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Die Erfindung betrifft eine Sensor-Anordnung und ein
Verfahren zum Betreiben einer Sensor-Anordnung.
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Biosensor-Arrays und Chemosensor-Arrays dienen zum Nachweis
von Molekülen in einem zu untersuchenden Analyten. Solche
Arrays werden zum Zwecke einer Miniaturisierung zunehmend auf
Chips realisiert. Die Sensoren sind häufig in einer großen
Anzahl auf einem Substrat angeordnet. Das Substrat kann
beispielsweise ein Halbleiterchip (Silizium) sein,
insbesondere für den Fall, dass Funktionen eines integrierten
elektronischen Schaltkreises realisiert werden sollen. Solche
Substrate können alternativ aus Glas, Plastik oder einem
anderen Material hergestellt werden, sofern keine oder nur
eine vergleichsweise einfache Elektronik zu deren Betrieb
erforderlich ist. Der hohe Grad an Parallelisierung
ermöglicht eine zeitgleiche parallele Durchführung
unterschiedlicher Tests, beispielsweise Tests auf das
Vorhandensein unterschiedlicher Substanzen (z. B. Moleküle) in
einem vorgegebenen Analyten. Aufgrund dieser Eigenschaft
ergeben sich für derartige Sensor-Anordnungen einschließlich
entsprechendem Auswertesystem vielfältige Anwendungen in der
medizinischen Diagnosetechnik, in der Pharmaindustrie, (z. B.
für das Pharma-Screening, "high troughput screening", HTS),
in der chemischen Industrie, in der Lebensmittel-Analytik, in
der Umwelt- und Lebensmitteltechnik.
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Das Grundprinzip vieler bekannter Sensoren beruht darauf,
dass positionsspezifisch auf einem Chip zunächst sogenannte
Fängermoleküle, z. B. unter Verwendung von Mikro-
Dispensiertechniken, aufgebracht und immobilisiert werden.
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In Fig. 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte Sensor-
Anordnung 100 gezeigt, bei der auf einem Chip 101 eine
Vielzahl von Sensor-Feldern 102 matrixförmig angeordnet sind.
Die Sensor-Felder 102 sind in N Spalten und in M Zeilen
angeordnet, das heißt auf N × M-Positionen, wobei auf jedem
Sensor-Feld unterschiedliche Fängermoleküle immobilisiert
sind.
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In Fig. 2A bis Fig. 2F ist jeweils eine schematische
Querschnittsansicht einer der in Fig. 1 gezeigten Sensor-
Felder 102 gezeigt. Insbesondere ist in Fig. 2A bis Fig. 2C ein
erstes Sensor-Feld 200, und in den Fig. 2D bis Fig. 2F ein
zweites Sensor-Feld 201 gezeigt, wobei die unterschiedlichen
Darstellungen des ersten Sensor-Feldes 200 in den Fig. 2A bis
Fig. 2C drei unterschiedlichen Betriebszuständen entsprechen,
analog entsprechen die Darstellungen in den Fig. 2D bis Fig. 2F
drei unterschiedlichen Betriebszuständen des zweiten Sensor-
Feldes 201.
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Jedes der Sensor-Felder 200, 201 weist eine Sensor-Elektrode
202 auf, die in dem Chip 101 integriert ist. Auf der Sensor-
Elektrode 202 des ersten Sensor-Felds 200 sind erste
Fängermoleküle 203 immobilisiert, wobei die ersten
Fängermoleküle 203 DNA-Halbstränge sind. Auf der Sensor-
Elektrode 202 des zweiten Sensor-Felde 201 sind zweite
Fängermoleküle 204, die von den ersten Fängermolekülen 203
verschieden sind, immobilisiert.
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Fig. 2A, Fig. 2D zeigen das erste Sensor-Feld 200 bzw. das
zweite Sensor-Feld 201 in einem Betriebszustand, in dem die
Sensor-Anordnung 100 von potentiellen Bindungspartnern (z. B.
DNA-Halbsträngen) frei ist.
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Zum Zwecke der Diagnose, das heißt zum Untersuchen eines
Analyten auf das Vorhandensein bestimmter DNA-Moleküle, wird
ein Analyt 205 zunächst auf alle Sensor-Felder 102 der
Sensor-Anordnung 100 und daher auch auf die Sensor-Felder
200, 201 gebracht, d. h. die gesamte Sensor-Anordnung 100 wird
mit dem zu untersuchenden Analyt 205 geflutet. Dieser
Betriebszustand des ersten Sensor-Feldes 200 ist in Fig. 2B
und des zweiten Sensor-Feldes 201 in Fig. 2E gezeigt. Da die
ersten Fängermoleküle 203 gemäß dem Schlüssel-Schloss-Prinzip
mit in dem Analyten 205 vorhandenen (halbsträngigen) DNA-
Molekülen, nämlich mit den zu erfassenden Partikeln 206,
zusammenpassen, erfolgt eine Hybridisierung, d. h. eine
Anbindung der jeweiligen DNA-Moleküle 206 an die
komplementären ersten Fängermoleküle 203 des ersten Sensor-
Feldes 200 (vgl. Fig. 2B). Da die zweiten Fängermoleküle 204
aufgrund ihrer Basensequenz mit den zu erfassenden Partikeln
206 nicht zusammenpassen, (vgl. Fig. 2E), erfolgt keine
Hybridisierung.
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Um die in Fig. 2C, Fig. 2F gezeigten Betriebszustände des
ersten Sensor-Feldes 200 bzw. des zweiten Sensor-Feldes 201
zu erhalten, wird der Analyt 205 von der Sensor-Anordnung 100
entfernt. Ferner wird eine Spüllösung 207 auf die Sensor-
Anordnung 100 aufgebracht. Dadurch verbleiben auf dem ersten
Sensor-Feld 200 die mit den ersten Fängermolekülen 206
hybridisierten zu erfassenden Partikel 206, wohingegen auf
dem zweiten Sensor-Feld 201 nur die zweiten Fängermoleküle
204, nicht aber zu erfassende Partikel 206 zurückbleiben.
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Zum Nachweis der erfolgten Hybridisierung werden häufig
optische Verfahren verwendet.
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Bei einem optischen Verfahren wird an die in den Analyten
vorhandenen DNA-Stränge ein Fluoreszenz-Marker ("label")
angebunden. Wird nun die gesamte Sensor-Anordnung 100 nach
einem erfolgten Hybridisierungsvorgang und einem weiteren
Spülschritt mit elektromagnetischer Strahlung (z. B. Licht)
bestrahlt, kann aufgrund der Kenntnis der Lokalisierung der
jeweiligen Fängermoleküle 203, 204 ermittelt werden, an
welchen Sensor-Feldern eine Hybridisierung stattgefunden hat
(erstes Sensor-Feld 200) und an welchen Sensor-Feldern nicht
(zweites Sensor-Feld 201). Aufgrund der genauen Kenntnis der
verwendeten Fängermoleküle 203, 204 kann auf das
Vorhandensein bzw. Fehlen bestimmter zu erfassender Partikel
in dem zu untersuchenden Analyt mit einer hohen Selektivität
geschlossen werden. Die optischen Verfahren haben den
Nachteil, dass ein aufwändiges und kostenintensives optisches
System zum Auswerten erforderlich ist. Dies erschwert
beispielsweise den Einsatz derartiger optischer Systeme in
Arztpraxen.
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Alternativ zu dem optischen Verfahren kann ein erfolgtes
Hybridisierungsereignis unter Verwendung eines elektrischen
Verfahrens detektiert werden.
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Diesbezüglich ist zu unterscheiden zwischen Verfahren, die
auf der Verwendung eines Enzymlabels beruhen (beispielsweise
in [1], [2] beschrieben) und sogenannten "Label-freien"
Verfahren, die beispielsweise in [3] bis [9] beschrieben
sind. Label-freie Verfahren sind attraktiver, da ein aus
biochemischer Sicht häufig aufwändiger Verfahrensschritt zum
Versehen von Molekülen mit einem Label vermieden ist und
daher ein Label-freies Verfahren einfacher, fehlerrobuster
und billiger ist.
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Allerdings ist das Betreiben eines elektronischen Biosensors
schwierig zu realisieren, so dass insbesondere bei den
elektronischen Label-freien Verfahren bislang Untersuchungen
nur an Einzelsensoren oder an sehr kleinen Arrays aus einer
Aneinanderreihung von Einzelsensoren durchgeführt wurden.
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Im Weiteren werden aus dem Stand der Technik bekannte
Labelfreie Verfahren beschrieben.
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Ein erster Ansatz ist aus [3] bis [6] bekannt. Dieser Ansatz
wird im Weiteren bezugnehmend auf Fig. 3A bis Fig. 7B
beschrieben.
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In Fig. 3A, Fig. 3B ist eine Interdigitalelektroden-Anordnung
300 gezeigt, bei der in einem Substrat 301 eine erste
Elektrodenstruktur 302 und eine zweite Elektrodenstruktur 303
aufgebracht sind, die anschaulich fingerförmig ineinander
greifen. In Fig. 3A ist eine Draufsicht der
Interdigitalelektroden-Anordnung 300 gezeigt, in Fig. 3B ist
eine Querschnittsansicht entlang der in Fig. 3A gezeigten
Schnittlinie I-I' gezeigt. Die Interdigitalelektroden-
Anordnung 300 enthält periodische, nebeneinander angeordnete
Elektroden-Komponenten der Elektrodenstrukturen 302, 303.
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Zur Erklärung des Prinzips der Funktionsweise der
Interdigitalelektroden-Anordnung 300 wird bezugnehmend auf
Fig. 4A, Fig. 4B ein erster Teilbereich 304 der
Interdigitalelektroden-Anordnung 300 beschrieben.
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Der erste Teilbereich 304 ist in Fig. 4A als
Querschnittsansicht in einem ersten Betriebszustand gezeigt,
in Fig. 4B als Querschnittsansicht in einem zweiten
Betriebszustand.
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Auf den Elektrodenstrukturen 302, 302 sind jeweils
Fängermoleküle 400 immobilisiert. Für die
Elektrodenstrukturen 302, 302 wird vorzugsweise Gold-Material
verwendet, so dass das Immobilisieren der Fängermoleküle 400
unter Verwendung der aus der Biochemie bekannten besonders
vorteilhaften Gold-Schwefel-Kopplung realisiert wird, indem
beispielsweise eine Thiol-Endgruppe (SH-Gruppe) der
Fängermoleküle 400 mit den Gold-Elektroden 302, 303 chemisch
gekoppelt wird.
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Oberhalb der Sensor-Elektroden 302, 303 befindet sich während
des aktiven Sensorbetriebs ein zu untersuchender,
elektrolytischer Analyt 401, der wiederum auf das
Vorhandensein zu erfassender Partikel 402 (beispielsweise
bestimmter DNA-Moleküle) untersucht werden soll. Eine
Hybridisierung, das heißt eine Anbindung von DNA-Strängen 402an die Fängermoleküle 400 erfolgt nur dann, wenn die
Fängermoleküle 400 und die DNA-Stränge 402 gemäß dem
Schlüssel-Schloss-Prinzip zueinander passen (vgl. Fig. 4B).
Ist dies nicht der Fall, so erfolgt keine Hybridisierung. Die
Spezifität des Sensors leitet sich also aus der Spezifität
der Fängermoleküle 400 ab.
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Der elektrische Parameter, der bei dieser Messung ausgewertet
wird, ist die Impedanz 403 zwischen den Elektroden 302, 303,
die in Fig. 4A, Fig. 4B schematisch dargestellt ist. Infolge
einer erfolgten Hybridisierung verändert sich der Wert der
Impedanz, da die zu erfassenden DNA-Partikel 402 und die
Fängermoleküle 400 aus einem Material bestehen, das von dem
Material des Elektrolyten abweichende elektrische
Eigenschaften aufweist und nach der Hybridisierung der
Elektrolyt anschaulich aus dem die Elektroden 302, 303
umgebenden Volumen verdrängt wird.
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In Fig. 5 ist ein zweiter Teilbereich 305 der
Interdigitalelektroden-Anordnung 300 in einer
Querschnittsansicht gezeigt. Der zweite Teilbereich 305
repräsentiert einen größeren Teilbereich der
Interdigitalelektroden-Anordnung 300 als der in Fig. 4A,
Fig. 4B dargestellte erste Teilbereich 304. In Fig. 5 ist
schematisch der Verlauf der elektrischen Feldlinien 500
zwischen jeweils benachbarten Elektrodenstrukturen 302, 303
gezeigt. Wie in Fig. 5 ferner gezeigt, sind die Feldverläufe
innerhalb eines jeweiligen durch zwei Symmetrielinien 501
gedachten Bereichs periodisch, so dass die in Fig. 4A, Fig. 4B
gezeigte Betrachtung zweier unmittelbar benachbarter
Elektrodenstrukturen 302, 303 ausreichend ist. Ferner ist in
Fig. 5 für jede der Elektrodenstrukturen 302, 303 schematisch
ein Bedeckungsbereich 502 gezeigt, der die auf den
Elektrodenstrukturen 301, 302 immobilisierten Fängermoleküle
und möglicherweise mit diesen hybridisierte zu erfassende
Partikel darstellt. Anschaulich ist aus der in Fig. 5
gezeigten Darstellung verständlich, dass der Verlauf der
Feldlinien 500 aufgrund eines Hybridisierungs-Ereignisses
signifikant beeinflusst wird, da die physikalisch-chemischen
Eigenschaften insbesondere des Bedeckungsbereichs 502
verändert werden.
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Es ist ferner anzumerken, dass ergänzend oder alternativ in
Bereichen zwischen Elektroden 302, 303 Fängermoleküle
vorgesehen sein können. Bei Hybridisierungsereignissen
zwischen in Bereichen zwischen den Elektroden angebrachten
Fängermolekülen und zu erfassenden Partikeln verändern sich
wiederum die elektrischen Eigenschaften der Elektroden.
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In Fig. 6 ist schematisch ein vereinfachtes Ersatzschaltbild
600 des in Fig. 4A gezeigten ersten Teilbereichs 304 der
Interdigitalelektroden-Anordnung 300 gezeigt.
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Das Ersatzschaltbild 600 zeigt eine variable erste Kapazität
601 CM, deren Wert von dem Maß einer an der
Elektrodenstruktur 302 erfolgten Hybridisierung abhängig ist.
Zu dieser ist ein variabler erster ohmscher Widerstand 602 RM
parallel geschaltet. Anschaulich repräsentieren die
Komponenten 601, 602 die elektrischen Eigenschaften des
Umgebungsbereichs der ersten Elektrodenstruktur 302. Ferner
ist eine variable zweite Kapazität 603 CE und ein dazu
parallel geschalteter variabler zweiter ohmscher Widerstand
604 RE gezeigt, welche die elektrischen Eigenschaften des
Analyten 401 repräsentieren. Darüber hinaus ist eine die
elektrischen Eigenschaften des Umgebungsbereichs der zweiten
Elektrodenstruktur 303 repräsentierende, variable dritte
Kapazität 605 CM und ein zu dieser parallel geschalteter
variabler dritter ohmscher Widerstand 606 RM gezeigt. Wie
ferner in Fig. 6 gezeigt, ist die Parallelschaltung aus
Komponenten 601, 602, die Parallelschaltung aus Komponenten
603, 604 und die Parallelschaltung aus Komponenten 605, 606
seriell geschaltet. Die Komponenten 601 bis 606 sind variabel
dargestellt, um zu verdeutlichen, dass infolge eines
Sensorereignisses sich deren Werte verändern.
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Um den Wert der Impedanz zu ermitteln, wird an eine der
Elektroden 302, 303 eine Wechselspannung Vchar angelegt, wie
in dem in Fig. 7A gezeigten Ersatzschaltbild 700 des ersten
Teilbereichs 304 gezeigt. Die Wechselspannung Vchar wird unter
Verwendung einer Wechselspannungsquelle 702 bereitgestellt.
Der durch die Anordnung fließende Strom Imess wird unter
Verwendung des Amperemeters 701 erfasst. Die Komponenten 701,
702 sind zueinander seriell geschaltet und sind zwischen der
Parallelschaltung aus Komponenten 605, 606 und dem
elektrischen Massepotential 703 geschaltet. Das an den
Elektroden 302, 303 resultierende Wechselstromsignal Imess
wird gemeinsam mit der angelegten Wechselspannung Vchar
ausgewertet, um die Impedanz zu ermitteln. Alternativ kann
auch an beide Elektroden 302, 303 jeweils ein Signal, das
heißt eine elektrische Spannung, angelegt werden, die Signale
sind dann gegenphasig.
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Die in Fig. 7B gezeigte Version eines vereinfachten
Ersatzschaltbildes 710 unterscheidet sich von dem in Fig. 7A
gezeigten Ersatzschaltbild 700 darin, dass die Elemente CM 601, 605 bzw. RM 602, 606 zu einer ersten effektiven
Kapazität 711 bzw. zu einem ersten effektiven ohmschen
Widerstand 712 zusammengefasst sind.
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Der Abstand der Elektroden 302, 303 zueinander liegt
typischerweise im Sub-µm-Bereich. Gemäß der
Interdigitalelektroden-Anordnung 300 sind eine Vielzahl von
Elektrodenkomponenten (anschaulich Finger) der
Elektrodenstrukturen 302 bzw. 303 parallel angeordnet. In [3]
bis [6] werden aus Gründen der Fluidik kreisförmige
Anordnungen verwendet. Die äußeren Abmessungen bzw. der
Durchmesser solcher Einzelsensoren liegt im Bereich mehrerer
Hundert µm bis in den einstelligen mm-Bereich.
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Bezüglich der anregenden Wechselspannung Vchar ist zu
beachten, dass deren effektiver Mittelwert bzw. deren
Scheitelwert einen bestimmten Maximalwert nicht überschreiten
soll. Bei Überschreitung eines solchen Maximalwerts werden
die bio- bzw. elektrochemischen Rahmenbedingungen verletzt,
die den Betrieb solcher Sensoren ermöglichen. Überschreitet
das Elektroden-Potential (das auf das elektrische Potential
des Elektrolyten bezogen ist) einen oberen Schwellwert, so
können bestimmte Stoffe in einem Umgebungsbereich einer
Elektrode oxidiert werden. Unterschreitet das elektrische
Potential (das auf das elektrische Potential des Elektrolyten
bezogen ist) einen unteren Schwellwert, werden dort Stoffe
reduziert. Eine unerwünschte Oxidation oder Reduktion kann
unter anderem dazu führen, dass die chemischen Bindungen, die
bei der Immobilisierung und Hybridisierung eingegangen
werden, aufgebrochen werden. Ferner kann Elektrolyse an den
Sensor-Elektroden einsetzen, so dass die Elektrolyseprodukte
das für den Betrieb der Sensoren erforderliche chemische
Milieu aus dem erforderlichen Gleichgewicht bringen bzw. zu
Gasbildung führen. Die Absolutwerte der kritischen Potentiale
hängen von der Zusammensetzung und dem
Konzentrationsverhältnis und der chemischen Umgebung der
Elektroden ab (beispielsweise Immobilisierungsschicht,
Analyt, etc.).
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Typische Werte für die anregende Spannung liegen im Bereich
einiger 10 mV bis maximal um 100 mV. Dies ist eine wichtige
Rahmenbedingung für den Betrieb solcher Sensoren, da das
resultierende Messsignal (Stromstärke Imess) hinsichtlich
seiner Größe näherungsweise direkt proportional der
angelegten Spannung ist.
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Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 8 bis Fig. 10 ein
zweites Prinzip eines labelfreien elektrischen Sensors
beschrieben, wie es aus [7] bis [9] bekannt ist.
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Gemäß diesem zweiten Ansatz wird jeweils eine flächige
Elektrode für den Nachweis einer Spezies verwendet, das heißt
für die Immobilisierung von Fängermolekülen und zum
Hybridisieren mit zu erfassenden Partikeln. Ferner wird ein
Wechselspannungssignal direkt an einen elektrisch leitfähigen
Analyten angelegt. Bei diesen Verfahren erfolgt das Anlegen
der Wechselspannung und das gegebenenfalls erforderliche
zusätzliche Anlegen eines Gleichstrom-Offsets unter
Verwendung einer sogenannten Gegen- oder Referenzelektrode,
welche eine niederohmige, unter wechselnden elektrochemischen
Bedingungen stets definierte, in ihren elektrischen
Eigenschaften konstante elektrische Kopplung mit dem
Elektrolyten bewerkstelligt. Eine solche Referenzelektrode
ist üblicherweise aus einem anderen Material (beispielsweise
Silber/Silberchlorid) hergestellt als die Elektroden, die zum
Immobilisieren der Fängermoleküle genutzt werden und daher
häufig aus Gold-Material hergestellt sind. Die Verwendung
unterschiedlicher Materialien resultiert aus den
unterschiedlichen elektrochemischen Anforderungen an die
beiden Elektroden-Materialien.
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In Fig. 8A, Fig. 8B ist eine Sensor-Anordnung 800 gemäß diesem
zweiten Ansatz gezeigt. Fig. 8A zeigt eine Draufsicht der
Sensor-Anordnung 800, in Fig. 8B ist eine Querschnittsansicht
entlang einer Schnittlinie II-II' aus Fig. 8A gezeigt.
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Wie in Fig. 8A gezeigt, ist auf einem Silizium-Substrat 801
eine Mehrzahl von Sensor-Feldern 802 und eine gemeinsame
Referenzelektrode 803 angeordnet. Auf der Oberfläche jedes
Sensor-Feldes 802 ist ein aktiver Bereich 805 vorgesehen, auf
dem Fängermoleküle immobilisiert sind, zum Hybridisieren mit
zu erfassenden komplementären Partikeln. In die Sensor-
Anordnung 800 ist ein Analyt 804 eingefüllt. Bei der Sensor-
Anordnung 800 ist ein Silizium-Substrat 801 verwendet,
allerdings sind die elektrischen Eigenschaften des Siliziums
nicht ausgenützt, um eine leistungsfähige integrierte
Elektronik darin auszubilden.
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In Fig. 9 ist ein Ersatzschaltbild 900 eines Teilbereichs 806
der Sensor-Anordnung 800 gezeigt. Dieses zeigt eine variable
erste Kapazität 901 CM, welche die Kapazität des
Umgebungsbereichs des Sensor-Feldes 802 darstellt. Ferner ist
ein zu dieser parallel geschalteter variabler erster ohmscher
Widerstand 902 RM gezeigt, der den ohmschen Widerstand des
Umgebungsbereichs des Sensor-Feldes 802 darstellt. Eine
variable zweite Kapazität 903 CE und ein zu dieser parallel
geschalteter variabler zweiter ohmscher Widerstand RE 904
repräsentieren die elektrischen Eigenschaften des Analyten
804.
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Ferner ist in Fig. 10 ein weiteres Ersatzschaltbild 1000 des
Teilbereichs 806 der Sensor-Anordnung 800 gezeigt. Diese
zeigt zusätzlich zu den in Fig. 9 gezeigten Komponenten eine
Wechselspannungsquelle 1002, mittels der eine Wechselspannung
anlegbar ist, und zeigt ein Amperemeter 1001 zum Erfassen
eines Messstroms Imess. Die parallel geschalteten Komponenten
1001, 1002 sind zwischen das elektrische Massepotential 1003
und die Parallelschaltung aus Komponenten 903, 904
geschaltet.
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In der Biochemie stehen häufig nur sehr geringe
Probenvolumina zur Verfügung. In diesem Fall ist die
Verwendung der Sensor-Anordnung 800 nachteilhaft, da die
Gegenelektrode 803 nur sehr aufwändig oder gar nicht in
miniaturisierter Form bereitgestellt werden kann. Sie wird
häufig durch ein chloriertes Silberröhrchen realisiert.
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Bei den beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten
Sensor-Anordnungen tritt beim Betrieb bzw. der Auswertung von
Messsignalen das Problem auf, dass die Impedanz zwischen den
Elektroden nicht ausschließlich kapazitive Anteile aufweist,
sondern eine relativ komplexe, zusammengesetzte Größe ist.
Eine wesentliche Ursache dafür liegt darin begründet, dass an
der Messelektrode, die in direktem elektrischem
(galvanischem) Kontakt zum Elektrolyten steht, stets ein
elektrochemischer Umsatz stattfindet, der nur genau dann im
Gleichgewicht ist, wenn sich das elektrische Potential der
Elektrode gegenüber dem Elektrolyten frei einstellen kann.
Jede Auslenkung dieses elektrischen Potentials hat
automatisch einen Nettoumsatz an Material an den Elektroden
zur Folge, der messtechnisch als näherungsweise ohmsche
Leitfähigkeit in Erscheinung tritt. Das Immobilisieren von
Fängermolekülen beeinflusst grundsätzlich den Material-Umsatz
an der Elektrodenoberfläche, da dadurch die Elektrode
teilweise bedeckt wird, und aufgrund von spezifischen
elektrischen Eigenschaften der Moleküle (beispielsweise
aufgrund der Tatsache, dass DNA-Moleküle häufig als
Polyanionen vorliegen). Dies erschwert die messtechnische
Auswertung der erfassten Sensorsignale. Deshalb wird
versucht, die Messung derart zu gestalten, dass nur der in
den angegebenen Ersatzschaltbildern von der Hybridisierung
abhängige Wert der Elektrodenkapazität CE ermittelt wird.
Alternativ können Betrag und Phase der Impedanz als Funktion
der anregenden Frequenz gemessen werden, so dass im Idealfall
alle Parameter aus dem resultierenden Bode-Diagramm ermittelt
werden können. Diese Vorgehensweise ist allerdings sehr
aufwändig.
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Eine Möglichkeit, verbessert auswertbare Signale zu erhalten,
besteht in der Verwendung eines sogenannten Lock-in-
Verstärkers zum Erfassen des Sensorsignals. Dieses Prinzip
wird im Weiteren anhand der in Fig. 9, Fig. 10 gezeigten
Ersatzschaltbilder 900, 1000 erläutert.
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Mit Hilfe einer Lock-in-Messeinrichtung wird eine
Wechselspannung Vchar mit einer Frequenz f über die
Gegenelektrode 803, welche eine niederohmige Verbindung zum
Elektrolyten 804 gewährleistet, an den Elektrolyten 804
angelegt. Dann können der Imaginärteil und der Realteil des
sich aus den Elementen CM, RM, CE und RE ergebenden komplexen
Gesamtstroms Imess gemessen werden.
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Unter der Annahme, dass der Betrag des komplexen
Widerstandsanteils des Elektrolyten 804, nämlich 1/(2πfCE),
wesentlich größer ist als der Betrag des rein ohmschen
Anteils RE, ergibt sich der gemessene Strom zu:
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Der Imaginärteil des Stroms beträgt:
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Unter der weiteren Annahme, dass der ohmsche Widerstand des
Elektrolyten RE wesentlich geringer ist als der Kehrwert des
parasitären Sensorparallelleitwerts RM, das heißt wenn RM » RE
gilt, und unter der Annahme, dass die Frequenz f hinreichend
gering gewählt wird, so dass
4π2f2C
2|MR
2|E « 1 (3)
erfüllt ist, so kann für Gleichung (2) näherungsweise die
einfache Beziehung
Im(Imess) = Vchar × 2πfCM (4)
angegeben werden. Gleichung (4) besagt anschaulich, dass der
mittels des Lock-in-Verfahrens bestimmte Imaginärteil des
Stroms linear von der Sensorkapazität CM abhängt.
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Nur unter diesen Bedingungen beinhaltet die genaue Änderung
von CM die gesuchte Information.
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Die Notwendigkeit, Gleichung (3) ausreichend gut zu erfüllen,
begrenzt die Wahl der Messfrequenz nach oben. Allerdings ist
die freie Wahl einer nicht allzu niedrigen Frequenz
wünschenswert, da gemäß Gleichung (4) die Größe des
auszuwertenden Messsignals proportional mit der Frequenz
ansteigt. Um auch bei den niedrigen Frequenzen und den
Vorgaben für die Größenordnung der Spannung Vchar ein gut
auswertbares Signal gemäß Gleichung (4) zu erhalten, müssen
entweder großflächige Sensoren, die zu großen Werte für die
Sensorkapazität CM führen, oder hochempfindliche Verstärker
verwendet werden, was aufwändig ist.
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Sensor-
Anordnung gemäß dem Impedanz-Verfahren bereitzustellen, bei
der selbst Signale mit kleinen Amplituden ausreichend sicher
erfasst und ausgewertet werden können, und bei der das
Verwenden eines Labels entbehrlich ist.
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Das Problem wird gelöst durch eine Sensor-Anordnung und durch
ein Verfahren zum Betreiben einer Sensor-Anordnung mit den
Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
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Die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung gemäß einem ersten
Aspekt der Erfindung weist ein Substrat und mindestens drei
Sensor-Elektroden auf dem Substrat auf, wobei auf zumindest
einem Teil der Sensor-Elektroden Fängermoleküle
immobilisierbar sind, die derart eingerichtet sind, dass zu
erfassende Partikel mit ihnen hybridisieren können. Ferner
sind die Sensor-Elektroden derart auf dem Substrat
angeordnet, dass in einem Betriebszustand, in dem eine
elektrisch leitfähige Substanz in die Sensor-Anordnung
eingebracht ist, die Sensor-Elektroden mittels der elektrisch
leitfähigen Substanz miteinander gekoppelt sind. Ferner
enthält die Sensor-Anordnung einen Steuer-Schaltkreis, der
derart eingerichtet ist, dass mit ihm an eine ausgewählte
Sensor-Elektrode ein erstes elektrisches Signal anlegbar ist,
und dass simultan an mindestens zwei der anderen Sensor-
Elektroden ein zweites elektrisches Signal anlegbar ist,
wobei das erste elektrische Signal ein erstes zeitlich
veränderliches elektrisches Signal und/oder das zweite
elektrische Signal ein zweites zeitlich veränderliches
elektrisches Signal ist. Die Sensor-Anordnung enthält ferner
eine Erfass-Einrichtung, die derart eingerichtet ist, dass in
einem ersten Betriebszustand, in dem eine Referenzflüssigkeit
in die Sensor-Anordnung eingebracht ist, ein Referenzwert
eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen
Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen
elektrischen Signal resultierenden dritten zeitlich
veränderlichen elektrischen Signals an der ausgewählten
Sensor-Elektrode erfasst wird. In einem zweiten
Betriebszustand, in dem ein möglicherweise zu erfassende
Partikel aufweisender Analyt in die Sensor-Anordnung
eingebracht ist, wird ein Sensorwert eines aus dem ersten
zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem
zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal
resultierenden dritten zeitlich veränderlichen elektrischen
Signals an der ausgewählten Sensor-Elektrode erfasst. Ein
Auswerte-Schaltkreis der Sensor-Anordnung ist derart
eingerichtet, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem
Sensorwert ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor-Elektrode
ein Hybridisierungs-Ereignis erfolgt ist.
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Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betreiben einer
Sensor-Anordnung mit den oben genannten Merkmalen
bereitgestellt. Gemäß dem Verfahren wird an eine ausgewählte
Sensor-Elektrode ein erstes elektrisches Signal angelegt und
wird simultan an mindestens zwei der anderen Sensor-
Elektroden ein zweites elektrisches Signal angelegt, wobei
das erste elektrische Signal ein erstes zeitlich
veränderliches elektrisches Signal und/oder das zweite
elektrische Signal ein zweites zeitlich veränderliches
elektrisches Signal ist. In einem ersten Betriebszustand, in
dem eine Referenzflüssigkeit in die Sensor-Anordnung
eingebracht ist, wird ein Referenzwert eines aus dem ersten
zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem
zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal
resultierenden dritten zeitlich veränderlichen elektrischen
Signals an der ausgewählten Sensor-Elektrode erfasst. Ferner
wird in einem zweiten Betriebszustand, in dem ein
möglicherweise zu erfassende Partikel aufweisender Analyt in
die Sensor-Anordnung eingebracht ist, ein Sensorwert eines
aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal
und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen
Signal resultierenden dritten zeitlich veränderlichen
elektrischen Signals einer ausgewählten Sensor-Elektrode
erfasst. Darüber hinaus wird basierend auf dem Referenzwert
und dem Sensorwert ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor-
Elektrode ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist.
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Eine Grundidee der Erfindung ist darin zu sehen, dass eine
Sensor-Anordnung mit einer Vielzahl von Sensor-Elektroden auf
einem Substrat bereitgestellt ist. Vor und nach einem
möglicherweise stattfindenden Sensorereignis (beispielsweise
einer Hybridisierung zwischen Fängermolekülen und in einem
Analyten befindlichen DNA-Halbsträngen) wird an eine
ausgewählte der Elektroden ein elektrisches Wechselsignal
(beispielsweise eine Wechselspannung oder ein Wechselstrom
angelegt), und es wird ein aus dem ersten Wechselsignal
resultierendes zweites Wechselsignal (ein elektrischer Strom
bzw. eine elektrische Spannung) erfasst. Da sich infolge
eines Sensorereignisses der Wert der Impedanz, insbesondere
der Wert der Kapazität, zwischen der ausgewählten Sensor-
Elektrode und zumindest einem Teil der anderen Sensor-
Elektroden charakteristisch verändert, kann aus der
Veränderung des zweiten Wechselsignals auf das Auftreten
eines Hybridisierungs-Ereignisses oder eines sonstigen
Sensorereignisses geschlossen werden. Zumindest zwei der
nicht ausgewählten Sensor-Elektroden sind auf ein
elektrisches Referenzpotential gebracht.
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Alternativ zu einem konstanten Referenzpotential kann an die
anderen Sensor-Elektroden auch ein zu dem Potential der
ausgewählten Sensor-Elektrode gegenphasiges Signal angelegt
werden.
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Anschaulich wird vorgeschlagen, eine Array-Konfiguration mit
einer Vielzahl von Sensor-Elektroden zu verwenden, wobei
typische Flächen der Sensor-Elektroden im Bereich einiger
weniger 100 µm2 bis zu einigen 10000 µm2 liegen. Auf den
Sensor-Elektroden werden positionsspezifisch bekannte
Fängermoleküle, beispielsweise unter Verwendung von
Mikrodispensiertechniken, aufgebracht und immobilisiert. Das
Verwenden einer Referenzelektrode, wie oben bezugnehmend auf
Fig. 8A bis Fig. 10 beschrieben, ist erfindungsgemäß vermieden.
Folglich entfällt auch die Notwendigkeit eines speziellen,
problematischen Elektrodenmaterials für eine solche
Referenzelektrode.
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Zum Charakterisieren des Zustands einer bestimmten Sensor-
Elektrode wird an dieser ausgewählten Sensor-Elektrode
vorzugsweise eine Wechselspannung angelegt, und es wird an
dieser Sensor-Elektrode ein aus der Wechselspannung
resultierender Wechselstrom erfasst. An zumindest zwei der
anderen Elektroden wird ein elektrisches Massepotential oder
eine Referenzspannung angelegt. Als Referenzspannung kann der
Gleichspannungs-Mittelwert der an der ausgewählten Sensor-
Elektrode angelegten Wechselspannung verwendet werden, das
heißt der zeitlich gemittelte Wert der Wechselspannung.
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Anschaulich ist erfindungsgemäß eine neuartige Array-
Architektur, eine neue Ansteuerung und eine neue Möglichkeit
zum Auswerten der Sensor-Elektroden geschaffen.
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Das Realisieren solcher Arrays auf einem Halbleiterchip als
Substrat bietet den Vorteil, dass eine Sensor-Anordnung mit
einer wesentlich höheren Anzahl einzelner Sensor-Elektroden
bei verringerter Fläche realisierbar ist. Dieser Vorteil
liegt zum einen in der wesentlich höheren Anzahl von Tests,
die mit einer solchen Sensor-Anordnung zeitlich parallel
durchführbar sind, zum anderen in der wesentlich höheren
Anzahl von Parametern, die parallel charakterisiert werden
können. Ferner kann das Volumen von chemischen Reagenzien
verringert werden, die für den Betrieb von solchen Sensor-
Anordnungen benötigt werden. Insbesondere bei biochemischen
Anwendungen sind die chemischen Reagenzien ein sehr wichtiger
Kostenfaktor, womit die Betriebskosten verringert werden.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine wesentlich
kleinere Fläche für die Sensor-Elektroden verwendet werden
kann, verglichen mit den Elektrodenkonfigurationen gemäß dem
Stand der Technik. Die durch die geringere Sensorfläche der
einzelnen Sensoren bedingte geringere Signalamplitude auf
aktiven Halbleiterchips ist kein Nachteil gegenüber einer
passiven Realisierung, da bei einer integrierten Sensor-
Anordnung dieses Signal "On-Chip" mit Hilfe von Schaltungen
verstärkt werden können, die zum Beispiel unterhalb der
Sensor-Elektroden in dem Substrat integriert sind. Somit sind
solche Chips in der Lage, ein besseres Signal-
Rauschverhältnis der auszuwertenden Sensorsignale zu liefern.
Insbesondere ist die Toleranz solcher Chips gegenüber von
außen eingekoppelten Störsignalen wesentlich größer als im
Falle der Verwendung passiver elektrischer Sensor-Arrays, bei
denen vergleichsweise lange elektrische Leitungen mit dem
Messequipment gekoppelt werden müssen. Auf diesen Leitungen
laufende Signale sind aufgrund ihrer geringen Amplitude
empfindlich gegenüber Störungen, die in die Leitungen
einkoppeln.
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Ein weiterer Vorteil insbesondere im Vergleich zu der
bezugnehmend auf Fig. 8 bis Fig. 10 beschriebenen
Referenzelektroden-Anordnung ist, dass die technologischen
Anforderungen an die einzusetzenden Materialien weitaus
geringer sind. Insbesondere wird die Notwendigkeit des
Bereitstellens einer Referenzelektrode, die häufig als
Silber/Silberchlorid-Elektrode realisiert ist, zur
Herstellung eines elektrochemischen Referenzpotentials
bezüglich den Elektroden vermieden. Ein solche
Referenzelektrode ist insbesondere bei elektrochemischen
Sensoren (z. B. Redox-Recycling-Sensoren) erforderlich, nicht
hingegen bei Impedanzverfahren. Dies ist ein signifikanter
Vorteil für die Realisierung solcher Sensor-Anordnungen auf
aktiven Halbleiterchips (beispielsweise MOS-Chips), da die
Integration neuer und zusätzlicher Materialien in einen
Halbleiter-Herstellungsprozess mit hohen Kosten und hohem
Entwicklungsaufwand verbunden ist. Aus Gründen der
Kontaminationsgefahr durch derartige Materialien oder aber,
da die Prozessierungsbedingungen dieser Materialien nicht mit
dem Herstellungsprozess der integrierten Schaltung
verträglich sind (da sie zum Beispiel zu einer Schädigung der
in der Prozessabfolge bereits zuvor hergestellten
integrierten Bauelemente, elektrischen Kopplungsmittel, und
Isolationsschichten führen), scheidet die Integration dieser
Materialien grundsätzlich aus.
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Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung
insbesondere gegenüber der Interdigitalelektroden-Anordnung
von Fig. 3A, Fig. 3B liegt darin, dass die Sensor-Elektroden
der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung bei gleicher
Gesamtfläche ein deutlich größeres Signal liefern als die
Konfiguration mit den Interdigitalelektroden. Dies liegt
daran, dass die gesamte Sensorfläche als aktive
Elektrodenfläche verwendet werden kann. Im Umkehrschluss
bedeutet dies aber auch, dass bei einer gegebenen Anforderung
an die Amplitude des Sensorsignals die Sensorfläche kleiner
gemacht werden kann. Dies führt zu einer geringeren
Flächenanforderung für die Schaltungstechnik bzw. zu einer
höheren Leistungsfähigkeit der ansteuernden Schaltungen.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
abhängigen Ansprüchen.
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Die Sensor-Anordnung kann derart eingerichtet sein, dass für
zumindest einen Teil der Sensor-Elektroden sequentiell
jeweils für eine ausgewählte Sensor-Elektrode ermittelt wird,
ob an der jeweils ausgewählten Sensor-Elektrode ein
Hybridisierungsereignis erfolgt ist. Mit anderen Worten kann
sequentiell eine Mehrzahl von Sensor-Elektroden nacheinander
ausgewählt werden und ermittelt werden, ob an dieser Sensor-
Elektrode ein Sensorereignis stattgefunden hat.
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Die Sensor-Anordnung kann ferner derart eingerichtet sein,
dass für jede ausgewählte Sensor-Elektrode ermittelt wird, in
welcher Quantität an der ausgewählten Sensor-Elektrode
Hybridisierungsereignisse erfolgt sind. Die erfindungsgemäße
Sensor-Anordnung ist daher sowohl für qualitative als auch
für quantitative Analysen verwendbar.
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Die Sensor-Elektroden können im Wesentlichen matrixförmig auf
der Oberfläche des Substrats angeordnet sein.
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Ferner können die Sensor-Elektroden zu einer Mehrzahl von
Sensor-Gruppen gruppiert oder kompartimentiert sein derart,
dass jede Sensor-Gruppe wahlweise separat von den anderen
Sensor-Gruppen oder gemeinsam mit zumindest einem Teil der
anderen Sensor-Gruppen betreibbar ist. Dadurch ist es
erfindungsgemäß ermöglicht, für eine Analyse, für die nicht
alle auf einer Sensor-Anordnung vorgesehenen Sensor-
Elektroden erforderlich sind, nur einen ausreichend großen
Teil der Sensor-Elektroden zu verwenden. Dadurch können
Kosten eingespart werden.
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Die Sensor-Elektrode ist vorzugsweise quadratisch,
rechteckförmig, kreisförmig, ellipsenförmig, wabenförmig oder
achteckig. Die Sensor-Elektrode kann auch aus einer Mehrzahl
von nicht zusammenhängenden Bereichen (anschaulich Segmenten)
zusammengesetzt sein, wobei vorzugsweise die einzelnen
Bereiche einer Sensor-Elektrode mit denselben Fängermolekülen
belegt sind und elektrisch gekoppelt sind.
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Insbesondere kann die Sensor-Anordnung als integrierter
Schaltkreis eingerichtet sein, wodurch insbesondere die
Vorteile der Silizium-Mikrotechnologie genutzt werden können.
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Das Substrat kann ein Halbleiter-Substrat (zum Beispiel ein
Silizium-Substrat, Silizium-Wafer oder Silizium-Chip), ein
Keramik-Substrat, ein Glas-Substrat und ein Plastik-Substrat
sein.
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Das erste und/oder das zweite zeitlich veränderliche
elektrische Signal kann eine zeitlich veränderliche
elektrische Spannung und das dritte zeitlich veränderliche
elektrische Signal kann ein zeitlich veränderlicher
elektrischer Strom sein. Alternativ kann das erste und/oder
das zweite zeitlich veränderliche elektrische Signal ein
zeitlich veränderlicher elektrischer Strom und das dritte
zeitlich veränderliche elektrische Signal eine zeitlich
veränderliche elektrische Spannung sein.
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Die Zeitabhängigkeit des ersten und/oder des zweiten zeitlich
veränderlichen elektrischen Signals und/oder die
Zeitabhängigkeit des dritten zeitlich veränderlichen
elektrischen Signals kann eine mathematische Sinus-Funktion
(oder Kosinus-Funktion), eine Rechteck-Funktion, eine
Sägezahn-Funktion, eine Dreieck-Funktion oder eine Sprung-
Funktion sein. Wichtig ist, dass das erste bzw. das zweite
zeitlich veränderliche elektrische Signal über die Zeit
hinweg veränderlich ist.
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Bei der Sensor-Anordnung kann der Steuer-Schaltkreis derart
eingerichtet ist, dass das erste elektrische Signal ein
erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist und
das zweite elektrische Signal ein konstantes
Referenzpotential ist. Mit anderen Worten kann an die
ausgewählte Sensor-Elektrode ein zeitlich veränderliches
elektrisches Signal (z. B. eine Wechselspannung) angelegt sein,
wohingegen an zumindest zwei der anderen Sensor-Elektroden
ein konstantes elektrisches Potential angelegt sein kann.
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Alternativ kann bei der Sensor-Anordnung der Steuer-
Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass das zweite
elektrische Signal ein zweites zeitlich veränderliches
elektrisches Signal ist und das erste elektrische Signal ein
konstantes Referenzpotential ist. Mit anderen Worten kann an
die ausgewählte Sensor-Elektrode ein konstantes elektrisches
Potential angelegt sein, wohingegen an zumindest zwei der
anderen Sensor-Elektroden ein zeitlich veränderliches
elektrisches Signal (z. B. eine Wechselspannung) angelegt sein
kann.
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Gemäß einer weiteren Alternative kann das erste elektrische
Signal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal
sein und kann das zweite elektrische Signal ein zweites
zeitlich veränderliches elektrisches Signal sein, wobei das
erste und das zweite zeitlich veränderliche elektrische
Signal zueinander gegenphasig sind. In diesem Fall kann zum
Beispiel an alle Sensor-Elektroden eine jeweilige
Wechselspannung angelegt sein, wobei die Wechselspannung an
der ausgewählten Sensor-Elektrode zu der die Wechselspannung
an den anderen Sensor-Elektroden (oder zumindest eines Teils
davon) gegenphasig ist.
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Das elektrische Referenzpotential kann das Masse-Potential
sein oder ein Zeitmittelwert des ersten oder des zweiten
zeitlich veränderlichen elektrischen Signals. Verwendet man
als elektrisches Referenzpotential der nicht ausgewählten
Sensor-Elektroden zum Beispiel den Zeitmittelwert des ersten
zeitlich veränderlichen elektrischen Signals (beispielsweise
einer Sinus-Wechselspannung), so sind störende
elektrochemische Umsätze an Elektroden, (das heißt
Oxidations- bzw. Reduktionsvorgänge) vermieden. Infolge
solcher Oxidations- oder Reduktionsvorgänge kann Material
unerwünschterweise in einem Umgebungsbereich der Sensor-
Elektroden abgeschieden werden, wodurch sich die elektrischen
Eigenschaften der Sensor-Elektroden verändern. Dadurch kann
die Messung negativ beeinflusst werden.
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Bei der Sensor-Anordnung kann die Referenzflüssigkeit eine
andere Flüssigkeit als der Analyt sein und von zu erfassenden
Partikeln frei sein. Anschaulich wird gemäß dieser
Alternative zunächst eine von zu erfassenden Partikeln freie
Referenzflüssigkeit in die Sensor-Anordnung eingebracht und
der Referenzwert des dritten zeitlich veränderlichen
elektrischen Signals erfasst. Dann wird der Analyt, d. h. eine
von der Referenzflüssigkeit unterschiedliche, zu
untersuchende Flüssigkeit in die Sensor-Anordnung
eingebracht, wodurch Hybridisierungsereignisse ermöglicht
werden. Danach wird der Sensorwert des dritten zeitlich
veränderlichen elektrischen Signals erfasst.
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Alternativ kann die Referenzflüssigkeit der Analyt sein, d. h.
Referenzflüssigkeit und Analyt können ein und dieselbe
Flüssigkeit sein. In beiden Betriebszuständen ist diese
Flüssigkeit in die Sensor-Anordnung eingefüllt. In diesem
Fall ist die Sensor-Anordnung derart eingerichtet, dass der
erste Betriebszustand ein erster Zeitraum ist, bei dem im
Wesentlichen noch keine Hybridisierungsereignisse
stattgefunden haben und der zweite Betriebszustand ein
zweiter Zeitraum, zeitlich nach dem ersten Zeitraum, ist, bei
dem im Wesentlichen alle Hybridisierungsereignisse
stattgefunden haben.
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Hybridisierungsereignisse erfolgen in vielen Fällen mit
relativ langen Zeitkonstanten, z. B. in der Größenordnung von
Stunden. Wird ein Analyt in die Sensor-Anordnung eingebracht
und unmittelbar danach der Referenzwert des dritten zeitlich
veränderlichen elektrischen Signals erfasst, so sind zu
diesem Zeitpunkt anschaulich noch keine (oder unwesentlich
wenige) Hybridisierungsereignisse erfolgt. Nach einem
vorgebbaren Zeitraum, der so gewählt wird, dass innerhalb
dieses Zeitraums mögliche Hybridisierungsereignisse ablaufen
können, wird der Sensorwert des dritten zeitlich
veränderlichen elektrischen Signals erfasst.
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Ferner kann die Sensor-Anordnung einen in dem Substrat
integrierten Analog/Digital-Wandler-Schaltkreis aufweisen,
der derart eingerichtet ist, dass er ein analoges zeitlich
veränderliches elektrisches Signal in ein digitales Signal
umwandelt und dem Auswerte-Schaltkreis bereitstellt. Ferner
kann die Sensor-Anordnung mit einer externen Versorgungs-
Einheit versehen sein, die derart eingerichtet ist, dass sie
dem Steuer-Schaltkreis elektrische Spannungssignale und/oder
elektrische Stromsignale bereitstellt. Darüber hinaus kann
ein in dem Substart integrierter Digital-/Analog-Wandler-
Schaltkreis vorgesehen sein, der derart eingerichtet ist,
dass er ein digitales Spannungssignal und/oder Stromsignal
der externen Versorgungs-Einheit in ein analoges Signal
umwandelt und dem Steuer-Schaltkreis bereitstellt. Ferner
kann in dem Substrat ein Auswahl-Schaltkreis integriert sein,
der derart eingerichtet ist, dass er sequentiell jeweils eine
der Sensor-Elektroden auswählt. Hierfür kann beispielsweise
ein Enable/Disable-Eingang an Spannungsquellen zum Erzeugen
des ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals
vorgesehen sein, oder es kann eine der Sensor-Elektroden
unter Verwendung eines Transistorschalters zu- bzw.
abgeschaltet werden.
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Die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung ist insbesondere in
Verbindung mit aktiven Silizium-Chips attraktiv, bei denen
unterhalb jeder Elektrode elektrische Schaltungen zur
Ansteuerung der Elektrode, zur Messung, Aufbereitung und
Vorverarbeitung des Sensorsignals angeordnet sind. Auf
derartigen Chips kann ferner die Ansteuerung der Chips und
der Transfer der Messdaten über eine rein digitale, d. h.
fehlerrobuste Schnittstelle zu externen Geräten erfolgen. Die
auf dem Chip vorgesehenen Schaltungen können z. B.
Analog-/Digital-Wandler sein, die das von den Sensorschaltungen in
vorverstärkter bzw. vorverarbeiteter Form gelieferte Signal
in ein digitales Signal umsetzen. Ferner können
Digital-/Analog-Wandler vorgesehen sein, die von externen Geräten in
digitaler Form kodierte Signale in Analogsignale umsetzen,
die für den Betrieb der Sensoren benötigt werden
(beispielsweise eine Wechselspannung). Darüber hinaus können
Logik-Schaltungen vorgesehen sein, die von externen Geräten
in digitaler Form gelieferte Signale zur Ansteuerung des
Chips (beispielsweise zur Auswahl einer Position) in
geeignete Chip-interne Steuersignale konvertieren. Eine
solche Konfiguration ist vorteilhaft, da die Ansteuerung der
Sensoren mit Analog-Signalen und der Transport der
empfindlichen Analog-Messsignale nicht über lange Zuleitungen
erfolgt. Dadurch ist die Störempfindlichkeit der Chips und
der Rauschanteil im Messsignal erheblich vermindert, da die
empfindlichen Analog-Signale den Chip nicht verlassen müssen.
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Ferner können auf mindestens einer der Sensor-Elektroden
Fängermoleküle immobilisiert sein. Insbesondere können auf
unterschiedlichen Sensor-Elektroden unterschiedliche
Fängermoleküle immobilisiert sein, so dass ein Analyt auf das
Vorhandensein unterschiedlicher zu erfassender Partikel
getestet werden kann.
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Die Sensor-Anordnung kann insbesondere als Biosensor-
Anordnung, weiter insbesondere als DNA-Sensor-Anordnung
eingerichtet sein.
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Der Auswerte-Schaltkreis kann derart eingerichtet sein, dass
er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert des
dritten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals, und
basierend auf dem ersten und/oder dem zweiten zeitlich
veränderlichen elektrischen Signal den Wert der Impedanz
zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode und einer in die
Sensor-Anordnung eingebrachten elektrisch leitfähigen
Substanz (d. h. insbesondere der Referenzflüssigkeit bzw. des
Analyten) in dem ersten Betriebszustand und in dem zweiten
Betriebszustand ermittelt. Da in dem ersten Betriebszustand
die Referenzflüssigkeit in die Sensor-Anordnung eingebracht
ist, wird in dem ersten Betriebszustand der Wert der Impedanz
zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode und der
Referenzflüssigkeit ermittelt. Da in dem zweiten
Betriebszustand der Analyt in die Sensor-Anordnung
eingebracht ist, wird in dem zweiten Betriebszustand der Wert
der Impedanz zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode (mit
den mit den Fängermolekülen an der Sensor-Elektrode
hybridisierten, zu erfassenden Partikeln) und dem Analyt
ermittelt.
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Ferner kann der Auswerte-Schaltkreis derart eingerichtet
sein, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem
Sensorwert des dritten zeitlich veränderlichen elektrischen
Signals und basierend auf dem ersten und/oder dem zweiten
zeitlich veränderlichen elektrischen Signal den Wert der
Kapazität zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode und
einer in die Sensor-Anordnung eingebrachten elektrisch
leitfähigen Substanz in dem ersten Betriebszustand und in dem
zweiten Betriebszustand ermittelt. Für viele Anwendungen ist
die Approximation mit guter Genauigkeit zulässig, dass die
Sensor-Impedanz von dem kapazitiven Anteil dominiert wird,
wohingegen die Impedanz eines Elektrolyten bzw. ein ohmscher
Anteil der Sensor-Impedanz häufig vernachlässigt werden
können.
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Der Auswerte-Schaltkreis kann derart eingerichtet sein, dass
er basierend auf dem Quotienten der Werte der Kapazität
zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode und einer in die
Sensor-Anordnung eingebrachten elektrisch leitfähigen
Substanz in dem ersten Betriebszustand und in dem zweiten
Betriebszustand ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor-
Elektrode Hybridisierungsereignisse erfolgt sind und/oder in
welcher Quantität an einer ausgewählten Sensor-Elektrode
Hybridisierungsereignisse erfolgt sind.
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Alternativ zu der zuletzt beschriebenen Maßnahme kann der
Auswerte-Schaltkreis derart eingerichtet sein, dass er für
zumindest einen Teil der Sensor-Elektroden ermittelt, ob an
der jeweils ausgewählten Sensor-Elektrode
Hybridisierungsereignisse erfolgt sind und/oder in welcher
Quantität an der jeweils ausgewählten Sensor-Elektrode
Hybridisierungsereignisse erfolgt sind, indem er aus dem
Gleichungssystem
die Werte β(i,j)CFeld(i,j) für den ersten und den zweiten
Betriebszustand ermittelt. In Gleichung (5) sind n, m die
Indizes einer ausgewählten Sensor-Elektrode in dem Zellenfeld
und x,y Indizes der Sensor-Elektroden in dem Zellenfeld. N.M
ist die Anzahl der Sensor-Elektroden in dem Zellenfeld (z. B.
sind in einem matrixförmigen Zellenfeld N Zeilen und M
Spalten von Sensor-Elektroden vorgesehen). Ferner ist
CFeld(i,j) der Wert der Kapazität zwischen der Sensor-
Elektrode mit den Indizes i,j und dem Elektrolyten. Die nicht
ausgewählten Sensor-Elektroden bilden weitere Kapazitäten zu
dem Elektrolyten in dem ersten Betriebszustand. Darüber
hinaus ist β(i,j)CFeld(i,j) der Wert der Kapazität zwischen
der Sensor-Elektrode mit den Indizes i,j und dem Elektrolyten
in dem zweiten Betriebszustand. Die nicht ausgewählten
Sensor-Elektroden bilden weitere Kapazitäten zu dem
Elektrolyten in dem zweiten Betriebszustand. Ferner ist
CMess(n,m) der Wert der ermittelten, d. h. der gemessenen
Kapazität zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode mit den
Indizes n,m und dem Elektrolyten (einer in die Sensor-
Anordnung eingebrachten elektrisch leitfähigen Substanz).
Anschaulich wird für den ersten bzw. den zweiten
Betriebszustand Gleichung (5) numerisch gelöst, indem für
jeden Betriebszustand ein Gleichungssystem mit jeweils N × M
Gleichungen und N × M Unbekannten, nämlich den Produkten
β(n,m)CFeld(n,m), gelöst wird. Anschaulich ist in den Werten
β(n,m) die Information über ein möglicherweise erfolgtes
Sensorereignis enthalten.
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Der Auswerte-Schaltkreis kann derart eingerichtet sein, dass
er beim Ermitteln der Werte β(i,j)CFeld(i,j) die Approximation
N × M >> 1 verwendet. Mit anderen Worten wird hier angenommen,
dass eine große Anzahl von Sensor-Elektroden in der Sensor-
Anordnung vorgesehen ist. Alternativ oder ergänzend kann der
Auswerte-Schaltkreis derart eingerichtet sein, dass er zum
Ermitteln der Werte β(i,j)CFeld(i,j) die Approximation
verwendet. Dies entspricht anschaulich der Annahme, dass sich
die Werte der jeweiligen Kapazitäten ausreichend wenig, d. h.
nicht um Größenordnungen voneinander unterscheiden.
Anschaulich kann unter Verwendung der beiden beschriebenen
Approximationen Gleichung (5) erheblich vereinfacht werden,
was eine numerisch einfachere Auswertung in dem Auswerte-
Schaltkreis ermöglicht.
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Im Weiteren wird eine erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung
gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben. Die
Ausgestaltungen der Sensor-Anordnung gemäß dem ersten Aspekt
der Erfindung gelten auch für die Sensor-Anordnung gemäß dem
zweiten Aspekt der Erfindung.
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Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Sensor-
Anordnung mit einem Substrat und mit mindestens drei Sensor-
Elektroden auf dem Substrat bereitgestellt. Auf zumindest
einem Teil der Sensor-Elektroden sind Fängermoleküle
immobilisiert, die derart eingerichtet sind, dass zu
erfassende Partikel mit ihnen hybridisieren können.
Mindestens eine Referenz-Sensor-Elektrode ist von solchen
Fängermolekülen frei, die derart eingerichtet sind, dass mit
ihnen zu erfassende Partikel hybridisieren können. Mit
anderen Worten können auch auf der Referenz-Sensor-Elektrode
Fängermoleküle immobilisiert sein (z. B. doppelsträngige DNA),
nicht jedoch solche Fängermoleküle, die mit anderen Partikeln
hybridisieren können. Allerdings kann die Referenz-Sensor-
Elektrode auch von Fängermolekülen gänzlich frei sein. Die
Sensor-Elektroden sind derart auf dem Substrat angeordnet,
dass in einem Betriebszustand, in dem eine elektrisch
leitfähige Substanz in die Sensor-Anordnung eingebracht ist,
die Sensor-Elektroden mittels der elektrisch leitfähigen
Substanz miteinander gekoppelt sind. Ein Steuer-Schaltkreis
ist derart eingerichtet, dass mit ihm an eine ausgewählte
Sensor-Elektrode und an die Referenz-Sensor-Elektrode ein
erstes elektrisches Signal anlegbar ist und simultan an
mindestens eine der anderen Sensor-Elektroden ein zweites
elektrisches Signal anlegbar ist, wobei das erste elektrische
Signal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal
und/oder das zweite elektrische Signal ein zweites zeitlich
veränderliches elektrisches Signal ist. Eine Erfass-
Einrichtung ist derart eingerichtet, dass in einem
Betriebszustand, in dem ein möglicherweise zu erfassende
Partikel aufweisender Analyt in die Sensor-Anordnung
eingebracht ist, ein Referenzwert eines aus dem ersten
zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem
zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal
resultierenden dritten zeitlich veränderlichen elektrischen
Signals an der Referenz-Sensor-Elektrode erfasst wird. Ferner
wird mittels der Erfass-Einrichtung ein Sensorwert eines aus
dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal
und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen
Signal resultierenden dritten zeitlich veränderlichen
elektrischen Signals an der ausgewählten Sensor-Elektrode
erfasst. Ein Auswerte-Schaltkreis ist derart eingerichtet,
dass er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert
ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor-Elektrode ein
Hybridisierungsereignis erfolgt ist.
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Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung wird anschaulich zum
Beispiel eine Wechselspannung an die Referenz-Sensor-
Elektrode und an die ausgewählte Sensor-Elektrode angelegt.
Da zwar an der ausgewählten Sensor-Elektrode, nicht aber an
der Referenz-Sensor-Elektrode Fängermoleküle immobilisiert
sind, mit denen zu erfassende Partikel eines Analyten
hybridisieren können, verändert sich infolge eines
Hybridisierungsereignisses der Sensorwert, nicht hingegen der
Referenzwert eines aus der Wechselspannung resultierenden
Wechselstroms.
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Gemäß diesem Aspekt der Erfindung kann die Referenz-Sensor-
Elektrode von Fängermolekülen frei sein oder es können auf
der Referenz-Sensor-Elektrode solche Fängermoleküle
immobilisiert sein, die mit zu erfassenden Partikeln nicht
hybridisieren können (z. B. doppelsträngige DNA).
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Im Weiteren wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben
der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung näher beschrieben,
Ausgestaltungen der Sensor-Anordnung gelten auch für das
Verfahren zum Betreiben der Sensor-Anordnung.
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Als Referenzflüssigkeit kann im Wesentlichen dieselbe
Substanz verwendet werden wie für den Analyt, abgesehen
davon, dass die Referenzflüssigkeit von zu erfassenden
Partikeln frei ist.
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Indem sich die Referenzflüssigkeit von dem Analyt im
Wesentlichen nur um die üblicherweise in geringer
Konzentration vorliegenden zu erfassenden Partikel
unterscheiden, ist sichergestellt, dass die elektrischen
Eigenschaften an den Sensor-Elektroden nicht durch allzu
unterschiedliche Referenz- bzw. Analyt-Flüssigkeit
beeinflusst werden. Dadurch ist die Messgenauigkeit erhöht.
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Es ist anzumerken, dass eine ausgewählte Sensor-Elektrode
bezüglich der nicht ausgewählten Sensor-Elektroden
anschaulich gegenphasig betrieben werden kann. D. h., dass zum
Beispiel an die ausgewählte Sensor-Elektrode eine erste
Wechselspannung angelegt werden kann, und dass simultan an
zumindest einen Teil der anderen Sensor-Elektroden eine
zweite Wechselspannung angelegt werden kann. Die erste
Wechselspannung ist bezüglich der zweiten dann vorzugsweise
gegenphasig. Alternativ kann zum Beispiel an die ausgewählte
Sensor-Elektrode ein erster Wechselstrom angelegt werden, und
simultan kann an zumindest einen Teil der anderen Sensor-
Elektroden ein zweiter Wechselstrom angelegt werden kann. Der
erste Wechselstrom ist bezüglich des zweiten Wechselstroms
dann vorzugsweise gegenphasig.
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Ferner ist anzumerken, dass erfindungsgemäß nach dem
erfolgten Hybridisierungsereignis die Sensor-Anordnung
mittels Entfernens des Analyten und mittels Einbringens einer
Spüllösung gespült werden kann, die derart eingerichtet ist,
dass dadurch nicht hybridisierte unverändert einsträngige
Fängermoleküle von den Sensor-Elektroden abgelöst werden,
wohingegen mit zu erfassenden Partikeln hybridisierte
Fängermoleküle durch die Spüllösung nicht abgelöst werden.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden vorwiegend DNA-Sensor-
Anordnungen zum Erfassen und Nachweisen von DNA-Strängen
beschrieben, die eine wichtige Klasse und ein wichtiges
Anwendungsfeld derartiger Sensorarrays darstellen. Das
Prinzip der beschriebenen Sensor-Anordnungen ist jedoch nicht
auf das Gebiet der DNA-Sensorik beschränkt, sondern gilt
allgemein für jede beliebige Sensor-Klasse.
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Anschaulich ist erfindungsgemäß eine Möglichkeit geschaffen,
unter Verwendung des Impedanz-Verfahrens eine vereinfachte
und hochgenaue Sensor-Anordnung bereitzustellen und zu
betreiben.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren
dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
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Es zeigen:
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Fig. 1 eine Sensor-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
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Fig. 2A bis 2F Querschnittsansichten eines Teilbereichs
der in Fig. 1 gezeigten Sensor-Anordnung zu
unterschiedlichen Zeitpunkten während eines
Verfahrens zum Betreiben der Sensor-Anordnung,
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Fig. 3A, 3B eine Draufsicht und eine Querschnittansicht
entlang der Schnittlinie I-I' einer
Interdigitalelektroden-Anordnung gemäß dem Stand der
Technik,
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Fig. 4A, 4B Querschnittsansichten eines ersten
Teilbereichs der in Fig. 3 gezeigten
Interdigitalelektroden-Anordnung zu unterschiedlichen
Zeitpunkten während eines Verfahrens zum Betreiben
der Interdigitalelektroden-Anordnung gemäß dem Stand
der Technik,
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Fig. 5 eine Querschnittsansicht eines zweiten Teilbereichs
der in Fig. 3 gezeigten Interdigitalelektroden-
Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
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Fig. 6 ein Ersatzschaltbild des ersten Teilbereichs der
Interdigitalelektroden-Anordnung aus Fig. 3 gemäß
dem Stand der Technik,
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Fig. 7A, 7B Ersatzschaltbilder des ersten Teilbereichs der
in Fig. 3 gezeigten Interdigitalelektroden-Anordnung
gemäß dem Stand der Technik,
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Fig. 8A, 8B eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht
entlang der Schnittlinie II-II' einer Sensor-
Anordnung mit Referenzelektrode gemäß dem Stand der
Technik,
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Fig. 9 ein Ersatzschaltbild der Sensor-Anordnung aus Fig. 8
gemäß dem Stand der Technik,
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Fig. 10 ein anderes Ersatzschaltbild der Sensor-Anordnung
aus Fig. 8 gemäß dem Stand der Technik,
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Fig. 11 eine schematische Querschnittsansicht einer Sensor-
Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der
Erfindung,
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Fig. 12 eine perspektivische schematische Ansicht einer
Sensor-Anordnung gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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Fig. 13 ein Ersatzschaltbild der in Fig. 12 gezeigten
Sensor-Anordnung gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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Fig. 14 ein anderes Ersatzschaltbild der in Fig. 12
gezeigten Sensor-Anordnung gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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Fig. 15 eine schematische Querschnittsansicht einer Sensor-
Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
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Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 11 eine Sensor-
Anordnung 1100 gemäß einem ersten bevorzugten
Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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Die Sensor-Anordnung 1100 weist ein Silizium-Substrat 1101
sowie eine erste Sensor-Elektrode 1102, eine zweite Sensor-
Elektrode 1103 und eine dritte Sensor-Elektrode 1104, jeweils
aus Gold-Material, auf, die auf dem Substrat 1101 angeordnet
sind. Auf der ersten Sensor-Elektrode 1102 sind erste
Fängermoleküle 1105 immobilisiert. Auf der zweiten Sensor-
Elektrode 1103 sind zweite Fängermoleküle 1106 immobilisiert.
Auf der dritten Sensor-Elektrode 1104 sind dritte
Fängermoleküle 1107 immobilisiert. Jede der Typen von
Fängermolekülen 1105 bis 1107 ist derart eingerichtet, dass
jeweils spezifisch zu erfassende Partikel mit ihnen
hybridisieren können.
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Gemäß dem in Fig. 11 gezeigten Betriebszustand der Sensor-
Anordnung 1100 ist ein Analyt 1109 mit zu erfassenden DNA-
Halbsträngen 1108 in die Sensor-Anordnung 1100 eingebracht.
Die zu erfassenden DNA-Halbstränge 1108 sind zu den ersten
Fängermolekülen 1105 komplementär, weshalb die ersten
Fängermoleküle 1105 mit den zu erfassenden DNA-Halbsträngen
1108 hybridisieren. Dagegen ist die Basensequenz der zweiten
und dritten Fängermoleküle 1106, 1107 nicht komplementär zu
den zu erfassenden DNA-Halbsträngen 1108, so dass an der
zweiten Elektrode 1103 und an der dritten Elektrode 1104
keine Hybridisierungsereignisse stattfinden.
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Wie in Fig. 11 gezeigt, sind die Sensor-Elektroden 1102 bis
1104 derart auf dem Substrat angeordnet, dass in einem
Betriebszustand, in dem der elektrolytische Analyt 1109 als
elektrische leitfähige Substanz in die Sensor-Anordnung 1100
eingebracht ist, die Sensor-Elektroden 1102 bis 1104 mittels
der elektrisch leitfähigen Elektrolyt-Lösung 1109 elektrisch
gekoppelt sind. Mittels eines Behältnisses 1110 auf dem
Substrat 1101 ist ermöglicht, dass der Analyt 1109 in die
Sensor-Anordnung 1100 einfüllbar ist.
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Ferner ist in Fig. 11 ein Steuer-Schaltkreis 1111 gezeigt, der
derart eingerichtet ist, dass mit ihm an eine jeweils
ausgewählte Sensor-Elektrode 1102 bis 1104 eine sinusförmige
und daher zeitlich veränderliche Wechselspannung anlegbar
ist. Dies ist mittels der ersten bis dritten
Wechselspannungsquellen 1113 bis 1115 realisiert. Mittels
einer ersten Steuerleitung 1112a ist eine Steuereinheit 1112
des Steuer-Schaltkreises 1111 mit der ersten
Wechselspannungsquelle 1113 gekoppelt, wobei mittels eines
Signals der Steuereinheit 1112 über die erste Steuerleitung
1112a die erste Wechselspannungsquelle 1113 aktiviert (oder
deaktiviert) werden kann. Gemäß dem in Fig. 11 gezeigten
Betriebszustand der Sensor-Anordnung 1100 ist die erste
Sensor-Elektrode 1102 aktiviert, wohingegen die zweite und
dritte Sensor-Elektroden 1103 und 1104 deaktiviert sind.
Folglich stellt die Steuereinheit 1112 der ersten
Wechselspannungsquelle 1113 ein derartiges Signal bereit,
dass die erste Wechselspannungsquelle 1113 aktiviert ist.
Darüber hinaus stellt die Steuereinheit 1112 über die zweite
Steuerleitung 1112b der zweiten Wechselspannungsquelle 1114
ein derartiges Signal bereit, dass die zweite
Wechselspannungsquelle 1114 deaktiviert ist und an der
zweiten Sensor-Elektrode 1103 keine Wechselspannung anliegt.
Auch die dritte Wechselspannungsquelle 1115 ist deaktiviert,
da die Steuereinheit 1112 über die dritte Steuerleitung 1112c
der dritten Wechselspannungsquelle 1115 ein entsprechendes
Steuersignal übermittelt. Dadurch liefert gemäß dem in Fig. 11
gezeigten Betriebszustand die erste Wechselspannungsquelle
1113 der ersten Sensor-Elektrode 1102 eine elektrische
Wechselspannung mit sinusförmigem Signalverlauf, wohingegen
die zweite und die dritte Sensor-Elektrode 1103, 1104 auf
elektrischem Massepotential 1121 als Referenzpotential
befindlich sind.
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Ferner ist bei der Sensor-Anordnung 1100 eine
Erfasseinrichtung 1116 vorgesehen, die eine erste Strom-
Erfasseinheit 1117 zum Erfassen eines elektrischen Stroms der
ersten Sensor-Elektrode 1102, eine zweite Strom-Erfasseinheit
1118 zum Erfassen eines elektrischen Stroms der zweiten
Sensor-Elektrode 1103 sowie eine dritte Strom-Erfasseinheit
1119 zum Erfassen eines elektrischen Stroms der dritten
Sensor-Elektrode 1104 enthält. Die Strom-Erfasseinheiten 1117
bis 1119 können beispielsweise als Amperemeter ausgestaltet
sein. Die Erfasseinrichtung 1116 ist derart eingerichtet,
dass in einem ersten Betriebszustand (nicht gezeigt), in dem
eine von zu erfassenden Partikeln 1108 freie
Referenzflüssigkeit (nicht gezeigt) in die Sensor-Anordnung
1100 eingebracht ist, ein aus der mittels der ersten
Wechselspannungsquelle 1113 an die ausgewählte Sensor-
Elektrode 1102 angelegten Wechselspannung resultierender
elektrischer Referenzstrom mittels der ersten Strom-
Erfasseinheit 1117 erfasst wird. Mit anderen Worten ist gemäß
diesem ersten Betriebszustand in die Sensor-Anordnung 1100
statt dem Analyten 1109 eine Elektrolyt-Referenzflüssigkeit
eingefüllt, welche keine zu erfassenden Partikel aufweist.
Für die Referenzflüssigkeit wird allerdings dasselbe Material
verwendet wie für den Analyten 1109, abgesehen davon, dass
die Referenzflüssigkeit von zu erfassenden Partikeln 1108
frei ist. Ferner ist die Erfasseinrichtung 1116 derart
eingerichtet, dass in dem in Fig. 11 gezeigten zweiten
Betriebszustand, in dem ein zu erfassende DNA-Halbstränge
1108 aufweisender Analyt 1109 in die Sensor-Anordnung 1100
eingebracht ist, ein elektrischer Sensorstrom erfasst wird,
der aus der mittels der ersten Wechselspannungsquelle 1113 an
die erste Sensor-Elektrode 1102 angelegten elektrischen
Wechselspannung resultiert.
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Ferner ist ein Auswerte-Schaltkreis 1120 bei der Sensor-
Anordnung 1100 in dem Substrat 1101 integriert, der derart
eingerichtet ist, dass er basierend auf dem elektrischen
Referenzstrom und dem elektrischen Sensorstrom ermittelt, ob
an der ausgewählten Sensor-Elektrode 1102 ein
Hybridisierungsereignis erfolgt ist. Hierfür werden dem
Auswerte-Schaltkreis 1120 die von den Strom-Erfasseinheiten
1117 bis 1119 erfassten elektrischen Stromwerte mittels
erster bis dritter Kopplungsleitungen 1120a bis 1120c
bereitgestellt.
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Die Prozedur des Ermittelns des Referenzstroms und des
Sensorstroms wird gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
für den ersten und den zweiten Betriebszustand für jede der
Sensor-Elektroden 1102 bis 1104 nacheinander durchgeführt,
indem sequentiell die Sensor-Elektroden 1102 bis 1104
ausgewählt werden. Der Auswerte-Schaltkreis 1120 ist derart
eingerichtet, dass er basierend auf den erfassten
elektrischen Referenz- und Sensorströmen und basierend auf
den mittels der jeweiligen Wechselspannungsquellen 1113 bis
1115 angelegten Wechselspannungen den Wert der Impedanz
zwischen der jeweils ausgewählten Sensor-Elektrode (gemäß
Fig. 11 die erste Sensor-Elektrode 1102) und dem Analyt 1109
ermittelt, und zwar in dem ersten Betriebszustand (nicht
gezeigt) und in dem zweiten Betriebszustand (gezeigt in
Fig. 11).
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Anschaulich verändert sich infolge eines Sensorereignisses,
das heißt einer Hybridisierung zwischen ersten
Fängermolekülen 1105 und zu erfassenden DNA-Halbsträngen 1108
auf der ersten Sensor-Elektrode 1102, der Wert der Impedanz
zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode 1102 und dem
Analyt 1109. Dies ist anschaulich darauf zurückzuführen, dass
aufgrund des Hybridisierungs-Ereignisses
Elektrolytflüssigkeit mit guter elektrischer Leitfähigkeit
aus einem Umgebungsbereich der ausgewählten Sensor-Elektrode
1102 verdrängt wird und durch DNA-Material 1108 mit von dem
Elektrolyten 1109 unterschiedlichen elektrischen
Eigenschaften ausgetauscht wird. Dadurch ändert sich der Wert
der Impedanz, was bei einer gleichbleibenden Wechselspannung,
bereitgestellt von der ersten Wechselspannungsquelle 1113, zu
unterschiedlichen Werten der Stromstärken führt, die von der
ersten Strom-Erfasseinheit 1117 im ersten bzw. im zweiten
Betriebszustand erfasst werden. Aus dieser veränderten
Stromstärke kann auf die Veränderung der Impedanz und daher
auf die Quantität der auf der ersten Sensor-Elektrode 1102
erfolgten Hybridisierungsereignisse geschlossen werden. Daher
ist die Veränderung der Impedanz ein Maß für die
Konzentration der DNA-Halbstränge 1108 in dem Analyen 1109,
so dass der Wert der Konzentration bestimmbar ist.
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Bei der Sensor-Anordnung 1100 fungiert anschaulich ein und
dieselbe Sensor-Elektrode in unterschiedlichen
Betriebszuständen als ausgewählte Sensor-Elektrode oder als
Gegenelektrode.
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Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 12 eine Sensor-
Anordnung 1200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiels der
Erfindung beschrieben.
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Die Sensor-Anordnung 1200 weist eine Vielzahl von auf einem
Substrat 1206 matrixförmig (entlang von Zeilen 1202 und
Spalten 1203) angeordneten Sensor-Elektroden 1201 auf. In der
schematischen Perspektivenansicht von Fig. 12 ist gezeigt, wie
sich ein in die Sensor-Anordnung 1200 eingefüllter Elektrolyt
schaltungstechnisch auswirkt. Ist ein Elektrolyt in die
Sensor-Anordnung 1200 eingefüllt, so sind mittels des
Elektrolyten die unterschiedlichen Sensor-Elektroden 1201
miteinander gekoppelt. Dem Elektrolyt kann
schaltungstechnisch eine Impedanz ≙ zugeordnet werden.
Diese Elektrolyt-Impedanz 1204 ist zwischen jeweils zwei
Sensor-Elektroden 1201 paarweise vorgesehen, wie in Fig. 12
gezeigt. Ferner wird jeder Sensor-Elektrode 1201
schaltungstechnisch eine Impedanz ≙ zugeordnet, was in
Fig. 12 dadurch gekennzeichnet ist, dass für jede Sensor-
Elektrode 1201 eine Sensor-Impedanz 1205 vorgesehen ist. Wie
ferner in Fig. 12 gezeigt, ist jeder Sensor-Elektrode 1201 in
der matrixförmigen Anordnung ein erster Index i
(Spaltenindex) und ein zweiter Index j (Zeilenindex)
zugeordnet, wobei in Fig. 12 der erste Index mit den Werten n -
1, n, n + 1 gezeigt ist bzw. der zweite Index mit den Werten m -
1, m, m + 1.
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Für die Charakterisierung einer bestimmten Position von
Sensor-Elektroden 1201 wird an der ausgewählten Position eine
Wechselspannung angelegt und es wird dort der Messstrom
gemessen (alternativ wird ein Wechselstrom angelegt und eine
resultierende Wechselspannung gemessen), wohingegen alle
anderen Sensor-Elektroden 1201 auf das Massepotential
gebracht werden.
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In Fig. 13 ist ein schematisches Ersatzschaltbild 1300 der
Sensor-Anordnung 1200 gezeigt.
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In Fig. 13 ist die Elektrolyt-Impedanz 1204 ≙ gegenüber der
häufig wesentlich größeren Sensor-Impedanz 1205 ≙
vernachlässigt. In Fig. 13 sind die N × M Sensorfelder
nebeneinander angeordnet dargestellt, wobei unterschiedliche
Sensor-Elektroden 1201 mittels eines globalen
Kopplungsmittels 1302 (anschaulich der elektrisch leitfähige
Elektrolyt), gekoppelt sind. Die Sensor-Impedanz 1205 Z ≙ ist
in Fig. 13 durch deren oft dominierenden kapazitiven Anteil
βCFelad angenähert, d. h. der ohmsche Anteil ist vernachlässigt.
Unterhalb jeder Sensor-Elektrode 1201, das heißt gekoppelt
mit der Sensor-Impedanz 1205 ≙, ist jeweils eine
Stromerfass-Einrichtung 1303 zum Erfassen eines elektrischen
Stroms.
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Ferner ist jeder Sensor-Elektrode 1201 eine
Wechselspannungsquelle 1304 zugeordnet. Mittels eines in
Fig. 13 nicht gezeigten Enable/Disable-Eingangs jeder
Wechselspannungsquelle 1304 ist jede der
Wechselspannungsquellen 1304 separat auswählbar. Mit anderen
Worten wird an diese ausgewählte Wechselspannungsquelle 1304
eine elektrische Wechselspannung Vchar angelegt, wohingegen
alle anderen Wechselspannungsquellen 1304 auf das elektrische
Potential V = 0 Volt gebracht werden. Gemäß dem in Fig. 13
gezeigten Szenario ist die Sensor-Elektrode 1201 mit den
Indizes (n, m) ausgewählt, weshalb mittels der zugehörigen
Wechselspannungsquelle 1304 eine elektrische Wechselspannung
Vchar an die zugehörige Sensor-Elektrode 1201 angelegt ist.
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In Fig. 14 ist ein anderes Ersatzschaltbild 1400 der Sensor-
Anordnung 1200 gezeigt.
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Gemäß dem in Fig. 13, Fig. 14 gezeigten Betriebszustand ist
mittels der Wechselspannungsquelle 1304 an die Sensor-
Elektrode 1201 mit den Indizes n,m eine elektrische
Wechselspannung mittels der Wechselspannungsquelle 1304
angelegt, und mittels der Stromerfass-Einrichtung 1303 kann
ein Messstrom Imess erfasst werden.
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Bei der in Fig. 14 gezeigten Konfiguration wird bei der
Serienschaltung der Kapazität der ausgewählten Sensor-
Elektrode 1201 (n,m) mit der Summenschaltung der Kapazitäten
aller nicht ausgewählten Sensor-Elektroden 1201
gemessen. In Gleichungen (7a), (7b), (7c) steht CFeld(x,y) für
die Elektrodenkapazität der Sensor-Elektrode 1201 mit den
Koordinaten (x,y) zeitlich vor dem Hybridisieren (erster
Betriebszustand), β(x,y)CFeld(x,y) für die Elektrodenkapazität
der Sensor-Elektrode 1201 der Position (x,y) zeitlich nach
dem Hybridisieren (zweiter Betriebszustand) bzw. β(x,y) für
die mittels der Hybridisierung herbeigeführte Änderung der
Kapazität einer Position (x,y). Gleichungen (7a) bis (7c)
gelten vor und nach der Hybridisierung, das heißt im ersten
und im zweiten Betriebszustand, wobei vor der Hybridisierung
β(x,y) = 1 gilt. Nach einem Hybridisierungs-Ereignis gilt
β(x,y) ≠ 1.
-
Somit ist das Ermitteln des Parameters β(x,y) für alle
Positionen (x,y) gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
Ziel der Auswertung.
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Für Arrays mit einer nicht allzu geringen Anzahl von
Positionen gilt
M × N » 1 (8)
-
Wenn sich, was häufig in guter Näherung erfüllt ist, die
jeweiligen Werte der Kapazitäten CFeld(x,y) bzw.
β(x,y)CFeld(x, y) nicht um Größenordnungen voneinander
unterscheiden, gilt auch
-
Mit der Approximation aus Gleichung (9) folgt aus Gleichung
(7c) in guter Näherung
Cmess(n,m) ≍ β(n,m)CFeld(n, m) (10)
-
Unter Verwendung der erfassten Messwerte für Cmess(n,m) vor
der Hybridisierung (erster Betriebszustand) und nach der
Hybridisierung (zweiter Betriebszustand) ergibt sich
-
Für den Fall, dass eine besonders hohe Genauigkeit gewünscht
wird oder dass ein betrachtetes Array eine solch geringe
Anzahl von Sensorfeldern aufweist, dass die Näherung von
Gleichung (8) nur noch mäßig gut erfüllt ist, kann das durch
Gleichungen (7a) bis (7c) gegebene Gleichungssystem auch
exakt (numerisch) gelöst werden. Gleichungen (7a) bis (7c)
liefern für die Betriebszustände vor und nach der
Hybridisierungsphase jeweils einen Satz von M × N-Gleichungen
für die M × N zu ermittelnden Werte β(x,y)CFeld(x,y) mit x = 1, 2,
. . ., N und y = 1, 2, . . ., M.
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Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 15 eine Sensor-
Anordnung 1500 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der
Erfindung beschrieben.
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Die Sensor-Anordnung 1500 enthält ein Substrat 1501 und drei
Sensor-Elektroden 1502 bis 1504 auf dem Substrat 1501. Auf
einer ersten Sensor-Elektrode 1502 sind erste Fängermoleküle
1505 immobilisiert, die derart eingerichtet sind, dass zu
erfassende Partikel 1508 eines Analyten 1509 mit ihnen
hybridisieren können. Auf einer zweiten Sensor-Elektrode 1503
sind zweite Fängermoleküle 1506 immobilisiert. Eine Referenz-
Sensor-Elektrode 1504 ist von Fängermolekülen frei. Die
Sensor-Elektroden 1502 bis 1504 sind derart auf dem Substrat
1501 angeordnet, dass in einem Betriebszustand, in dem eine
elektrisch leitfähige Substanz wie der Analyt 1509 in die
Sensor-Anordnung 1500 eingebracht ist, die Sensor-Elektroden
1502 bis 1504 mittels der elektrisch leitfähigen Substanz
miteinander gekoppelt sind. Ein Steuer-Schaltkreis 1507 ist
derart eingerichtet, dass mit ihm an eine ausgewählte Sensor-
Elektrode, gemäß dem in Fig. 15 gezeigten Szenario die erste
Sensor-Elektrode 1502, und an die Referenz-Sensor-Elektrode
1504 eine Wechselspannung anlegbar ist und simultan an die
zweite Sensor-Elektrode 1503 das elektrische Massepotential
anlegbar ist. Eine Erfass-Einrichtung 1510 ist derart
eingerichtet, dass in einem Betriebszustand, in dem der zu
erfassende Partikel 1508 aufweisende Analyt 1509 in die
Sensor-Anordnung 1500 eingebracht ist, ein Referenzwert eines
aus der Wechselspannung resultierenden Wechselstroms an der
Referenz-Sensor-Elektrode 1504 erfasst wird. Ferner wird
mittels der Erfass-Einrichtung 1510 ein Sensorwert des aus
der Wechselspannung resultierenden Wechselstroms an der
ausgewählten Sensor-Elektrode 1502 erfasst. Ein Auswerte-
Schaltkreis 1511 ist derart eingerichtet, dass er basierend
auf dem Referenzwert und dem Sensorwert ermittelt, ob an der
ausgewählten Sensor-Elektrode 1502 ein
Hybridisierungsereignis erfolgt ist.
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Da, wie in Fig. 15 gezeigt, zwar an der ausgewählten Sensor-
Elektrode 1502, nicht aber an der Referenz-Sensor-Elektrode
1504, Fängermoleküle 1505 immobilisiert sind, mit denen zu
erfassende Partikel 1508 des Analyten 1509 hybridisieren
können, verändert sich infolge eines
Hybridisierungsereignisses signifikant der Sensorwert, nicht
hingegen der Referenzwert des aus der Wechselspannung
resultierenden Wechselstroms.
-
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] M. Paeschke et al., Electroanalysis 1996, 7, No. 1,
p. 1-8
[2] R. Hintzsche et al., "Microbiosensors using
electrodes made in Si-technology", in "Frontiers in
Biosensorics I - Fundamental Aspects", F. W. Scheller
et al. ed., 1997, Birkhauser Verlag Basel
[3] WO 9322678
[4] DE 196 10 115 A1
[5] US Patent Serial No 60/007840
[6] Peter Van Gerwen et al., Transducers '97, p. 907-910
[7] Christian Krause et al., Langmuir, Vol. 12, No. 25,
1996 p. 6059-6064
[8] V. M. Mirsky, Biosensors & Bioelectronics 1997, Vol.
12 No. 9-10, pp. 977-989
[9] M. Riepl et al. Mikrochim. Acta, 29-34, 1999
Bezugszeichenliste
100 Sensor-Anordnung
101 Chip
102 Sensor-Felder
200 erstes Sensor-Feld
201 zweites Sensor-Feld
202 Sensor-Elektrode
203 erste Fängermoleküle
204 zweite Fängermoleküle
205 Analyt
206 zu erfassende Partikel
207 Spüllösung
300 Interdigitalelektroden-Anordnung
301 Substrat
302 erste Elektrodenstruktur
303 zweite Elektrodenstruktur
304 erster Teilbereich
305 zweiter Teilbereich
400 Fängermoleküle
401 Analyt
402 zu erfassende Partikel
403 Impedanz
500 Feldlinien
501 Symmetrielinien
502 Bedeckungsbereich
600 Ersatzschaltbild
601 erste Kapazität
602 erster ohmscher Widerstand
603 zweite Kapazität
604 zweiter ohmscher Widerstand
605 dritte Kapazität
606 dritter ohmscher Widerstand
700 Ersatzschaltbild
701 Amperemeter
702 Wechselspannungsquelle
703 Massepotential
710 vereinfachtes Ersatzschaltbild
711 erste effektive Kapazität
712 erster effektiver ohmscher Widerstand
800 Sensor-Anordnung
801 Silizium-Substrat
802 Sensor-Felder
803 Referenzelektrode
804 Analyt
805 aktiver Bereich
806 Teilbereich
900 Ersatzschaltbild
901 erste Kapazität
902 erster ohmscher Widerstand
903 zweite Kapazität
904 zweiter ohmscher Widerstand
1000 Ersatzschaltbild
1001 Amperemeter
1002 Wechselspannungsquelle
1003 Massepotential
1100 Sensor-Anordnung
1101 Silizium-Substrat
1102 erste Sensor-Elektrode
1103 zweite Sensor-Elektrode
1104 dritte Sensor-Elektrode
1105 erste Fängermoleküle
1106 zweite Fängermoleküle
1107 dritte Fängermoleküle
1108 zu erfassende DNA-Halbstränge
1109 Analyt
1110 Behältnis
1111 Steuer-Schaltkreis
1112 Steuer-Einheit
1112a erste Steuerleitung
1112b zweite Steuerleitung
1112c dritte Steuerleitung
1113 erste Wechselspannungsquelle
1114 zweite Wechselspannungsquelle
1115 dritte Wechselspannungsquelle
1116 Erfasseinrichtung
1117 erste Strom-Erfasseinheit
1118 zweite Strom-Erfasseinheit
1119 dritte Strom-Erfasseinheit
1120 Auswerte-Schaltkreis
1120a erste Kopplungsleitung
1120b zweite Kopplungsleitung
1120c dritte Kopplungsleitung
1121 elektrisches Massepotential
1200 Sensor-Anordnung
1201 Sensor-Elektrode
1202 Zeilen
1203 Spalten
1204 Elektrolyt-Impedanz
1205 Sensor-Impedanz
1206 Substrat
1300 Ersatzschaltbild
1301 elektrisches Massepotential
1302 globales Kopplungsmittel
1303 Stromerfass-Einrichtung
1304 Wechselspannungsquelle
1400 Ersatzschaltbild
1500 Sensor-Anordnung
1501 Substrat
1502 erste Sensor-Elektrode
1503 zweite Sensor-Elektrode
1504 Referenz-Sensor-Elektrode
1505 erste Fängermoleküle
1506 zweite Fängermoleküle
1507 Steuer-Schaltkreis
1508 zu erfassende Partikel
1509 Analyt
1510 Erfass-Einrichtung
1511 Auswerte-Schaltkreis