigenschaft besitzen, dass sie elektromagnetische Strahlungen, beispielsweise Licht, mit einer oder mehreren Wellenlängen absorbieren, eine zugeführte Energie beispielsweise thermisch umsetzen und/oder in einen energetisch angeregten Zustand gelangen und bei Verlassen dieses Zustands Energie in Form einer elektromagnetischen Strahlung, beispielsweise Licht, bei einer den Eigenschaften des Markers entsprechenden Wellenlänge emittieren.In possible optical detection methods using markers, one or more markers with the same, similar or different biological, chemical and / or biochemical structure are used 2.1 , with these having a similar or different structural structure can also have different properties, bound to the target structure and / or to an intermediate structure additionally connected to it. The markers can have the property that they absorb electromagnetic radiation, for example light, with one or more wavelengths, convert a supplied energy, for example thermally, and / or get into an energetically excited state and, upon leaving this state, energy in the form of electromagnetic radiation, for example Emit light at a wavelength corresponding to the properties of the marker.

Zu den möglichen optischen Detektionsverfahren gehören vor allem, aber nicht darauf beschränkt, Messungen einer so genannten Extinktion, im Speziellen einer Lichtabsorption, aber auch von Lumineszenz. Letzteres kann unter anderem eine Messung von chemolumineszentem, biolumineszentem, phosphoreszentem und/oder fluoreszentem Licht beinhalten.The possible optical detection methods include, but are not limited to, measurements of a so-called extinction, in particular light absorption, but also luminescence. The latter can include measurement of chemiluminescent, bioluminescent, phosphorescent and / or fluorescent light.

Hat sich beispielsweise eine markerbehaftete Zielstruktur infolge einer biologischen, chemischen und/oder biochemischen Reaktion spezifisch mit einer Fängerstruktur verbunden, kann diese Verbindung direkt durch Messung des vom Marker oder den Markern emittierten und/oder absorbierten Lichts nachgewiesen werden. Ein direkter Nachweis pathogener Veränderungen biologischer, chemischer und/oder biochemischer Strukturen 2.1 ist somit möglich, wodurch eine Schlussfolgerung über ein Vorhandensein oder Fehlen einer Krankheit gezogen werden kann.For example, if a target structure with a marker has been specifically linked to a capture structure as a result of a biological, chemical and / or biochemical reaction, this connection can be detected directly by measuring the light emitted and / or absorbed by the marker or markers. Direct detection of pathogenic changes in biological, chemical and / or biochemical structures 2.1 is thus possible, whereby a conclusion can be drawn about the presence or absence of a disease.

Für eine Bindung zwischen Marker und Zielstruktur bzw. Marker-, Zwischen- und Zielstruktur sowie zwischen Ziel- und Fängerstruktur sind Bindungskräfte erforderlich, die unter anderem elektrostatisch und/oder Wasserstoffbrückenbindungen sein können und/oder auf Van-der-Waals-Kräften und/oder Dipol-Wechselwirkungen beruhen.For binding between marker and target structure or marker, intermediate and target structure as well as between target and catcher structure, binding forces are required, which can be, among other things, electrostatic and / or hydrogen bonds and / or on Van der Waals forces and / or Dipole interactions are based.

Neben der Markierung der Zielstruktur ist eine Immobilisierung der Fängerstruktur auf mikroelektronischen Sensorsystemen 1 ein zusätzlicher und für eine Fänger-/Zielstruktur- Interaktion grundsätzlicher Schritt eines im Folgenden beschriebenen mikroelektronik-basierten Detektionsprinzips. Die Immobilisierung der Fängerstruktur erfolgt dabei an eine so genannte biochemische Schnittstelle 2.2. Dabei handelt es sich um eine örtlich definierte Bindung der Fängerstruktur an zumindest eine funktionale Struktur 2.1, die Bestandteil der biochemischen Schnittstelle 2.2 ist.In addition to marking the target structure, immobilization of the catcher structure on microelectronic sensor systems is required 1 an additional step of a microelectronic-based detection principle described below for a catcher / target structure interaction. The capture structure is immobilized at a so-called biochemical interface 2.2 . This is a locally defined binding of the catcher structure to at least one functional structure 2.1 that are part of the biochemical interface 2.2 is.

Die biochemische Schnittstelle 2.2 kann Strukturen beinhalten, die maßgebende biologische, chemische und/oder biochemische Eigenschaften für die Bindung funktionaler Strukturen 2.1 auf einer mikroelektronischen Oberfläche und/oder für eine adäquate Bindung der Fängerstruktur besitzen. Außerdem kann sie gegebenenfalls die Analyse beeinflussende Eigenschaften, wie beispielsweise eine Schwächung und/oder Emittierung von Licht im Falle einer optischen Analyse, aufweisen. The biochemical interface 2.2 can contain structures that have decisive biological, chemical and / or biochemical properties for the binding of functional structures 2.1 on a microelectronic surface and / or for adequate binding of the capture structure. In addition, it can optionally have properties influencing the analysis, such as a weakening and / or emitting light in the case of an optical analysis.

Für die Bindung der funktionalen Strukturen 2.1 existieren gegebenenfalls biologische, chemische und/oder biochemische Strukturen, die direkt mit einer technischen Schnittstelle 3 des mikroelektronischen Sensorsystems 1 verbunden sind. Die technische Schnittstelle 3 kann dabei eine aus einem oder mehreren chemischen Elementen bestehende Oberflächenstruktur des mikroelektronischen Sensorsystems 1 und/oder eine vom mikroelektronischen Sensorsystem 1 separate Oberflächenstruktur sein, die infolge eines standardisierten Prozesses in einer Halbleiterfertigung und/oder in einem Nachfolgeprozess auf dem mikroelektronischen Sensorsystem 1 und/oder als zusätzliche und vom mikroelektronischen Sensorsystem 1 unabhängige Struktur in einem separaten Herstellungsprozess erzeugt wird.For binding the functional structures 2.1 There may be biological, chemical and / or biochemical structures that directly link to a technical interface 3rd of the microelectronic sensor system 1 are connected. The technical interface 3rd can be a surface structure of the microelectronic sensor system consisting of one or more chemical elements 1 and / or one from the microelectronic sensor system 1 be separate surface structure, which is the result of a standardized process in a semiconductor production and / or in a subsequent process on the microelectronic sensor system 1 and / or as additional and from the microelectronic sensor system 1 independent structure is generated in a separate manufacturing process.

Die technische Schnittstelle 3 kann unter anderem folgende Eigenschaften aufweisen: Bio-Kompatibilität, Schutzfunktion des mikroelektronischen Sensorsystems 1 vor destruktiven Medien, wie beispielsweise vor elektrisch leitenden Flüssigkeiten, sowie Eigenschaften, die eine Signalumwandlung in ein elektrisches Signal im Halbleitersensor 4 des mikroelektronischen Sensorsystems 1 ermöglicht und gegebenenfalls verbessert.The technical interface 3rd can have the following properties: bio-compatibility, protective function of the microelectronic sensor system 1 against destructive media, such as electrically conductive liquids, as well as properties that convert a signal into an electrical signal in the semiconductor sensor 4th of the microelectronic sensor system 1 enabled and improved if necessary.

Ein Halbleitermaterial des Halbleitersensors 4 ist beispielsweise Silizium. Der Halbleitersensor 4 ist beispielsweise als so genanntes CMOS-Bauelement ausgebildet.A semiconductor material of the semiconductor sensor 4th is silicon, for example. The semiconductor sensor 4th is designed, for example, as a so-called CMOS component.

Der Halbleitersensor 4 realisiert gemeinsam mit der technischen Schnittstelle 3 definierte sensorische Eigenschaften. Es seien folgende Beispiele genannt:

  • Ein optischer Halbleitersensor 4, der beispielsweise eine in 9 näher dargestellte Photodiode PD ist, besitzt eine oder mehrere speziell erstellte Schichten, beispielsweise gebildet aus Siliziumoxid (SiO2) und/oder Siliziumnitrid (Si3N4) und/oder anderen Materialien und/oder Materialkombinationen, die seine optischen Eigenschaften hinsichtlich seines optischen Signalübertragungsverhaltens, wie beispielsweise eine spektrale Sensitivität und/oder Selektivität, Signal-Störgrößen-Eigenschaften, eine Signalverstärkung usw. verbessert.
The semiconductor sensor 4th realized together with the technical interface 3rd defined sensory properties. The following examples are mentioned:
  • An optical semiconductor sensor 4th who, for example, one in 9 Photodiode shown in more detail PD is, has one or more specially created layers, for example formed from silicon oxide (SiO 2 ) and / or silicon nitride (Si 3 N 4 ) and / or other materials and / or material combinations, which its optical properties with regard to its optical signal transmission behavior, such as one spectral sensitivity and / or selectivity, signal-disturbance properties, signal amplification, etc. improved.

Ein ionensensitiver Feldeffekttransistor, kurz ISFET, umfasst ein typisches Halbleiterbauelement, beispielsweise einen so genannten MOSFET, und eine oder mehrere ionensensitive Schichten, beispielsweise gebildet aus Siliziumoxid (SiO2), Siliziumnitrid (Si3N4), Aluminiumoxid (Al2O3), Tantal(V)-oxid (Ta2O5), Zirkonium(IV)-oxid (ZrO2), Hafnium(IV)-oxid (HfO2), Ruthenium(IV)-oxid (RuO2), Iridium(IV)-oxid (IrO2), Titan(IV)-oxid (TiO2), Titannitrid (TiN), Titanoxinitrid (TiON) und/oder anderen als technische Schnittstelle 3 geeigneten Schichten. ISFETs besitzen aufgrund ihrer technischen Schnittstelle 3 die Eigenschaft, Änderungen von Ionenmengen gegebenenfalls ionenspezifisch auf ihrer Sensor-Oberfläche in einem Medium in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Deswegen eignen sie sich unter anderem als pH-Sensoren, bei der sie eine Sensitivität und gegebenenfalls Selektivität für Wasserstoff-Ionen aufweisen.An ion-sensitive field effect transistor, ISFET for short, comprises a typical semiconductor component, for example a so-called MOSFET, and one or more ion-sensitive layers, for example formed from silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), Tantalum (V) oxide (Ta 2 O 5 ), zirconium (IV) oxide (ZrO 2 ), hafnium (IV) oxide (HfO 2 ), ruthenium (IV) oxide (RuO 2 ), iridium (IV) -oxide (IrO 2 ), titanium (IV) -oxid (TiO 2 ), titanium nitride (TiN), titanium oxynitride (TiON) and / or other as a technical interface 3rd suitable layers. Due to their technical interface, ISFETs have 3rd the property of converting changes in ion quantities into an electrical signal in a medium on an ion-specific basis on their sensor surface. That is why they are suitable, among other things, as pH sensors in which they have sensitivity and, if appropriate, selectivity for hydrogen ions.

Im Halbleiter integrierte elektrochemische Sensoren, wie beispielsweise Sauerstoffsensoren, besitzen ein oder mehrere Elektroden, deren Material ein im Halbleiter verwendetes Metall ist und deren technische Schnittstelle 3 beispielsweise Edelmetalle wie Gold, Silber, Platin, Iridium u. a., und/oder andere Materialien umfasst. Durch eine solche Veredelung des Elektrodenmaterials können diese beispielsweise eine besonders hohe elektrochemische Stabilität, beispielsweise bei Redoxreaktionen, aufweisen und beeinflussen eine eigentliche Nachweisreaktion aufgrund ihrer Elektrodenmaterialeigenschaften nicht verfälschend.Electrochemical sensors, such as oxygen sensors, integrated in the semiconductor have one or more electrodes, the material of which is a metal used in the semiconductor, and their technical interface 3rd for example, precious metals such as gold, silver, platinum, iridium and others, and / or other materials. By refining the electrode material in this way, they can, for example, have a particularly high electrochemical stability, for example in the case of redox reactions, and do not adulterate an actual detection reaction due to their electrode material properties.

Weitere Arten der technischen Schnittstelle 3 können zusätzliche in einem Halbleiterprozess und/oder in Nachprozessen in einem separaten Prozess hergestellte, vom mikroelektronischen Sensorsystem 1 unabhängige Strukturen, beispielsweise aus Glas und/oder Kunststoff, sein. Diese Strukturen können die biologischen, chemischen und/oder biochemischen Eigenschaften für eine optimierte Applizierung von Bestandteilen der Analysenprobe 2 auf den Strukturen sowie die optische Analyse beeinflussende optische Eigenschaften, wie beispielsweise Absorption, Reflexion, Streuung, Beugung, wellenlängenerzeugende, -separierende, -fokussierende, -führende (z. B. Kollimation) und/oder -filternde Charakteristiken, aufweisen. Sie befinden sich dabei gegebenenfalls in direktem Kontakt mit der technischen Schnittstelle 3 des mikroelektronischen Sensorsystems 1, jedoch zwingend in direktem Kontakt mit Strukturen 2.1 der Analysenprobe 2.Other types of technical interfaces 3rd can also be produced in a semiconductor process and / or in post-processes in a separate process by the microelectronic sensor system 1 independent structures, for example made of glass and / or plastic. These structures can have the biological, chemical and / or biochemical properties for an optimized application of components of the analysis sample 2nd on the structures and the optical analysis influencing optical properties, such as absorption, reflection, scattering, diffraction, wavelength-generating, -separating, -focusing, -guiding (e.g. collimation) and / or -filtering characteristics. You may be in direct contact with the technical interface 3rd of the microelectronic sensor system 1 , but mandatory in direct contact with structures 2.1 the analytical sample 2nd .

Der Schritt der Immobilisierung von Fängerstrukturen auf der technischen Schnittstelle 3 des Halbleitersensors 4 des mikroelektronischen Sensorsystems 1 bedingt demnach gegebenenfalls Schritte einer Aktivierung und Funktionalisierung einer Sensor-Oberfläche. Biochemisch induzierte Signale oder Signaländerungen auf einer Sensoroberfläche können mittels des Halbleitersensors 4 in elektrische Signale umgewandelt und durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung 5, kurz auch als ASIC bezeichnet, verarbeitet werden.The step of immobilizing catcher structures on the technical interface 3rd of the semiconductor sensor 4th of the microelectronic sensor system 1 therefore possibly requires steps of activation and functionalization of a sensor surface. Biochemically induced signals or Signal changes on a sensor surface can be made using the semiconductor sensor 4th converted into electrical signals and through an application-specific integrated circuit 5 , also called ASIC for short.

Das mikroelektronische Sensorsystem 1 kann in Abhängigkeit der biologischen, chemischen und/oder biochemischen Analyseanwendung ein oder mehrere Halbleitersensoren 4 in definierter Anordnung, beispielsweise einer Matrix- und/oder Reihenanordnung, besitzen. Die Integration mehrerer Halbleitersensoren 4 kann folgende Funktionen und Vorteile im Einzelnen oder in Kombination realisieren, welche hier jedoch nicht abschließend genannt sind:

  • - Multiparametrische Signalverarbeitung: Diese beinhaltet die Messung verschiedener analytischer Parameter mit unterschiedlichen Nachweisreaktionen, wie z.B. pH-Wert-Messung, Sauerstoffmessung, Impedanzmessung usw. mittels verschiedener Arten von Halbleitersensoren 4 mit für den jeweiligen Parameter individuellen technischen Schnittstellen 3, wie beispielsweise ein ISFET mit pHsensitiver Schicht für eine pH-Wertmessung, Clark-Elektrodenkonfiguration mit Edelmetallbeschichtung für eine Sauerstoff-Messung oder Interdigitalelektroden für eine Impedanzmessung. Dadurch können über die Messung mehrerer Parameter Rückschlüsse auf die Eigenschaften der zu analysierenden Strukturen 2.1 in der Analysenprobe 2 gezogen werden.
  • - Durch eine größere Anzahl an Halbleitersensoren 4 einer bestimmten Art erhöht sich eine Messdatenvalidität des jeweilig zu messenden Parameters. Die Messdatenvalidität verbessert sich nochmals, wenn mehrere Halbleitersensoren 4 verschiedener Art für dieselbe Nachweisreaktion verwendet werden können.
  • - Eine größere Anzahl an Halbleitersensoren 4 ermöglicht außerdem verschiedene Analyten mit derselben Nachweisreaktion zu untersuchen.
  • - Durch die Verwendung mehrerer Halbleitersensoren 4 ist es möglich, ein oder mehrere Analyten parallel zu untersuchen.
The microelectronic sensor system 1 can, depending on the biological, chemical and / or biochemical analysis application, one or more semiconductor sensors 4th in a defined arrangement, for example a matrix and / or row arrangement. The integration of multiple semiconductor sensors 4th can implement the following functions and advantages individually or in combination, but these are not mentioned here conclusively:
  • - Multiparametric signal processing: This includes the measurement of various analytical parameters with different detection reactions, such as pH measurement, oxygen measurement, impedance measurement, etc. using different types of semiconductor sensors 4th with individual technical interfaces for the respective parameter 3rd , such as an ISFET with a pH sensitive layer for a pH measurement, Clark electrode configuration with a noble metal coating for an oxygen measurement or interdigital electrodes for an impedance measurement. This allows conclusions to be drawn about the properties of the structures to be analyzed by measuring several parameters 2.1 in the analytical sample 2nd to be pulled.
  • - By a larger number of semiconductor sensors 4th of a certain type increases the measurement data validity of the respective parameter to be measured. The measurement data validity improves again if several semiconductor sensors 4th different types can be used for the same detection reaction.
  • - A larger number of semiconductor sensors 4th also enables different analytes to be examined with the same detection reaction.
  • - By using several semiconductor sensors 4th it is possible to examine one or more analytes in parallel.

2 zeigt schematisch einen möglichen Ablauf zur Vorbereitung des mikroelektronischen Sensorsystems 1 und der Analysenprobe 2. 2nd shows schematically a possible sequence for preparing the microelectronic sensor system 1 and the analytical sample 2nd .

Eine Analysenprobenvorbereitung insbesondere der Zielstruktur involviert nicht zwangsweise das mikroelektronische Sensorsystem 1 direkt, sondern beinhaltet gegebenenfalls vom mikroelektronischen Sensorsystem 1 unabhängige und externe Prozesse und Maßnahmen. Insbesondere die Schritte einer Vervielfältigung und Markierung bedingen ressourcen-, insbesondere zeit- sowie kostenaufwändige, Prozesse, die aufgrund des hier beschriebenen mikroelektronischen Sensorsystems 1 reduziert oder sogar weggelassen werden können. Außerdem ist nicht ausgeschlossen, dass in Abhängigkeit des biologischen, chemischen und/oder biochemischen Nachweisprinzips sowie der verwendeten Strukturen 2.1 der Analysenprobe 2 Vorbereitungs- und Durchführungsschritte des dargestellten Ablaufs zusammengefasst, erweitert, ausgetauscht und/oder reduziert werden können.An analysis sample preparation, in particular of the target structure, does not necessarily involve the microelectronic sensor system 1 directly, but possibly includes the microelectronic sensor system 1 independent and external processes and measures. In particular, the steps of duplication and marking require resource-based, in particular time-consuming and costly, processes which are based on the microelectronic sensor system described here 1 can be reduced or even omitted. In addition, it is not excluded that depending on the biological, chemical and / or biochemical detection principle and the structures used 2.1 the analytical sample 2nd Preparation and implementation steps of the illustrated process can be summarized, expanded, exchanged and / or reduced.

Dabei erfolgt in einem ersten Schritt V1 zunächst eine Reinigung des mikroelektronischen Sensorsystems 1. In einem zweiten Schritt V2 erfolgen eine Aktivierung, Funktionalisierung und Immobilisierung der Fängerstruktur sowie eine Extraktion, Vervielfältigung und Markierung der Zielstruktur. In einem dritten Schritt V3 erfolgt eine Nachweisreaktion und in einem vierten Schritt V4 die entsprechende Detektion.In a first step V1 first cleaning the microelectronic sensor system 1 . In a second step V2 activation, functionalization and immobilization of the catcher structure as well as extraction, duplication and marking of the target structure take place. In a third step V3 there is a detection reaction and in a fourth step V4 the corresponding detection.

In den 3 bis 5 sind beispielhaft mögliche biologische, chemische und/oder biochemische Nachweisprinzipien der Bioanalytik mit

  • - genbasierten Strukturen 2.1, beispielsweise eine Hybridisierung von Einzelstrang- mit Komplementärstrang-DNA oder -RNA, mit und ohne Marker, katalysiert oder nicht-katalysiert usw.,
  • - proteinbasierten Strukturen 2.1, beispielsweise Antigen-Antikörper-Bindungsreaktion, mit und ohne Marker, katalysiert oder nicht-katalysiert usw. und
  • - zellbasierten Strukturen 2.1, beispielsweise Bindungsreaktionen, mit und ohne Marker, katalysiert oder nicht-katalysiert usw.
nach einem Schlüssel-Schloss-Prinzip inklusive Analysenprobenvorbereitung der Fängerstruktur, die für die optische Detektionsmethode durch Messung von Extinktion am Beispiel der Lichtabsorption und/oder Lumineszenz mit dem hier beschriebenen mikroelektronischen Sensorsystem 1 möglich ist, dargestellt.In the 3rd to 5 are examples of possible biological, chemical and / or biochemical detection principles of bioanalytics with
  • - gene-based structures 2.1 , for example a hybridization of single-stranded with complementary stranded DNA or RNA, with and without markers, catalyzed or uncatalyzed, etc.,
  • - protein-based structures 2.1 , for example antigen-antibody binding reaction, with and without marker, catalyzed or non-catalyzed etc. and
  • - cell-based structures 2.1 , for example binding reactions, with and without markers, catalyzed or non-catalyzed, etc.
According to a lock and key principle including sample preparation of the catcher structure, which is used for the optical detection method by measuring extinction using the example of light absorption and / or luminescence with the microelectronic sensor system described here 1 is possible.

Unabhängig von der zu untersuchenden Analysenprobe 2 kann das biologische, chemische und/oder biochemische Nachweisprinzip mit dem hier beschriebenen mikroelektronischen Sensorsystem 1 wie folgt aufgebaut sein:

  • Ausgehend von einem gereinigten mikroelektronischen Sensorsystem 1 in einer ersten Stufe S1 erfolgt eine Aktivierung und Funktionalisierung der Sensoroberfläche in einer zweiten Stufe S2. Daraufhin wird die Immobilisierung der Analysenprobe 2 durchgeführt, insbesondere jedoch einer eine Fängerstruktur beinhaltenden Analysekomponente inklusive der alleinigen Fängerstruktur selbst in einer dritten Stufe S3.
Independent of the analytical sample to be examined 2nd can the biological, chemical and / or biochemical detection principle with the microelectronic sensor system described here 1 be structured as follows:
  • Starting from a cleaned microelectronic sensor system 1 in a first stage S1 the sensor surface is activated and functionalized in a second stage S2 . Thereupon the immobilization of the analytical sample 2nd carried out, in particular, however, an analysis component including a catcher structure including the sole catcher structure itself in a third stage S3 .

Anschließend erfolgt in einer vierten Stufe S4 die Verbindung zwischen Fänger- und Zielstruktur oder zwischen Fänger- und Zielstruktur und einer an der Zielstruktur befindlichen Markierungsstruktur, die die optischen Eigenschaften der Analysenprobe 2 verändert. Diese Änderung der optischen Eigenschaften kann darauf beruhen, dass beispielsweise Licht bei einer und/oder mehreren Wellenlängen durch eine zusätzliche Präsenz der Zielstruktur stärker oder weniger stark absorbiert wird (siehe zur Stufe S4 gehörige Unterstufe a)). Eine weitere Möglichkeit ist, dass die an der Zielstruktur befindliche Markierungs-Struktur, die aus ein oder mehreren Komponenten bestehen kann und bei ein oder mehreren Verfahrensschritten der Analysenprobenvorbereitung an die Zielstruktur gebunden wird, zusätzliche oder die Absorption dominierende Eigenschaften bei ein und/oder mehreren Wellenlängen des Lichtes besitzt (siehe zur Stufe S4 gehörige Unterstufe b)). Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass die Markierungsstruktur durch Anregung von Licht definierter Wellenlänge vom Anregungslicht bezüglich der Wellenlänge unterscheidendes Licht emittiert und/oder die Zielstruktur und/oder Fänger-Ziel-Struktur und/oder andere Bestandteile der Analysenprobe 2 zur Lumineszenz anregt (siehe zur Stufe S4 gehörige Unterstufe c)). In einem weiteren Fall gemäß der zur Stufe S4 gehörigen Unterstufe d) benötigt die Kombination der Verbindung Fänger-Ziel-Markierungs-Struktur den Zusatz ein oder mehrerer biologisch, chemisch und/oder biochemisch reaktiver Komponenten gemäß einer fünften Stufe S5, um eine Veränderung der optischen Eigenschaften der Analysenprobe 2 durch Veränderung der Lichtabsorption (siehe zur Stufe S6 gehörige Unterstufe a)) und/oder Erzeugung von Lumineszenz (siehe zur Stufe S6 gehörige Unterstufe b)) durch gegebenenfalls einen katalytischen Prozess hervorzurufen. Then follows in a fourth stage S4 the connection between the catcher and target structure or between the catcher and target structure and a marking structure located on the target structure, which shows the optical properties of the analysis sample 2nd changed. This change in the optical properties can be due to the fact that, for example, light at one and / or more wavelengths is more or less strongly absorbed by an additional presence of the target structure (see the step S4 appropriate lower level a)). Another possibility is that the marking structure located on the target structure, which can consist of one or more components and is bound to the target structure in one or more process steps of the analysis sample preparation, has additional properties or properties dominating the absorption at one and / or several wavelengths of light (see level S4 appropriate lower level b)). Furthermore, there is the possibility that the marking structure emits light that differentiates the excitation light with respect to the wavelength by excitation of light of a defined wavelength and / or the target structure and / or catcher-target structure and / or other components of the analysis sample 2nd stimulates luminescence (see step S4 appropriate lower level c)). In another case, according to the level S4 associated sub-stage d), the combination of the compound catcher-target-marking structure requires the addition of one or more biologically, chemically and / or biochemically reactive components in accordance with a fifth stage S5 to change the optical properties of the analytical sample 2nd by changing the light absorption (see level S6 associated sub-stage a)) and / or generation of luminescence (see for stage S6 associated sub-stage b)) by possibly a catalytic process.

Dabei kann die zusätzliche reaktive Komponente zur Veränderung der optischen Eigenschaften mit der Markierungs- und/oder der Ziel- und/oder Fängerstruktur und/oder der Kombination einzelner oder der gesamten Strukturen 2.1 interagieren. Diese Veränderung der optischen Eigenschaften kann ein zeitlich andauernder Prozess sein, bis beispielsweise zum Erreichen eines Gleichgewichtszustandes, der gegebenenfalls zeitlich über die Interaktion zwischen Fänger-, Ziel-, Markierungsstruktur und/oder zusätzlichen reaktiven Strukturen hinaus besteht.The additional reactive component can be used to change the optical properties with the marking and / or the target and / or catcher structure and / or the combination of individual or the entire structures 2.1 to interact. This change in the optical properties can be a time-consuming process, for example until an equilibrium state is reached, which may exist in time beyond the interaction between catcher, target, marking structure and / or additional reactive structures.

Oder es handelt sich um eine Zustandsänderung, die unmittelbar durch die Interaktion zwischen Fänger-, Ziel-, Markierungsstruktur und/oder zusätzlichen reaktiven Strukturen erfolgt.Or it is a state change that takes place directly through the interaction between catcher, target, marker structure and / or additional reactive structures.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass nur eine teilweise Veränderung der optischen Eigenschaften der Analysenprobe 2 infolge einer beispielsweise nur teilweisen Verbindungsreaktion der Komponenten der Analysenprobe 2 erfolgt.There is also the possibility that only a partial change in the optical properties of the analysis sample 2nd due to, for example, only a partial connection reaction of the components of the analysis sample 2nd he follows.

In allen beschriebenen Fällen der Nutzung eines optischen Halbleitersensors 4 ist die Nutzung einer für die optische Analyse geeignete Strahlungsquelle 7 Grundvoraussetzung. Gegebenenfalls ist die Verwendung von optischen Komponenten, wie lichtführenden, lichtleitenden, lichtfokussierenden, lichtfilternden, lichtreflektierenden Komponenten und weiteren Komponenten notwendig.In all cases described using an optical semiconductor sensor 4th is the use of a radiation source suitable for optical analysis 7 Basic requirement. It may be necessary to use optical components such as light-guiding, light-guiding, light-focusing, light-filtering, light-reflecting components and other components.

Das hier beschriebene mikroelektronische Sensorsystem 1 ermöglicht Analysen biologischer, chemischer und/oder biochemischer Substanzen bzw. Strukturen 2.1 mithilfe von optischen Detektionsverfahren direkt auf dem zumindest einen Halbleitersensor 4 des mikroelektronischen Sensorsystems 1.The microelectronic sensor system described here 1 enables analyzes of biological, chemical and / or biochemical substances or structures 2.1 using optical detection methods directly on the at least one semiconductor sensor 4th of the microelectronic sensor system 1 .

Die Funktionsweise des mikroelektronischen Sensorsystems 1 und Verfahren zur optischen Analyse biologischer, chemischer und biochemischer Substanzen wird im Folgenden anhand des Prinzips der Lichtabsorption beschrieben. Es beruht auf dem Prinzip der Bestimmung der Extinktion oder der optischen Dichte, welche die Absorption, Streuung, Reflexion und/oder Beugung von elektromagnetischen Wellen, beispielsweise von Licht mit ein und/oder mehreren Wellenlängen, beinhalten kann. Die Extinktion und die optische Dichte werden direkt durch Fängerstruktur(en) und/oder Zielstruktur(en) und/oder Markierungsstruktur(en) und/oder in der Analysenprobe 2 befindliche sowie gegebenenfalls interagierende Struktur(en) 2.1 und/oder durch eine Kombination oder Interaktion aus den benannten biologischen, chemischen und/oder biochemischen Strukturen 2.1 verursacht.How the microelectronic sensor system works 1 and methods for the optical analysis of biological, chemical and biochemical substances are described below on the basis of the principle of light absorption. It is based on the principle of determining the extinction or the optical density, which can include the absorption, scattering, reflection and / or diffraction of electromagnetic waves, for example of light with one and / or more wavelengths. The absorbance and the optical density are determined directly by the capture structure (s) and / or target structure (s) and / or marking structure (s) and / or in the analysis sample 2nd existing and possibly interacting structure (s) 2.1 and / or by a combination or interaction of the named biological, chemical and / or biochemical structures 2.1 caused.

Der Einfachheit halber wird in der Beschreibung des hier beschriebenen mikroelektronischen Sensorsystems 1 und Verfahrens im Weiteren von der Lichtabsorption als dem dominierenden opto-physikalischen Effekt ausgegangen, ohne die Funktionsfähigkeit des mikroelektronischen Sensorsystems 1 und des beschriebenen Verfahrens auf die Nutzung dieses speziellen Effektes zu beschränken.For the sake of simplicity, the description of the microelectronic sensor system described here 1 and method further assumed light absorption as the dominant opto-physical effect without the functionality of the microelectronic sensor system 1 and to restrict the described method to the use of this special effect.

Die Absorption von Licht durch eine biologische, chemische und/oder biochemische Struktur 2.1 basiert auf dem grundlegenden Bouguer-Lambert-Beer'schen Gesetz der Photometrie: A = O D = l o g ( E e E r ) = ε c d

Figure DE102018218122A1_0001
mit:

A:
Absorbanz/Extinktion,
OD:
optische Dichte,
Ee:
von einer Strahlungsquelle 7 emittierte Bestrahlungsstärke,
Er:
empfangene Bestrahlungsstärke,
ε:
stoffspezifischer molarer Extinktionskoeffizient der vom Licht durchdrungenen Analysenprobe 2,
c:
Konzentration ein oder mehrerer Bestandteile der Analysenprobe 2 und
d:
Länge eines Lichtwegs durch die Analysenprobe 2.
The absorption of light by a biological, chemical and / or biochemical structure 2.1 is based on the basic Bouguer-Lambert-Beer law of photometry: A = O D = l O G ( E e E r ) = ε c d
Figure DE102018218122A1_0001
With:
A:
Absorbance / absorbance,
OD:
optical density,
E e :
from a radiation source 7 emitted irradiance,
He:
received irradiance,
ε:
substance-specific molar extinction coefficient of the analytical sample penetrated by light 2nd ,
c:
Concentration of one or more components of the analytical sample 2nd and
d:
Length of a light path through the analysis sample 2nd .

Das Bouguer-Lambert-Beer'sche-Gesetz gibt eine Aussage über eine empfangene und messbare Bestrahlungsstärke und eine einfallende Bestrahlungsstärke der Strahlung einer in 6 näher dargestellten Strahlungsquelle 7, die eine lichtabsorbierende Analysenprobe 2 durchdringt. Zusätzlich stellt das Gesetz einen direkten Zusammenhang zwischen Lichtabsorption und analytisch relevanten chemischen Größen, wie der Konzentration ein oder mehrerer Komponenten der Analysenprobe 2 und ihren lichtabsorbierenden Eigenschaften über den Extinktionskoeffizienten her.The Bouguer-Lambert-Beer law gives a statement about a received and measurable irradiance and an incident irradiance of the radiation in one 6 Radiation source shown in more detail 7 which is a light absorbing analytical sample 2nd penetrates. In addition, the law provides a direct connection between light absorption and analytically relevant chemical parameters, such as the concentration of one or more components of the analysis sample 2nd and their light-absorbing properties via the extinction coefficient.

Durch die bekannte Pfadlänge des Lichts und das Lichtschwächungsvermögen einer zu analysierenden Substanz kann aufgrund der Absorption von Licht auf die vorhandene Konzentration einer spezifischen Substanz geschlossen werden. Dabei kann die zu analysierende Substanz atomare, molekulare, gen-, protein- und/oder zellbasierte Strukturen 2.1 aufweisen und wellenlängenabhängige Extinktionseigenschaften bezüglich ihres spezifischen strukturellen Aufbaus besitzen.The known path length of the light and the light attenuation capacity of a substance to be analyzed can be used to infer the concentration of a specific substance from the absorption of light. The substance to be analyzed can have atomic, molecular, gene, protein and / or cell-based structures 2.1 and have wavelength-dependent absorbance properties with regard to their specific structural structure.

Die optische Analyse einer biologischen, chemischen und/oder biochemischen Analysenprobe 2 mittels der Messung von Lichtabsorption bedingt die Kenntnis der lichtschwächenden Eigenschaften folgender Komponenten:

  • - Der zu analysierenden Bestandteile der Analysenprobe 2, die für den Nachweis nicht ausschlaggebende aber gegebenenfalls interagierende Komponenten in der Analysenprobe 2 sind.
  • - Mindestens der Strukturen 2.1 der Analysenprobe 2, die maßgebend für die Änderung der optischen Eigenschaften der Analysenprobe 2, z. B. der Lichtschwächung, eindeutig von weiteren und gegebenenfalls interagierenden Komponenten der Analysenprobe 2 unterscheidbar sowie für die biologische, chemische und/oder biochemische Nachweisreaktion ausschlaggebend sind.
The optical analysis of a biological, chemical and / or biochemical analysis sample 2nd By measuring light absorption, knowledge of the light-attenuating properties of the following components is required:
  • - The components of the analytical sample to be analyzed 2nd , the components in the analytical sample that are not decisive for the detection but which may interact 2nd are.
  • - At least the structures 2.1 the analytical sample 2nd , which are decisive for the change in the optical properties of the analysis sample 2nd , e.g. B. the attenuation of light, clearly from further and possibly interacting components of the analysis sample 2nd are distinguishable and decisive for the biological, chemical and / or biochemical detection reaction.

In 6 sind ein Ausschnitt einer Vorrichtung 6 zur Analyse biologischer, chemischer und biochemischer Substanzen und die Analysenprobe 2 dargestellt.In 6 are a section of a device 6 for the analysis of biological, chemical and biochemical substances and the analysis sample 2nd shown.

Zusätzlich zu dem mikroelektronischen Sensorsystem 1 umfasst die Vorrichtung 6 eine Strahlungsquelle 7, welche elektromagnetische Strahlung definierter Wellenlänge und Strahlungsleistung in Richtung der Analysenprobe 2 emittiert, wobei die Strahlung mit dem zumindest einen Halbleitersensor 4 wechselwirkt.In addition to the microelectronic sensor system 1 comprises the device 6 a radiation source 7 which electromagnetic radiation of defined wavelength and radiation power in the direction of the analysis sample 2nd emitted, the radiation with the at least one semiconductor sensor 4th interacts.

Art, Aufbau und Eigenschaften der Analysenprobe 2 bestimmen die Auswahl und Einstellung einer geeigneten Strahlungsquelle 7 und damit die Definition der Wellenlänge und Strahlungsleistung der elektromagnetischen Strahlung für die biologische, chemische und/oder biochemische Analyse und hängen deshalb vom diagnostischen Anwendungsfall ab.Type, structure and properties of the analysis sample 2nd determine the selection and setting of a suitable radiation source 7 and thus the definition of the wavelength and radiation power of the electromagnetic radiation for biological, chemical and / or biochemical analysis and therefore depend on the diagnostic application.

Gegebenenfalls sind zusätzliche optische Komponenten 8, wie beispielsweise Linsen, Spiegel, Filter, Diffusoren, Monochromatoren, Kollimatoren und/oder andere Bestandteile vorgesehen, die die optische Analyse beeinflussende optische Eigenschaften besitzen, wie beispielsweise eine Absorption, Reflexion, Streuung und/oder Beugung beeinflussen und/oder wellenlängenerzeugende, -separierende, -fokussierende, -führende und/oder -filternde Charakteristiken aufweisen. Diese optischen Komponenten 8 sind gegebenenfalls zwischen der Strahlungsquelle 7 und dem mikroelektronischen Sensorsystem 1 angeordnet und stehen bei der Analyse in einer möglichen Ausgestaltung in direktem Kontakt mit der Analysenprobe 2 und/oder der Strahlungsquelle 7.There may be additional optical components 8th , such as lenses, mirrors, filters, diffusers, monochromators, collimators and / or other components are provided which have optical properties influencing the optical analysis, such as, for example, influencing absorption, reflection, scattering and / or diffraction and / or wavelength-generating, separating , -focusing, -guiding and / or -filtering characteristics. These optical components 8th are possibly between the radiation source 7 and the microelectronic sensor system 1 arranged and are in direct contact with the analysis sample in the analysis in a possible embodiment 2nd and / or the radiation source 7 .

Eine Raumausrichtung der Strahlungsquelle 7 und ein Raumwinkel der Strahlung in Bezug zu den beschriebenen Komponenten des mikroelektronischen Sensorsystem 1 sowie möglicher optischer Komponenten 8 sind entsprechend der biologischen, chemischen und/oder biochemischen Analyseanwendung im Sinne einer optimalen Signalerfassung, -konvertierung und/oder -verarbeitung definiert.A spatial orientation of the radiation source 7 and a solid angle of the radiation in relation to the described components of the microelectronic sensor system 1 as well as possible optical components 8th are defined according to the biological, chemical and / or biochemical analysis application in terms of optimal signal acquisition, conversion and / or processing.

Im Folgenden werden Grundkomponenten eines mikroelektronischen Sensorsystems 1 zur Analyse biologischer, chemischer und/oder biochemischer Analysenproben 2 anhand von 7 im Allgemeinen benannt und beispielhaft erläutert.The following are basic components of a microelectronic sensor system 1 for the analysis of biological, chemical and / or biochemical analysis samples 2nd based on 7 generally named and exemplified.

Das mikroelektronische Sensorsystem 1 besteht dabei aus ein oder mehreren Mikroelektronik-Blöcken. Einen wesentlichen Bestandteil bilden dabei die Blöcke des Halbleitersensors 4 und eines Signalverarbeitungspfades 9.The microelectronic sensor system 1 consists of one or more microelectronic blocks. The blocks of the semiconductor sensor form an essential component 4th and a signal processing path 9 .

Der Block des Halbleitersensors 4 umfasst dabei zumindest einen lichtempfindlichen optischen Halbleitersensor 4, der beispielsweise eine Photodiode PD, eine Avalanche-Photodiode eine Single-Photon-Avalanche-Diode, einen Silicon-Photomultiplier, eine Charge Coupled Device, einen Phototransistor, eine Photomultiplier Tube und/oder eine spezielle Art einer Photodiode PD, beispielsweise eine Mehrtransistor-Pixel-Architektur usw., oder eine Kombination aus diesen umfasst. The block of the semiconductor sensor 4th comprises at least one light-sensitive optical semiconductor sensor 4th , for example a photodiode PD , an avalanche photodiode, a single-photon avalanche diode, a silicon photomultiplier, a charge coupled device, a phototransistor, a photomultiplier tube and / or a special type of photodiode PD , for example a multi-transistor pixel architecture, etc., or a combination of these.

Der optische Halbleitersensor 4 besitzt die Eigenschaft, ihn erreichendes Licht definierter Bestrahlungsstärke und Wellenlänge entsprechend seiner optischen Eigenschaften in einen elektrischen Strom, den so genannten Photostrom IPD , welcher in 9 näher dargestellt ist, umzuwandeln. Die Änderung des von ihm generierten elektrischen Signals ist entsprechend seiner optischen Eigenschaften proportional zur Änderung der Bestrahlungsstärke des auftreffenden Lichtes.The optical semiconductor sensor 4th has the property of reaching light of defined irradiance and wavelength according to its optical properties into an electrical current, the so-called photocurrent I PD which in 9 is shown in detail to convert. The change in the electrical signal generated by it is proportional to the change in the irradiance of the incident light, in accordance with its optical properties.

Der Block „Halbleitersensor 4“ kann neben dem Halbleitersensor 4 selbst zusätzliche signalverarbeitende, wie beispielsweise signalverstärkende, beispielsweise eine in 9 näher dargestellte Verstärkerschaltung 16, signalkonvertierende und/oder signalfilternde Komponenten in einem Signalverarbeitungspfad 9 umfassen. Diese können einen oder mehrere Transistoren, die im Falle eines optischen Halbleitersensors 4 Signalverarbeitungseigenschaften eines passiven Transistor-Pixels (PPS), eines aktiven Transistor-Pixels (APS) oder eines digitalen Pixel-Sensors (DPS) aufweisen, die als Transistor-Pixel-Architekturen aus der Entwicklung von CMOS-Image Sensoren bekannt sind, umfassen. Alternativ oder zusätzlich können die Komponenten als Verstärkerschaltung 16 einen oder mehrere Stromspiegel, die einen Strom, im Falle des optischen Halbleitersensors 4 den Photostrom IPD , mit definiertem Verhältnis und Vorzeichen spiegeln, und/oder eine oder mehrere mikroelektronische Verstärker-Topologien und/oder weitere Signalverarbeitungs-Topologien, wie beispielsweise Transimpedanz-Verstärker (TIA), Chopper-Verstärker, Lock-in-Verstärker usw., und/oder Signalverarbeitungskonzepte, wie beispielsweise korrelierte Doppelabtastung (CDS), Doppel-Delta-Abtastung (DDS), korrelierte multiple Abtastung (CMS), Signal-integrierende Schaltungen (Integratorschaltung 10.1), Komparatorschaltungen 10.2 und Zählerschaltungen 10.4, Analog-zu-DigitalWandler, Digital-zu-Analog-Wandler, aktive und/oder passive Filter usw., umfassen.The block “semiconductor sensor 4th “Can next to the semiconductor sensor 4th even additional signal processors, such as signal amplifiers, for example an in 9 amplifier circuit shown in more detail 16 , signal converting and / or signal filtering components in a signal processing path 9 include. These can be one or more transistors in the case of an optical semiconductor sensor 4th Signal processing properties of a passive transistor pixel (PPS), an active transistor pixel (APS) or a digital pixel sensor (DPS), which are known as transistor pixel architectures from the development of CMOS image sensors. Alternatively or additionally, the components can be used as an amplifier circuit 16 one or more current mirrors that represent a current, in the case of the optical semiconductor sensor 4th the photocurrent I PD , with a defined ratio and sign, and / or one or more microelectronic amplifier topologies and / or further signal processing topologies, such as, for example, transimpedance amplifier (TIA), chopper amplifier, lock-in amplifier, etc., and / or Signal processing concepts such as correlated double sampling (CDS), double delta sampling (DDS), correlated multiple sampling (CMS), signal-integrating circuits (integrator circuit 10.1 ), Comparator circuits 10.2 and counter circuits 10.4 , Analog-to-digital converters, digital-to-analog converters, active and / or passive filters, etc., include.

Die für den Halbleitersensor 4 aufgeführten signalverarbeitenden Strukturen können außerdem einzeln und in Kombination im weiterführenden Signalverarbeitungspfad 9 nach dem Halbleitersensor 4 des mikroelektronischen Sensorsystems 1 zusätzliche Signalverarbeitungsstrukturen 10 sein. Das ist vor allem dann von Vorteil, wenn das mikroelektronische Sensorsystem 1 aufgrund der analytischen Anwendung eine hohe Anzahl an Halbleitersensoren 4 aufweisen muss.The one for the semiconductor sensor 4th The signal processing structures listed can also be used individually and in combination in the additional signal processing path 9 after the semiconductor sensor 4th of the microelectronic sensor system 1 additional signal processing structures 10th his. This is particularly advantageous if the microelectronic sensor system 1 due to the analytical application a large number of semiconductor sensors 4th must have.

Ein Beispiel hierfür sei die DNA-Sequenzierung mit beispielsweise ISFET-Sensoren. Je höher die Sensoranzahl ist, desto mehr DNA bzw. DNA-Sequenzen können analysiert werden. Die Anzahl der Halbleitersensoren 4 bedingt aber auch Abmaße des mikroelektronischen Sensorsystems 1. Da die Größe des mikroelektronischen Sensorsystems 1 einen entscheidenden Kostenfaktor darstellt, ist man bei einer hohen Anzahl an Halbleitersensoren 4 darauf bedacht, die Sensorgröße so gering wie möglich zu gestalten, dementsprechend signalverarbeitende Strukturen, siehe Beispiel Transistor-Pixel-Architektur, auf ein Minimum zu reduzieren und großflächige Signalverarbeitungskomponenten außerhalb der Sensormatrix im mikroelektronischen Sensorsystem 1 auszulagern.An example of this is DNA sequencing with, for example, ISFET sensors. The higher the number of sensors, the more DNA or DNA sequences can be analyzed. The number of semiconductor sensors 4th but also requires dimensions of the microelectronic sensor system 1 . Because the size of the microelectronic sensor system 1 is a crucial cost factor when you have a large number of semiconductor sensors 4th is careful to keep the sensor size as small as possible, accordingly reducing signal processing structures, see example transistor pixel architecture, to a minimum and large-area signal processing components outside the sensor matrix in the microelectronic sensor system 1 outsource.

Eine hohe Anzahl an Sensoren führt jedoch auch eine Reihe von Nachteilen für die Signalverarbeitung mit sich. Eine hohe Sensor-Anzahl bedeutet zumeist und in Abhängigkeit der schaltungstechnischen Komplexität des Halbleitersensors 4 auch eine hohe Anzahl an signalführenden Leitungen. Da diese zudem oft auch digitale Signale führen, kann es zu Störeinkopplungen und Signalübersprechen auf den Halbleitersensor 4 sowie unter den Halbleitersensoren 4 kommen, die die Signalverarbeitung negativ beeinflussen. Außerdem führen Ungleichheiten der Sensor- sowie anschließender Signalverarbeitungskomponenten beispielsweise aufgrund von Prozessschwankungen im technologischen Herstellungsverfahren zu intrinsischen Nichtlinearitäten der verwendeten Komponenten, nicht idealem systemischen Aufbau und/oder Platzierung der Komponenten usw. sowie zu weiteren Problemen in der Signalverarbeitung. Diese können wiederum durch ein geeignetes Signalverarbeitungsverfahren inner- und/oder außerhalb des mikroelektronischen Sensorsystems 1 teilweise gelöst werden, erfordern jedoch auch eine erhöhte systemische Komplexität inner- und/oder außerhalb des mikroelektronischen Sensorsystems 1. Dies spiegelt sich zumeist in den Kosten wieder.However, a large number of sensors also have a number of disadvantages for signal processing. A high number of sensors usually means and depending on the circuit complexity of the semiconductor sensor 4th also a large number of signal-carrying lines. Since these also often carry digital signals, interference can occur and signal crosstalk to the semiconductor sensor 4th as well as among the semiconductor sensors 4th come that negatively affect the signal processing. In addition, inequalities in the sensor and subsequent signal processing components, for example due to process fluctuations in the technological manufacturing process, lead to intrinsic non-linearities of the components used, non-ideal systemic structure and / or placement of the components, etc. and to further problems in signal processing. These can in turn be made by a suitable signal processing method inside and / or outside the microelectronic sensor system 1 partially solved, but also require increased systemic complexity inside and / or outside the microelectronic sensor system 1 . This is mostly reflected in the costs.

Das hier beschriebene mikroelektronische Sensorsystem 1 mit applikationsspezifischen integrierten Schaltungen 5 zur Verarbeitung analoger und/oder digitaler Signale (Mixed-Signal) bietet hierbei die Möglichkeit des Kompromisses zwischen notwendiger systemischer Komplexität und optimaler Signalverarbeitung im Sinne der biologischen, chemischen und/oder biochemischen analytischen Anwendung.The microelectronic sensor system described here 1 with application-specific integrated circuits 5 for processing analog and / or digital signals (mixed signal) offers the possibility of a compromise between the necessary systemic complexity and optimal signal processing in the sense of biological, chemical and / or biochemical analytical application.

Weitere Signalverarbeitungsstrukturen 10 können flüchtige und/oder nichtflüchtige Speicherelemente, wie beispielsweise eine Kapazität, ROM-Speicher, RAM-Speicher usw., im mikroelektronischen Sensorsystem 1 integrierte Mikroprozessor-Architekturen sowie mikroelektronische Strukturen sein, die das mikroelektronische Sensorsystem 1 zur drahtlosen Kommunikation, beispielsweise über RFID, NFC, Bluetooth, ZigBEE, WiFi, IR usw., mit mikroelektronikexternen Systemkomponenten befähigt. Other signal processing structures 10th can volatile and / or non-volatile memory elements, such as a capacity, ROM memory, RAM memory, etc., in the microelectronic sensor system 1 integrated microprocessor architectures as well as microelectronic structures that are the microelectronic sensor system 1 capable of wireless communication, for example via RFID, NFC, Bluetooth, ZigBEE, WiFi, IR etc., with system components external to microelectronics.

Eine zusätzliche Systemkomponente bildet eine digitale Schnittstelle 11, beispielsweise ein IC, SPI usw., die eine Kommunikation zwischen dem mikroelektronischen Sensorsystem 1 und mikroelektronikexternen Systemkomponenten ermöglicht. Dies beinhaltet unter anderem zum einen eine Konfiguration des mikroelektronischen Sensorsystems 1, um definierte Eigenschaften und Funktionen des mikroelektronischen Sensorsystems 1 einzustellen. Dies kann beispielsweise eine Auswahl einer Art und eines Ablaufs einer Signalverarbeitung, -erzeugung, -weiterleitung und -speicherung von analogen und/oder digitale Signalen, Verstärkungen, Filtern, einer differentiellen und/oder bezugspunktbezogenen Signalverarbeitung, einer AD-Wandlung und/oder umgekehrten DA-Wandlung, Speicherung von Signalen in flüchtigen und/oder nicht-flüchtigen Speicherelementen, fortführende Signalverarbeitung in im mikroelektronischen Sensorsystem 1 integrierte Mikroprozessor-Architekturen, mikroelektronische Strukturen zur drahtlosen Kommunikation beispielsweise über RFID, NFC, Bluetooth, ZigBEE, WiFi, IR usw., eine Auswahl des signalkonvertierenden Halbleitersensors 4 und/oder Auswahl und Verbindung signalkonvertierender Halbleitersensoren 4, interne und/oder externe elektrische Versorgungen 12 und andere Funktionen umfassen. Zum anderen werden vom mikroelektronischen Sensorsystem 1 verarbeitete analoge und/oder digitale Signale an mikroelektronikexterne Systemkomponenten übertragen. An additional system component is a digital interface 11 , for example an IC, SPI, etc., which provide communication between the microelectronic sensor system 1 and system components external to microelectronics. Among other things, this includes a configuration of the microelectronic sensor system 1 to defined properties and functions of the microelectronic sensor system 1 adjust. This can include, for example, a selection of a type and a sequence of signal processing, generation, forwarding and storage of analog and / or digital signals, amplifications, filters, differential and / or reference-point-related signal processing, AD conversion and / or reverse DA -Conversion, storage of signals in volatile and / or non-volatile memory elements, continuing signal processing in the microelectronic sensor system 1 Integrated microprocessor architectures, microelectronic structures for wireless communication, for example via RFID, NFC, Bluetooth, ZigBEE, WiFi, IR etc., a selection of the signal-converting semiconductor sensor 4th and / or selection and connection of signal-converting semiconductor sensors 4th , internal and / or external electrical supplies 12th and include other functions. On the other hand, the microelectronic sensor system 1 Processed analog and / or digital signals to system components external to microelectronics.

Eine weitere wichtige Komponente bildet eine elektrische Versorgung 12, welche beispielsweise durch einen so genannten Bias-Block gebildet ist. In diesem Block werden elektrische Ströme und/oder Spannungen generiert, die der elektrischen Versorgung 12 anderer mikroelektronischer Strukturen dienen und/oder Referenzsignale beispielsweise für die Signalverarbeitung bereitstellen.Another important component is an electrical supply 12th , which is formed, for example, by a so-called bias block. In this block, electrical currents and / or voltages are generated that are used for the electrical supply 12th serve other microelectronic structures and / or provide reference signals, for example for signal processing.

Im Folgenden wird ein Beispiel für ein mikroelektronisches Sensorsystem 1 und ein Verfahren zur optischen Analyse biologischer, chemischer und/oder biochemischer Analysenproben 2 beschrieben. Die Hybridisierung von DNA/RNA, konkret für den in 3, dritte Stufe 3 bis vierte Stufe 4, Unterstufe a) beschriebenen Fall, bildet beispielhaft und nicht darauf beschränkt die ausgehende Nachweisreaktion für die Beschreibung der Funktionalität und den Aufbau des Systems im Sinne einer analytisch relevanten Anwendung.The following is an example of a microelectronic sensor system 1 and a method for the optical analysis of biological, chemical and / or biochemical analysis samples 2nd described. The hybridization of DNA / RNA, specifically for the in 3rd , third step 3rd to fourth stage 4th , Sub-stage a) described, forms an example and not limited to the outgoing detection reaction for the description of the functionality and the structure of the system in the sense of an analytically relevant application.

Das biochemische Nachweisverfahren nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip ist so gestaltet, dass die biochemische Nachweisreaktion durch die Hybridisierung von DNA/RNA (Verbindung von zwei Einzelsträngen zum Doppelstrang) so erfolgt, dass dieser Vorgang die optischen Eigenschaften der Analysenprobe 2 nachweisbar macht, d. h. optisch bzw. opto-elektronisch messbar und spezifisch beeinflusst.The biochemical detection method based on the lock and key principle is designed in such a way that the biochemical detection reaction takes place through the hybridization of DNA / RNA (connection of two single strands to the double strand) in such a way that this process affects the optical properties of the analysis sample 2nd provable, ie optically or opto-electronically measurable and specifically influenced.

Dabei sind folgende Informationen wichtig: DNA und RNA absorbieren Licht im ultravioletten Wellenlängenbereich bei ca. 260 nm, wobei jede Base der DNA/RNA ein spezifisches UV-Absorptionsspektrum und -maximum aufweist. Durch dieses charakteristische Absorptionsspektrum ist es mit einem geeigneten optischen Messprinzip im UV-Wellenlängenbereich möglich, jede Basen-Art (DNA: Adenin (A), Thymin (T); bei RNA Uracil (U), Guanin (G), Cytosin (C)) aufgrund ihrer Molekülstruktur zu identifizieren. Dadurch ist es auch möglich, DNA oder RNA zu sequenzieren.The following information is important: DNA and RNA absorb light in the ultraviolet wavelength range at approx. 260 nm, whereby each base of the DNA / RNA has a specific UV absorption spectrum and maximum. This characteristic absorption spectrum makes it possible, with a suitable optical measuring principle in the UV wavelength range, to use any base type (DNA: adenine (A), thymine (T); for RNA uracil (U), guanine (G), cytosine (C) ) to identify based on their molecular structure. This also makes it possible to sequence DNA or RNA.

Ferner besteht die Möglichkeit, durch Messung der Extinktion, beispielsweise der Lichtabsorption, im UV-Wellenlängenbereich bei ca. 260 nm zwischen einzel- und doppelsträngiger DNA/RNA zu unterscheiden. Aufgrund des Effektes der Hypochromizität kommt es zu einer Abnahme der Extinktion, beispielsweise der Lichtabsorption, im UV-Wellenlängenbereich bei ca. 260 nm, wenn sich zwei komplementäre DNA/RNA-Einzelstränge infolge einer Hybridisierung zu einem DNA/RNA-Doppelstrang verbinden. Beispielsweise abhängig von teilweise stattgefundenen Hybridisierungen komplementärer DNA/RNA-Bereiche und/oder DNA/RNA-Basenketten, die beispielsweise über komplementären DNA/RNA-Bereichen überstehen, kann dieser Effekt neutralisiert oder sogar umgekehrt werden. Zusätzlich kann die räumliche Orientierung und Anordnung der DNA/RNA bezogen zum Halbleitersensor 4 Einflüsse auf die Messbedingungen darstellen. Mögliche Formen der Hybridisierung sowie Arten der räumlichen Orientierung und Anordnungen können dabei sein:

  • - Vollständig hybridisiert und 90° zur Sensoroberfläche ausgerichtet;
  • - vollständig hybridisiert und 90° zur Sensoroberfläche ausgerichtet und nichthybridisierter Einzelstrang, Überstand der Ziel-DNA;
  • - teilweise hybridisiert, die gesamte DNA liegt auf der Sensorberfläche und Einzelstrang-Bereiche der Ziel-DNA sind willkürlich im Raum zum Halbleitersensor 4 ausgerichtet;
  • - teilweise hybridisiert, 90° zur Sensoroberfläche ausgerichtet und sehr langer Überstand der Ziel-DNA, der willkürlich im Raum angeordnet ist („Knäuel“);
  • - Mischzustände der beispielhaft benannten Hybridisierungsformen sowie der Arten der Anordnung und Orientierung der DNA/RNA.
It is also possible to distinguish between single and double stranded DNA / RNA by measuring the absorbance, for example light absorption, in the UV wavelength range at approximately 260 nm. Due to the effect of hypochromicity, there is a decrease in absorbance, for example light absorption, in the UV wavelength range at approximately 260 nm when two complementary DNA / RNA single strands combine to form a DNA / RNA double strand as a result of hybridization. For example, depending on partial hybridizations of complementary DNA / RNA regions and / or DNA / RNA base chains that, for example, survive over complementary DNA / RNA regions, this effect can be neutralized or even reversed. In addition, the spatial orientation and arrangement of the DNA / RNA in relation to the semiconductor sensor 4 can represent influences on the measurement conditions. Possible forms of hybridization as well as types of spatial orientation and arrangements can be:
  • - Fully hybridized and aligned 90 ° to the sensor surface;
  • - fully hybridized and aligned at 90 ° to the sensor surface and non-hybridized single strand, supernatant of the target DNA;
  • - partially hybridized, the entire DNA lies on the sensor surface and single-stranded areas of the target DNA are arbitrarily in the space to the semiconductor sensor 4th aligned;
  • - partially hybridized, aligned 90 ° to the sensor surface and very long overhang Target DNA, which is randomly arranged in the room ("ball");
  • - Mixed states of the hybridization forms named by way of example and the types of arrangement and orientation of the DNA / RNA.

Ungeachtet dessen, bildet das Prinzip der Hybridisierung von DNA/RNA eine wichtige diagnostische Technik in der Molekulargenetik um Krankheiten zu diagnostizieren. Im Umkehrschluss bietet der Nachweis einer Hybridisierung von DNA/RNA durch Messung der Extinktion, beispielsweise der Lichtabsorption, im UV-Wellenlängenbereich des Lichts die Möglichkeit, Krankheiten zu diagnostizieren. Ferner ist es möglich, mittels jeder Art der Nachweisreaktion nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip beliebiger biologischer, chemischer und/oder biochemischer Analysenproben 2 mit atomaren, molekularen, gen-, protein- und/oder zellbasierten Strukturen 2.1, die beispielsweise infolge einer Verbindungsreaktion eine Extinktion von Licht im UV-, sichtbaren (VIS), nahinfraroten (NIR) und infraroten (IR) Wellenlängenbereich verursachen, durch Messung der selbigen pathogene Veränderungen zu detektieren und gegebenenfalls Krankheiten zu diagnostizieren. Hierbei wird auf die möglichen Formen der bereits beschriebenen biologischen, chemischen und/oder biochemischen Nachweisprinzipien ohne Anspruch auf Vollständigkeit verwiesen, für die die Anwendung und Funktionsweise des beschriebenen mikroelektronischen Sensorsystems 1 Gültigkeit besitzen.Regardless, the principle of hybridization of DNA / RNA is an important diagnostic technique in molecular genetics to diagnose diseases. Conversely, the detection of hybridization of DNA / RNA by measuring the absorbance, for example light absorption, in the UV wavelength range of light offers the possibility of diagnosing diseases. It is also possible to use any type of detection reaction according to the key-lock principle of any biological, chemical and / or biochemical analysis sample 2nd with atomic, molecular, gene, protein and / or cell-based structures 2.1 which, for example as a result of a connection reaction, cause an absorbance of light in the UV, visible (VIS), near-infrared (NIR) and infrared (IR) wavelength range to be detected by measuring the same pathogenic changes and, if appropriate, diagnosing diseases. Reference is made here to the possible forms of the biological, chemical and / or biochemical detection principles already described without claiming to be complete, for which the application and functioning of the microelectronic sensor system described 1 Have validity.

Außerdem gelten auch für diese Beispiele die für die DNA/RNA beschriebenen Effekte und Einflussfaktoren auf die Messbedingungen, beispielsweise bezüglich der räumlichen Anordnung und Orientierung sowie der Art und Qualität von Verbindungsprozessen und Reaktionen in den biologischen, chemischen und/oder biochemischen Analysenproben 2.In addition, the effects and influencing factors described for the DNA / RNA on the measurement conditions also apply to these examples, for example with regard to the spatial arrangement and orientation as well as the type and quality of connection processes and reactions in the biological, chemical and / or biochemical analysis samples 2nd .

Der strukturelle Aufbau aus Mikroelektronikblöcken eines Beispiels des hier beschriebenen mikroelektronischen Sensorsystems 1 zur optischen Analyse biologischer, chemischer und/oder biochemischer Substanzen ist in 8 dargestellt.The structural construction from microelectronic blocks of an example of the microelectronic sensor system described here 1 for optical analysis of biological, chemical and / or biochemical substances is in 8th shown.

Das mikroelektronische Sensorsystem 1 umfasst einen oder mehrere jeweils als Photodiode PD ausgebildete Halbleitersensoren 4.The microelectronic sensor system 1 comprises one or more each as a photodiode PD trained semiconductor sensors 4th .

Ein in der zumindest einen Photodiode PD generierter Photostrom IPD wird in einer oder mehreren als Stromspiegel (Current Mirror - CM) ausgebildeten Verstärkerschaltungen 16 in Verhältnissen definierter Größe und Vorzeichen gespiegelt und damit vorverarbeitet. Die Photodiode PD und die als Stromspiegel ausgebildete Verstärkerschaltung 16 bilden dabei zusammen den Block Halbleitersensor 4.One in the at least one photodiode PD generated photocurrent I PD is in one or more amplifier circuits designed as a current mirror (CM) 16 mirrored in proportions of defined size and sign and thus preprocessed. The photodiode PD and the amplifier circuit designed as a current mirror 16 together form the block semiconductor sensor 4th .

Der vorverarbeitete Photostrom IPD wird dann in weiteren Signalverarbeitungsstrukturen 10 weiterverarbeitet. Die Signalverarbeitungsstrukturen 10 bilden dabei gemeinsam mit der Verstärkerschaltung 16 eine Einstellvorrichtung 17 zur Einstellung eines Dynamikbereichs und/oder einer Signalauflösung des mittels des zumindest einen Halbleitersensors 4 generierten elektrischen Signals, insbesondere des Photostroms IPD , und umfassen eine Integratorschaltung 10.1, umfassend eine oder mehrere in 9 näher dargestellte Kapazitäten CINT definierter Größe und ein Referenzpotential, sowie eine Komparatorschaltung 10.2 mit zumindest einem Schwellwertkomparator. Ein Strom-Digital-zu-Analog-Wandler 10.3 (IDAC) ist mit einem Signalknotenpunkt (Summationspunkt) zwischen beispielsweise als Stromspiegel ausgebildeten Verstärkerschaltungen 16 und der Integratorschaltung 10.1 verbunden.The pre-processed photocurrent I PD is then used in other signal processing structures 10th processed further. The signal processing structures 10th form together with the amplifier circuit 16 an adjusting device 17th for setting a dynamic range and / or a signal resolution of the by means of the at least one semiconductor sensor 4th generated electrical signal, especially the photocurrent I PD , and include an integrator circuit 10.1 , comprising one or more in 9 Capacities CINT of a defined size and a reference potential, as well as a comparator circuit 10.2 with at least one threshold comparator. A current digital to analog converter 10.3 (IDAC) is with a signal node (summation point) between, for example, amplifier circuits designed as current mirrors 16 and the integrator circuit 10.1 connected.

Weiterhin ist eine Zählerschaltung 10.4 vorgesehen. Die Zählerschaltung 10.4 ist wiederum mit der digitalen Schnittstelle 11, ausgebildet als so genanntes I2C-Interface, gekoppelt. Weitere Blöcke des mikroelektronischen Sensorsystems 1 sind ein Identifikationsblock 13, ein Temperatursensor 14, die elektrische Versorgung 12 sowie eine Heizstruktur 15.There is also a counter circuit 10.4 intended. The counter circuit 10.4 is again with the digital interface 11 , designed as a so-called I 2 C interface, coupled. Additional blocks of the microelectronic sensor system 1 are an identification block 13 , a temperature sensor 14 who have favourited Electrical Supply 12th as well as a heating structure 15 .

Gemäß eines in 9 dargestellten Ausführungsbeispiels eines Signalpfads des mikroelektronischen Sensorsystems 1 wird die Funktion des in 8 dargestellten mikroelektronischen Sensorsystems 1 im Folgenden beschrieben. In 10 sind zeitliche Signalverläufe von in dem Signalpfad gemäß 9 vorhandenen Signalen dargestellt.According to one in 9 illustrated embodiment of a signal path of the microelectronic sensor system 1 the function of the in 8th shown microelectronic sensor system 1 described below. In 10th are temporal waveforms according to in the signal path 9 represented existing signals.

Einfallendes Licht mit der empfangenen Bestrahlungsstärke Er wird durch den als Photodiode PD ausgebildeten Halbleitersensor 4 entsprechend seiner Eigenschaften in einen definierten Photostrom IPD umgewandelt. Die zumindest eine sich anschließende Verstärkerschaltung 16, welche beispielsweise als Stromspiegel ausgebildet ist, verstärkt die generierten Photoströme IPD im definierten Verhältnis und die Vorzeichen zum Signalknotenpunkt. Spiegelverhältnisse 1:G mit einem Verstärkungsfaktor G können über Register der digitalen Schnittstelle 11 durch einen Anwender eingestellt werden. Damit können biochemisch induzierte Signale durch die Photodiode PD direkt in ein elektrisches Signal umgewandelt und gegebenenfalls verstärkt werden.Incident light with the received irradiance It is used as a photodiode PD trained semiconductor sensor 4th according to its properties in a defined photocurrent I PD converted. The at least one subsequent amplifier circuit 16 , which is designed, for example, as a current mirror, amplifies the generated photocurrents I PD in the defined ratio and the sign to the signal node. Mirror ratio 1: G with a gain factor G can via register of the digital interface 11 can be set by a user. This allows biochemically induced signals through the photodiode PD directly converted into an electrical signal and amplified if necessary.

Eine direkte Signalkonversion und -verstärkung verbessert das Signal-zu-Rausch-Verhältnis und macht die Signalweiterverarbeitung robuster gegenüber Störeinkopplungen, was einen wesentlichen Vorteil gegenüber optischen Messsystemen darstellt, bei denen sich die Analysenproben 2 nicht direkt oder in unmittelbarer Nähe zur Sensoroberfläche befinden.A direct signal conversion and amplification improves the signal-to-noise ratio and makes signal processing more robust against interference coupling, which is a significant advantage over optical measuring systems in which the analysis samples are 2nd not directly or in close proximity to the sensor surface.

Die zumindest eine als Stromspiegel ausgebildete Verstärkerschaltung 16 ist dabei so dimensioniert, dass sie eine besonders hohe Linearität sowohl im Klein- als auch Großsignalverhalten und zudem einen sehr großen Dynamikbereich der Photoströme IPD zulassen. Jeder Halbleitersensor 4 kann bei mehrfacher Existenz im Zeilen- und/oder Matrixverbund einzeln und/oder gekoppelt über die Register der digitalen Schnittstelle 11 durch den Anwender ausgewählt werden. The at least one amplifier circuit designed as a current mirror 16 is dimensioned so that it has a particularly high linearity in both small and large signal behavior and also a very large dynamic range of the photocurrents I PD allow. Any semiconductor sensor 4th can exist in the case of multiple existence in the row and / or matrix combination individually and / or coupled via the registers of the digital interface 11 selected by the user.

Der vorverarbeitete Photostrom IPD wird in der Integratorschaltung 10.1, der eine mikroelektronische Kapazität CINT definierter Größe umfasst sowie ein definiertes Referenzpotential besitzt, geladen. Solange kein Photostrom IPD auf die Kapazität CINT integriert wird, beispielsweise vor einem Auslesen und/oder Umschalten zwischen gegebenenfalls mehreren Halbleitersensoren 4, wird die Kapazität CINT über einen mikroelektronischen Schalter SDC entladen. Dies verhindert eine Übertragung signalverfälschender Ladungsträger beim Auslesen des zumindest einen Halbleitersensors 4.The pre-processed photocurrent I PD is in the integrator circuit 10.1 which has a microelectronic capacity C INT includes a defined size and has a defined reference potential. As long as no photocurrent I PD on capacity C INT is integrated, for example before reading out and / or switching between possibly several semiconductor sensors 4th , the capacity C INT discharge via a microelectronic switch SDC. This prevents transmission of signal-distorting charge carriers when reading out the at least one semiconductor sensor 4th .

Das integrierende Signalverarbeitungsverfahren mit der Kapazität CINT begünstigt ebenfalls das Signal-zu-Rausch-Verhältnis, indem hochfrequentes Rauschen durch die natürliche Tiefpass-Charakteristik des elektronischen Schaltungskonzepts verringert werden kann.The integrating signal processing method with the capacity C INT also favors the signal-to-noise ratio in that high-frequency noise can be reduced by the natural low-pass characteristic of the electronic circuit concept.

Durch das Aufladen der Kapazität CINT mit dem Photostrom IPD steigt eine Integrationsspannung VINT am Signalknotenpunkt an.By charging the capacitance CINT with the photocurrent I PD an integration tension increases V INT at the signal node.

Zwei Schwellwertkomparatoren mit unterschiedlichen Schwellreferenzspannungen definierter Größe und Vorzeichen werten diesen Signalanstieg in der Komparatorschaltung 10.2 aus. Dabei wird bei Durchschreiten einer ersten Signalschwelle VKS1 ein Ausgangssignalpegel des ersten Komparators mit dem Signal CNTSTRT auf aktiv geschaltet. Zu diesem Zeitpunkt wird der Counter aktiviert, der einen Zählvorgang in Abhängigkeit eines in das mikroelektronische Sensorsystem 1 eingespeisten Takts CLK definierter Frequenz fCLK mit fCLK=l/TCLK (TCLK - Periodendauer des Taktes CLK) startet. Beim Durchschreiten der zweiten Signalschwelle VKS2 wird der Ausgangssignalpegel des zweiten Komparators mit dem Signal CNTSTP aktiv gesetzt. Mit dem Signal CNTSTP beendet der Counter seinen Zählvorgang, das mit einem Signal EOC (End of Conversion) im Register der digitalen Schnittstelle 11 hinterlegt wird.Two threshold value comparators with different threshold reference voltages of a defined size and sign evaluate this signal increase in the comparator circuit 10.2 out. When a first signal threshold is passed V KS1 an output signal level of the first comparator with the signal CNTSTRT switched to active. At this point, the counter is activated, which starts a counting process depending on the microelectronic sensor system 1 fed clocks CLK defined frequency f CLK with f CLK = l / T CLK (T CLK - period of the cycle CLK ) starts. When crossing the second signal threshold V KS2 the output signal level of the second comparator with the signal CNTSTP set active. With the signal CNTSTP the counter ends its counting process with a signal EOC (End of Conversion) in the register of the digital interface 11 is deposited.

Der Anwender kann somit das Ende eines Signalverarbeitungsvorganges für einen Halbleitersensor 4 im Register der digitalen Schnittstelle 11 prüfen. Das ist notwendig, um beispielsweise eine Überlappung zweier aufeinanderfolgender Sensor-Auslesevorgänge und damit einen gegenseitigen und signalverfälschenden Einfluss zu verhindern.The user can thus end a signal processing process for a semiconductor sensor 4th in the register of the digital interface 11 check. This is necessary to prevent, for example, an overlap of two successive sensor read-out processes and thus a mutual and signal-distorting influence.

Ein zeitliches Verhalten SSEL des selektierten Halbleitersensors 4 visualisiert die Zeit, in der ein Halbleitersensor 4 für den Auslesevorgang ausgewählt ist. Die Zählerschaltung 10.4 registriert die Zeit der ansteigenden Integrationsspannung VINT zwischen Durchschreiten der ersten Signalschwelle VKS1 bis zum Durchschreiten der zweiten Signalschwelle VKS2 . Dieser Zählerwert CNT wird daraufhin als digitale Größe in einem Register der digitalen Schnittstelle 11 hinterlegt und steht dem Anwender darüber zur Verfügung. Das Prinzip wird auch Analogwert-zu-Zeit-zu-Digitalwert-Konvertierung (TDC - Time-to-Digital Conversion) genannt. Der Anstieg der Integrationsspannung VINT ist ein Maß für den generierten Photostrom IPD der Photodiode PD. Trifft mehr Licht definierter Wellenlänge, also mit höherer Intensität auf die Photodiode PD, werden mehr Ladungsträger generiert und es entsteht ein höherer Photostrom IPD , die Kapazität CINT kann schneller aufgeladen werden und die Integrationsspannung VINT steigt steiler an. Dasselbe Prinzip gilt auch für den umgekehrten Fall. Aus dem erhaltenen Zählerwert CNT kann der generierte Photostrom IPD wie folgt berechnet werden: I P D = C I N T × ( V K S 2 V K S 1 ) × f C L K G × C N T I I D A C G

Figure DE102018218122A1_0002
A behavior over time S SEL of the selected semiconductor sensor 4th visualizes the time in which a semiconductor sensor 4th is selected for the readout process. The counter circuit 10.4 registers the time of the increasing integration voltage V INT between crossing the first signal threshold V KS1 until crossing the second signal threshold V KS2 . This counter value CNT is then displayed as a digital variable in a register of the digital interface 11 stored and is available to the user. The principle is also called analog value-to-time-to-digital value conversion (TDC - Time-to-Digital Conversion). The rise in the integration voltage VINT is a measure of the generated photocurrent I PD the photodiode PD . Strikes more light of a defined wavelength, i.e. with higher intensity on the photodiode PD , more charge carriers are generated and there is a higher photocurrent I PD , the capacity C INT can be charged faster and the integration voltage V INT rises steeply. The same principle applies to the reverse case. From the counter value obtained CNT can the generated photocurrent I PD can be calculated as follows: I. P D = C. I. N T × ( V K S 2nd - V K S 1 ) × f C. L K G × C. N T - I. I. D A C. G
Figure DE102018218122A1_0002

Der Zählerwert CNT ist über die beschriebene Formel damit direkt proportional zum generierten Photostrom IPD . Bezogen auf die optische Analyse biologischer, chemischer und/oder biochemischer Analysenproben 2 bedeutet dies Folgendes:

  • Werden die optischen Eigenschaften einer Analysenprobe 2 infolge der Präsenz ihrer Strukturen 2.1 und/oder durch Veränderungen derselben und/oder Veränderung der strukturellen Zusammensetzung der Analysenproben 2 beeinflusst, ändert sich auch der generierte Photostrom IPD und damit der ermittelte Zählerwert CNT. Erfolgt eine Beeinflussung der optischen Eigenschaften der Analysenprobe 2 so, dass die auf die Photodiode PD auftreffende Bestrahlungsstärke des Lichts verringert wird, werden weniger Ladungsträger generiert, der Photostrom IPD nimmt ab und der Zählerwert CNT wird größer, da die Kapazität CINT langsamer aufgeladen wird, der Anstieg der Integrationsspannung VINT flacher wird und die Spannungsrampe mehr Zeit benötigt, um die beiden Signalschwellen VKS1 , VKS2 zu durchschreiten. Erfolgt eine Beeinflussung der optischen Eigenschaften der Analysenprobe 2 so, dass die auf die Photodiode PD auftreffende Bestrahlungsstärke des Lichtes erhöht wird, so nimmt der Photostrom IPD zu und der Zählerwert CNT verringert sich nach demselben Prinzip in umgekehrter Funktionsweise.
The counter value CNT is therefore directly proportional to the generated photocurrent via the formula described I PD . Related to the optical analysis of biological, chemical and / or biochemical analysis samples 2nd it means the following:
  • Become the optical properties of an analytical sample 2nd due to the presence of their structures 2.1 and / or by changing the same and / or changing the structural composition of the analytical samples 2nd influenced, the generated photocurrent also changes I PD and thus the determined counter value CNT . The optical properties of the analysis sample are influenced 2nd so that the on the photodiode PD incident light intensity is reduced, fewer charge carriers are generated, the photocurrent I PD decreases and the counter value CNT gets bigger as the capacity C INT charging slower, the increase in integration voltage V INT becomes flatter and the voltage ramp takes more time to reach the two signal thresholds V KS1 , V KS2 to go through. The optical properties of the analysis sample are influenced 2nd so that the on the photodiode PD incident irradiance of the Light is increased, so the photocurrent decreases I PD to and the counter value CNT decreases in the same way in reverse.

Am Beispiel der Messung der Extinktion, beispielsweise der Lichtabsorption, bedeutet das, dass über die Veränderung der Bestrahlungsstärke des auf die Photodiode PD auftreffenden Lichtes mit dem Bouguer-Lambert-Beer'schen-Gesetz Rückschlüsse auf die Konzentration einer zu analysierenden Struktur 2.1 der Analysenprobe 2 gezogen werden kann, sofern die Extinktionseigenschaften dieser Struktur 2.1 über die Bestrahlungsstärke, die Schichtdicke der lichtabsorbierenden Struktur sowie die Bestrahlungsstärke des von einer Strahlungsquelle 7 emittierten Lichts definierter Wellenlänge bekannt sind. Damit ist es nicht nur möglich, eine qualitative sondern auch eine quantitative Aussage über Strukturen 2.1 der Analysenprobe 2 und damit gegebenenfalls über pathogene Strukturen 2.1 in kürzester Zeit zu treffen. Dies kann für langfristigere Patientenüberwachungen relevant werden, um zu entscheiden, ob gegebenenfalls belastende Therapieformen notwendig eingesetzt werden müssen oder schonende Therapien und/oder sogar Selbstheilungskräfte des Patienten regulierend und heilend wirken.Using the example of measuring the absorbance, for example the light absorption, this means that the change in the irradiance on the photodiode PD incident light with the Bouguer-Lambert-Beer law, conclusions about the concentration of a structure to be analyzed 2.1 the analytical sample 2nd can be drawn provided the extinction properties of this structure 2.1 about the irradiance, the layer thickness of the light-absorbing structure and the irradiance of that from a radiation source 7 emitted light of a defined wavelength are known. It is not only possible to make a qualitative but also a quantitative statement about structures 2.1 the analytical sample 2nd and thus possibly via pathogenic structures 2.1 to meet in no time. This can be relevant for long-term patient monitoring in order to decide whether it is necessary to use stressful forms of therapy or whether gentle therapies and / or even the patient's self-healing powers have a regulating and healing effect.

Neben den bereits benannten Vorteilen des hier beschriebenen Konzepts mit der unmittelbaren Umwandlung biochemisch induzierter Signale in der Analysenprobe 2 in elektrische verwertbare Signale durch das mikroelektronische Sensorsystem 1, der Signalverarbeitung über ein integratives Verfahren und der direkten Messwertdigitalisierung durch die Analogwert-zu-Zeit-zu-Digitalwert-Konvertierung bestehen weitere Vorteile in der variabel einstellbaren Signalauflösung und dem konfigurierbaren Dynamikbereich des mikroelektronischen Sensorsystems 1.In addition to the advantages of the concept described here with the direct conversion of biochemically induced signals in the analysis sample 2nd into usable electrical signals through the microelectronic sensor system 1 , signal processing via an integrative process and direct digitization of measured values by means of analog value-to-time-to-digital value conversion, there are further advantages in the variably adjustable signal resolution and the configurable dynamic range of the microelectronic sensor system 1 .

Da sich durch die zu messenden Signale oder Signaländerungen infolge bestehender optischer Eigenschaften oder aufgrund der Änderung der optischen Eigenschaften der Analysenproben 2 durch Prozesse auf atomarer, molekularer, gen-, protein- und/oder zellbasierter Ebene entsprechend der analytischen Anwendung unterschiedliche Messbedingungen ergeben können, müssen Signalauflösung und Dynamikbereich variabel sein.Because of the signals to be measured or signal changes due to existing optical properties or due to the change in the optical properties of the analysis samples 2nd Due to processes at the atomic, molecular, gene, protein and / or cell-based level, depending on the analytical application, different measurement conditions can arise, the signal resolution and dynamic range must be variable.

Es existieren beispielsweise Messbedingungen für die Analyse biologischer, chemischer und/oder biochemischer Strukturen 2.1, die die Messung kleiner oder großer Signaländerungen der empfangenen Bestrahlungsstärke Er im Verhältnis zu einem Grundsignal der Bestrahlungsstärke ermöglichen müssen.For example, there are measurement conditions for the analysis of biological, chemical and / or biochemical structures 2.1 which must enable the measurement of small or large signal changes in the received irradiance Er in relation to a basic signal in the irradiance.

Das Grundsignal der Bestrahlungsstärke kann dabei absolut gesehen ein kleines oder ein großes Signal sein. Das mikroelektronische Sensorsystem 1 sollte dennoch den gesamten Messbereich (Dynamikbereich des mikroelektronischen Sensorsystems 1) mit der notwendigen Signalauflösung abdecken. Es ist demnach relevant, ob bei sehr geringer oder (noch) nicht messbarer relativer Bestrahlungsstärke eine geringe oder große Signaländerung der empfangenen Bestrahlungsstärke Er (empfangene Bestrahlungsstärkeänderung) bei einer mittleren relativen Bestrahlungsstärke (beispielsweise durch Emission von Licht einer Strahlungsquelle 7) eine geringe oder große empfangene Bestrahlungsstärkeänderung oder bei sehr hohen relativen Bestrahlungsstärken eine geringe oder große empfangene Bestrahlungsstärkeänderung gemessen werden muss. Diesbezüglich bietet das hier beschriebene mikroelektronische Sensorsystem 1 eine Vielzahl von Möglichkeiten für die optimale Einstellung von Signalauflösung und Dynamikbereich.In absolute terms, the basic signal of the irradiance can be a small or a large signal. The microelectronic sensor system 1 should nevertheless cover the entire measuring range (dynamic range of the microelectronic sensor system 1 ) with the necessary signal resolution. It is therefore relevant whether, with a very low or (as yet) not measurable relative irradiance, a small or large signal change in the received irradiance Er (received irradiance change) with a medium relative irradiance (for example due to the emission of light from a radiation source 7 ) a small or large received change in irradiance or, in the case of very high relative irradiations, a small or large received change in irradiance must be measured. In this regard, the microelectronic sensor system described here offers 1 a variety of options for the optimal setting of signal resolution and dynamic range.

Die Frequenz fCLK des vom Anwender definierten und zugeführten Taktes CLK bestimmt zum einen die Signalauflösung. Je höher die Frequenz fCLK ist, desto feiner kann die Signalrampe der Integrationsspannung VINT abgetastet werden.The frequency f CLK of the cycle defined and supplied by the user CLK determines the signal resolution. The higher the frequency f CLK is, the finer the signal ramp of the integration voltage V INT be scanned.

Außerdem ermöglicht eine geeignete Wahl der Signalauflösung unter anderem Echtzeitmessungen der Analysenprobe 2. Kleine Unterschiede der Anstiege der Spannungsrampe durch kleine Änderungen des generierten Photostroms IPD , die wiederum aus kleinen Signaländerungen der Bestrahlungsstärke resultieren, können somit verarbeitet werden. Andererseits beeinflusst die Frequenz fCLK die Integrationszeit des Signals.In addition, a suitable choice of signal resolution enables, among other things, real-time measurements of the analysis sample 2nd . Small differences in the voltage ramp increases due to small changes in the generated photocurrent I PD which in turn result from small signal changes in the irradiance can thus be processed. On the other hand, it affects the frequency f CLK the integration time of the signal.

Wird die Frequenz fCLK verringert, so erhöht sich die Integrationszeit des Photostroms IPD und umgekehrt. Vor allem bei kleinen empfangenen Bestrahlungsstärken Er oder Bestrahlungsstärkeänderungen bedeutet das, dass über einen längeren Zeitraum wenige Photonen gesammelt und der resultierende geringe Photostrom IPD integriert werden kann.Will the frequency f CLK decreases, the integration time of the photocurrent increases I PD and vice versa. Especially with small received irradiance Er or irradiance changes, this means that a few photons collected over a longer period and the resulting low photocurrent I PD can be integrated.

Über die Wahl der Größe der Integrationskapazität CINT können ebenfalls die Integrationszeit und die Signalauflösung beeinflusst und eingestellt werden.On the choice of the size of the integration capacity C INT the integration time and signal resolution can also be influenced and set.

Durch die variablen Einstellmöglichkeiten der Verstärkungsfaktoren G im Halbleitersensor 4 können unterschiedliche Abschnitte des Dynamikbereiches des mikroelektronischen Sensorsystems 1 hervorgehoben und erweitert werden. Bei kleinen relativen Bestrahlungsstärken oder Bestrahlungsstärkeänderungen kann der Verstärkungsfaktor G im Halbleitersensor 4 erhöht werden, wodurch der Dynamikbereich des mikroelektronischen Sensorsystems 1 auf den relevanten Bereich der Signalverarbeitung eingestellt wird. Zusätzlich ergibt sich dadurch ein definiertes Signalauflösungsvermögen in diesem Signalbereich wie folgt:

  • Mit hohen Verstärkungsfaktoren G können bereits sehr kleine Bestrahlungsstärkeänderungen hochaufgelöst verarbeitet werden. Sind die Bestrahlungsstärken oder Bestrahlungsstärkeänderungen relativ groß, kann der Dynamikbereich durch kleinere Verstärkungsfaktoren G im Halbleitersensor 4 erweitert und die Signalauflösung verringert werden. Die Kombination aus der unmittelbaren Umwandlung biochemisch induzierter Signale in der Analysenprobe 2 in elektrische verwertbare Signale durch das mikroelektronische Sensorsystem 1, dem integrativen Signalverarbeitungskonzept mit variabler Signalauflösung sowie einstellbarem Dynamikbereich und der Photodiode PD als Halbleitersensor 4 mit hoher spektralen Empfindlichkeit und geringem Dunkel-Rauschen resultieren in einer hohen Sensitivität des beschriebenen mikroelektronischen Sensorsystems 1.
Thanks to the variable setting options for the gain factors G in the semiconductor sensor 4th can different sections of the dynamic range of the microelectronic sensor system 1 be emphasized and expanded. With small relative irradiations or changes in irradiance, the gain factor can G in the semiconductor sensor 4th be increased, thereby increasing the dynamic range of the microelectronic sensor system 1 is set to the relevant area of signal processing. This also results in a Defined signal resolution in this signal range as follows:
  • With high gain factors G Even very small changes in irradiance can be processed with high resolution. If the irradiance or changes in irradiance are relatively large, the dynamic range can be reduced by using smaller amplification factors G in the semiconductor sensor 4th expanded and the signal resolution reduced. The combination of the immediate conversion of biochemically induced signals in the analysis sample 2nd into usable electrical signals through the microelectronic sensor system 1 , the integrative signal processing concept with variable signal resolution as well as adjustable dynamic range and the photodiode PD as a semiconductor sensor 4th with high spectral sensitivity and low dark noise result in a high sensitivity of the microelectronic sensor system described 1 .

Die beschriebenen Eigenschaften des mikroelektronischen Sensorsystems 1 zur Untersuchung von Analysenproben 2 werden beispielhaft anhand der optischen Verfahren der Extinktions- und Lumineszenzmessung von Licht im Folgenden erläutert:

  • Bei der Ermittlung einer Nachweisreaktion beispielsweise durch DNA-Hybridisierung mit Hilfe der Absorptionsmessung sei eine hohe absolute eingestrahlte Bestrahlungsstärke von Licht definierter Wellenlänge Ausgangspunkt für die Signalgröße eines generierten Photostroms IPD des mikroelektronischen Sensorsystems 1. Infolge der Hybridisierung zweier komplementärer Einzelstränge kommt es beispielsweise zu einer sehr geringen Extinktion der Bestrahlungsstärke, so dass diese und die damit verbundene Signaländerung des generierten Photostroms IPD im Vergleich zum hohen absoluten Ausgangssignal der Bestrahlungsstärke oder des generierten Photostroms IPD sehr klein ist. Es muss also eine sehr geringe Signaländerung im Vergleich zu einem hohen Absolutwert ermittelt werden. Zum einen kann für diesen Fall der Strom IIDAC genutzt werden, um den hohen Absolutwert in einen geeigneteren Wertebereich zu verschieben. Der Strom IIDAC ist der durch den Anwender über die Register der digitalen Schnittstelle 11 eingestellte elektrische Strom definierter Größe und Vorzeichen des Strom-Digital-zu-Analog-Wandlers 10.3, der auf den Signalknotenpunkt addiert wird. Diese Funktionsmöglichkeit wurde im System implementiert, um die optimale Funktionsweise der Signalkonversion von Photostrom IPD zu Zählerwert CNT im Signalpfad auch bei verschieden großen absoluten Bestrahlungsstärken zu ermöglichen und am Signalknotenpunkt einen optimalen Arbeitspunkt einstellen zu können. Damit kann beispielsweise eine Verkleinerung des Absolutwertes durch entsprechende Einstellung des Stroms IIDAC ermöglicht werden, um kleine Signaländerungen besser herauszuheben.
The described properties of the microelectronic sensor system 1 for the analysis of analytical samples 2nd are explained below using the optical methods of absorbance and luminescence measurement of light as examples:
  • When determining a detection reaction, for example by DNA hybridization using the absorption measurement, a high absolute irradiance of light of a defined wavelength is the starting point for the signal size of a generated photocurrent I PD of the microelectronic sensor system 1 . As a result of the hybridization of two complementary single strands, there is, for example, a very low extinction of the irradiance, so that this and the associated signal change in the generated photocurrent I PD compared to the high absolute output signal of the irradiance or the generated photocurrent I PD is very small. A very small signal change compared to a high absolute value must therefore be determined. For one thing, the current can be used in this case I IDAC be used to shift the high absolute value into a more suitable value range. The current I IDAC is by the user via the register of the digital interface 11 set electrical current of defined size and sign of the current digital-to-analog converter 10.3 which is added to the signal node. This function was implemented in the system to ensure the optimal functioning of the signal conversion from Photostrom I PD to counter value CNT To allow in the signal path even with different absolute irradiance levels and to be able to set an optimal working point at the signal node. This can, for example, reduce the absolute value by adjusting the current accordingly I IDAC be made possible to better emphasize small signal changes.

Außerdem kann die Signalauflösung durch entsprechende Auswahl von der Kapazität CINT und/oder Einstellung der Frequenz fCLK durch den Anwender möglichst hoch gewählt werden, um kleine Signaländerungen auflösen zu können. In addition, the signal resolution can be selected by selecting the appropriate capacity C INT and / or setting the frequency f CLK selected by the user as high as possible to be able to resolve small signal changes.

In einem weiteren Beispiel sei eine Nachweisreaktion beispielsweise von DNA-Hybridisierung so geartet, dass nach der Bindungsreaktion Licht definierter Wellenlänge und Intensität von der hybridisierten DNA (Analyt) emittiert wird. Die Emission des Lichts kann dabei beispielsweise infolge einer biologischen, chemischen und/oder biochemischen Reaktion und/oder durch Anregung des Analyten und/oder am Analyten gebundener Komponenten und/oder mit dem Analyten und/oder am Analyten gebundener Komponenten interagierende Strukturen 2.1 der Analysenprobe 2 mit Licht definierter Wellenlänge erfolgen.In a further example, a detection reaction, for example of DNA hybridization, is such that after the binding reaction, light of a defined wavelength and intensity is emitted by the hybridized DNA (analyte). The emission of light can, for example, as a result of a biological, chemical and / or biochemical reaction and / or by excitation of the analyte and / or components bound to the analyte and / or structures interacting with the analyte and / or components bound to the analyte 2.1 the analytical sample 2nd with light of a defined wavelength.

Ausgangspunkt sei dabei eine sehr geringe absolute eingestrahlte Bestrahlungsstärke von Licht definierter Wellenlänge oder keine eingestrahlte Bestrahlungsstärke. Das mikroelektronische Sensorsystem 1 soll dabei das emittierte Licht definierter Wellenlänge oder die sehr kleine Bestrahlungsstärkeänderung verarbeiten. Beispielsweise durch die Verringerung der Frequenz fCLK kann die Integrationszeit des generierten Photostroms IPD infolge der empfangenen geringen Bestrahlungsstärke oder Photonen erhöht werden. Somit können die Photonen über einen längeren Zeitraum gesammelt und der resultierende Photostrom IPD integriert sowie über die Zählerschaltung 10.4 ausgewertet werden. Die Auswahl und Größe der Kapazität CINT bietet dabei eine zusätzliche Stellgröße, um Integrationszeit und Signalauflösung optimal zu konfigurieren.The starting point is a very low absolute irradiance of light of a defined wavelength or no irradiation. The microelectronic sensor system 1 should process the emitted light of a defined wavelength or the very small change in irradiance. For example, by reducing the frequency f CLK can be the integration time of the generated photocurrent I PD due to the low irradiance or photons received. Thus, the photons can be collected over a longer period of time and the resulting photocurrent I PD integrated as well as via the counter circuit 10.4 be evaluated. The choice and size of capacity CINT offers an additional manipulated variable to optimally configure integration time and signal resolution.

Eine weitere Möglichkeit bietet die direkte Signalverstärkung der geringen Signaländerung der Bestrahlungsstärke oder des resultierenden Photostroms IPD durch Einstellung eines entsprechenden Verstärkungsfaktors G im Sensorblock, d. h. dem Halbleitersensor 4, des mikroelektronischen Sensor-Systems 1. Damit ist es möglich, auch sehr kleine Lichtmengen, wie sie bei lumineszenten Nachweisverfahren wie beispielsweise bei Fluoreszenz-, Phosphoreszenz-, Chemo- und Biolumineszenzmessungen usw. üblich sind, als Repräsentation einer nachzuweisenden Bindungsreaktion, mit dem hier beschriebenen mikroelektronischen Sensorsystem 1 zu detektieren.Another possibility is the direct signal amplification of the small signal change in the irradiance or the resulting photocurrent I PD by setting an appropriate gain factor G in the sensor block, ie the semiconductor sensor 4th , the microelectronic sensor system 1 . This makes it possible to represent even a very small amount of light, as is common in luminescent detection methods such as fluorescence, phosphorescence, chemo- and bioluminescence measurements, etc., as a representation of a binding reaction to be detected with the microelectronic sensor system described here 1 to detect.

Ungeachtet der Untersuchung der Analysenprobe 2 durch die benannten Methoden der Extinktions- und Lumineszenzmessung mit dem mikroelektronischen Sensorsystem 1 bleibt das grundsätzliche Prinzip der Signalverarbeitung im mikroelektronischen Sensorsystem 1 dasselbe. Die Photonen, die die Photodiode PD des mikroelektronischen Sensorsystems 1 erreichen, werden von der Photodiode PD in einen Photostrom IPD umgewandelt, der im Halbleitersensor 4 gegebenenfalls je nach Anwendung verstärkt wird. Der aus dem Sensorblock resultierende Photostrom IPD wird dann auf die Kapazität CINT integriert. Die sich daraus ergebende Integrationsspannung VINT durchläuft wiederum die zwei Signalschwellen VKS1 , VKS2 der beiden Schwellwertkomparatoren. Mit Hilfe der Zählerschaltung 10.4 kann die Zeit ermittelt und ausgewertet werden, die vom Durchschreiten der ersten Signalschwelle VKS1 bis zur zweiten Signalschwellen VKS2 benötigt wird. Der resultierende digitale Zählerwert CNT, der direkt proportional zum generierten Photostrom IPD ist, der wiederum direkt proportional zur empfangenen Bestrahlungsstärke Er oder zu den empfangenen Photonen ist, steht dem Anwender direkt zur Weiterverarbeitung im Register der digitalen Schnittstelle 11 des mikroelektronischen Sensorsystems 1 zur Verfügung. Regardless of examining the analytical sample 2nd by the named methods of extinction and luminescence measurement with the microelectronic sensor system 1 remains the basic principle of signal processing in the microelectronic sensor system 1 the same thing. The photons that make up the photodiode PD of the microelectronic sensor system 1 are achieved by the photodiode PD into a photocurrent I PD converted that in the semiconductor sensor 4th if necessary, depending on the application. The photocurrent resulting from the sensor block I PD then on the capacity C INT integrated. The resulting integration tension V INT again passes through the two signal thresholds V KS1 , V KS2 of the two threshold comparators. With the help of the counter circuit 10.4 the time can be determined and evaluated after passing through the first signal threshold V KS1 up to the second signal threshold V KS2 is needed. The resulting digital counter value CNT which is directly proportional to the generated photocurrent I PD is, which in turn is directly proportional to the received irradiance Er or to the received photons, is available to the user for further processing in the register of the digital interface 11 of the microelectronic sensor system 1 to disposal.

Die hier beschriebenen Einstellmöglichkeiten und die Anpassung des mikroelektronischen Sensorsystems 1 zur Untersuchung von Analysenproben 2 mit Hilfe der optischen Verfahren zur Extinktions- und Lumineszenzmessung sind exemplarisch. Weitere Konfigurationsmöglichkeiten des mikroelektronischen Sensorsystems 1 erlauben unter anderem auch - und nicht darauf beschränkt - kinetische Messungen mit transienten Signalverläufen infolge von biologischen, chemischen und/oder biochemischen Reaktionen der Analysenprobe 2 in Echtzeit.The setting options described here and the adaptation of the microelectronic sensor system 1 for the analysis of analytical samples 2nd with the help of optical methods for absorbance and luminescence measurement are exemplary. Additional configuration options for the microelectronic sensor system 1 among other things, also allow - and not limited to - kinetic measurements with transient signal profiles as a result of biological, chemical and / or biochemical reactions of the analysis sample 2nd Real time.

Ein weiterer nicht näher dargestellter mikroelektronischer Block bildet dabei eine digitale Schnittstelle, die die Kommunikation zwischen dem mikroelektronischen Sensorsystem 1 und mikroelektronikexternen Systemkomponenten ermöglicht. Dies beinhaltet, wie in Teilen bereits beschrieben, zum einen die Konfiguration des mikroelektronischen Sensorsystems 1 über die Register der digitalen Schnittstelle 11, um die Eigenschaften und Funktionen des mikroelektronischen Sensorsystems 1 einzustellen. Zum anderen können die vom mikroelektronischen Sensorsystem 1 verarbeiteten digitalen Signale an mikroelektronikexterne Systemkomponenten übertragen werden.Another microelectronic block, not shown in detail, forms a digital interface that enables communication between the microelectronic sensor system 1 and system components external to microelectronics. As already described in parts, this includes the configuration of the microelectronic sensor system 1 via the registers of the digital interface 11 to the properties and functions of the microelectronic sensor system 1 adjust. On the other hand, the microelectronic sensor system 1 processed digital signals are transmitted to system components external to microelectronics.

Der Identifikationsblock 13 realisiert die Möglichkeit, dem mikroelektronischen Sensorsystem 1 eine Identifikationsnummer zuzuweisen. Dies ermöglicht bei diagnostischen Anwendungen eine eindeutige Zuweisung und dient der Qualitätssicherung. Die elektrische Versorgung 12 generiert elektrische Ströme und/oder Spannungen, die der elektrischen Versorgung anderer mikroelektronischer Strukturen dienen und/oder um Referenzsignale für mikroelektronische Strukturen bereitzustellen. Die Heizstruktur 15 ist eine im Halbleiter integrierte Struktur aus einem im Halbleiter-Prozess genutzten Metall, mit der es über die Einspeisung von Spannungen oder Strömen möglich ist, diese Struktur kontrolliert zu erhitzen. In einigen Anwendungsfällen und Durchführungsformen von biologischen, chemischen und/oder biochemischen Nachweisprinzipien kann eine direkte thermische Beeinflussung der Strukturen 2.1 der Analysenproben 2 hinsichtlich einer Reaktionsqualität sowie -geschwindigkeit förderlich sein.The identification block 13 realizes the possibility of the microelectronic sensor system 1 assign an identification number. In diagnostic applications, this enables a clear assignment and is used for quality assurance. The electrical supply 12th generates electrical currents and / or voltages that serve to supply electrical power to other microelectronic structures and / or to provide reference signals for microelectronic structures. The heating structure 15 is a structure integrated in the semiconductor from a metal used in the semiconductor process, with which it is possible to heat this structure in a controlled manner by feeding in voltages or currents. In some applications and implementation forms of biological, chemical and / or biochemical detection principles, a direct thermal influence on the structures can be 2.1 of the analytical samples 2nd be conducive to reaction quality and speed.

Als Beispiel sei die Hybridisierung von DNA genannt die, je nach Ablaufprotokoll, bei Temperaturen weit über der Raumtemperatur (beispielsweise 40 °C, 50 °C, 60 °C, 70 °C, 80 °C oder anderen Temperaturen über der Raumtemperatur) optimiert stattfindet.An example is the hybridization of DNA, which, depending on the protocol, takes place at temperatures well above room temperature (for example 40 ° C, 50 ° C, 60 ° C, 70 ° C, 80 ° C or other temperatures above room temperature) .

Ein weiteres Verfahren, genannt Polymerase Kettenreaktion (Polymerase Chain Reaction - PCR), ermöglicht die Vervielfältigung von in Regel DNA/RNA und/oder DNA/RNA-Bestandteilen und/oder biologischen, chemischen und/oder biochemischen Strukturen 2.1, an denen DNA/RNA gebunden ist. Die PCR funktioniert dabei so, dass über Heiz- und gegebenenfalls Kühlelemente, die die Analysenprobe 2 direkt thermisch beeinflussen, kontrollierte Temperaturzyklen von einer Start-Temperatur bis zu einer Ziel-Temperatur und wieder zurück in definierten Zeiten durchgefahren werden. Damit ist es möglich, zu analysierende biologische, chemische und/oder biochemische Strukturen 2.1 zu vervielfältigen.Another method, called polymerase chain reaction (PCR), enables the duplication of, as a rule, DNA / RNA and / or DNA / RNA components and / or biological, chemical and / or biochemical structures 2.1 to which DNA / RNA is bound. The PCR works in such a way that heating and, if necessary, cooling elements that hold the analysis sample 2nd direct thermal influence, controlled temperature cycles from a start temperature to a target temperature and back again in defined times. This makes it possible to analyze biological, chemical and / or biochemical structures 2.1 to reproduce.

Eine Signalverstärkung hinsichtlich des Nachweises, beispielsweise einer Bindungsreaktion von Seiten der biologischen, chemischen und/oder biochemischen Analyseanwendung, kann dadurch erzielt werden, indem die Anzahl der zu untersuchenden biologischen, chemischen und/oder biochemischen Ziel-Strukturen durch die PCR erhöht wird. Durch die in das mikroelektronische Sensorsystem 1 integrierte Heizstruktur 15 und eine externe Steuerung ist es möglich, kontrolliert Temperaturen bis 80 °C zu erzeugen. Auf dem mikroelektronischen Sensorsystem 1 befindliche Analysenproben 2 können direkt thermisch beeinflusst werden. Die Funktion des geregelten Kühlens ist nicht im mikroelektronischen Sensorsystem 1 integriert, kann jedoch über eine externe Steuerung unter Verwendung der Heizstruktur 15 oder über ein zusätzliches gesteuertes sowie mikroelektronikexternes Element, beispielsweise thermoelektrisches Element, realisiert werden. Im letzteren Fall müsste das kühlende Element örtlich in unmittelbarer Nähe zum mikroelektronischen Sensorsystem 1 sowie zur Analysenprobe 2 angeordnet sein und beide thermisch direkt beeinflussen können. Dadurch wäre es möglich, das mikroelektronische Sensorsystem 1 für PCR-Anwendungen zu nutzen, um auch schnelle PCR-Zyklen zu fahren und eine Vervielfältigung gesuchter biologischer, chemischer und/oder biochemischer Strukturen 2.1 zu ermöglichen.Signal amplification with regard to detection, for example a binding reaction on the part of the biological, chemical and / or biochemical analysis application, can be achieved by increasing the number of biological, chemical and / or biochemical target structures to be examined by the PCR. By in the microelectronic sensor system 1 integrated heating structure 15 and an external control makes it possible to generate controlled temperatures up to 80 ° C. On the microelectronic sensor system 1 analysis samples located 2nd can be directly influenced thermally. The function of controlled cooling is not in the microelectronic sensor system 1 integrated, but can be done via an external control using the heating structure 15 or via an additional controlled and microelectronic element, for example a thermoelectric element. In the latter case, the cooling element would have to be in close proximity to the microelectronic sensor system 1 as well as the analytical sample 2nd be arranged and can influence both thermally directly. This would make it possible to use the microelectronic sensor system 1 to use for PCR applications, also to run fast PCR cycles and a duplication of searched biological, chemical and / or biochemical structures 2.1 to enable.

Wird keine aktive Kühlung verwendet, wären PCR-Anwendungen trotzdem möglich, wenn auch der Kühlvorgang passiv über Konvektion in Abhängigkeit der gewünschten Temperaturen gegebenenfalls länger dauern und als kleinstmögliche Temperatur die Umgebungstemperatur zulassen würde.If no active cooling is used, PCR applications would still be possible, even if the cooling process passively via convection may take longer depending on the desired temperatures and would allow the ambient temperature as the lowest possible temperature.

Der integrierte Temperatursensor 14 dient der Temperaturüberwachung des mikroelektronischen Sensorsystems 1 sowie der in unmittelbarer Nähe zur Oberfläche des mikroelektronischen Sensorsystems 1 befindlichen Analysenprobe 2. Er misst die Temperatur und stellt sie dem Anwender als analogen und/oder digitalen Wert zur Verfügung. Das Auslesen der Werte des Temperatursensors 14 kann über Einstellungen im Register der digitalen Schnittstelle 11 durch den Anwender vorgenommen werden.The integrated temperature sensor 14 is used to monitor the temperature of the microelectronic sensor system 1 as well as in the immediate vicinity of the surface of the microelectronic sensor system 1 analysis sample located 2nd . It measures the temperature and makes it available to the user as an analog and / or digital value. Reading the values of the temperature sensor 14 can be done via settings in the register of the digital interface 11 be made by the user.

Zusätzlich kann die vollständige und adäquate Nutzung, d. h. mit einer der bioanalytischen Anwendung optimal angepassten Einstellung des mikroelektronischen Sensorsystems 1, zusätzliche Voraussetzungen und systemische Anforderungen bedingen: Lumineszente Nachweisverfahren wie beispielsweise Fluoreszenzmessungen benötigen optische Filter, um das Anregungslicht der Strahlungsquelle 7 vom emittierten Licht der Analysenprobe 2 bzw. des Analyten zu trennen oder stark zu dämpfen. Dadurch kann eine störende Beeinflussung durch die Strahlungsquelle 7 reduziert werden. Gegebenenfalls müsste dafür die technische Schnittstelle 3 des mikroelektronischen Sensorsystems 1 eine entsprechende Filtercharakteristik bzgl. des Anregungslichts besitzen.In addition, the complete and adequate use, ie with a setting of the microelectronic sensor system optimally adapted to the bioanalytical application 1 , additional requirements and systemic requirements result: Luminescent detection methods such as fluorescence measurements require optical filters in order to excite the radiation source 7 from the emitted light of the analysis sample 2nd or to separate or strongly attenuate the analyte. This can have a disruptive influence by the radiation source 7 be reduced. If necessary, the technical interface would have to be used 3rd of the microelectronic sensor system 1 have a corresponding filter characteristic with regard to the excitation light.

Bei zeitaufgelösten Lumineszenzmessungen, wie beispielsweise der zeitaufgelösten Fluoreszenzmessung von Analysenproben 2, die nach der Anregung über einen definierten Zeitraum Licht emittieren, besteht die Möglichkeit durch entsprechende Ansteuerung und Einstellung des mikroelektronischen Sensorsystems 1 sowie peripherer Systemkomponenten Einflüsse des Nachleuchtens der anregenden Strahlungsquelle 7 nach Abschaltung sowie störendes Hintergrundleuchten durch wie auch immer geartete technische Systemkomponenten beispielsweise einer Aufbau- und Verbindungstechnik für das mikroelektronische Sensorsystem 1 zu reduzieren oder sogar zu eliminieren. Die Ansteuerung und Einstellung kann durch periphere Systemkomponenten außerhalb vom mikroelektronischen Sensorsystem 1 initiiert werden.In the case of time-resolved luminescence measurements, such as the time-resolved fluorescence measurement of analysis samples 2nd , which emit light after the excitation for a defined period of time, is possible by appropriate control and adjustment of the microelectronic sensor system 1 and peripheral system components influences the afterglow of the exciting radiation source 7 after switching off and annoying background lighting by whatever technical system components, for example a construction and connection technology for the microelectronic sensor system 1 to reduce or even eliminate. The control and setting can be done by peripheral system components outside of the microelectronic sensor system 1 be initiated.

Durch diese gesamtsystemische Funktionalität des mikroelektronischen Sensorsystems 1 in Kombination mit weiteren peripheren technischen Systemkomponenten kann ein Auslesezeitpunkt für den Auslesevorgang des zumindest einen Halbleitersensors 4 nach Abschalten der Strahlungsquelle 7 so gefunden werden, dass die Einflüsse des Nachleuchtens der Strahlungsquelle 7 sowie des Hintergrundleuchtens minimiert oder sogar eliminiert werden können. Die Zeiten für das Nachleuchten der Strahlungsquelle 7 und für das Hintergrundleuchten sind dafür gegebenenfalls experimentell mit dem System zu ermitteln. Gegebenenfalls werden diese Eigenschaften in entsprechenden Datenblättern der benannten Komponenten beschrieben.Through this overall system functionality of the microelectronic sensor system 1 in combination with other peripheral technical system components, a readout time for the readout process of the at least one semiconductor sensor 4th after switching off the radiation source 7 can be found so that the influences of afterglow of the radiation source 7 as well as background lighting can be minimized or even eliminated. The times for the afterglow of the radiation source 7 and for the backlighting may have to be determined experimentally with the system. If necessary, these properties are described in the corresponding data sheets for the named components.

Ein Problem bei Extinktionsmessung besteht in Schwankungen oder in Einschwingvorgängen der Strahlungsquellen 7. Um dieses Problem zu lösen, können periphere technische Systemkomponenten, wie beispielsweise eine zusätzliche Photodiode PD und eine Treiberschaltung, genutzt werden, um diese Einflüsse zu ermitteln, regulierend auf die Strahlungsquelle 7 einzuwirken und entsprechend geeignete Zeitpunkte für Auslesevorgänge mit dem mikroelektronischen Sensorsystem 1 vorzugeben.A problem with absorbance measurement is fluctuations or transient processes of the radiation sources 7 . To solve this problem, peripheral technical system components, such as an additional photodiode PD and a driver circuit can be used to determine these influences, regulating the radiation source 7 to act and suitable times for reading processes with the microelectronic sensor system 1 to specify.

Im Vorfeld wurden bereits Vor- und Nachteile der Implementation mehrerer Sensoren, Sensormatrizen, -arrays etc. in das mikroelektronische Sensorsystem 1 beschrieben. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Integration mindestens eines Referenzsensors für die analytische Applikation essentiell ist. Auf diesem Sensor dürfen sich keine für die Nachweisreaktion wichtigen analytischen Strukturen 2.1 inklusive des Analyten selbst befindlich bzw. immobilisiert sein. Dadurch können neben der eigentlichen Nachweisreaktion auf den anderen Sensoren zusätzliche Einflüsse der Analysenproben 2, wie beispielsweise Einflüsse durch unterschiedliche Ionenarten und Ionenkonzentrationen oder durch andere Strukturen 2.1 der Analysenprobe 2, auf die tatsächliche Nachweisreaktion, parallel ermittelt werden. Gegebenenfalls ist dadurch eine nachträgliche Korrektur bzw. Signalverarbeitung der Messdaten der Halbleitersensoren 4, auf denen die eigentliche Reaktion stattgefunden hat, im Sinne des zu erbringenden Nachweises möglich.The advantages and disadvantages of implementing several sensors, sensor matrices, arrays etc. in the microelectronic sensor system have already been discussed in advance 1 described. At this point it should be pointed out that the integration of at least one reference sensor is essential for the analytical application. No analytical structures important for the detection reaction are allowed on this sensor 2.1 including the analyte itself. As a result, in addition to the actual detection reaction on the other sensors, additional influences of the analysis samples can be made 2nd , such as influences by different types of ions and ion concentrations or by other structures 2.1 the analytical sample 2nd , to the actual detection reaction, can be determined in parallel. This may result in subsequent correction or signal processing of the measurement data of the semiconductor sensors 4th on which the actual reaction took place, in the sense of the evidence to be provided.

BezugszeichenlisteReference list

11
mikroelektronisches Sensorsystemmicroelectronic sensor system
22nd
AnalysenprobeAnalytical sample
2.12.1
Strukturstructure
2.22.2
biochemische Schnittstellebiochemical interface
33rd
technische Schnittstelletechnical interface
44th
HalbleitersensorSemiconductor sensor
55
Schaltungcircuit
66
Vorrichtungcontraption
77
StrahlungsquelleRadiation source
88th
optische Komponenteoptical component
99
SignalverarbeitungspfadSignal processing path
1010th
SignalverarbeitungsstrukturSignal processing structure
10.110.1
IntegratorschaltungIntegrator circuit
10.210.2
KomparatorschaltungComparator circuit
10.310.3
Strom-Digital-zu-Analog-WandlerCurrent digital-to-analog converter
10.410.4
ZählerschaltungCounter circuit
1111
digitale Schnittstelledigital interface
1212th
elektrische Versorgungconnected to the electricity grid
1313
IdentifikationsblockIdentification block
1414
TemperatursensorTemperature sensor
1515
HeizstrukturHeating structure
1616
VerstärkerschaltungAmplifier circuit
1717th
Einstellvorrichtung Adjusting device
1:G1: G
SpiegelverhältnisMirror ratio
a) bis d)a) to d)
UnterstufeLower level
CINTCINT
Kapazitätcapacity
CNTSTPCNTSTP
Signalsignal
CNTSTRTCNTSTRT
Signalsignal
EOCEOC
Signalsignal
Er E r
empfange Bestrahlungsstärkereceive irradiance
fCLK f CLK
Frequenzfrequency
GG
VerstärkungsfaktorGain factor
IPD I PD
PhotostromPhotocurrent
PDPD
PhotodiodePhotodiode
S1 bis S6S1 to S6
Stufestep
SDC S DC
Schalterswitch
SSEL S SEL
zeitliches Verhaltentemporal behavior
V1 bis V4V1 to V4
Schrittstep
VINT V INT
IntegrationsspannungIntegration tension
VKS1 V KS1
SignalschwelleSignal threshold
VKS2 V KS2
SignalschwelleSignal threshold

Claims (13)

Vorrichtung (6) zur Analyse biologischer, chemischer und biochemischer Substanzen, umfassend ein mikroelektronisches Sensorsystem (1) mit - zumindest einem Halbleitersensor (4), - zumindest einer mit dem zumindest einen Halbleitersensor (4) gekoppelten anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (5) zur Signalverarbeitung eines mittels des zumindest einen Halbleitersensors (4) generierten elektrischen Signals, - zumindest einer technischen Schnittstelle (3) zur Aufbringung zumindest einer biologischen, chemischen oder biochemischen Substanz in einem Erfassungsbereich des zumindest einen Halbleitersensors (4) und - zumindest einer Einstellvorrichtung (17) zur Einstellung eines Dynamikbereichs und/oder einer Signalauflösung des mittels des zumindest einen Halbleitersensors (4) generierten elektrischen Signals.Device (6) for analyzing biological, chemical and biochemical substances, comprising a microelectronic sensor system (1) with - at least one semiconductor sensor (4), at least one application-specific integrated circuit (5) coupled to the at least one semiconductor sensor (4) for signal processing of an electrical signal generated by means of the at least one semiconductor sensor (4), - At least one technical interface (3) for applying at least one biological, chemical or biochemical substance in a detection area of the at least one semiconductor sensor (4) and - At least one setting device (17) for setting a dynamic range and / or a signal resolution of the electrical signal generated by means of the at least one semiconductor sensor (4). Vorrichtung (6) nach Anspruch 1, wobei die Einstellvorrichtung (17) zumindest eine zwischen dem zumindest einen Halbleitersensor (4) und der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (5) oder zwischen einer Komponente der Einstellvorrichtung (17) und der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (5) angeordnete Verstärkerschaltung (16) umfasst, welche zu einer Verstärkung des mittels des zumindest einen Halbleitersensors (4) generierten elektrischen Signals eingerichtet ist.Device (6) after Claim 1 , wherein the setting device (17) comprises at least one amplifier circuit (16) arranged between the at least one semiconductor sensor (4) and the application-specific integrated circuit (5) or between a component of the setting device (17) and the application-specific integrated circuit (5), which is set up to amplify the electrical signal generated by means of the at least one semiconductor sensor (4). Vorrichtung (6) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einstellvorrichtung (17) zumindest einen zwischen dem zumindest einen Halbleitersensor (4) und der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (5) angeordneten Strom-Digital-zu-Analog-Wandler (10.3) umfasst, welcher zu einer Addition elektrischer Ströme mit unterschiedlichen Vorzeichen auf das mittels des zumindest einen Halbleitersensors (4) generierte elektrische Signal eingerichtet ist.Device (6) after Claim 1 or 2nd The setting device (17) comprises at least one current-digital-to-analog converter (10.3) arranged between the at least one semiconductor sensor (4) and the application-specific integrated circuit (5), which converts electrical currents with different signs the electrical signal generated by means of the at least one semiconductor sensor (4) is set up. Vorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Einstellvorrichtung (17) zumindest eine zwischen dem zumindest einen Halbleitersensor (4) und der anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (5) angeordnete Integratorschaltung (10.1) umfasst, welche eine einstellbare elektrische Kapazität (CINT) umfasst, welche mit dem mittels des zumindest einen Halbleitersensors (4) generierten elektrischen Signal beaufschlagbar ist.Device (6) according to one of the preceding claims, wherein the setting device (17) comprises at least one integrator circuit (10.1) which is arranged between the at least one semiconductor sensor (4) and the application-specific integrated circuit (5) and which has an adjustable electrical capacitance (C INT ) comprising the electrical signal generated by means of the at least one semiconductor sensor (4). Vorrichtung (6) nach Anspruch 4, wobei der Integratorschaltung (10.1) eine Komparatorschaltung (10.2) nachgeschaltet ist, welche eingerichtet ist, ein Ansteigen einer aus einer Aufladung der einstellbaren elektrischen Kapazität (CINT) der Integratorschaltung (10.1) resultierenden elektrischen Integrationsspannung (VINT) zu erfassen und einen Wert der resultierenden elektrischen Integrationsspannung (VINT) mit zumindest zwei unterschiedlichen Signalschwellen (VKS1, VKS2) zu vergleichen.Device (6) after Claim 4 The integrator circuit (10.1) is followed by a comparator circuit (10.2) which is set up to detect an increase in an electrical integration voltage (V INT ) resulting from charging the adjustable electrical capacitance (C INT ) of the integrator circuit (10.1) and a value to compare the resulting electrical integration voltage (V INT ) with at least two different signal thresholds (V KS1 , V KS2 ). Vorrichtung (6) nach Anspruch 5, wobei mit der Komparatorschaltung (10.2) eine Zählerschaltung (10.4) gekoppelt ist, welche eingerichtet ist, bei Erreichen einer ersten Signalschwelle (VKS1)der resultierenden elektrischen Integrationsspannung (VINT) einen Zeitzählvorgang in Abhängigkeit eines in das mikroelektronische Sensorsystem (1) eingespeisten Takts mit definierter Frequenz (fCLK) zu starten und bei Erreichen einer höheren zweiten Signalschwelle (VKS2) den Zeitzählvorgang zu stoppen.Device (6) after Claim 5 , A counter circuit (10.4), which is set up, is coupled to the comparator circuit (10.2) Reaching a first signal threshold (VKS1) of the resulting electrical integration voltage (V INT ) to start a time counting process depending on a clock fed into the microelectronic sensor system (1) with a defined frequency (f CLK ) and when reaching a higher second signal threshold (V KS2 ) Stop counting. Vorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mikroelektronische Sensorsystem (1) zumindest eine Heizstruktur (15) zur Beheizung der technischen Schnittstelle (3) umfasst.Device (6) according to one of the preceding claims, wherein the microelectronic sensor system (1) comprises at least one heating structure (15) for heating the technical interface (3). Vorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die technische Schnittstelle (3) zumindest eine ionensensitive Schicht umfasst.Device (6) according to one of the preceding claims, wherein the technical interface (3) comprises at least one ion-sensitive layer. Vorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - zumindest ein Halbleitersensor (4) als optischer Halbleitersensor ausgebildet ist und - eine Strahlungsquelle (7) zur Emission von Licht in Richtung des zumindest einen Halbleitersensors (4) vorgesehen ist.Device (6) according to one of the preceding claims, wherein - At least one semiconductor sensor (4) is designed as an optical semiconductor sensor and - A radiation source (7) for emitting light in the direction of the at least one semiconductor sensor (4) is provided. Vorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - zumindest ein Halbleitersensor (4) als nicht-optischer Halbleitersensor ausgebildet ist.Device (6) according to one of the preceding claims, wherein - At least one semiconductor sensor (4) is designed as a non-optical semiconductor sensor. Verfahren zur Analyse biologischer, chemischer und biochemischer Substanzen mittels eines mikroelektronischen Sensorsystems (1), wobei - zumindest eine biologische, chemische oder biochemische Substanz auf eine in einem Erfassungsbereich zumindest eines Halbleitersensors (4) angeordnete technische Schnittstelle (3) aufgebracht wird, - mittels des zumindest einen Halbleitersensors (4) eine in Abhängigkeit der Substanz ausgebildete Substanzinformation erfasst und ein mit der Substanzinformation korrespondierendes elektrisches Signal generiert wird, - das elektrische Signal einer Einstellvorrichtung (17) zugeführt wird, mittels welcher ein Dynamikbereich und/oder eine Signalauflösung des elektrischen Signals eingestellt werden bzw. wird und ein modifiziertes elektrisches Signal erzeugt wird und - das modifizierte elektrische Signal einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (5) zur Signalverarbeitung zugeführt wird.Method for analyzing biological, chemical and biochemical substances using a microelectronic sensor system (1), wherein at least one biological, chemical or biochemical substance is applied to a technical interface (3) arranged in a detection area of at least one semiconductor sensor (4), - by means of the at least one semiconductor sensor (4), substance information formed as a function of the substance is detected and an electrical signal corresponding to the substance information is generated, - The electrical signal is fed to an adjusting device (17), by means of which a dynamic range and / or a signal resolution of the electrical signal is or is set and a modified electrical signal is generated and - The modified electrical signal is supplied to an application-specific integrated circuit (5) for signal processing. Verfahren nach Anspruch 11, wobei - die technische Schnittstelle (3) zwischen zumindest einem als optischer Halbleitersensor ausgebildeten Halbleitersensor (4) und zumindest einer Strahlungsquelle (7) angeordnet ist, - mittels der Strahlungsquelle (7) Licht in Richtung der Substanz und des zumindest einen Halbleitersensors (4) emittiert wird, - mittels des zumindest einen Halbleitersensors (4) als Substanzinformation ein in Abhängigkeit der Substanz ausgebildetes Differenzlicht erfasst und ein mit dem Differenzlicht korrespondierendes elektrischen Signal generiert wird.Procedure according to Claim 11 , wherein - the technical interface (3) is arranged between at least one semiconductor sensor (4) designed as an optical semiconductor sensor and at least one radiation source (7), - by means of the radiation source (7) light in the direction of the substance and the at least one semiconductor sensor (4) is emitted, - by means of the at least one semiconductor sensor (4), as substance information, a differential light formed as a function of the substance is detected and an electrical signal corresponding to the differential light is generated. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei mittels der Einstellvorrichtung (17) - das mittels des zumindest einen Halbleitersensors (4) generierte elektrische Signal verstärkt wird, - elektrische Ströme mit unterschiedlichen Vorzeichen auf das mittels des Halbleitersensors (4) generierte elektrische Signal addiert werden und/oder - eine einstellbare elektrische Kapazität (CINT) einer Integratorschaltung (10.1) mit dem mittels des zumindest einen Halbleitersensors (4) generierten elektrischen Signal beaufschlagt wird, ein Ansteigen einer aus einer Aufladung der einstellbaren elektrischen Kapazität (CINT) der Integratorschaltung (10.1) resultierenden elektrischen Integrationsspannung (VINT) erfasst wird, ein Wert der resultierenden elektrischen Integrationsspannung (VINT) mit Signalschwellen (VKS1, VKS2) verglichen wird, bei Erreichen einer ersten Signalschwelle (VKS1) ein Zeitzählvorgang in Abhängigkeit eines in das mikroelektronische Sensorsystem (1) eingespeisten Takts mit definierter Frequenz (FCLK) gestartet und bei Erreichen einer höheren zweiten Signalschwelle (VKS2) der Zeitzählvorgang gestoppt wird.Procedure according to Claim 11 or 12th , wherein the adjusting device (17) - amplifies the electrical signal generated by the at least one semiconductor sensor (4), - adds electric currents with different signs to the electrical signal generated by the semiconductor sensor (4) and / or - an adjustable electrical signal Capacitance (C INT ) of an integrator circuit (10.1) with which the electrical signal generated by the at least one semiconductor sensor (4) is applied, an increase in an electrical integration voltage (V.) Resulting from charging the adjustable electrical capacitance (C INT ) of the integrator circuit (10.1) INT ) is detected, a value of the resulting electrical integration voltage (V INT ) is compared with signal thresholds (V KS1 , VKS2), when a first signal threshold (V KS1 ) is reached, a time counting process is also dependent on a clock fed into the microelectronic sensor system (1) defined frequency (F CLK ) is started and the time counting process is stopped when a higher second signal threshold (V KS2 ) is reached.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020123949A1 (en) 2020-09-15 2022-03-17 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS GmbH) Electrochemical sensor arrangement and use of a photoelectric sensor for determining charge carriers in a medium
WO2023241076A1 (en) * 2022-06-13 2023-12-21 深圳赛陆医疗科技有限公司 Hyperspectral sequencing method and system and gene sequencer

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10203996A1 (en) * 2002-02-01 2003-08-21 Infineon Technologies Ag Circuit arrangement, redox recycling sensor, sensor arrangement and method for processing a current signal provided via a sensor electrode
US20060219873A1 (en) * 2005-04-01 2006-10-05 Martin Steven M Detection system for a flow cytometer
US20120188092A1 (en) * 2011-01-24 2012-07-26 Genia Technologies, Inc. System for communicating information from an array of sensors
US20140134616A1 (en) * 2012-11-09 2014-05-15 Genia Technologies, Inc. Nucleic acid sequencing using tags
WO2018129169A1 (en) * 2017-01-06 2018-07-12 Silicon Biodevices, Inc. Magnetic biosensor design for manufacturing
DE102017103469A1 (en) * 2017-01-13 2018-07-19 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd. Cartridge and analyzer for the analysis of fluids

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10203996A1 (en) * 2002-02-01 2003-08-21 Infineon Technologies Ag Circuit arrangement, redox recycling sensor, sensor arrangement and method for processing a current signal provided via a sensor electrode
US20060219873A1 (en) * 2005-04-01 2006-10-05 Martin Steven M Detection system for a flow cytometer
US20120188092A1 (en) * 2011-01-24 2012-07-26 Genia Technologies, Inc. System for communicating information from an array of sensors
US20140134616A1 (en) * 2012-11-09 2014-05-15 Genia Technologies, Inc. Nucleic acid sequencing using tags
WO2018129169A1 (en) * 2017-01-06 2018-07-12 Silicon Biodevices, Inc. Magnetic biosensor design for manufacturing
DE102017103469A1 (en) * 2017-01-13 2018-07-19 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. Ltd. Cartridge and analyzer for the analysis of fluids

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020123949A1 (en) 2020-09-15 2022-03-17 IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS GmbH) Electrochemical sensor arrangement and use of a photoelectric sensor for determining charge carriers in a medium
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