DE102018218122A1 - Device and method for the analysis of biological, chemical and biochemical substances - Google Patents
Device and method for the analysis of biological, chemical and biochemical substances Download PDFInfo
- Publication number
- DE102018218122A1 DE102018218122A1 DE102018218122.5A DE102018218122A DE102018218122A1 DE 102018218122 A1 DE102018218122 A1 DE 102018218122A1 DE 102018218122 A DE102018218122 A DE 102018218122A DE 102018218122 A1 DE102018218122 A1 DE 102018218122A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- semiconductor sensor
- signal
- electrical
- electrical signal
- sensor system
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000126 substance Substances 0.000 title claims abstract description 135
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 81
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 title description 101
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 147
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 claims abstract description 140
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 72
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 45
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 108
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims description 44
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 40
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 34
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 12
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 claims description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 50
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 47
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 35
- 108020004414 DNA Proteins 0.000 description 30
- 239000000538 analytical sample Substances 0.000 description 29
- 230000008859 change Effects 0.000 description 24
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 21
- 239000000463 material Substances 0.000 description 18
- 238000012742 biochemical analysis Methods 0.000 description 17
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 17
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 16
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 16
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 14
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 14
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 14
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 14
- 238000009739 binding Methods 0.000 description 13
- 230000006870 function Effects 0.000 description 13
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 description 13
- 238000002835 absorbance Methods 0.000 description 12
- 230000008033 biological extinction Effects 0.000 description 12
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 12
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 11
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 10
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 9
- 238000003752 polymerase chain reaction Methods 0.000 description 9
- 230000001717 pathogenic effect Effects 0.000 description 8
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 7
- 230000006399 behavior Effects 0.000 description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 7
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 7
- 238000012123 point-of-care testing Methods 0.000 description 7
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 7
- 230000027455 binding Effects 0.000 description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 6
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 6
- CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N hafnium(iv) oxide Chemical compound O=[Hf]=O CJNBYAVZURUTKZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 238000011161 development Methods 0.000 description 5
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 5
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 5
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 5
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 5
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 4
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000005842 biochemical reaction Methods 0.000 description 4
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 4
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 4
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 4
- 230000009885 systemic effect Effects 0.000 description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 108020004635 Complementary DNA Proteins 0.000 description 3
- 108020004394 Complementary RNA Proteins 0.000 description 3
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000010804 cDNA synthesis Methods 0.000 description 3
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 3
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 3
- 239000002299 complementary DNA Substances 0.000 description 3
- 239000003184 complementary RNA Substances 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000000840 electrochemical analysis Methods 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N iridium(IV) oxide Inorganic materials O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- NSTASKGZCMXIET-UHFFFAOYSA-N iridium(iv) oxide Chemical compound [O-2].[O-2].[Ir+4] NSTASKGZCMXIET-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 238000004204 optical analysis method Methods 0.000 description 3
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000036961 partial effect Effects 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 3
- PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N tantalum pentoxide Inorganic materials O=[Ta](=O)O[Ta](=O)=O PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000002123 temporal effect Effects 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 3
- 102000053602 DNA Human genes 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- ISAKRJDGNUQOIC-UHFFFAOYSA-N Uracil Chemical compound O=C1C=CNC(=O)N1 ISAKRJDGNUQOIC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000002596 correlated effect Effects 0.000 description 2
- OPTASPLRGRRNAP-UHFFFAOYSA-N cytosine Chemical compound NC=1C=CNC(=O)N=1 OPTASPLRGRRNAP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 2
- 239000000975 dye Substances 0.000 description 2
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 2
- 238000007306 functionalization reaction Methods 0.000 description 2
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- UYTPUPDQBNUYGX-UHFFFAOYSA-N guanine Chemical compound O=C1NC(N)=NC2=C1N=CN2 UYTPUPDQBNUYGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 2
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 description 2
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 description 2
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001139 pH measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 2
- 238000006479 redox reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 238000002560 therapeutic procedure Methods 0.000 description 2
- RWQNBRDOKXIBIV-UHFFFAOYSA-N thymine Chemical compound CC1=CNC(=O)NC1=O RWQNBRDOKXIBIV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000010215 titanium dioxide Nutrition 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 2
- 229930024421 Adenine Natural products 0.000 description 1
- GFFGJBXGBJISGV-UHFFFAOYSA-N Adenine Chemical compound NC1=NC=NC2=C1N=CN2 GFFGJBXGBJISGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001712 DNA sequencing Methods 0.000 description 1
- 102000004190 Enzymes Human genes 0.000 description 1
- 108090000790 Enzymes Proteins 0.000 description 1
- 108091028043 Nucleic acid sequence Proteins 0.000 description 1
- 108020004682 Single-Stranded DNA Proteins 0.000 description 1
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 1
- 238000011481 absorbance measurement Methods 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000002730 additional effect Effects 0.000 description 1
- 229960000643 adenine Drugs 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000005415 bioluminescence Methods 0.000 description 1
- 230000029918 bioluminescence Effects 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 230000023555 blood coagulation Effects 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 229940104302 cytosine Drugs 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 238000002405 diagnostic procedure Methods 0.000 description 1
- 238000012631 diagnostic technique Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000003891 environmental analysis Methods 0.000 description 1
- 230000005281 excited state Effects 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000004186 food analysis Methods 0.000 description 1
- BTCSSZJGUNDROE-UHFFFAOYSA-N gamma-aminobutyric acid Chemical compound NCCCC(O)=O BTCSSZJGUNDROE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 1
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 1
- 230000003100 immobilizing effect Effects 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000002493 microarray Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);titanium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Ti+4] SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005375 photometry Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 1
- 238000009597 pregnancy test Methods 0.000 description 1
- 230000009993 protective function Effects 0.000 description 1
- 238000000275 quality assurance Methods 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 230000001953 sensory effect Effects 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000009870 specific binding Effects 0.000 description 1
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 229940113082 thymine Drugs 0.000 description 1
- 229940035893 uracil Drugs 0.000 description 1
- 238000012800 visualization Methods 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 1
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
- G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
- G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
- G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
- G01N33/54373—Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
- G01N33/5438—Electrodes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/59—Transmissivity
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/403—Cells and electrode assemblies
- G01N27/414—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
- G01N27/4145—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Pathology (AREA)
- Hematology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Cell Biology (AREA)
- Microbiology (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
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
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.
- - 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
- 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
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 gemäß9 vorhandenen Signalen.
-
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 to9 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.
Die Analysenprobe
Um den Analyten bewerten zu können, ist gegebenenfalls ein biotechnologisches Nachweisverfahren zur Vorbereitung der Analysenprobe
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
Ferner kann die „biologische, chemische und/oder biochemische Struktur
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
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
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
Die biochemische Schnittstelle
Für die Bindung der funktionalen Strukturen
Die technische Schnittstelle
Ein Halbleitermaterial des Halbleitersensors
Der Halbleitersensor
Ein optischer Halbleitersensor 4 , der beispielsweise eine in9 näher dargestellte PhotodiodePD 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.
- An optical semiconductor sensor
4th who, for example, one in9 Photodiode shown in more detailPD 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
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
Weitere Arten der technischen Schnittstelle
Der Schritt der Immobilisierung von Fängerstrukturen auf der technischen Schnittstelle
Das mikroelektronische Sensorsystem
- - 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 Schnittstellen3 , 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 Strukturen2.1 inder 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.
- - 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 parameter3rd , 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 parameters2.1 in the analytical sample2nd 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 sensors4th 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.
Eine Analysenprobenvorbereitung insbesondere der Zielstruktur involviert nicht zwangsweise das mikroelektronische Sensorsystem
Dabei erfolgt in einem ersten Schritt
In den
- - 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.
- - 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.
Unabhängig von der zu untersuchenden Analysenprobe
- Ausgehend von einem gereinigten mikroelektronischen Sensorsystem
1 in einer ersten StufeS1 erfolgt eine Aktivierung und Funktionalisierung der Sensoroberfläche in einer zweiten StufeS2 . Daraufhin wird dieImmobilisierung der Analysenprobe 2 durchgeführt, insbesondere jedoch einer eine Fängerstruktur beinhaltenden Analysekomponente inklusive der alleinigen Fängerstruktur selbst in einer dritten StufeS3 .
- Starting from a cleaned
microelectronic sensor system 1 in a first stageS1 the sensor surface is activated and functionalized in a second stageS2 . Thereupon the immobilization of the analytical sample2nd carried out, in particular, however, an analysis component including a catcher structure including the sole catcher structure itself in a third stageS3 .
Anschließend erfolgt in einer vierten Stufe
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
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
In allen beschriebenen Fällen der Nutzung eines optischen Halbleitersensors
Das hier beschriebene mikroelektronische Sensorsystem
Die Funktionsweise des mikroelektronischen Sensorsystems
Der Einfachheit halber wird in der Beschreibung des hier beschriebenen mikroelektronischen Sensorsystems
Die Absorption von Licht durch eine biologische, chemische und/oder biochemische Struktur
- 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 .
- 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
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
Die optische Analyse einer biologischen, chemischen und/oder biochemischen Analysenprobe
- - Der zu analysierenden Bestandteile der
Analysenprobe 2 , die für den Nachweis nicht ausschlaggebende aber gegebenenfalls interagierende Komponenten in derAnalysenprobe 2 sind. - - Mindestens der Strukturen
2.1 der Analysenprobe 2 , die maßgebend für die Änderung der optischen Eigenschaften derAnalysenprobe 2 , z. B. der Lichtschwächung, eindeutig von weiteren und gegebenenfalls interagierenden Komponenten der Analysenprobe2 unterscheidbar sowie für die biologische, chemische und/oder biochemische Nachweisreaktion ausschlaggebend sind.
- - 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 interact2nd are. - - At least the structures
2.1 the analytical sample2nd , which are decisive for the change in the optical properties of the analysis sample2nd , e.g. B. the attenuation of light, clearly from further and possibly interacting components of the analysis sample2nd are distinguishable and decisive for the biological, chemical and / or biochemical detection reaction.
In
Zusätzlich zu dem mikroelektronischen Sensorsystem
Art, Aufbau und Eigenschaften der Analysenprobe
Gegebenenfalls sind zusätzliche optische Komponenten
Eine Raumausrichtung der Strahlungsquelle
Im Folgenden werden Grundkomponenten eines mikroelektronischen Sensorsystems
Das mikroelektronische Sensorsystem
Der Block des Halbleitersensors
Der optische Halbleitersensor
Der Block „Halbleitersensor
Die für den Halbleitersensor
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
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
Das hier beschriebene mikroelektronische Sensorsystem
Weitere Signalverarbeitungsstrukturen
Eine zusätzliche Systemkomponente bildet eine digitale Schnittstelle
Eine weitere wichtige Komponente bildet eine elektrische Versorgung
Im Folgenden wird ein Beispiel für ein mikroelektronisches Sensorsystem
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
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.
- - 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
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
Der strukturelle Aufbau aus Mikroelektronikblöcken eines Beispiels des hier beschriebenen mikroelektronischen Sensorsystems
Das mikroelektronische Sensorsystem
Ein in der zumindest einen Photodiode
Der vorverarbeitete Photostrom
Weiterhin ist eine Zählerschaltung
Gemäß eines in
Einfallendes Licht mit der empfangenen Bestrahlungsstärke Er wird durch den als Photodiode
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
Die zumindest eine als Stromspiegel ausgebildete Verstärkerschaltung
Der vorverarbeitete Photostrom
Das integrierende Signalverarbeitungsverfahren mit der Kapazität
Durch das Aufladen der Kapazität CINT mit dem Photostrom
Zwei Schwellwertkomparatoren mit unterschiedlichen Schwellreferenzspannungen definierter Größe und Vorzeichen werten diesen Signalanstieg in der Komparatorschaltung
Der Anwender kann somit das Ende eines Signalverarbeitungsvorganges für einen Halbleitersensor
Ein zeitliches Verhalten
Der Zählerwert
- Werden die optischen Eigenschaften einer Analysenprobe
2 infolge der Präsenz ihrer Strukturen2.1 und/oder durch Veränderungen derselben und/oder Veränderung der strukturellen Zusammensetzung der Analysenproben2 beeinflusst, ändert sich auch der generierte PhotostromIPD und damit der ermittelte ZählerwertCNT . Erfolgt eine Beeinflussung der optischen Eigenschaften der Analysenprobe2 so, dass die auf die PhotodiodePD auftreffende Bestrahlungsstärke des Lichts verringert wird, werden weniger Ladungsträger generiert, der PhotostromIPD nimmt ab und der ZählerwertCNT wird größer, da die KapazitätCINT langsamer aufgeladen wird, der Anstieg der IntegrationsspannungVINT flacher wird und die Spannungsrampe mehr Zeit benötigt, um die beiden SignalschwellenVKS1 ,VKS2 zu durchschreiten. Erfolgt eine Beeinflussung der optischen Eigenschaften der Analysenprobe2 so, dass die auf die PhotodiodePD auftreffende Bestrahlungsstärke des Lichtes erhöht wird, so nimmt der PhotostromIPD zu und der ZählerwertCNT verringert sich nach demselben Prinzip in umgekehrter Funktionsweise.
- Become the optical properties of an analytical sample
2nd due to the presence of their structures2.1 and / or by changing the same and / or changing the structural composition of the analytical samples2nd influenced, the generated photocurrent also changesI PD and thus the determined counter valueCNT . The optical properties of the analysis sample are influenced2nd so that the on the photodiodePD incident light intensity is reduced, fewer charge carriers are generated, the photocurrentI PD decreases and the counter valueCNT gets bigger as the capacityC INT charging slower, the increase in integration voltageV INT becomes flatter and the voltage ramp takes more time to reach the two signal thresholdsV KS1 ,V KS2 to go through. The optical properties of the analysis sample are influenced2nd so that the on the photodiodePD incident irradiance of the Light is increased, so the photocurrent decreasesI PD to and the counter valueCNT 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
Neben den bereits benannten Vorteilen des hier beschriebenen Konzepts mit der unmittelbaren Umwandlung biochemisch induzierter Signale in der Analysenprobe
Da sich durch die zu messenden Signale oder Signaländerungen infolge bestehender optischer Eigenschaften oder aufgrund der Änderung der optischen Eigenschaften der Analysenproben
Es existieren beispielsweise Messbedingungen für die Analyse biologischer, chemischer und/oder biochemischer Strukturen
Das Grundsignal der Bestrahlungsstärke kann dabei absolut gesehen ein kleines oder ein großes Signal sein. Das mikroelektronische Sensorsystem
Die Frequenz
Außerdem ermöglicht eine geeignete Wahl der Signalauflösung unter anderem Echtzeitmessungen der Analysenprobe
Wird die Frequenz
Über die Wahl der Größe der Integrationskapazität
Durch die variablen Einstellmöglichkeiten der Verstärkungsfaktoren
- Mit hohen Verstärkungsfaktoren
G können bereits sehr kleine Bestrahlungsstärkeänderungen hochaufgelöst verarbeitet werden. Sind die Bestrahlungsstärken oder Bestrahlungsstärkeänderungen relativ groß, kann der Dynamikbereich durch kleinere VerstärkungsfaktorenG im Halbleitersensor 4 erweitert und die Signalauflösung verringert werden. Die Kombination aus der unmittelbaren Umwandlung biochemisch induzierter Signale in derAnalysenprobe 2 in elektrische verwertbare Signale durchdas mikroelektronische Sensorsystem 1 , dem integrativen Signalverarbeitungskonzept mit variabler Signalauflösung sowie einstellbarem Dynamikbereich und der PhotodiodePD als Halbleitersensor 4 mit hoher spektralen Empfindlichkeit und geringem Dunkel-Rauschen resultieren in einer hohen Sensitivität des beschriebenen mikroelektronischen Sensorsystems1 .
- 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 factorsG in the semiconductor sensor4th expanded and the signal resolution reduced. The combination of the immediate conversion of biochemically induced signals in the analysis sample2nd into usable electrical signals through themicroelectronic sensor system 1 , the integrative signal processing concept with variable signal resolution as well as adjustable dynamic range and the photodiodePD as a semiconductor sensor4th with high spectral sensitivity and low dark noise result in a high sensitivity of the microelectronic sensor system described1 .
Die beschriebenen Eigenschaften des mikroelektronischen Sensorsystems
- 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 Sensorsystems1 . 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 PhotostromsIPD im Vergleich zum hohen absoluten Ausgangssignal der Bestrahlungsstärke oder des generierten PhotostromsIPD 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 StromIIDAC genutzt werden, um den hohen Absolutwert in einen geeigneteren Wertebereich zu verschieben. Der StromIIDAC ist der durch den Anwender über die Register der digitalen Schnittstelle11 eingestellte elektrische Strom definierter Größe und Vorzeichen des Strom-Digital-zu-Analog-Wandlers10.3 , der auf den Signalknotenpunkt addiert wird. Diese Funktionsmöglichkeit wurde im System implementiert, um die optimale Funktionsweise der Signalkonversion von PhotostromIPD zu ZählerwertCNT 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 StromsIIDAC ermöglicht werden, um kleine Signaländerungen besser herauszuheben.
- 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 themicroelectronic 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 photocurrentI PD compared to the high absolute output signal of the irradiance or the generated photocurrentI 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 caseI IDAC be used to shift the high absolute value into a more suitable value range. The currentI IDAC is by the user via the register of thedigital interface 11 set electrical current of defined size and sign of the current digital-to-analog converter10.3 which is added to the signal node. This function was implemented in the system to ensure the optimal functioning of the signal conversion from PhotostromI PD to counter valueCNT 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 accordinglyI IDAC be made possible to better emphasize small signal changes.
Außerdem kann die Signalauflösung durch entsprechende Auswahl von der Kapazität
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
Ausgangspunkt sei dabei eine sehr geringe absolute eingestrahlte Bestrahlungsstärke von Licht definierter Wellenlänge oder keine eingestrahlte Bestrahlungsstärke. Das mikroelektronische Sensorsystem
Eine weitere Möglichkeit bietet die direkte Signalverstärkung der geringen Signaländerung der Bestrahlungsstärke oder des resultierenden Photostroms
Ungeachtet der Untersuchung der Analysenprobe
Die hier beschriebenen Einstellmöglichkeiten und die Anpassung des mikroelektronischen Sensorsystems
Ein weiterer nicht näher dargestellter mikroelektronischer Block bildet dabei eine digitale Schnittstelle, die die Kommunikation zwischen dem mikroelektronischen Sensorsystem
Der Identifikationsblock
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
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
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
Zusätzlich kann die vollständige und adäquate Nutzung, d. h. mit einer der bioanalytischen Anwendung optimal angepassten Einstellung des mikroelektronischen Sensorsystems
Bei zeitaufgelösten Lumineszenzmessungen, wie beispielsweise der zeitaufgelösten Fluoreszenzmessung von Analysenproben
Durch diese gesamtsystemische Funktionalität des mikroelektronischen Sensorsystems
Ein Problem bei Extinktionsmessung besteht in Schwankungen oder in Einschwingvorgängen der Strahlungsquellen
Im Vorfeld wurden bereits Vor- und Nachteile der Implementation mehrerer Sensoren, Sensormatrizen, -arrays etc. in das mikroelektronische Sensorsystem
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)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018218122.5A DE102018218122B4 (en) | 2018-10-23 | 2018-10-23 | Device and method for analyzing biological, chemical and biochemical substances |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102018218122.5A DE102018218122B4 (en) | 2018-10-23 | 2018-10-23 | Device and method for analyzing biological, chemical and biochemical substances |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102018218122A1 true DE102018218122A1 (en) | 2020-04-23 |
DE102018218122B4 DE102018218122B4 (en) | 2023-02-16 |
Family
ID=70468618
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102018218122.5A Active DE102018218122B4 (en) | 2018-10-23 | 2018-10-23 | Device and method for analyzing biological, chemical and biochemical substances |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102018218122B4 (en) |
Cited By (2)
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)
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 |
-
2018
- 2018-10-23 DE DE102018218122.5A patent/DE102018218122B4/en active Active
Patent Citations (6)
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)
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 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102018218122B4 (en) | 2023-02-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2003027676A1 (en) | Fluorescence biosensor chip and fluorescence biosensor chip arrangement | |
DE10133844B4 (en) | Method and device for detecting analytes | |
EP2244086B1 (en) | Analysis of optical data using histograms | |
EP2317909B1 (en) | Medical system comprising compact barcode readers for consumable items | |
DE102011050389B4 (en) | Sensor unit and measurement method | |
DE19634873A1 (en) | System for the differentiation of fluorescent groups of molecules by time-resolved fluorescence measurement | |
DE10142691A1 (en) | Apparatus for the detection of biochemical reactions has a substrate, with macro-pores, to immobilize catch molecules within them to make contact with the analytes and reactions measured by light transmission through the pores | |
DE102018218122B4 (en) | Device and method for analyzing biological, chemical and biochemical substances | |
EP3529837B1 (en) | Avalanche photodetector system | |
WO2006111325A1 (en) | Microoptical detection system and method for determining analyte temperature-dependent parameters | |
DE102005061674A1 (en) | Fiber-optic fluorescence sensor system for examination of biological sample, has light source comprising light emitting diode to generate light for excitation of fluorescence in biological sample, and detector connected with probe head | |
WO2010105850A2 (en) | Test element for determining a body fluid and measurement method | |
DE102014221734A1 (en) | Measuring device and system for melting curve analysis of a DNA microarray, and use of a fluorescence detector array for analysis | |
EP3990895A1 (en) | Sensor module for multiparametrically analysing a medium | |
EP1487963B1 (en) | Device and method for detecting cellular processes by means of luminescence measurements | |
DE10155892A1 (en) | To identify macromolecular biopolymers, catch molecules are immobilized on a biosensor surface to form complexes with the macromolecular biopolymer in the sample for identification by signal intensity | |
DE10130568C2 (en) | Optoelectric analysis system for biotechnology | |
DE102004013388A1 (en) | Arrangement for fluorescence amplification | |
EP3772645B1 (en) | Method and device for detecting very low fluorescence | |
DE10161529A1 (en) | Biosensor, e.g., to register and identify DNA molecules, comprises a hollow for the sample which is immobilized and illuminated where optical signals are detected by a shaded photo diode | |
Netaev | Single photon avalanche diode (SPAD) array detectors for luminescence based biomedical applications | |
WO2005019822A1 (en) | Method and device for detecting analytes | |
DE10221885B4 (en) | Sensor unit, sensor arrangement and method for operating a sensor unit | |
AT513543B1 (en) | Optical luminescence sensor | |
EP1537409B1 (en) | Light source for a measuring system comprising a photosensitive electrode used for detecting one or several analytes |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R084 | Declaration of willingness to licence | ||
R020 | Patent grant now final |