DE10228124A1 - Biosensor array comprising a substrate on which biosensors are mounted which have two connectors, one of which is connected to control lead while other is connected to detector lead - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Biosensor-Array und ein Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays.The invention relates to a biosensor array and a method for operating a biosensor array.
Aus dem Stand der Technik sind Biosensoren bekannt, die gemäß dem Prinzip des Redox-Recyclings arbeiten (vgl. [1] bis [4]).Biosensors are state of the art known according to the principle of redox recycling work (cf. [1] to [4]).
In
Für
einen solchen Redox-Recycling Sensor
Auf den Interdigitalelektroden
Die in
Für
den Betrieb des Redox-Recycling-Biosensors
Es ist anzumerken, dass keine sehr scharfen Schwellwerte für das Einsetzen von Oxidation und Reduktion bestimmter Stoffe existieren. In der Praxis werden Werte gewählt, deren Betrag jeweils ausreichend sicher (typischerweise einige 10 mV) oberhalb dieser Schwellenbereiche liegt. In der Praxis liegen die angelegten Spannungen im Bereich weniger 100 mV (beispielsweise +300 mV und –100 mV) für die in [5] verwendeten Stoffe.It should be noted that none very much sharp thresholds for the onset of oxidation and reduction of certain substances exist. In practice, values are chosen the amount of each is sufficiently secure (typically a few tens mV) lies above these threshold ranges. In practice they are applied voltages in the range of less than 100 mV (for example +300 mV and –100 mV) for the substances used in [5].
Wie ferner in
Aus dem Stand der Technik bekannte
elektrochemische Sensoren, wie der Redox-Recycling Biosensor
Für viele Anwendungen ist es wünschenswert, nicht nur einen Test mit einem Biosensor durchzuführen, sondern viele Tests in einer gegebenen Probe, dem Analyten, zeitlich parallel. Auf entsprechenden Chips realisierbare, miniaturisierte Bio-/ Chemosensor-Arrays dienen dem zeitlich parallelen Nachweis unterschiedlicher zu erfassender Partikel in einem zu untersuchenden Analyten. Die entsprechenden Sensoren sind in großer Anzahl auf einem Substrat realisierbar, beispielsweise auf einem Glas-, Plastik-, Silizium- oder anderen Substrat. Aufgrund des hohen Grades an Parallelisierung 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 throughput screening", HTS), in der chemischen Industrie, in der Lebensmittel-Analytik, in der Umwelt- und Lebensmitteltechnik und -analytik.For many applications, it is desirable not only to perform one test with a biosensor, but to perform many tests in a given sample, the analyte, in parallel. Miniaturized bio- / chemosensor arrays that can be realized on corresponding chips serve for the simultaneous detection of different particles to be detected in one analyte to be examined. The corresponding sensors can be implemented in large numbers on a substrate, for example on a glass, plastic, silicon or other substrate. Due to the high degree of parallelization, such sensor arrangements, including the corresponding evaluation system, have a variety of applications in medical diagnostic technology, in which Pharmaceutical industry (e.g. for pharmaceutical screening, "high throughput screening", HTS), in the chemical industry, in food analysis, in environmental and food technology and analysis.
Bei der Realisierung von passiven Arrays mit Sensoren gemäß dem Prinzip des Redox-Recyclings (Redox-Zyklieren) stellt sich die Herausforderung, dass die Signale aller Sensoren einem Auslesegerät zuzuführen sind. Sofern zum Beispiel ein passives Substrat mit 8 × 12 = 96, 32 × 48 = 1536 oder allgemein bei einer matrixförmigen Anordnung mit m Zeilen und n Spalten m × n Positionen vorliegt, sind 2 × 96 = 192, 2 × 1536 = 3072 bzw. allgemein 2m × n separate Elektroden-Anschlüsse der Sensoren sowie zwei weitere Anschlüsse für die Referenz- und Gegenelektroden der Potentiostat-Anordnung erforderlich. Jedes Biosensor-Feld sollte separat auslesbar sein, wobei die Anzahl der verwendeten Anschlüsse ("pads") des Chips aus Gründen des Aufwands (für Chip- und Auslesegerät) und vor allen Dingen aus Gründen der Sicherheit bei der Kontaktierung (Signalintegrität) nicht zu hoch sein sollen.When realizing passive Arrays with sensors according to the principle of redox recycling (redox cycling) the challenge is that the signals of all sensors are to be fed to a reading device. Unless, for example a passive substrate with 8 × 12 = 96, 32 × 48 = 1536 or generally with a matrix arrangement with m rows and there are n columns of m × n positions, are 2 × 96 = 192, 2 × 1536 = 3072 or generally 2m × n separate Electrode terminals of the sensors as well as two further connections for the reference and counter electrodes the potentiostat arrangement required. Every biosensor field should be readable separately, the number of connections ("pads") of the chip used for reasons of Effort (for chip and reader) and above all for reasons security when making contact (signal integrity) is not should be too high.
Ein einfacher Ansatz, beispielsweise alle Elektroden-Anschlüsse mit dem Auslesegerät zu koppeln, liefert 2m × n + 2, im Beispiel also 194 oder 3074 Anschlüsse, und ist daher nicht oder nicht befriedigend realisierbar. Ähnliches gilt für den Ansatz, eine Elektrode aller Sensor-Felder gemeinsam zu betreiben und alle verbleibenden Elektroden-Anschlüsse sowie die gemeinsame Elektrode mit dem Auslesegerät zu koppeln. In diesem Falle ist die Anzahl der Anschlüsse zwar geringer, nämlich n × m + 1 + 2 (in dem Beispiel 99 bzw. 1539), jedoch immer noch viel zu groß.A simple approach, for example all electrode connections with the reader coupling yields 2m × n + 2, in the example 194 or 3074 Connections, and is therefore not or not satisfactorily realizable. something similar applies to the approach of operating one electrode of all sensor fields together and all remaining electrode connections as well as the common electrode with the reader to couple. In this case, the number of connections is true less, namely n × m + 1 + 2 (in the example 99 or 1539), but still way too big.
Der Nachteil der in [4], [5] beschriebenen Ansätze, bei welchen aktive Arrays mit einer aufwändigen CMOS-Technik für die einzelnen Sensor-Felder verwendet sind, besteht in den hohen Fertigungskosten gegenüber rein passiven Arrays, bei denen CMOS-Schaltkreise für die Sensorfelder eingespart sind.The disadvantage of those described in [4], [5] Approaches, in which active arrays with a complex CMOS technology for the individual Sensor fields used are made up of high manufacturing costs across from purely passive arrays, in which CMOS circuits for the sensor fields are saved.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Biosensor-Array bereitzustellen, bei dem es mit vertretbarem Aufwand ermöglicht ist, Sensorsignale aus einer Anordnung von miniaturisierbaren Biosensor-Feldern in ausreichender Genauigkeit auszulesen.The invention is based on the problem To provide a biosensor array, where it can be done with reasonable effort allows is, sensor signals from an arrangement of miniaturizable biosensor fields read out with sufficient accuracy.
Das Problem wird gelöst durch ein Biosensor-Array und durch ein Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.The problem is solved by a biosensor array and by a method for operating a Biosensor arrays with the features according to the independent claims.
Das erfindungsgemäße Biosensor-Array weist ein Substrat und eine Mehrzahl von auf dem Substrat angeordneten Biosensor-Felder auf, von denen jedes einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist. Ferner enthält das Biosensor-Array mindestens eine erste Signalleitung und mindestens eine zweite Signalleitung, wobei die mindestens eine erste Signalleitung von der mindestens einen zweiten Signalleitung elektrisch isoliert ist. Jeweils der erste Anschluss eines jeden Biosensor-Felds ist mit genau einer der mindestens einen ersten Signalleitung gekoppelt, und der zweite Anschluss eines jeden Biosensor-Felds ist mit genau einer der mindestens einen zweiten Signalleitung gekoppelt. Zumindest eine der mindestens einen ersten Signalleitung und zumindest eine der mindestens einen zweiten Signalleitung ist mit zumindest zwei der Biosensor-Feldern gekoppelt. Ferner ist eine erste Ansteuereinheit zum Bereitstellen eines ersten elektrischen Ansteuersignals und eine zweite Ansteuereinheit zum Bereitstellen eines zweiten elektrischen Ansteuersignals bereitgestellt. Darüber hinaus enthält das Biosensor-Array eine mit der ersten Ansteuereinheit gekoppelte erste Detektionseinheit und/oder eine mit der zweiten Ansteuereinheit gekoppelte zweite Detektionseinheit, die derart eingerichtet ist oder sind, dass sie ein aus dem ersten und dem zweiten elektrischen Ansteuersignal resultierendes erstes und/oder zweites elektrisches Detektionssignal eines ausgewählten Biosensor-Feldes erfasst oder erfassen. Eine Auswahleinheit ist derart eingerichtet, dass sie die erste Ansteuereinheit mit der ersten Signalleitung eines auszuwählenden Biosensor-Felds und die zweite Ansteuereinheit mit der zweiten Signalleitung des auszuwählenden Biosensor-Felds koppelt, womit das Biosensor-Feld ausgewählt wird.The biosensor array according to the invention has a Substrate and a plurality of biosensor fields arranged on the substrate, of which each has a first port and a second port. Furthermore contains the biosensor array at least one first signal line and at least one second signal line, wherein the at least one first signal line from the at least one second signal line is electrically isolated. Always the first Connection of each biosensor field is exactly one of the at least coupled a first signal line, and the second connection of a each biosensor field is with exactly one of the at least one second Signal line coupled. At least one of the at least one first signal line and at least one of the at least one second signal line coupled to at least two of the biosensor fields. Furthermore, one first control unit for providing a first electrical Control signal and a second control unit for providing a second electrical control signal provided. Furthermore contains the biosensor array is coupled to the first control unit first detection unit and / or one with the second control unit coupled second detection unit, which is set up in this way or are that they are one of the first and the second electrical Control signal resulting first and / or second electrical Detection signal of a selected one Biosensor field detected or capture. A selection unit is set up such that the first control unit with the first signal line of a biosensor field to be selected and the second control unit with the second signal line of the one to be selected Biosensor field couples, with which the biosensor field is selected.
Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays mit den oben beschriebenen Merkmalen geschaffen. Gemäß dem Verfahren wird die erste Ansteuereinheit mit der ersten Signalleitung eines auszuwählenden Biosensor-Felds und die zweite Ansteuereinheit mit der zweiten Signalleitung des auszuwählenden Biosensor-Felds gekoppelt, womit das mindestens eine Biosensor-Feld ausgewählt wird. Ferner wird der ersten Signalleitung des ausgewählten Biosensor-Felds ein erstes elektrisches Ansteuersignal und der zweiten Signalleitung des ausgewählten Biosensor-Felds ein zweites elektrisches Ansteuersignal bereitgestellt. Darüber hinaus wird ein aus dem ersten oder dem zweiten elektrischen Ansteuersignal resultierendes erstes Detektionssignal an der ersten Signalleitung des ausgewählten Biosensor-Felds und/oder ein aus dem ersten und dem zweiten elektrischen Ansteuersignal resultierendes zweites Detektionssignal an der zweiten Signalleitung des ausgewählten Biosensor-Felds erfasst.Furthermore, a method for Operating a biosensor array with the features described above created. According to the procedure the first control unit with the first signal line to be selected Biosensor field and the second control unit with the second signal line the one to be selected Biosensor zone coupled, whereby the at least one biosensor field is selected. Furthermore, the first signal line of the selected biosensor field becomes a first one electrical control signal and the second signal line of the selected biosensor field a second electrical control signal is provided. Furthermore becomes one of the first or the second electrical control signal resulting first detection signal on the first signal line of the chosen Biosensor field and / or one of the first and the second electrical Control signal resulting second detection signal at the second Signal line of the selected Biosensor field detected.
Eine Grundidee der Erfindung besteht darin, für jeweils eine Mehrzahl von Biosensor-Feldern eines Biosensor-Arrays gemeinsam vorgesehene erste Signalleitungen bzw. zweite Signalleitungen bereitzustellen, wodurch die Anzahl der zum Betreiben des Biosensor-Arrays erforderlichen Signalleitungen erheblich reduziert ist. Dadurch ist es ermöglicht, ein Biosensor-Array (insbesondere auf einem passiven Chip) bei einer relativ geringen Anzahl von Signalleitungen bzw. einer geringen Anzahl von mit den Signalleitungen gekoppelten Pads zu betreiben. Dadurch ist Platz auf dem Biosensor-Array eingespart, was eine höhere Integrationsdichte ermöglicht und die Herstellungskosten verringert. Die erfindungsgemäße Array-Architektur kann jedoch auch bei aktiven Chips eingesetzt werden, da sie es erlaubt, den schaltungstechnischen Aufwand pro Biosensor-Feld gering zu halten, was wiederum die Herstellung hochdichter Arrays ermöglicht. Bei aktiven Biosensor-Arrays sind auf dem Substrat zusätzliche Schaltkreis-Einrichtungen (beispielsweise Vorverstärker, AD-Wandler etc.) bereitgestellt.A basic idea of the invention is to provide first signal lines or second signal lines, which are provided jointly for a plurality of biosensor fields of a biosensor array, whereby the number of signal lines required to operate the biosensor array is considerably reduced. This makes it possible to operate a biosensor array (in particular on a passive chip) with a relatively small number of signal lines or a small number of pads coupled to the signal lines. There This saves space on the biosensor array, which enables a higher integration density and reduces the manufacturing costs. However, the array architecture according to the invention can also be used with active chips, since it allows the circuitry complexity per biosensor field to be kept low, which in turn enables the production of high-density arrays. In the case of active biosensor arrays, additional circuit devices (for example preamplifiers, AD converters, etc.) are provided on the substrate.
Für eine beispielsweise matrixförmige Anordnung der Biosensor-Felder entlang von als Zeilenleitungen vorgesehenen zweiten Signalleitungen und entlang von als Spaltenleitungen vorgesehenen ersten Signalleitungen können z.B. m Spalten wahlweise mit einer anregenden ersten Spannungsquelle der ersten Ansteuereinheit oder mit elektrischem Massepotential gekoppelt werden. Die n Zeilen können wahlweise mit einer zweiten anregenden Spannungsquelle der zweiten Ansteuereinheit oder mit elektrischem Massepotential gekoppelt werden. Das Auswählen der Kopplung der Anschlüsse der Biosensor-Felder mit den Spannungsquellen oder mit dem Massepotential erfolgt mittels der Auswahleinheit.For one, for example, matrix-shaped Arrangement of the biosensor fields along lines provided second signal lines and along provided as column lines first signal lines can e.g. m Splitting optionally with a stimulating first voltage source the first control unit or with electrical ground potential be coupled. The n lines can be optional with a second exciting voltage source of the second control unit or be coupled with electrical ground potential. Choosing the Coupling the connections the biosensor fields with the voltage sources or with the ground potential takes place by means of the selection unit.
Beispielsweise kann an genau einer Spaltenleitung eine positive elektrische Spannung als erstes elektrisches Ansteuersignal angelegt werden und kann an genau eine Zeilenleitung eine elektrische Spannung negativen Vorzeichens als zweites elektrisches Ansteuersignal angelegt werden. Nur ein in dem Kreuzungsbereich der ausgewählten Zeile mit der ausgewählten Spalte angeordnetes Biosensor-Feld hat zwischen seinen beiden Anschlüssen (d.h. seinen beiden Elektroden) eine ausreichend große Potentialdifferenz, dass Redox-Recycling-Prozesse auf dem Biosensor-Feld erfolgen können. Alle anderen Biosensor-Felder haben zwischen ihren Anschlüssen eine Potentialdifferenz, die der ersten elektrischen Spannung oder der zweiten elektrischen Spannung entspricht, da der jeweils andere Anschluss auf Massepotential liegt. Dadurch sind an diesen Biosensor-Feldern Redox-Recycling-Prozesse nicht bzw. nicht in aureichendem Maße möglich, um ein detektierbares zeitlich ansteigendes Signal zu generieren.For example, at exactly one Column line a positive electrical voltage as the first electrical Control signal can be applied and can be connected to exactly one row an electrical voltage of negative sign as the second electrical Control signal can be applied. Only one in the intersection area the selected one Line with the selected one Column biosensor array has between its two terminals (i.e. its two electrodes) a sufficiently large potential difference that Redox recycling processes can be done on the biosensor field. All other biosensor fields have between their connections a potential difference that the first electrical voltage or corresponds to the second electrical voltage, since the other Connection is at ground potential. As a result, there are redox recycling processes in these biosensor fields not or not to a sufficient extent to make a detectable generate a signal that rises over time.
Tritt bei einem ausgewählten Biosensor-Feld ein Sensorereignis, beispielsweise ein Hybridisierungsereignis, zwischen auf dem Biosensor-Feld immobilisierten Fängermolekülen und zu erfassenden Partikeln eines Analyten auf, können unter Verwendung eines Labels an den zu erfassenden Partikeln, einer in den Analyten eingebrachten chemischen Komponente und einer ausreichend großen elektrischen Potentialdifferenz zwischen den Sensor-Elektroden Redox-Recycling-Prozesse auftreten. Als Folge davon fließt auf der mit dem ausgewählten Biosensor-Feld gekoppelten ersten Signalleitung und auf der mit dem ausgewählten Biosensor-Feld gekoppelten zweiten Signalleitung jeweils ein elektrischer Strom als Detektionssignal. Mittels Erfassens eines Werts oder vorzugsweise beider Werte der Ströme kann auf das Auftreten von Hybridisierungsereignissen geschlossen werden.Occurs on a selected biosensor field Sensor event, for example a hybridization event, between capture molecules and particles to be detected immobilized on the biosensor field of an analyte, can using a label on the particles to be recorded, one chemical component introduced in the analyte and one sufficient huge electrical potential difference between the sensor electrodes redox recycling processes occur. As a result, flows on the with the selected one Biosensor field coupled first signal line and on the with the selected one Biosensor field coupled second signal line each an electrical Current as a detection signal. By capturing a value or preferably both values of currents can conclude the occurrence of hybridization events become.
Für den Fall einer matrixförmigen Anordnung der Biosensor-Felder mit m Spalten und n Zeilen sind gemäß der Erfindung lediglich n + m + 2 Anschlüsse erforderlich, nämlich m erste Signalleitungen, n zweite Signalleitungen und (optional) zwei weitere Anschlüsse für Referenz- und Gegenelektrode eines Potentiostaten. Für einen Chip mit beispielsweise 8 × 12 = 96 Positionen sind daher lediglich 22 Signalleitungen erforderlich, für einen Chip mit 32 × 48 = 1536 Positionen sind 82 Signalleitungen erforderlich. Dies stellt gegenüber dem Stand der Technik eine erhebliche Aufwandsverringerung dar. Das optimal erreichbare Verhältnis aus Zahl der Anschlüsse normiert auf die Anzahl der Sensor-Positionen auf dem Chip ergibt sich für den Fall n = m, das heißt für ein Sensor-Array mit einer quadratischen Architektur (Zeilenzahl = Spaltenzahl).For the case of a matrix Arrangement of the biosensor fields with m columns and n rows are only n according to the invention + m + 2 connections required, namely m first signal lines, n second signal lines and (optional) two more connections for reference and counter electrode of a potentiostat. For a chip with, for example 8 × 12 = 96 positions are therefore only 22 signal lines required for a chip with 32 × 48 = 1536 positions are 82 signal lines required. This contrasts the prior art represents a significant reduction in effort. The optimal attainable ratio from number of connections normalized to the number of sensor positions on the chip for the case n = m, that is for a Sensor array with a square architecture (number of lines = number of columns).
Anschaulich ist es erfindungsgemäß ermöglicht, den herstellungstechnischen Aufwand für ein Biosensor-Array dadurch wesentlich zu reduzieren, dass zumindest eine der mindestens einen ersten Signalleitung und mindestens eine der mindestens einen zweiten Signalleitung mit zumindest zwei der Biosensor-Felder gekoppelt ist. Mit anderen Worten sind für eine jeweilige Mehrzahl von Biosensor-Feldern gemeinsame Signalleitungen zum Ansteuern und Detektieren bereitgestellt.It is clearly possible according to the invention the manufacturing outlay for a biosensor array significantly reduce that at least one of the at least one first signal line and at least one of the at least one second Signal line coupled to at least two of the biosensor fields is. In other words, are for a respective plurality of signal lines common to biosensor fields provided for control and detection.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.Preferred developments of the invention result themselves from the dependent Claims.
Das Biosensor-Array kann eine Auswerteeinheit aufweisen, die derart eingerichtet ist, dass sie für das mindestens eine ausgewählte Biosensor-Feld basierend auf dem ersten und/oder dem zweiten Detektionssignal ermittelt, ob an dem mindestens einen ausgewählten Biosensor-Feld Sensorereignisse erfolgt sind und/oder in welcher Quantität an dem mindestens einen ausgewählten Biosensor-Feld Sensorereignisse erfolgt sind.The biosensor array can be an evaluation unit have, which is set up such that it for the at least a selected one Biosensor field based on the first and / or the second detection signal determines whether sensor events occur on the at least one selected biosensor field and / or in what quantity at the at least one selected biosensor field Sensor events have occurred.
Mindestens eines der Biosensor-Felder kann als elektrochemisches Biosensor-Feld eingerichtet sein. Insbesondere kann zumindest eines der Biosensor-Felder ein Redox-Recycling-Biosensor-Feld sein. Bei einem Redox-Recycling-Biosensor-Feld werden zu erfassende Partikel vorzugsweise mit einem Label versehen, das nach einem erfolgten Hybridisierungsereignis mit auf dem Sensor-Feld immobilisierten Fängermolekülen dazu verwendet wird, eine in die Anordnung einzubringende, bei den verwendeten Potentialen elektrochemisch inaktive Substanz in zwei Teilmoleküle zu spalten, von denen mindestens eines elektrochemisch aktiv ist. Dies führt zu einer Veränderung der elektrischen Eigenschaften der jeweiligen Sensor-Position des Biosensor-Arrays.At least one of the biosensor fields can be set up as an electrochemical biosensor field. In particular At least one of the biosensor fields can be a redox recycling biosensor field. At a redox recycling biosensor field Particles to be detected are preferably provided with a label which after a hybridization event has taken place on the sensor field immobilized capture molecules is used, one to be introduced into the arrangement, in the used To split potentials of electrochemically inactive substance into two sub-molecules, at least one of which is electrochemically active. This leads to a change the electrical properties of the respective sensor position of the Biosensor array.
Das Biosensor-Feld kann eine erste
und eine zweite Elektrode aufweisen, wobei die erste Elektrode mit
dem ersten Anschluss und wobei die zweite Elektrode mit dem zweiten
Anschluss des Biosensor-Feldes gekoppelt ist. Die erste und die
zweite Elektrode ist vorzugsweise eine Interdigitalelektrode. Mit
anderen Worten kann die erste und/oder die zweite Elektrode wie
die in
Die Biosensor-Felder können zu einer Mehrzahl von Biosensor-Gruppen gruppiert sein, derart, dass jede Biosensor-Gruppe wahlweise separat von den anderen Biosensor-Gruppen oder gemeinsam mit zumindest einem Teil der anderen Biosensor-Gruppen betreibbar ist. Anschaulich ist eine Kompartimentierung des Biosensor-Arrays möglich. Ist beispielsweise für eine bestimmte Anwendung ein Teilbereich der Biosensor-Felder ausreichend und werden die anderen Biosensor-Felder für diese Anwendung nicht benötigt, so können die Biosensor-Felder des Teilbereichs zu einer Gruppe gruppiert werden und diese Gruppe separat von den übrigen Biosensor-Feldern betrieben werden.The biosensor fields can too a plurality of biosensor groups be grouped in such a way that each biosensor group is optionally separate from the other biosensor groups or together with at least one Part of the other biosensor groups is operable. A compartmentalization of the biosensor array is clear possible. is for example for a certain application a sub-area of the biosensor fields is sufficient and the other biosensor fields are not required for this application, so can the biosensor fields of the sub-area grouped into a group and this group is operated separately from the other biosensor fields become.
Das Substrat kann ein Keramik-Substrat, ein Halbleiter-Substrat (insbesondere ein Silizium-Substrat, d.h. ein Silizium-Wafer oder ein Silizium-Chip), ein Glas-Substrat oder ein Plastik-Substrat sein.The substrate can be a ceramic substrate, a semiconductor substrate (in particular a silicon substrate, i.e. a silicon wafer or a silicon chip), a glass substrate or a plastic substrate his.
Das erste und das zweite elektrische Ansteuersignal sind vorzugsweise elektrische Gleichspannungssignale mit unterschiedlichen Vorzeichen bezogen auf ein Referenzpotential, welches Referenzpotential an zumindest einem Anschluss eines nicht ausgewählten Biosensor-Feldes anliegen kann, und das erste und/oder das zweite elektrische Detektionssignal ist vorzugsweise ein elektrischer Strom.The first and the second electrical Control signals are preferably electrical direct voltage signals with different signs related to a reference potential, which reference potential is present at at least one connection of an unselected biosensor field can, and the first and / or the second electrical detection signal is preferably an electric current.
Es ist alternativ vorgesehen, dass die ersten und zweiten elektrischen Ansteuersignale zueinander gegenphasige Spannungssignale sind. Bedingung für das Auftreten von Redox-Recycling-Prozessen an einem ausgewählten Sensorfeld ist lediglich, dass die Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Ansteuersignal einen gewissen Schwellwert überschreitet.It is alternatively provided that the first and second electrical control signals are in phase opposition to one another Are voltage signals. Condition for the occurrence of redox recycling processes on a selected one Sensor field is only that the potential difference between the first and the second electrical control signal a certain Threshold exceeded.
In der Regel wird an einen Anschluss oder an beide Anschlüsse eines nicht ausgewählten Biosensor-Felds ein elektrisches Referenzpotential (z.B. das Massepotential) angelegt. Es ist jedoch auch möglich, dass zumindest ein nicht ausgewähltes Biosensor-Feld "floatet", d.h. dass die Anschlüsse dieses Biosensor-Felds nicht auf ein definiertes elektrisches Potential gebracht werden.Usually it is connected to a connector or to both connections one not selected Biosensor field an electrical reference potential (e.g. the ground potential) created. However, it is also possible that at least one not selected Biosensor field "floats", i.e. that the connectors this Biosensor field does not reach a defined electrical potential to be brought.
Die Amplituden und Vorzeichen des ersten und des zweiten elektrischen Ansteuersignals sind vorzugsweise derart gewählt, dass infolge eines an einem Biosensor-Feld erfolgten Sensorereignisses im Wesentlichen nur dann ein signifikantes erstes und/oder zweites Detektionssignal generiert wird, wenn der erste Anschluss des Biosensor-Felds mit der ersten Ansteuereinheit und simultan der zweite Anschluss des Biosensor-Felds mit der zweiten Ansteuereinheit gekoppelt ist. Mit anderen Worten sind die Werte der ersten und zweiten elektrischen Ansteuersignale vorzugsweise derart gewählt, dass ein nicht auszuwählendes Biosensor-Feld, an dessen ersten Anschluss das erste Ansteuersignal angelegt ist und an dessen zweiten Anschluss das zweite Ansteuersignal nicht angelegt ist, nicht fähig ist, Redox-Recycling-Prozesse durchzuführen. Ferner sind die Werte der ersten und zweiten elektrischen Ansteuersignale vorzugsweise derart gewählt, dass ein nicht auszuwählendes Biosensor-Feld, an dessen ersten Anschluss das erste Ansteuersignal nicht angelegt ist und an dessen zweiten Anschluss das zweite Ansteuersignal angelegt ist, nicht fähig ist, Redox-Recycling-Prozesse durchzuführen. Nur diejenigen Biosensor-Felder sind ausgewählt, an deren ersten Anschluss das erste Ansteuersignal und an deren zweiten Anschluss das zweite Ansteuersignal anliegt.The amplitudes and signs of the first and second electrical drive signals are preferred chosen so that as a result of a sensor event in a biosensor field in the Only then a significant first and / or second Detection signal is generated when the first connection of the biosensor field with the first control unit and simultaneously the second connection of the biosensor field is coupled to the second control unit. In other words, the values of the first and second are electrical Control signals are preferably selected such that a non-selectable one Biosensor field, at the first connection of which the first control signal is applied and at the second connection of the second control signal is not designed, not capable is to carry out redox recycling processes. Furthermore, the values of the first and second electrical control signals preferably chosen so that an unselectable Biosensor field, at the first connection of which the first control signal is not applied and at the second connection the second control signal is not capable is to carry out redox recycling processes. Only those biosensor fields are selected at its first connection the first control signal and at its second Connection of the second control signal is present.
Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Biosensor-Arrays als aktiver Sensor-Chip, in dem integrierte Schaltkreise mit beliebigen Funktionen enthalten sein können. In dem Substrat des Biosensor-Arrays kann ein Analog-Digital-Wandler-Schaltkreis integriert sein, der derart eingerichtet ist, dass er ein analoges elektrisches Signal in ein digitales Signal umwandelt und der Auswerteeinheit bereitstellt. Ferner kann eine elektrische Versorgungseinheit in dem Substrat integriert sein, die derart eingerichtet ist, dass sie der ersten und/oder der zweiten Ansteuereinheit und/oder der Auswahleinheit elektrische Spannungssignale und/oder elektrische Stromsignale bereitstellen kann. Darüber hinaus kann in dem Substrat ein Digital-Analog-Wandler-Schaltkreis integriert sein, der derart eingerichtet ist, dass er ein digitales Signal der Versorgungseinheit in ein analoges Signal umwandeln und der Ansteuereinheit und/oder der Auswahleinheit bereitstellen kann. Auch kann eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle zum Anschließen einer externen Vorrichtung auf dem Biosensor-Array vorgesehen sein. Diese kann beispielsweise als digitale I/O-Schnittstelle eingerichtet sein. Ferner kann in dem Substrat eine Verstärkereinheit integriert sein, eingerichtet zum Verstärken des ersten und/oder des zweiten elektrischen Detektionssignals. Aufgrund einer Verstärkung "On-Chip" ist vermieden, dass ein störanfälliges, analoges Signal entlang einer langen Signalleitung verläuft und daher Störungen ausgesetzt ist. Dadurch ist das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert.An embodiment is advantageous of the biosensor array according to the invention as an active sensor chip, in which integrated circuits with any Functions may be included. An analog-to-digital converter circuit can be located in the substrate of the biosensor array be integrated, which is set up such that it is an analog converts electrical signal into a digital signal and the evaluation unit provides. Furthermore, an electrical supply unit in be integrated into the substrate, which is set up in such a way that the first and / or the second control unit and / or the Selection unit electrical voltage signals and / or electrical Can provide current signals. In addition, in the substrate a digital-to-analog converter circuit be integrated, which is set up in such a way that it is a digital one Convert the signal of the supply unit into an analog signal and the control unit and / or the selection unit can provide. An input / output interface for connecting a external device can be provided on the biosensor array. This can be set up, for example, as a digital I / O interface. Furthermore, an amplifier unit can be integrated in the substrate, set up for reinforcement of the first and / or the second electrical detection signal. Due to an amplification "on-chip" it is avoided that a prone to failure, analog signal runs along a long signal line and hence interference is exposed. This improves the signal-to-noise ratio.
Vorzugsweise ist die mindestens eine erste Signalleitung einerseits und die mindestens eine zweite Signalleitung andererseits zumindest teilweise in zwei unterschiedlichen Leiterebenen (z.B. Metallisierungsebenen) in und/oder auf und/oder unter dem Substrat ausgebildet. Die Verwendung zweier unterschiedlicher Leitungsebenen ermöglicht eine elektrisch isolierte Leitungskreuzung zwischen ersten und zweiten Signalleitungen. Die zwei Leitungsebenen (insbesondere Metallebenen) können so realisiert sein, wie es von Prozessen der Mikroelektronik bekannt ist. Dort sind häufig die Metallebenen oberhalb des Bulk-Materials (des Substrats) in Intermetall-Dielelektrika eingebettet. Alternativ ist jedoch auch möglich, dass eine der Leitungsebenen in der gleichen Ebene (und vorzugsweise aus dem gleichen Material) realisiert ist wie die Transducer-Elemente selbst (z.B. Goldmaterial von Interdigitalelektroden). Mit anderen Worten können die Biosensor-Felder in genau einer der Leitungsebenen ausgebildet sein.The at least one first signal line, on the one hand, and the at least one second signal line, on the other hand, are preferably formed at least partially in two different conductor levels (for example metallization levels) in and / or on and / or below the substrate. The use of two different line levels enables an electrically insulated line crossing between the first and second signal lines. The two line levels (in particular metal levels) can be implemented in the same way as in processes in microelectronics is known. There, the metal levels above the bulk material (the substrate) are often embedded in intermetallic dielectrics. Alternatively, however, it is also possible for one of the line levels to be implemented in the same level (and preferably made of the same material) as the transducer elements themselves (for example gold material from interdigital electrodes). In other words, the biosensor fields can be formed in exactly one of the line levels.
Ferner können in einem ersten Leitungsabschnitt, in dem die mindestens eine erste Signalleitung und die mindestens eine zweite Signalleitung von einer gegenseitigen Kreuzung frei sind, die mindestens eine erste Signalleitung und die mindestens eine zweite Signalleitung in derselben Ebene verlaufend ausgebildet sein. Ferner können in einem zweiten Leitungsabschnitt, in dem die mindestens eine erste Signalleitung und die mindestens eine zweite Signalleitung sich gegenseitig kreuzen, die mindestens eine erste Signalleitung und die mindestens eine zweite Signalleitung in unterschiedlichen Ebenen verlaufend ausgebildet sein.Furthermore, in a first line section, in which the at least one first signal line and the at least a second signal line free of mutual intersection are, the at least one first signal line and the at least one second signal line running in the same plane. Can also in a second line section, in which the at least one first Signal line and the at least one second signal line itself cross each other, the at least a first signal line and the at least one second signal line running on different levels be trained.
Mit anderen Worten muss eine zweite Leiterebene nicht notwendigerweise vergraben bezüglich einer ersten Leiterebene vorgesehen sein. Es ist auch möglich, beide Ebenen teilweise in derselben Ebene wie die Transducer zu realisieren, und aus dem gleichen Material wie die Transducer herzustellen. Dann ist nur in Kreuzungsbereichen zwischen ersten und zweiten Signalleitungen eine Überbrückung des Kreuzungsbereichs erforderlich, um eine elektrische Isolierung zwischen Ansteuerleitungen und Detektionsleitungen zu gewährleisten. Zwischen den im Überbrückungsbereich in unterschiedlichen Ebenen verlaufenden Leitungsabschnitten ist vorzugsweise ein elektrisch isolierendes Material zwischen den Leitungen zu verwenden.In other words, a second Manager level not necessarily buried with respect to a first manager level be provided. It is also possible, both levels partly in the same level as the transducers realize, and to manufacture from the same material as the transducers. Then there is only in intersection areas between first and second signal lines a bridging of the Junction area required to provide electrical insulation between To ensure control lines and detection lines. Between those in the bridging area is in different levels of line sections preferably an electrically insulating material between the lines to use.
Vorzugsweise ist der erste Leitungsabschnitt der mindestens einen ersten Signalleitung und/oder der mindestens einen zweiten Signalleitung mit dem zweiten Leitungsabschnitt der mindestens einen ersten Signalleitung und/oder der mindestens einen zweiten Signalleitung mittels mindestens einem im Wesentlichen vertikal zu dem Substrat verlaufend angeordneten elektrischen Kontaktierungselement gekoppelt. Insbesondere sind Vias möglich, um Leitungsabschnitte einer ersten Signalleitung (und/oder einer zweiten Signalleitung), die in unterschiedlichen Ebenen verlaufen, jeweils miteinander zu koppeln.The first line section is preferably the at least one first signal line and / or the at least one second signal line with the second line section of the at least a first signal line and / or the at least one second Signal line by means of at least one essentially vertical to the substrate arranged electrical contacting element coupled. In particular, vias are possible to line sections a first signal line (and / or a second signal line), that run in different levels, each with each other couple.
Die mindestens eine erste Signalleitung und/oder die mindestens eine zweite Signalleitung kann auf einer Unterseite des Substrats oder unterhalb des Substrats verlaufend ausgebildet sein.The at least one first signal line and / or the at least one second signal line can be on an underside of the substrate or extending beneath the substrate his.
Mit anderen Worten kann eine Leitungsebene zum Beispiel auch an der Unterseite eines Substrats (z.B. Leiterplatte) realisiert sein. Hierfür sind Durchkontaktierungen erforderlich. Ferner kann unterhalb des Substrats eine dielektrische Schicht ausgebildet werden, in welche elektrisch leitfähige Strukturen eingebettet werden, um Signalleitungen auszubilden.In other words, a management level for example on the underside of a substrate (e.g. printed circuit board) be realized. Therefor plated-through holes are required. Furthermore, below the A dielectric layer are formed in the substrate electrically conductive Structures are embedded to form signal lines.
Die Biosensor-Felder der erfindungsgemäßen Biosensor-Arrays können in einer im Wesentlichen rechteckigen, vorzugsweise quadratischen, hexagonalen oder dreieckigen Matrix angeordnet sein. Bei einer matrixförmigen rechteckigen Anordnung der Biosensor-Felder mit gleicher Zeilen- und Spaltenzahl (quadratische Matrix) ist ein besonders günstiges Verhältnis der Anzahl von erforderlichen Signalleitungen (bzw. Pads) zu der Anzahl von Biosensor-Feldern ermöglicht.The biosensor fields of the biosensor arrays according to the invention can in a substantially rectangular, preferably square, hexagonal or triangular matrix. With a matrix-shaped rectangular Arrangement of the biosensor fields with the same number of rows and columns (square matrix) is a particularly favorable ratio of Number of required signal lines (or pads) to the number of biosensor fields.
Die Ansteuereinheit kann eine für alle Biosensor-Felder gemeinsame erste Versorgungseinheit und/oder die zweite Ansteuereinheit kann eine für alle Biosensor-Felder gemeinsame zweite Versorgungseinheit aufweisen, wobei die erste Versorgungseinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an das zumindest eine ausgewählte Biosensor-Feld das erste elektrische Ansteuersignal anlegbar ist, und/oder wobei die zweite Versorgungseinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an das zumindest eine ausgewählte Biosensor-Feld das zweite elektrische Ansteuersignal anlegbar ist.The control unit can be used for all biosensor fields common first supply unit and / or the second control unit can one for all biosensor fields have a common second supply unit, wherein the first supply unit is set up in such a way that with it to the at least one selected biosensor field the first electrical control signal can be applied, and / or wherein the second Supply unit is set up so that with it to the at least one selected Biosensor field, the second electrical control signal can be applied.
Mit anderen Worten kann beispielsweise eine einzige gemeinsame Spannungsquelle als erste Versorgungseinheit bzw. eine einzige gemeinsame Spannungsquelle als zweite Versorgungseinheit vorgesehen sein, die unter Verwendung der Funktionalität der Auswahleinheit mit jeweils einem Biosensor-Feld oder einem Teil der Biosensor-Felder (beispielsweise einer Spalte oder Zeile von Biosensor-Feldern) gekoppelt wird, um diesem Biosensor-Feld bzw. diesen Biosensor-Feldern das entsprechende elektrische Ansteuersignal bereitzustellen. Die Verwendung einer einzigen gemeinsamen ersten Versorgungseinheit bzw. einer einzigen gemeinsamen zweiten Versorgungseinheit verringert die Herstellungskosten des Biosensor-Arrays.In other words, for example only common voltage source as the first supply unit or a single common voltage source as a second supply unit be provided using the functionality of the selection unit each with a biosensor field or part of the biosensor fields (e.g. a column or row of biosensor fields) to this biosensor field or these biosensor fields provide appropriate electrical control signal. The usage a single common first supply unit or one single common second supply unit reduces manufacturing costs of the biosensor array.
Die erste und die zweite Ansteuereinheit können derart eingerichtet sein, dass an zumindest einen Teil der nicht ausgewählten Biosensor-Felder ein elektrisches Referenzsignal anlegbar ist, dessen Wert im Wesentlichen der Mittelwert aus dem ersten und dem zweiten Ansteuersignal ist. An einem ausgewählten Biosensor-Feld können nur dann Redox-Recycling- Vorgänge stattfinden, wenn an dessen ersten Anschluss das erste Ansteuersignal und an dessen zweiten Anschluss das zweite Ansteuersignal mit vorzugsweise entgegengesetztem Vorzeichen angelegt wird, da das Auftreten von Redox-Recycling-Prozessen eine ausreichend große Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen erfordert. Indem als Referenzpotential für die nicht auszuwählenden Biosensor-Felder der arithmetische Mittelwert aus dem ersten und dem zweiten elektrischen Ansteuersignal verwendet wird (oder eine Spannung nahe dem arithmetischen Mittelwert), ist sichergestellt, dass an nicht ausgewählten Biosensor-Feldern unerwünschte Redox-Recycling-Prozesse vermieden sind. Mit anderen Worten wird an einen Anschluss oder an beide Anschlüsse eines nicht ausgewählten Biosensor-Felds häufig ein elektrisches Referenzpotential (z.B. das Massepotential) angelegt. Es ist jedoch auch möglich, dass zumindest ein nicht ausgewähltes Biosensor-Feld "floatet", d.h. dass die Anschlüsse dieses Biosensor-Felds nicht auf ein definiertes elektrisches Potential gebracht sind.The first and the second control unit can be set up in such a way that an electrical reference signal can be applied to at least some of the non-selected biosensor fields, the value of which is essentially the mean value of the first and the second control signal. Redox recycling processes can only take place on a selected biosensor field if the first control signal is applied to its first connection and the second control signal is preferably applied to the second connection with the opposite sign, since the occurrence of redox recycling processes is sufficient large potential difference between the connections required. By using the arithmetic mean of the first and second electrical control signals (or a voltage close to the arithmetic mean) as a reference potential for the biosensor fields that are not to be selected, it is ensured that undesired redox recycling processes are avoided in unselected biosensor fields are. In other words, to one port or an electrical reference potential (for example the ground potential) is frequently applied to both connections of an unselected biosensor field. However, it is also possible that at least one non-selected biosensor field "floats", that is to say that the connections of this biosensor field are not brought to a defined electrical potential.
Die erste Ansteuereinheit kann für jeweils eine erste Gruppe von Biosensor-Feldern eine der jeweiligen Gruppe zugehörige erste Versorgungseinheit aufweisen, welche erste Versorgungseinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an die Biosensor-Felder der zugehörigen ersten Gruppe das erste elektrische Ansteuersignal anlegbar ist, und/oder die zweite Ansteuereinheit kann für jeweils eine zweite Gruppe von Biosensor-Feldern eine der jeweiligen Gruppe zugehörige zweite Versorgungseinheit aufweisen, welche zweite Versorgungseinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an die Biosensor-Felder der zugehörigen zweiten Gruppe das zweite elektrische Ansteuersignal anlegbar ist.The first control unit can be used for one first group of biosensor fields one belonging to the respective group Have supply unit, which first supply unit such is set up that with it to the biosensor fields of the associated first Group the first electrical control signal can be applied, and / or the second control unit can for a second group of biosensor fields, a second one belonging to the respective group Have supply unit, which second supply unit such is set up that with it to the biosensor fields of the associated second Group the second electrical control signal can be applied.
Beispielsweise kann bei einer matrixförmigen Anordnung der Biosensor-Felder für jede Spalte von Sensor-Feldern eine gemeinsame Spannungsquelle als den entlang einer Spalte angeordneten Biosensor-Feldern zugehörige Versorgungseinheit vorgesehen sein. Ferner kann für jede Zeile von Sensor- Feldern eine andere gemeinsame Spannungsquelle als den entlang der Zeile angeordneten Biosensor-Feldern zugehörige zweite Versorgungseinheit vorgesehen sein.For example, in a matrix arrangement the biosensor fields for each column of sensor fields as a common voltage source the supply unit associated with the biosensor fields arranged along a column be provided. Furthermore, for each row of sensor fields another common voltage source than that along the line arranged second biosensor fields associated second supply unit be provided.
Die Ansteuereinheiten bzw. die Auswahleinheit können insbesondere derart eingerichtet sein, dass jeweils eine der Versorgungseinheiten der zugehörigen Gruppe von Biosensor-Feldern ein elektrisches Ansteuersignal bereitstellt, wohingegen die anderen Versorgungseinheiten den zugehörigen Biosensor-Feldern ein Referenzpotential, beispielsweise das elektrische Massepotential, bereitstellen.The control units or the selection unit can in particular be set up such that one of the supply units in each case the associated Group of biosensor fields provides an electrical drive signal, whereas the others Supply units the associated Biosensor fields a reference potential, for example the electrical Ground potential, provide.
Die erste Detektionseinheit kann eine für alle Biosensor-Felder gemeinsame erste Messeinheit (beispielsweise ein Amperemeter) aufweisen, welche erste Messeinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an genau einem ausgewählten Biosensor-Feld das elektrische erste Detektionssignal erfassbar ist. Alternativ oder ergänzend kann die zweite Detektionseinheit eine für alle Biosensor-Felder gemeinsame zweite Messeinheit (beispielsweise ein Amperemeter) aufweisen, welche zweite Messeinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an genau einem ausgewählten Biosensor-Feld das elektrische zweite Detektionssignal erfassbar ist.The first detection unit can one for all biosensor fields have a common first measuring unit (for example an ammeter), which first measuring unit is set up in such a way that with it exactly one selected Biosensor field, the electrical first detection signal can be detected is. Alternatively or in addition the second detection unit can be a common one for all biosensor fields have second measuring unit (for example an ammeter), which second measuring unit is set up in such a way that it is accurate a selected biosensor field the electrical second detection signal can be detected.
Die erste Detektionseinheit kann für jeweils eine dritte Gruppe von Biosensor-Feldern eine der jeweiligen dritten Gruppe zugehörige erste Messeinheit aufweisen, wobei jede der ersten Messeinheiten derart eingerichtet ist, dass mit ihr an genau einem ausgewählten Biosensor-Feld der zugehörigen dritten Gruppe das elektrische erste Detektionssignal erfassbar ist.The first detection unit can for one each third group of biosensor fields one of the respective third Group associated have first measuring unit, each of the first measuring units being such is set up with it at exactly one selected biosensor field the associated third group, the electrical first detection signal can be detected is.
Ferner kann die zweite Detektionseinheit für jeweils eine vierte Gruppe von Biosensor-Feldern eine der jeweiligen vierten Gruppe zugehörige zweite Messeinheit aufweisen, wobei jede der zweiten Messeinheiten derart eingerichtet ist, dass mit ihr an genau einem ausgewählten Biosensor-Feld der zugehörigen vierten Gruppe das elektrische zweite Detektionssignal erfassbar ist.Furthermore, the second detection unit for each a fourth group of biosensor fields one of the fourth Group associated have second measuring unit, each of the second measuring units is set up in such a way that it is at exactly one selected biosensor field the associated fourth group, the electrical second detection signal can be detected is.
Ferner kann das erfindungsgemäße Biosensor-Array eine Potentiostat-Einrichtung aufweisen, die derart eingerichtet ist, dass mit ihr zumindest einem Teil der Biosensor-Felder ein konstantes elektrisches Potential vorgebbar ist.Furthermore, the biosensor array according to the invention have a potentiostat device that is set up in this way is that with it at least part of the biosensor fields constant electrical potential can be predetermined.
Insbesondere kann die Potentiostat-Einrichtung eine Referenzelektrode, eine Gegenelektrode und einen Operationsverstärker aufweisen, wobei ein erster Eingang des Operationsverstärkers mit der Referenzelektrode, ein zweiter Eingang des Operationsverstärkers mit einem Referenzpotential (beispielsweise dem elektrischen Massepotential) und ein Ausgang des Operationsverstärkers mit der Gegenelektrode gekoppelt ist.In particular, the potentiostat device have a reference electrode, a counter electrode and an operational amplifier, a first input of the operational amplifier with the reference electrode, a second input of the operational amplifier with a reference potential (for example the electrical ground potential) and an output of the operational amplifier is coupled to the counter electrode.
Ferner kann für jede Zeile von Biosensor-Feldern eine jeweils eigene erste Gleichspannungsquelle und kann für jede Spalte von Biosensor-Feldern eine jeweils eigene zweite Gleichspannungsquelle bereitgestellt sein. Darüber hinaus kann für jede Zeile von Biosensor-Feldern eine jeweils eigene erste Stromerfasseinheit und kann für jede Spalte von Biosensor-Feldern eine jeweils eigene zweite Stromerfasseinheit bereitgestellt sein. Dann können simultan für alle Biosensor-Felder gemeinsam die Sensorereignisse erfasst werden, indem in allen Zeilen und Spalten Summenströme erfasst werden. Unter Verwendung einer geeigneten Korrelationsrechnung kann aus korrelierten Zeilen- und Spaltenströmen auf die einzelnen Sensorsignale der einzelnen Biosensor-Felder rückgerechnet werden. Dies funktioniert besonders gut, wenn in einem bestimmten Betriebszustand nur sehr wenige oder gar nur ein einziges Biosensor-Feld ein Sensorsignal aufweist. In letzterem Fall ist im Wesentlichen nur in einer Zeilenleitung und in einer Spaltenleitung ein elektrischer Strom erfassbar, so dass auf ein Sensorereignis in dem Biosensor-Feld in dem Kreuzungsbereich der Zeilenleitung mit der Spaltenleitung geschlossen werden kann.Furthermore, for each row of biosensor fields each has its own first DC voltage source and can be used for each column biosensor fields each have their own second DC voltage source be provided. About that can also for each row of biosensor fields has its own first current detection unit and can for each column of biosensor fields has its own second current detection unit be provided. Then can simultaneously for all biosensor fields collect the sensor events, by recording total flows in all rows and columns. Under use A suitable correlation calculation can be made from correlated row and column streams the individual sensor signals of the individual biosensor fields are calculated back become. This works especially well when in a particular Operating state very few or even a single biosensor field has a sensor signal. In the latter case it is essentially only in a row line and in a column line an electrical one Current detectable, so that a sensor event in the biosensor field in the intersection of the row line with the column line can be closed.
Im Weiteren wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Biosensor-Arrays beschrieben. Ausgestaltungen des Biosensor-Arrays gelten auch für das Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Biosensor-Arrays.Furthermore, the method according to the invention for operating the biosensor array according to the invention described. Refinements of the biosensor array also apply to the method for operating the biosensor array according to the invention.
Vorzugsweise wird für das mindestens eine ausgewählte Biosensor-Feld basierend auf dem ersten und/oder dem zweiten Detektionssignal ermittelt, ob an dem mindestens einen ausgewählten Biosensor-Feld Sensorereignisse erfolgt sind und/oder in welcher Quantität an dem mindestens einen ausgewählten Biosensor-Feld Sensorereignisse erfolgt sind.For the at least one selected biosensor field, it is preferably determined based on the first and / or the second detection signal whether sensor events have taken place on the at least one selected biosensor field and / or in what quantity sensor events take place on the at least one selected biosensor field are.
Sind beispielsweise die Biosensor-Felder als Redox-Recycling-Biosensor-Felder ausgestaltet, und ist als erstes Ansteuersignal eine erste Gleichspannung und als zweites Ansteuersignal eine zweite Gleichspannung mit bezüglich der ersten Gleichspannung inversem Vorzeichen gewählt, so kann ein an einem ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Feld erfolgtes Hybridisierungsereignis dadurch nachgewiesen werden, dass Redox-Recycling-Prozesse an dem ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Feld aufgrund der zwischen den Elektroden dieses Biosensor-Feldes angelegten ausreichend starken Spannung generiert werden. Dies wird mittels Erfassens eines elektrischen Stroms auf einer der Signalleitungen oder auf beiden Signalleitungen erfasst, wobei der Wert und die Zeitabhängigkeit des Stroms Information darüber liefert, ob an dem ausgewählten Biosensor-Feld ein Sensorereignis erfolgt ist bzw. in welcher Menge dort Sensorereignisse erfolgt sind. Dadurch kann ermittelt werden, ob in einem zu untersuchenden Analyten zu erfassende Partikel enthalten sind, und ggf. in welcher Konzentration die zu erfassenden Partikel in dem Analyten enthalten sind.Examples are the biosensor fields as redox recycling biosensor fields configured, and is a first DC voltage as a first control signal and as a second control signal a second DC voltage with respect to the If the first DC voltage is selected with an inverse sign, it can be applied to a selected redox recycling biosensor field hybridization event that has occurred can be demonstrated by the fact that Redox recycling processes at the selected redox recycling biosensor field due to the applied between the electrodes of this biosensor field sufficiently strong voltage is generated. This is done using Detecting an electrical current on one of the signal lines or recorded on both signal lines, the value and the time dependency of the stream information about it returns whether on the selected Biosensor field a sensor event has occurred or in what quantity sensor events have occurred there. This can be used to determine whether particles contained in an analyte to be examined contain are, and possibly in what concentration the particles to be detected in which analytes are contained.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.Embodiments of the invention are shown in the figures and are explained in more detail below.
Es zeigen:Show it:
In unterschiedlichen Ausführungsbeispielen sind gleiche Komponenten mit gleichen Bezugsziffern versehen.Are in different embodiments Identical components with the same reference numbers.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf
Das Redox-Recycling-Biosensor-Array
Im Weiteren wird bezugnehmend auf
In
Sollen mittels des Redox-Recycling-Biosensor-Felds
In
Nachdem die in der zu untersuchenden
Lösung
Die gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel
negativ geladenen Teilmoleküle
Für
die Funktionalität
des ausgewählten
Redox-Recycling-Biosensor-Felds
Ein Beispiel für ein für das Redox-Recycling geeignetes
chemisches System ist die Verwendung einer Salzlösung als Pufferlösung, einer
alkalischen Phosphatase als Labelmolekül
Im Weiteren wird bezugnehmend auf
Bei dem Biosensor-Array
Die erste Ansteuereinheit
Eine Zeile von Redox-Recycling-Biosensor-Feldern
Die erste Detektionseinheit ist als
eine erste Stromerfasseinheit Ig 407 zum Erfassen eines elektrischen
Stroms einer ausgewählten
Spaltenleitung
Ferner weist das Biosensor-Array
Bei dem Biosensor-Array
Für
den Auslesebetrieb wird an genau eine Spalte die positive Spannung
Vg und an genau eine Zeile die negative Spannung Vc angelegt. An
allen anderen Zeilen und Spalten liegt das elektrische Massepotential
Im Weiteren wird bezugnehmend auf
Generator- und Kollektorstrom, d.h.
Ig und Ic, sind bei Redox-Recycling-Biosensor-Feldern betragsmäßig häufig sehr ähnlich,
haben jedoch unterschiedliches Vorzeichen. Somit genügt es im
Prinzip, nur einen der beiden Ströme zu messen und auszuwerten.
Ein auf dieser Tatsache beruhendes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Biosensor-Arrays
ist in
Bei dem Biosensor-Array
Alternativ können die Funktionen von Zeilen und Spalten vertauscht werden, ebenso die Rollen von Vg und Vc, das heißt dass dann anstatt des Werts Ig der Wert Ic erfasst wird.Alternatively, the functions of lines and Columns are interchanged, as are the roles of Vg and Vc, the is called then the value Ic is recorded instead of the value Ig.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf
Bei dem Biosensor-Array
Im Weiteren wird bezugnehmend auf
Bei dem Biosensor-Array
Gemäß einem ähnlichen Prinzip kann auch jeweils spaltenweise ausgelesen werden.According to a similar principle, each can can be read column by column.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf
Das Biosensor-Array
Das Biosensor-Array
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Architektur auf aktiven Chips kann beispielsweise von Vorteil sein, wenn eine große Anzahl relativ kleinflächiger Interdigitalstrukturen verwendet wird, deren Fläche es nicht mehr erlaubt, unterhalb eines jeden Sensors eine aktive Schaltung zum Steuern des jeweiligen Sensors zu realisieren. Ferner ergeben sich besondere Vorteile, wenn die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der "On-Chip" realisierten Schaltungen sehr groß ist. Letzteres gilt insbesondere dann, wenn die Fläche eines Sensor-Elements maßgeblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit (beispielsweise das Rauschen) hat.The use of the architecture according to the invention on active chips can be advantageous, for example, if a size Number of relatively small areas Interdigital structures are used, the area of which no longer allows an active control circuit below each sensor of the respective sensor. There are also special ones Advantages when the performance requirements the circuits implemented on-chip is very large. The latter applies in particular when the area of a sensor element is decisive Impact on performance (e.g. the noise).
Im Weiteren wird bezugnehmend auf
Das Biosensor-Array
Im Weiteren wird bezugnehmend auf
Das Biosensor-Array
Im Weiteren wird bezugnehmend auf
In
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass
eine matrixförmige
Anordnung mit drei (oder mehr) Verdrahtungsrichtungen nicht notwendigerweise
mit drei (oder mehr) unabhängigen
Verdrahtungsebenen realisiert sein muss. Zwei Verdrahtungsebenen
sind in jedem Fall hinreichend, wie in
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:The following are in this document Publications quotes:
- [1] R. Hintsche et al, "Microelectrode arrays and application to biosensing devices", Biosensors & Bioelectronics, p. 697–705, 1994[1] R. Hintsche et al, "Microelectrode arrays and application to biosensing devices ", Biosensors & Bioelectronics, p. 697-705, 1994
- [2] R. Hintsche et al., "Microbiosensors using electrodes made in Si-technology" in "Frontiers in Biosensorics I", F. Scheller et al. ed., Birkhäuser, Basel, Switzerland, 1997[2] R. Hintsche et al., "Microbiosensors using electrodes made in Si-technology "in" Frontiers in Biosensorics I ", F. Scheller et al. ed., Birkhäuser, Basel, Switzerland, 1997
- [3] M. Paeschke et al, "Highly sensitive electrochemical microsensors using submicrometer electrode arrays", Sensors and Actuators B, p. 394–397, 1995[3] M. Paeschke et al, "Highly sensitive electrochemical microsensors using submicrometer electrode arrays ", sensors and Actuators B, p. 394-397, 1995
- [4] WO 00/62048[4] WO 00/62048
- [5] R. Thewes et al., "Sensor Arrays for Fully Electronic DNA Detection on CMOS", Proc. Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC), p. 350, 2002[5] R. Thewes et al., "Sensor Arrays for Fully Electronic DNA Detection on CMOS ", Proc. Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC), p. 350, 2002
- 100100
- Redox-Recycling-BiosensorRedox recycling biosensor
- 101101
- Substratsubstratum
- 102102
- erste Interdigitalelektrodefirst Interdigital electrode
- 103103
- zweite Interdigitalelektrodesecond Interdigital electrode
- 104104
- Referenzelektrodereference electrode
- 105105
- Gegenelektrodecounter electrode
- 106106
- Differenzverstärkerdifferential amplifier
- 106a106a
- nicht-invertierender Eingangnon-inverting entrance
- 106b106b
- invertierender Einganginverting entrance
- 106c106c
- Ausgangoutput
- 107107
- Massepotentialground potential
- 108108
- erste Gleichspannungsquellefirst DC voltage source
- 109109
- zweite Gleichspannungsquellesecond DC voltage source
- 110110
- erstes Amperemeterfirst ammeter
- 111111
- zweites Amperemetersecond ammeter
- 200200
- Redox-Recycling-Biosensor-ArrayRedox recycling biosensor array
- 201201
- Silizium-SubstratSilicon substrate
- 202202
- Redox-Recycling-Biosensor-FelderRedox recycling biosensor zones
- 202a202a
- ausgewähltes Redox-Recycling-Biosensor-Felderselected redox recycling biosensor fields
- 203203
- erster Anschlussfirst connection
- 204204
- zweiter Anschlusssecond connection
- 205205
- erste Signalleitungfirst signal line
- 206206
- zweite Signalleitungsecond signal line
- 207207
- erste Ansteuereinheitfirst control unit
- 208208
- zweite Ansteuereinheitsecond control unit
- 209209
- erste Detektionseinheitfirst detection unit
- 210210
- zweite Detektionseinheitsecond detection unit
- 211211
- Auswahleinheitselector
- 211a211
- erste Schalteinrichtungfirst switching device
- 211b211b
- zweite Schalteinrichtungsecond switching device
- 212212
- Massepotentialground potential
- 300300
- erste Elektrodefirst electrode
- 301301
- zweite Elektrodesecond electrode
- 302302
- Haltebereichholding area
- 303303
- DNA-SondenmoleküleDNA probe molecules
- 304304
- DNA-SträngeDNA strands
- 305305
- Elektrolytelectrolyte
- 306306
- Enzym-LabelEnzyme Label
- 307307
- Molekülemolecules
- 308308
- Teilmolekülepart molecules
- 309309
- Pfeilarrow
- 310310
- oxidierte Teilmoleküleoxidized part molecules
- 311311
- reduzierte Teilmolekülereduced part molecules
- 400400
- Biosensor-ArrayBiosensor array
- 401401
- erste Interdigitalelektrodefirst Interdigital electrode
- 402402
- zweite Interdigitalelektrodesecond Interdigital electrode
- 403403
- erste Gleichspannungsquellefirst DC voltage source
- 404404
- erste Schalterfirst switch
- 405405
- zweite Gleichspannungsquellesecond DC voltage source
- 406406
- zweite Schaltersecond switch
- 407407
- erste Stromerfasseinheitfirst Current detecting unit
- 408408
- zweite Stromerfasseinheitsecond Current detecting unit
- 409409
- Referenzelektrodereference electrode
- 410410
- Gegenelektrodecounter electrode
- 411411
- Operationsverstärkeroperational amplifiers
- 411a411a
- nicht-invertierender Eingangnon-inverting entrance
- 411b411b
- invertierender Einganginverting entrance
- 411c411c
- Ausgangoutput
- 500500
- Biosensor-ArrayBiosensor array
- 501501
- ausgewählte Zeileselected row
- 600600
- Biosensor-ArrayBiosensor array
- 601601
- erste Gleichspannungsquellenfirst DC voltage sources
- 602602
- zweite Gleichspannungsquellensecond DC voltage sources
- 603603
- erste Stromerfasseinrichtungenfirst Current detecting devices
- 604604
- zweite Stromerfasseinrichtungensecond Current detecting devices
- 700700
- Biosensor-ArrayBiosensor array
- 701701
- dritte Gleichspannungsquellethird DC voltage source
- 702702
- vierte Gleichspannungsquellefourth DC voltage source
- 800800
- Sensor-ArraySensor array
- 801801
- erster Schaltungsblockfirst circuit block
- 802802
- zweiter Schaltungsblocksecond circuit block
- 803803
- Eingabe-/Ausgabe-SchnittstelleInput / output interface
- 900900
- Biosensor-ArrayBiosensor array
- 901901
- Schalterswitch
- 901a901
- erster Schalterfirst switch
- 901b901b
- zweiter Schaltersecond switch
- 902902
- erste Leitungenfirst cables
- 903903
- zweite Leitungensecond cables
- 904904
- dritte Leitungenthird cables
- 904a904
- erster Abschnittfirst section
- 904b904b
- zweiter Abschnittsecond section
- 904c904c
- dritter Abschnittthird section
- 10001000
- Biosensor-ArrayBiosensor array
- 10011001
- Kreuzungsbereichcrossing area
- 11001100
- erste Metallisierungsebenefirst metallization
- 11011101
- zweite Metallisierungsebenesecond metallization
- 11021102
- Kontaktierungselementecontacting
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DE102004025580A1 (en) * | 2004-05-25 | 2005-12-22 | Infineon Technologies Ag | Sensor arrangement, sensor array and method for producing a sensor arrangement |
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