DE10224567B4

DE10224567B4 - Sensor-Anordnung und Verfahren zum Betreiben einer Sensor-Anordnung

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Publication number: DE10224567B4
Application number: DE10224567.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Thewes Roland; Christian Paulus; Dr. Schienle Meinrad; Alexander Frey
Original assignee: Boehringer Ingelheim Vetmedica GmbH; Boehringer Ingelheim Vetmedica Inc
Current assignee: Boehringer Ingelheim Vetmedica GmbH
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2002-06-03
Publication date: 2014-10-23
Anticipated expiration: 2022-06-04
Also published as: US7756560B2; WO2003102602A3; DE10224567A1; WO2003102602A2; US20050194250A1

Abstract

Sensor-Anordnung, eingerichtet als integrierter Schaltkreis, • mit einem Substrat; • mit mindestens drei Sensor-Elektroden auf dem Substrat, – wobei auf zumindest einem Teil der Sensor-Elektroden Fängermoleküle immobilisierbar sind, die derart eingerichtet sind, dass zu erfassende Partikel mit ihnen hybridisieren können; – wobei die Sensor-Elektroden derart auf dem Substrat angeordnet sind, 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; • mit einem Steuer-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass mit ihm an eine ausgewählte Sensor-Elektrode ein elektrisches Wechselsignal anlegbar ist und simultan an mindestens zwei der anderen Sensor-Elektroden ein elektrisches Referenzsignal anlegbar ist, wobei das elektrische Wechselsignal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal und/oder das elektrische Referenzsignal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist; • mit einer 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 zeitlich veränderlichen elektrischen Sensorsignals 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, ein Sensorwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden zeitlich veränderlichen elektrischen Sensorsignals an der ausgewählten Sensor-Elektrode erfasst wird; • mit einem Auswerte-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor-Elektrode ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensor-Anordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Sensor-Anordnung.
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.
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.
In 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.
In 2A bis 2F ist jeweils eine schematische Querschnittsansicht einer der in 1 gezeigten Sensor-Felder 102 gezeigt. Insbesondere ist in 2A bis 2C ein erstes Sensor-Feld 200, und in den 2D bis 2F ein zweites Sensor-Feld 201 gezeigt, wobei die unterschiedlichen Darstellungen des ersten Sensor-Feldes 200 in den 2A bis 2C drei unterschiedlichen Betriebszuständen entsprechen, analog entsprechen die Darstellungen in den 2D bis 2F drei unterschiedlichen Betriebszuständen des zweiten Sensor-Feldes 201.
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.
2A, 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.
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 2B und des zweiten Sensor-Feldes 201 in 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. 2B). Da die zweiten Fängermoleküle 204 aufgrund ihrer Basensequenz mit den zu erfassenden Partikeln 206 nicht zusammenpassen, (vgl. 2E), erfolgt keine Hybridisierung.
Um die in 2C, 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.
Zum Nachweis der erfolgten Hybridisierung werden häufig optische Verfahren verwendet.
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.
Alternativ zu dem optischen Verfahren kann ein erfolgtes Hybridisierungsereignis unter Verwendung eines elektrischen Verfahrens detektiert werden.
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.
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.
Im Weiteren werden aus dem Stand der Technik bekannte Labelfreie Verfahren beschrieben.
Ein erster Ansatz ist aus [3] bis [6] bekannt. Dieser Ansatz wird im Weiteren bezugnehmend auf 3A bis 7B beschrieben.
In 3A, 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 3A ist eine Draufsicht der Interdigitalelektroden-Anordnung 300 gezeigt, in 3B ist eine Querschnittsansicht entlang der in 3A gezeigten Schnittlinie I-I' gezeigt. Die Interdigitalelektroden-Anordnung 300 enthält periodische, nebeneinander angeordnete Elektroden-Komponenten der Elektrodenstrukturen 302, 303.
Zur Erklärung des Prinzips der Funktionsweise der Interdigitalelektroden-Anordnung 300 wird bezugnehmend auf 4A, 4B ein erster Teilbereich 304 der Interdigitalelektroden-Anordnung 300 beschrieben.
Der erste Teilbereich 304 ist in 4A als Querschnittsansicht in einem ersten Betriebszustand gezeigt, in 4B als Querschnittsansicht in einem zweiten Betriebszustand.
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.
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 402 an die Fängermoleküle 400 erfolgt nur dann, wenn die Fängermoleküle 400 und die DNA-Stränge 402 gemäß dem Schlüssel-Schloss-Prinzip zueinander passen (vgl. 4B). Ist dies nicht der Fall, so erfolgt keine Hybridisierung. Die Spezifität des Sensors leitet sich also aus der Spezifität der Fängermoleküle 400 ab.
Der elektrische Parameter, der bei dieser Messung ausgewertet wird, ist die Impedanz 403 zwischen den Elektroden 302, 303, die in 4A, 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.
In 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 4A, 4B dargestellte erste Teilbereich 304. In 5 ist schematisch der Verlauf der elektrischen Feldlinien 500 zwischen jeweils benachbarten Elektrodenstrukturen 302, 303 gezeigt. Wie in 5 ferner gezeigt, sind die Feldverläufe innerhalb eines jeweiligen durch zwei Symmetrielinien 501 gedachten Bereichs periodisch, so dass die in 4A, 4B gezeigte Betrachtung zweier unmittelbar benachbarter Elektrodenstrukturen 302, 303 ausreichend ist. Ferner ist in 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 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.
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.
In 6 ist schematisch ein vereinfachtes Ersatzschaltbild 600 des in 4A gezeigten ersten Teilbereichs 304 der Interdigitalelektroden-Anordnung 300 gezeigt.
Das Ersatzschaltbild 600 zeigt eine variable erste Kapazität 601 C_M, deren Wert von dem Maß einer an der Elektrodenstruktur 302 erfolgten Hybridisierung abhängig ist. Zu dieser ist ein variabler erster ohmscher Widerstand 602 R_M parallel geschaltet. Anschaulich repräsentieren die Komponenten 601, 602 die elektrischen Eigenschaften des Umgebungsbereichs der ersten Elektrodenstruktur 302. Ferner ist eine variable zweite Kapazität 603 C_E und ein dazu parallel geschalteter variabler zweiter ohmscher Widerstand 604 R_E 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 C_M und ein zu dieser parallel geschalteter variabler dritter ohmscher Widerstand 606 R_M gezeigt. Wie ferner in 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.
Um den Wert der Impedanz zu ermitteln, wird an eine der Elektroden 302, 303 eine Wechselspannung V_char angelegt, wie in dem in 7A gezeigten Ersatzschaltbild 700 des ersten Teilbereichs 304 gezeigt. Die Wechselspannung V_char wird unter Verwendung einer Wechselspannungsquelle 702 bereitgestellt. Der durch die Anordnung fließende Strom I_mess 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 I_mess wird gemeinsam mit der angelegten Wechselspannung V_char 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.
Die in 7B gezeigte Version eines vereinfachten Ersatzschaltbildes 710 unterscheidet sich von dem in 7A gezeigten Ersatzschaltbild 700 darin, dass die Elemente C_M 601, 605 bzw. R_M 602, 606 zu einer ersten effektiven Kapazität 711 bzw. zu einem ersten effektiven ohmschen Widerstand 712 zusammengefasst sind.
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 um bis in den einstelligen mm-Bereich.
Bezüglich der anregenden Wechselspannung V_char 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.).
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 I_mess) hinsichtlich seiner Größe näherungsweise direkt proportional der angelegten Spannung ist.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 8 bis 10 ein zweites Prinzip eines labelfreien elektrischen Sensors beschrieben, wie es aus [7] bis [9] bekannt ist.
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.
In 8A, 8B ist eine Sensor-Anordnung 800 gemäß diesem zweiten Ansatz gezeigt. 8A zeigt eine Draufsicht der Sensor-Anordnung 800, in 8B ist eine Querschnittsansicht entlang einer Schnittlinie II-II' aus 8A gezeigt.
Wie in 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.
In 9 ist ein Ersatzschaltbild 900 eines Teilbereichs 806 der Sensor-Anordnung 800 gezeigt. Dieses zeigt eine variable erste Kapazität 901 C_M, welche die Kapazität des Umgebungsbereichs des Sensor-Feldes 802 darstellt. Ferner ist ein zu dieser parallel geschalteter variabler erster ohmscher Widerstand 902 R_M gezeigt, der den ohmschen Widerstand des Umgebungsbereichs des Sensor-Feldes 802 darstellt. Eine variable zweite Kapazität 903 C_E und ein zu dieser parallel geschalteter variabler zweiter ohmscher Widerstand R_E 904 repräsentieren die elektrischen Eigenschaften des Analyten 804.
Ferner ist in 10 ein weiteres Ersatzschaltbild 1000 des Teilbereichs 806 der Sensor-Anordnung 800 gezeigt. Diese zeigt zusätzlich zu den in 9 gezeigten Komponenten eine Wechselspannungsquelle 1002, mittels der eine Wechselspannung anlegbar ist, und zeigt ein Amperemeter 1001 zum Erfassen eines Messstroms I_mess. Die parallel geschalteten Komponenten 1001, 1002 sind zwischen das elektrische Massepotential 1003 und die Parallelschaltung aus Komponenten 903, 904 geschaltet.
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.
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 C_M 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.
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 9, 10 gezeigten Ersatzschaltbilder 900, 1000 erläutert.
Mit Hilfe einer Lock-in-Messeinrichtung wird eine Wechselspannung V_char 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 C_M, R_M, C_E und R_E ergebenden komplexen Gesamtstroms I_mess gemessen werden.
Unter der Annahme, dass der Betrag des komplexen Widerstandsanteils des Elektrolyten 804, nämlich 1/(2πfC_E), wesentlich größer ist als der Betrag des rein ohmschen Anteils R_E, ergibt sich der gemessene Strom zu:
Der Imaginärteil des Stroms beträgt:
Unter der weiteren Annahme, dass der ohmsche Widerstand des Elektrolyten R_E wesentlich geringer ist als der Kehrwert des parasitären Sensorparallelleitwerts R_M, das heißt wenn R_M >> R_E 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(I_mess) = V_char × 2πfC_M (4) angegeben werden. Gleichung (4) besagt anschaulich, dass der mittels des Lock-in-Verfahrens bestimmte Imaginärteil des Stroms linear von der Sensorkapazität C_M abhängt.
Nur unter diesen Bedingungen beinhaltet die genaue Änderung von C_M die gesuchte Information.
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 V_char ein gut auswertbares Signal gemäß Gleichung (4) zu erhalten, müssen entweder großflächige Sensoren, die zu großen Werten für die Sensorkapazität C_M führen, oder hochempfindliche Verstärker verwendet werden, was aufwändig ist.
Das Detektieren von molekularen Wechselwirkungen zwischen biologischen Molekülen unter Verwendung elektronischer Verfahren wie der AC-Impedanzmessung wird in [10] beschrieben.
Die Druckschrift [11] offenbart einen Sensor für einen Analyten mit einer Arbeitselektroden-Anordnung, die eine Mikroelektroden-Anordnung aufweist. Jede Mikroelektrode ist mit einer Schicht eines redoxzustandsabhängigen leitfähigen organischen Polymers versehen.
Die Druckschrift [12] offenbart ein Verfahren zum Identifizieren und/oder Analysieren biologischer Substanzen, die in einer leitfähigen Lösung enthalten sind.
Zum Erfassen makromolekularer Biopolymere offenbart [13] eine Anordnung aus zwei Elektroden, die in viele kleine Untereinheiten aufgeteilt sind. Die zwei Elektroden sind als eine Vielzahl von jeweils abwechselnd angeordneten parallel geschalteten Elektrodenelementen angeordnet.
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.
Das Problem wird gelöst durch eine Sensor-Anordnung und durch ein Verfahren zum Betreiben einer Sensor-Anordnung mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
Die erfindungsgemäße Sensor-Anordnung, eingerichtet als integrierter Schaltkreis, 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.
Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betreiben einer Sensor-Anordnung, eingerichtet als integrierter Schaltkreis, 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.
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.
Alternativ zu einem konstanten Referenzpotential kann an die anderen Sensor-Elektroden auch ein zu dem Potential der ausgewählten Sensor-Elektrode gegenphasiges Signal angelegt werden.
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 8A bis 10 beschrieben, ist erfindungsgemäß vermieden. Folglich entfällt auch die Notwendigkeit eines speziellen, problematischen Elektrodenmaterials für eine solche Referenzelektrode.
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.
Anschaulich ist erfindungsgemäß eine neuartige Array-Architektur, eine neue Ansteuerung und eine neue Möglichkeit zum Auswerten der Sensor-Elektroden geschaffen.
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.
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.
Ein weiterer Vorteil insbesondere im Vergleich zu der bezugnehmend auf 8 bis 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.
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Sensor-Anordnung insbesondere gegenüber der Interdigitalelektroden-Anordnung von 3A, 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.
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.
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.
Die Sensor-Elektroden können im Wesentlichen matrixförmig auf der Oberfläche des Substrats angeordnet sein.
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.
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.
Insbesondere kann die Sensor-Anordnung als integrierter Schaltkreis eingerichtet sein, wodurch insbesondere die Vorteile der Silizium-Mikrotechnologie genutzt werden können.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Sensor-Anordnung kann insbesondere als Biosensor-Anordnung, weiter insbesondere als DNA-Sensor-Anordnung eingerichtet sein.
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.
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.
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.
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)C_Feld(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 C_Feld(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)C_Feld(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 C_Mess(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)C_Feld(n, m), gelöst wird. Anschaulich ist in den Werten β(n, m) die Information über ein möglicherweise erfolgtes Sensorereignis enthalten.
Der Auswerte-Schaltkreis kann derart eingerichtet sein, dass er beim Ermitteln der Werte β(i, j)C_Feld(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)C_Feld(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.
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.
Gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung ist eine Sensor-Anordnung, eingerichtet als integrierter Schaltkreis, 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.
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.
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).
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.
Als Referenzflüssigkeit kann im Wesentlichen dieselbe Substanz verwendet werden wie für den Analyt, abgesehen davon, dass die Referenzflüssigkeit von zu erfassenden Partikeln frei ist.
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.
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.
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.
Anschaulich ist erfindungsgemäß eine Möglichkeit geschaffen, unter Verwendung des Impedanz-Verfahrens eine vereinfachte und hochgenaue Sensor-Anordnung bereitzustellen und zu betreiben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Sensor-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
2A bis 2F Querschnittsansichten eines Teilbereichs der in 1 gezeigten Sensor-Anordnung zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Verfahrens zum Betreiben der Sensor-Anordnung,
3A, 3B eine Draufsicht und eine Querschnittansicht entlang der Schnittlinie I-I' einer Interdigitalelektroden-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
4A, 4B Querschnittsansichten eines ersten Teilbereichs der in 3 gezeigten Interdigitalelektroden-Anordnung zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Verfahrens zum Betreiben der Interdigitalelektroden-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
5 eine Querschnittsansicht eines zweiten Teilbereichs der in 3 gezeigten Interdigitalelektroden-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
6 ein Ersatzschaltbild des ersten Teilbereichs der Interdigitalelektroden-Anordnung aus 3 gemäß dem Stand der Technik,
7A, 7B Ersatzschaltbilder des ersten Teilbereichs der in 3 gezeigten Interdigitalelektroden-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
8A, 8B eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie II-II' einer Sensor-Anordnung mit Referenzelektrode gemäß dem Stand der Technik,
9 ein Ersatzschaltbild der Sensor-Anordnung aus 8 gemäß dem Stand der Technik,
10 ein anderes Ersatzschaltbild der Sensor-Anordnung aus 8 gemäß dem Stand der Technik,
11 eine schematische Querschnittsansicht einer Sensor-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
12 eine perspektivische schematische Ansicht einer Sensor-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
13 ein Ersatzschaltbild der in 12 gezeigten Sensor-Anordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
14 ein anderes Ersatzschaltbild der in 12 gezeigten Sensor-Anordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
15 eine schematische Querschnittsansicht einer Sensor-Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 11 eine Sensor-Anordnung 1100 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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.
Gemäß dem in 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.
Wie in 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.
Ferner ist in 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 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 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.
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 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.
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.
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 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 11).
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 Analyten 1109, so dass der Wert der Konzentration bestimmbar ist.
Bei der Sensor-Anordnung 1100 fungiert anschaulich ein und dieselbe Sensor-Elektrode in unterschiedlichen Betriebszuständen als ausgewählte Sensor-Elektrode oder als Gegenelektrode.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 12 eine Sensor-Anordnung 1200 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung beschrieben.
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 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 12 gezeigt. Ferner wird jeder Sensor-Elektrode 1201 schaltungstechnisch eine Impedanz
zugeordnet, was in 12 dadurch gekennzeichnet ist, dass für jede Sensor-Elektrode 1201 eine Sensor-Impedanz 1205 vorgesehen ist. Wie ferner in 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 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.
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.
In 13 ist ein schematisches Ersatzschaltbild 1300 der Sensor-Anordnung 1200 gezeigt.
In 13 ist die Elektrolyt-Impedanz 1204
gegenüber der häufig wesentlich größeren Sensor-Impedanz 1205
vernachlässigt. In 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
ist in 13 durch deren oft dominierenden kapazitiven Anteil βC_Feld 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.
Ferner ist jeder Sensor-Elektrode 1201 eine Wechselspannungsquelle 1304 zugeordnet. Mittels eines in 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 V_char angelegt, wohingegen alle anderen Wechselspannungsquellen 1304 auf das elektrische Potential V = 0 Volt gebracht werden. Gemäß dem in 13 gezeigten Szenario ist die Sensor-Elektrode 1201 mit den Indizes (n, m) ausgewählt, weshalb mittels der zugehörigen Wechselspannungsquelle 1304 eine elektrische Wechselspannung V_char an die zugehörige Sensor-Elektrode 1201 angelegt ist.
In 14 ist ein anderes Ersatzschaltbild 1400 der Sensor-Anordnung 1200 gezeigt.
Gemäß dem in 13, 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 I_mess erfasst werden.
Bei der in 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 C_Feld(x, y) für die Elektrodenkapazität der Sensor-Elektrode 1201 mit den Koordinaten (x, y) zeitlich vor dem Hybridisieren (erster Betriebszustand), β(x, y)C_Feld(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.
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 C_Feld(x, y) bzw. β(x, y)C_Feld(x, y) nicht um Größenordnungen voneinander unterscheiden, gilt auch
Mit der Approximation aus Gleichung (9) folgt aus Gleichung (7c) in guter Näherung C_mess(n, m) ≈ β(n, m)C_Feld(n, m) (10)
Unter Verwendung der erfassten Messwerte für C_mess(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)C_Feld(x, y) mit x = 1, 2, N und y = 1, 2, .., M.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 15 eine Sensor-Anordnung 1500 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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 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.
Da, wie in 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 19610115 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
[10] WO 01/42508 A2
[11] WO 96/33403 A1
[12] WO 98/57157 A1
[13] WO 01/75151 A2

Claims

Sensor-Anordnung, eingerichtet als integrierter Schaltkreis, • mit einem Substrat; • mit mindestens drei Sensor-Elektroden auf dem Substrat, – wobei auf zumindest einem Teil der Sensor-Elektroden Fängermoleküle immobilisierbar sind, die derart eingerichtet sind, dass zu erfassende Partikel mit ihnen hybridisieren können; – wobei die Sensor-Elektroden derart auf dem Substrat angeordnet sind, 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; • mit einem Steuer-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass mit ihm an eine ausgewählte Sensor-Elektrode ein elektrisches Wechselsignal anlegbar ist und simultan an mindestens zwei der anderen Sensor-Elektroden ein elektrisches Referenzsignal anlegbar ist, wobei das elektrische Wechselsignal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal und/oder das elektrische Referenzsignal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist; • mit einer 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 zeitlich veränderlichen elektrischen Sensorsignals 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, ein Sensorwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden zeitlich veränderlichen elektrischen Sensorsignals an der ausgewählten Sensor-Elektrode erfasst wird; • mit einem Auswerte-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor-Elektrode ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist.
Sensor-Anordnung nach Anspruch 1, die derart eingerichtet ist, 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.
Sensor-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, die derart eingerichtet ist, dass für jede ausgewählte Sensor-Elektrode ermittelt wird, in welcher Quantität an der ausgewählten Sensor-Elektrode Hybridisierungsereignisse erfolgt sind.
Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die Sensor-Elektroden im Wesentlichen matrixförmig auf der Oberfläche des Substrats angeordnet sind.
Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Sensor-Elektroden zu einer Mehrzahl von Sensor-Gruppen gruppiert sind derart, dass jede Sensor-Gruppe wahlweise separat von den anderen Sensor-Gruppen oder gemeinsam mit zumindest einem Teil der anderen Sensor-Gruppen betreibbar ist.
Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der zumindest eine Sensor-Elektrode • quadratisch; • rechteckförmig; • kreisförmig; • ellipsenförmig; • wabenförmig; • achteckig; oder • aus einer Mehrzahl nicht zusammenhängender Bereiche zusammengesetzt ist.
Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Substrat • ein Keramik-Substrat • ein Silizium-Substrat; • ein Glas-Substrat; oder • ein Plastik-Substrat ist.
Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der • das elektrische Wechselsignal und/oder das zeitlich veränderliche elektrische Referenzsignal eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung und das zeitlich veränderliche elektrische Sensorsignal ein zeitlich veränderlicher elektrischer Strom ist; oder • das elektrische Wechselsignal und/oder das zeitlich veränderliche elektrische Refenzsignal ein zeitlich veränderlicher elektrischer Strom und das zeitlich veränderliche elektrische Sensorsignal eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung ist.
Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Zeitabhängigkeit des elektrischen Wechselsignals und/oder des zeitlich veränderlichen elektrischen Refenzsignals und/oder die Zeitabhängigkeit des zeitlich veränderlichen elektrischen Sensorsignals eine mathematische • Sinus-Funktion; • Rechteck-Funktion; • Sägezahn-Funktion; • Dreieck-Funktion; oder • Sprung-Funktion ist.
Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher der Steuer-Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass • das elektrische Wechselsignal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist und das elektrische Referenzsignal ein konstantes Referenzpotential ist; oder • das elektrische Referenzsignal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist und das elektrische Wechselsignal ein konstantes Referenzpotential ist; oder • das elektrische Wechselsignal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist, das elektrische Referenzsignal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist, wobei das erste und das zweite zeitlich veränderliche elektrische Signal zueinander gegenphasig sind.
Sensor-Anordnung nach Anspruch 10, bei dem das elektrische Referenzpotential • das Masse-Potential; oder • ein Zeit-Mittelwert des ersten oder des zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signals ist.
Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Referenzflüssigkeit eine andere Flüssigkeit als der Analyt ist und von zu erfassenden Partikeln frei ist.
Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Referenzflüssigkeit der Analyt ist, wobei die Sensor-Anordnung derart eingerichtet ist, dass • der erste Betriebszustand ein erster Zeitraum ist, bei dem im Wesentlichen noch keine Hybridisierungsereignisse stattgefunden haben; • der zweite Betriebszustand ein zweiter Zeitraum, zeitlich nach dem ersten Zeitraum, ist, bei dem im Wesentlichen alle Hybridisierungsereignisse stattgefunden haben.
Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit einem in dem Substrat integrierten Analog-/Digital-Wandler-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass er ein analoges zeitlich veränderliches elektrisches Signal in ein digitales Signal umwandelt und dem Auswerte-Schaltkreis bereitstellt.
Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, mit einer externen Versorgungs-Einheit, die derart eingerichtet ist, dass sie dem Steuer-Schaltkreis elektrische Spannungssignale und/oder elektrische Stromsignale bereitstellt.
Sensor-Anordnung nach Anspruch 15, mit einem in dem Substrat integrierten Digital-/Analog-Wandler-Schaltkreis, 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.
Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, mit einem in dem Substrat integrierten Auswahl-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass er sequentiell jeweils eine der Sensor-Elektroden auswählt.
Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei der auf unterschiedlichen Sensor-Elektroden unterschiedliche Fängermoleküle immobilisiert sind.
Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, eingerichtet als Biosensor-Anordnung.
Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei welcher der Auswerte-Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert des zeitlich veränderlichen elektrischen Sensorsignals und basierend auf dem elektrischen Wechselsignal und/oder dem zeitlich veränderlichen elektrischen Referenzsignal den Wert der Impedanz 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.
Sensor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei welcher der Auswerte-Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert des zeitlich veränderlichen elektrischen Sensorsignals und basierend auf dem elektrischen Wechselsignal und/oder dem zeitlich veränderlichen elektrischen Referenzsignal 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.
Sensor-Anordnung nach Anspruch 21, bei welcher der Auswerte-Schaltkreis derart eingerichtet ist, 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 der ausgewählten Sensor-Elektrode Hybridisierungsereignisse erfolgt sind.
Sensor-Anordnung nach Anspruch 21, bei welcher der Auswerte-Schaltkreis derart eingerichtet ist, 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)C_Feld(i, j) für den ersten und den zweiten Betriebszustand ermittelt, • wobei n, m Indizes einer ausgewählten Sensor-Elektrode in dem Zellenfeld sind; • wobei x, y Indizes der Sensor-Elektroden in dem Zellenfeld sind; • wobei N·M die Anzahl der Sensor-Elektroden in dem Zellenfeld ist; • wobei C_Feld(i, j) der Wert der Kapazität zwischen der Sensor-Elektrode mit den Indizes i, j und der Referenzflüssigkeit in dem ersten Betriebszustand ist; • wobei β(i, j)C_Feld(i, j) der Wert der Kapazität zwischen der Sensor-Elektrode mit den Indizes i, j und dem Analyten in dem zweiten Betriebszustand ist; • wobei C_Mess(n, m) der Wert der ermittelten Kapazität zwischen der ausgewählten Sensor-Elektrode mit den Indizes n, m und einer in die Sensor-Anordnung eingebrachten elektrisch leitfähigen Substanz ist.
Sensor-Anordnung nach Anspruch 23, bei welcher der Auswerte-Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass er beim Ermitteln der Werte β(i, j)C_Feld(i, j) zumindest eine der folgenden Approximationen verwendet: • N·M >> 1;
Sensor-Anordnung, eingerichtet als integrierter Schaltkreis, • mit einem Substrat; • mit mindestens drei Sensor-Elektroden auf dem Substrat, – wobei auf zumindest einem Teil der Sensor-Elektroden Fängermoleküle immobilisierbar sind, die derart eingerichtet sind, dass zu erfassende Partikel mit ihnen hybridisieren können; – wobei mindestens eine Referenz-Sensor-Elektrode von solchen Fängermolekülen frei ist, die derart eingerichtet sind, dass mit ihnen zu erfassende Partikel hybridisieren können; – wobei die Sensor-Elektroden derart auf dem Substrat angeordnet sind, 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; • mit einem Steuer-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass mit ihm an eine ausgewählte Sensor-Elektrode und an die Referenz-Sensor-Elektrode ein elektrisches Wechselsignal anlegbar ist und simultan an mindestens eine der anderen Sensor-Elektroden ein elektrisches Referenzsignal anlegbar ist, wobei das elektrische Wechselsignal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal und/oder das elektrische Referenzsignal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist; • mit einer Erfass-Einrichtung, die derart eingerichtet ist, 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 zeitlich veränderlichen elektrischen Sensorsignals an der Referenz-Sensor-Elektrode erfasst wird; – ein Sensorwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden zeitlich veränderlichen elektrischen Sensorsignals an der ausgewählten Sensor-Elektrode erfasst wird; • mit einem Auswerte-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor-Elektrode ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist.
Sensor-Anordnung nach Anspruch 25, bei der • die Referenz-Sensor-Elektrode von Fängermolekülen frei ist; oder • auf der Referenz-Sensor-Elektrode solche Fängermoleküle immobilisiert sind, die mit zu erfassenden Partikeln nicht hybridisieren können.
Verfahren zum Betreiben einer Sensor-Anordnung • mit einer Sensor-Anordnung, eingerichtet als integrierter Schaltkreis, – mit einem Substrat; – mit mindestens drei Sensor-Elektroden auf dem Substrat, – wobei auf zumindest einem Teil der Sensor-Elektroden Fängermoleküle immobilisiert sind, die derart eingerichtet sind, dass zu erfassende Partikel mit ihnen hybridisieren können; – wobei die Sensor-Elektroden derart auf dem Substrat angeordnet sind, 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; – mit einem Steuer-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass mit ihm an eine ausgewählte Sensor-Elektrode ein elektrisches Wechselsignal anlegbar ist und simultan an mindestens zwei der anderen Sensor-Elektroden ein elektrisches Referenzsignal anlegbar ist, wobei das elektrische Wechselsignal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal und/oder das elektrische Referenzsignal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist; – mit einer 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 zeitlich veränderlichen elektrischen Sensorsignals 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, ein Sensorwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden zeitlich veränderlichen elektrischen Sensorsignals an der ausgewählten Sensor-Elektrode erfasst wird; – mit einem Auswerte-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass er basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert ermittelt, ob an der ausgewählten Sensor-Elektrode ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist; • wobei gemäß dem Verfahren – an eine ausgewählte Sensor-Elektrode ein elektrisches Wechselsignal angelegt wird und simultan an mindestens zwei der anderen Sensor-Elektroden ein elektrisches Referenzsignal angelegt wird, wobei das elektrische Wechselsignal ein erstes zeitlich veränderliches elektrisches Signal und/oder das elektrische Referenzsignal ein zweites zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist; – 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 zeitlich veränderlichen elektrischen Sensorsignals 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, ein Sensorwert eines aus dem ersten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal und/oder aus dem zweiten zeitlich veränderlichen elektrischen Signal resultierenden zeitlich veränderlichen elektrischen Sensorsignals an der ausgewählten Sensor-Elektrode erfasst wird; – basierend auf dem Referenzwert und dem Sensorwert ermittelt wird, ob an der ausgewählten Sensor-Elektrode ein Hybridisierungsereignis erfolgt ist.
Verfahren nach Anspruch 27, bei dem als Referenzflüssigkeit im Wesentlichen dieselbe Substanz verwendet wird wie für den Analyt, abgesehen davon, dass die Referenzflüssigkeit von zu erfassenden Partikeln frei ist.