DE10228125A1

DE10228125A1 - Biosensor-Array und Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays

Info

Publication number: DE10228125A1
Application number: DE2002128125
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Thewes; Meinrad Dr. Schienle; Christian Paulus; Alexander Frey; Birgit Holzapfl; Franz Dr. Hofmann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2004-01-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Biosensor-Array und ein Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays. Das Biosensor-Array weist ein Substrat und eine Mehrzahl von auf dem Substrat angeordneten Biosensor-Feldern auf, von denen jedes einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist. Ferner sind mindestens eine Ansteuerleitung und mindestens eine Detektionsleitung vorgesehen, wobei die mindestens eine Ansteuerleitung von der mindestens einen Detektionsleitung elektrisch isoliert ist, wobei jeweils der erste Anschluss eines jeden Biosensor-Felds mit genau einer der mindestens einen Ansteuerleitung gekoppelt ist und der zweite Anschluss eines jeden Biosensor-Felds mit genau einer der mindestens einen Detektionsleitung gekoppelt ist, und wobei zumindest eine der mindestens einen Ansteuerleitung und/oder zumindest eine der mindestens einen Detektionsleitung mit zumindest zwei der Biosensor-Felder gekoppelt ist. Ferner enthält das Biosensor-Array eine Ansteuereinheit zum Bereitstellen eines elektrischen Ansteuersignals, eine Detektionseinheit zum Erfassen eines aus dem elektrischen Ansteuersignal resultierenden elektrischen Detektionssignals und eine Auswahleinheit, die derart eingerichtet ist, dass sie die Ansteuereinheit mit der Ansteuerleitung eines auszuwählenden Biosensor-Felds und die Detektionseinheit mit der Detektionsleitung des auszuwählenden Biosensor-Felds koppelt, womit das Biosensor-Feld ausgewählt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Biosensor-Array und ein Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays.
Für unterschiedliche Gebiete der Sensorik sind Zweipolimpedanzsensoren vorgeschlagen worden. Für den Bereich der Biosensorik sind solche Zweipolimpedanzsensoren in [1] bis [4] beschrieben, für die Sensorik anderer chemischer Stoffe, beispielsweise Gassensoren, ist in [5] eine Zweipolimpedanzmessung vorgeschlagen.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 1A bis 5B eine Sensor-Anordnung gemäß dem Stand der Technik beschrieben, die einen DNA-Sensor auf Basis der Zweipolimpedanzmethode darstellt.
In Fig. lA, 1B ist eine Interdigitalelektroden-Anordnung 100 gezeigt, bei der in einem Substrat 101 eine erste Elektrodenstruktur 102 und eine zweite Elektrodenstruktur 103 aufgebracht sind, die anschaulich fingerförmig ineinander greifen. In 1A ist eine Draufsicht der Interdigitalelektroden-Anordnung 100 gezeigt, in 1B ist eine Querschnittsansicht entlang der in 1A gezeigten Schnittlinie I-I' gezeigt. Die Interdigitalelektroden-Anordnung 100 enthält periodische, nebeneinander angeordnete Elektrodenkomponenten der Elektrodenstrukturen 102, 103.
Die in 1A, 1B gezeigte Struktur besteht aus periodisch nebeneinander angeordneten Elektroden, sogenannten Interdigitalelektroden.
Zur Erklärung des Prinzips der Funktionsweise der Interdigitalelektroden-Anordnung 100 wird bezugnehmend auf
2A, 2B ein erster Teilbereich 104 der Interdigitalelektroden-Anordnung 100 beschrieben.
Der erste Teilbereich 104 ist in 2A als Querschnittsansicht in einem ersten Betriebszustand gezeigt, in 2B als Querschnittsansicht in einem zweiten Betriebszustand.
Auf den Elektrodenstrukturen 102, 103 sind jeweils Fängermoleküle 200 (DNA-Halbstränge) immobilisiert. Für die Elektrodenstrukturen 102, 103 wird vorzugsweise Goldmaterial verwendet, so dass das Immobilisieren der Fängermoleküle 200 unter Verwendung der aus der Biochemie bekannten, besonders vorteilhaften Gold-Schwefel-Kopplung realisiert wird, indem beispielsweise eine Thiol-Gruppe (SH-Gruppe) der Fängermoleküle 200 mit den Goldelektroden 102, 103 chemisch gekoppelt wird.
Oberhalb der Sensor-Elektroden 102, 103 befindet sich während des aktiven Sensorbetriebs ein zu untersuchender elektrolytischer Analyt 201, der auf das Vorhandensein zu erfassender Partikel 202 (beispielsweise bestimmter DNA-Moleküle) untersucht werden soll. Eine Hybridisierung, das heißt eine Anbindung von DNA-Strängen 202 an die Fängermoleküle 200, erfolgt nur dann, wenn die Fängermoleküle 200 und die DNA-Stränge 202 gemäß dem Schlüssel-Schloss-Prinzip zueinander passen (vgl. 2B). Ist dies nicht der Fall, so erfolgt keine Hybridisierung (nicht gezeigt). Die Spezifität des Sensors leitet sich also aus der Spezifität der Fängermoleküle 200 ab.
Der elektrische Parameter, der bei dieser Messung ausgewertet wird, ist die Impedanz Z 203 zwischen den Elektroden 102, 103, die in 2A, 2B schematisch dargestellt ist. Infolge einer erfolgten Hybridisierung verändert sich der Wert der Impedanz, da die zu erfassenden DNA-Partikel 202 und die Fängermoleküle 200 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 102, 103 umgebenden Volumenbereich verdrängt wird.
In 3 ist ein zweiter Teilbereich 105 (vgl. 1B) der Interdigitalelektroden-Anordnung 100 in einer Querschnittsansicht gezeigt.
Der zweite Teilbereich 105 repräsentiert einen größeren Teilbereich der Interdigitalelektroden-Anordnung 100 als der in 2A, 2B dargestellte erste Teilbereich 104. In 5 ist schematisch der Verlauf der elektrischen Feldlinien 300 zwischen jeweils benachbarten Elektrodenstrukturen 102, 103 gezeigt. Wie in 3 ferner gezeigt, sind die Feldverläufe innerhalb eines jeweiligen durch zwei Symmetrielinien 501 gedachten Bereichs periodisch, so dass die in 2A, 2B gezeigte Betrachtung zweier unmittelbar benachbarter Elektrodenstrukturen 102, 103 ausreichend ist. Ferner ist in 3 für jede dieser Elektrodenstrukturen 102, 103 schematisch ein Bedeckungsbereich 302 gezeigt, der die auf den Elektrodenstrukturen 102, 103 immobilisierten Fängermoleküle 200 und möglicherweise mit diesen hybridisierte zu erfassende Partikel 202 darstellt. Anschaulich ist aus der in 3 gezeigten Darstellung verständlich, dass der Verlauf der Feldlinien 300 aufgrund eines Hybridisierungsereignisses signifikant beeinflusst wird, da die physikalisch-chemischen Eigenschaften insbesondere des Bedeckungsbereichs 302 verändert werden.
Es ist ferner anzumerken, dass ergänzend oder alternativ in Bereichen zwischen Elektroden 102, 103 Fängermoleküle vorgesehen sein können (nicht gezeigt). Bei Hybridisierungsereignissen zwischen in Bereichen zwischen den Elektroden angebrachten Fängermolekülen und zu erfassenden Partikeln verändern sich wiederum die elektrischen Eigenschaften des Elektrolyten.
In 4 ist schematisch ein vereinfachtes Ersatzschaltbild 400 des in 2A gezeigten ersten Teilbereichs 104 der Interdigitalelektroden-Anordnung 100 gezeigt. Das Ersatzschaltbild 400 zeigt eine variable erste Kapazität 401 C_M, deren Wert von dem Maß einer an der Elektrodenstruktur 102 erfolgten Hybridisierung abhängig ist. Zu dieser ist ein variabler erster ohmscher Widerstand 402 R_M parallel geschaltet. Anschaulich repräsentieren die Komponenten 401, 402 die elektrischen Eigenschaften des Umgebungsbereichs der ersten Elektrodenstruktur 102. Ferner ist eine variable zweite Kapazität 403 C_E und ein dazu parallel geschalteter variabler zweiter ohmscher Widerstand 404 R_E gezeigt, welche die elektrischen Eigenschaften des Analyten 401 repräsentieren. Darüber hinaus ist eine die elektrischen Eigenschaften des Umgebungsbereichs der zweiten Elektrodenstruktur 103 repräsentierende, variable dritte Kapazität 405 C_M und ein zu dieser parallel geschalteter variabler dritter ohmscher Widerstand 406 R_M gezeigt. Wie ferner in 4 gezeigt, ist die Parallelschaltung aus Komponenten 401, 402, die Parallelschaltung aus Komponenten 403, 404 und die Parallelschaltung aus Komponenten 405, 406 seriell geschaltet. Die Komponenten 401 bis 406 sind variabel dargestellt, um zu verdeutlichen, dass infolge eines Sensorereignisses sich deren Werte verändern können.
Wie in dem in 5A gezeigten Ersatzschaltbild 500 des ersten Teilbereichs 104 gezeigt, wird an eine der Elektroden 102, 103 eine Wechselspannung V angelegt, um den Wert der Impedanz zu ermitteln. Die Wechselspannung V wird unter Verwendung einer Wechselspannungsquelle 502 bereitgestellt. Der durch die Anordnung fließende Wechselstrom I wird unter Verwendung des Amperemeters 501 erfasst. Die Komponenten 501, 502 sind zueinander seriell geschaltet und sind zwischen der Parallelschaltung aus Komponenten 405, 406 und dem elektrischen Massepotential 503 geschaltet. Das an den Elektroden 102, 103 resultierende Wechselstrom-Signal I wird gemeinsam mit der angelegten Wechselspannung V ausgewertet, um die Impedanz zu ermitteln. Alternativ kann auch an beide Elektroden 102, 103 jeweils ein Signal, das heißt eine elektrische Spannung, angelegt werden, die Signale sind dann gegenphasig.
Die in 5B gezeigte Version eines vereinfachten Ersatzschaltbilds 510 unterscheidet sich von dem in 5A gezeigten Ersatzschaltbild 500 darin, dass die Elemente C_M 401, 405 bzw. R_M 402, 406 zu einer ersten effektiven Kapazität 2C_M 511 bzw. zu einem ersten effektiven ohmschen Widerstand 512 2R_M zusammengefasst sind.
Der Abstand der Elektroden 102, 103 zueinander liegt typischerweise im Sub-μm-Bereich. Gemäß der Interdigitalelektroden-Anordnung 100 sind eine Vielzahl von Elektrodenkomponenten (anschaulich Finger) der Elektrodenstrukturen 102 bzw. 103 parallel angeordnet. Aus Gründen der Fluidik können, wie in [6] für ein anderes auf der Verwendung von Interdigitalelektroden basierenden Detektionsverfahren beschrieben, kreisförmige Arrangements verwendet werden. Die äußeren Abmessungen bzw. der Durchmesser solcher Einzelsensoren liegt im Bereich von etwa 100μm oder sogar darunter bis in den einstelligen mm-Bereich.
Bezüglich der anregenden Wechselspannung V 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 Elektrodenpotential (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 und zu Gasbildung führen. Die Absolutwerte der kritischen Potentiale hängen von der Zusammensetzung und dem Konzentrationsverhältnis der chemischen Umgebung der Elektroden ab (beispielsweise Immobilisierungsschicht, Analyt, etc.).
Typische Werte für die anregende Spannung liegen im Bereich einiger 10 mV bis maximal in dem Bereich um 100 mV. Dies ist eine wichtige Rahmenbedingung für den Betrieb solcher Sensoren, da das resultierende Messsignal (Stromstärke I) hinsichtlich seiner Größe näherungsweise direkt proportional der angelegten Spannung ist.
Häufig ist man daran interessiert, nicht nur einen Test auf einer Sensor-Anordnung durchzuführen, sondern viele Tests an einer geeigneten Probe, dem Analyten, zeitlich parallel. Auf entsprechenden Chips realisierbare miniaturisierte Bio-/Chemosensor-Arrays dienen dem parallelen Nachweis unterschiedlicher Moleküle bzw. unterschiedlicher Substanzen in einem zu untersuchenden Analyten. Die entsprechenden elektrischen Sensoren sind in großer Zahl auf einem Glas-, Plastik-, Silizium- oder anderem Substrat realisiert. Aufgrund der Eigenschaft der Parallelisierung ergeben sich für derartige Sensor-Array-Chips einschließlich entsprechendem Auswertesystem vielfältige Anwendungen in der medizinischen Diagnosetechnik, in der Pharmaindustrie (beispielsweise im Bereich des Pharma-Screening, "high throughput screening", HTS), in der chemischen Industrie, in der Lebensmittelanalytik, in der Umwelt- und Lebensmitteltechnik und -analytik, etc.
Impedanzsensoren (wie der bezugnehmend auf 1A bis 5B beschriebene) wurden bislang jedoch nur als Einzelsensoren oder in kleinen Arrays, im Prinzip bestehend aus einer Aneinanderreihung von Einzelsensoren, vorgestellt.
Um eine große Anzahl von Tests an einem Analyten zeitlich parallel durchführen zu können, wird die Anordnung einer größeren Anzahl solcher auf unterschiedliche Substanzen spezifizierter Sensoren in einem Array auf einem Chip angestrebt. Bei der Realisierung von Arrays mit Zweipolimpedanz-Sensoren ergibt sich die Herausforderung, dass die Signale aller Sensoren einem Auslesegerät zugeführt werden müssen. Sofern z.B. ein passiver Chip mit 8 × 12 = 96, 32 × 48 = 1536 oder allgemein m × n-Positionen vorliegt, liegen 2 × 96 = 192, 2 × 1536 = 3072 bzw. 2 × m × n einzelne Pads vor. Es muss jeder Sensor separat lesbar sein, wobei die Anzahl der verwendeten Pads des Chips aufgrund des Herstellungsaufwands für Chip und Lesegerät und vor allen Dingen aus Gründen der Sicherheit bei der Kontaktierung (Signalintegrität) nicht zu hoch sein soll. Der einfache Ansatz, z.B. alle Pads mit dem Lesegerät zu verbinden, liefert 2 × m × n (im Beispiel also 192 bzw. 3052) Pads. Dies ist für praktische Anwendungen erheblich zu groß. Ähnliches gilt für den Ansatz, eine Elektrode gemeinsam zu betreiben und alle verbleibenden Elektrodenanschlüsse sowie die gemeinsame Elektrode mit dem Lesegerät zu verbinden. In diesem Fall ist die Zahl der Pads zwar geringer (n × m + 1, in den Beispielen also 97 bzw. 1537), jedoch. immer noch sehr groß.
Eine Möglichkeit ist die Verwendung sogenannter aktiver Chips, die abgesehen von den Materialien für die Transducer (insbesondere die Sensor-Elektroden, z.B. Gold für die Interdigitalelektroden) zusätzliche aktive Schaltungen für die Signal-Vorverarbeitung und das Multiplexing von Signalen On-Chip sowie entsprechende Verdrahtungsebenen bereitstellen. Eine derartige Lösung ist für ein anderes Verfahren, das ebenfalls auf der Verwendung von Interdigitalelektroden basiert, in [6] beschrieben.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Biosensor-Array bereitzustellen, bei dem es mit vertretbarem Herstellungsaufwand möglich ist, Sensorsignale aus einer Anordnung von ausreichend vielen Biosensor-Feldern auszulesen.
Das Problem wird gelöst durch ein Biosensor-Array und durch ein Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
Das erfindungsgemäße Biosensor-Array enthält ein Substrat und eine Mehrzahl von auf dem Substrat angeordnete Biosensor-Felder, von denen jedes einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweist. Ferner weist die Sensor-Anordnung mindestens eine Ansteuerleitung und mindestens eine Detektionsleitung auf, wobei die mindestens eine Ansteuerleitung von der mindestens einen Detektionsleitung elektrisch isoliert ist. Mit anderen Worten ist jede Ansteuerleitung von jeder Detektionsleitung in einem Kreuzungsbereich elektrisch entkoppelt. Der jeweils erste Anschluss eines jeden Biosensor-Felds ist mit genau einer der mindestens einen Ansteuerleitung gekoppelt, und der jeweils zweite Anschluss eines jeden Biosensor-Feldes ist mit genau einer der mindestens einen Detektionsleitung gekoppelt. Zumindest eine der mindestens einen Ansteuerleitung und zumindest eine der mindestens einen Detektionsleitung ist mit zumindest zwei der Biosensor-Felder gekoppelt. Ferner enthält das Biosensor-Array eine Ansteuereinheit zum Bereitstellen eines elektrischen Ansteuersignals, eine Detektionseinheit zum Erfassen eines aus dem elektrischen Ansteuersignal resultierenden elektrischen Detektionssignals und eine Auswahleinheit, die derart eingerichtet ist, dass sie die Ansteuereinheit mit der Ansteuerleitung eines auszuwählenden Biosensor-Felds und die Detektionseinheit mit der Detektionsleitung des auszuwählenden Biosensor-Felds koppelt, womit das Biosensor-Feld ausgewählt wird.
Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays mit den oben genannten Merkmalen bereitgestellt. Gemäß dem Verfahren wird die Ansteuereinheit mit der Ansteuerleitung eines auszuwählenden Biosensor-Felds und die Detektionseinheit mit der Detektionsleitung des auszuwählenden Biosensor-Felds gekoppelt, womit das Biosensor-Feld ausgewählt wird. Ferner wird der Ansteuerleitung des mindestens einen ausgewählten Biosensor-Felds ein elektrisches Ansteuersignal bereitgestellt. Darüber hinaus wird an der Detektionsleitung des mindestens einen ausgewählten Biosensor-Felds ein aus dem elektrischen Ansteuersignal resultierendes elektrisches Detektionssignal des ausgewählten Biosensor-Felds erfasst.
Eine Grundidee der Erfindung besteht darin, für jeweils eine Mehrzahl von Biosensor-Feldern eines Biosensor-Arrays gemeinsam vorgesehene Ansteuerleitungen bzw. Detektionsleitungen 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 sind verringert. Die erfindungsgemäße Array-Architektur ist auch für aktive Chips interessant, 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 Schaltkreiseinrichtungen (beispielsweise Vorverstärker, AD-Wandler etc.) bereitgestellt.
Für eine beispielsweise matrixförmige Anordnung der Biosensor-Felder entlang von als Zeilenleitungen vorgesehenen Detektionsleitungen und entlang von als Spaltenleitungen vorgesehenen Ansteuerleitungen können z.B. m Spalten wahlweise mit einer anregenden Spannungsquelle der Ansteuereinheit oder mit elektrischem Massepotential gekoppelt werden. Die n Zeilen können wahlweise mit einer Stromerfasseinrichtung der Detektionseinheit oder mit dem elektrischen Massepotential gekoppelt werden. Das Auswählen der Kopplung der Anschlüsse der Biosensor-Felder mit der Spannungsquelle oder dem Massepotential bzw. mit der Stromerfasseinrichtung oder dem elektrischen Massepotential erfolgt mittels der Auswahleinheit.
Beispielsweise kann an genau eine Spaltenleitung eine elektrische Spannung als elektrisches Ansteuersignal angelegt werden, und die Stromerfasseinheit zum Erfassen des aus dem elektrischen Ansteuersignal resultierendem elektrischen Detektionssignals kann mit genau einer Zeilenleitung gekoppelt werden. Von der Spannungsquelle fließt dann ein elektrischer Strom in jedes Biosensor-Feld der ausgewählten Spalte. In der Stromerfasseinheit wird jedoch nur der elektrische Strom gemessen, der in das Biosensor-Feld der ausgewählten Zeile fließt. Mit den m Ansteuerleitungen und n Detektionsleitungen sind für das erfindungsgemäße Biosensor-Array im Wesentlichen nur n + m Signalleitungen und somit Pads erforderlich. Für ein Biosensor-Array mit 8 × 12 = 96 Positionen sind daher nur zwanzig Signalleitungen und Pads erforderlich, für einen Chip mit 32 × 48 = 1532 Positionen sind achtzig Signalleitungen und Pads erforderlich. Das optimale Verhältnis aus Anzahl der Pads bezogen auf die Anzahl der Biosensor-Felder ergibt sich für eine matrixförmige Anordnung mit n = m, das heißt für ein Biosensor-Array mit einer quadratischen Architektur (Anzahl der Zeilen = Anzahl der Spalten).
Anschaulich ist es erfindungsgemäß ermöglicht, den herstellungstechnischen Aufwand für ein Biosensor-Array dadurch wesentlich zu reduzieren, dass zumindest eine der mindestens einen Ansteuerleitung und mindestens eine der mindestens einen Detektionsleitungen 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.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Vorzugsweise enthalten die Biosensor-Felder zwei Elektroden (z.B. zwei Interdigital-Elektroden), von denen jede mit einem der Anschlüsse des Biosensor-Felds gekoppelt ist.
Das erfindungsgemäße Biosensor-Array kann eine Auswerteeinheit aufweisen, die derart eingerichtet ist, dass sie für das mindestens eine ausgewählte Biosensor-Feld basierend auf dem Wert des Ansteuersignals und des Detektionssignals ermittelt, ob an dem mindestens einen ausgewählten Biosensor-Feld Sensorereignisse erfolgt sind und/oder in welcher Quantität an dem mindestens einen Biosensor-Feld Sensorereignisse erfolgt sind. Sind beispielsweise die Biosensor-Felder unter Verwendung des oben bezugnehmend auf 1A bis 5B beschriebenen Impedanzverfahrens unter Verwendung einer Interdigitalelektroden-Anordnung betreibbar, so kann das. Ansteuersignal eine elektrische Wechselspannung und das Detektionssignal ein durch ein ausgewähltes Biosensor-Feld fließender aus der Wechselspannung resultierender Wechselstrom sein. Aus dem Ansteuersignal und dem Detektionssignal ist dann der Wert der Impedanz des Biosensor-Felds ermittelbar. Da der Wert der Impedanz vor und nach einem erfolgten Hybridisierungsereignis unterschiedlich ist, kann bei einer Veränderung des Werts der Impedanz darauf geschlossen werden, 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 gegebenenfalls in welcher Konzentration. die zu erfassenden Partikel in dem Analyten enthalten sind. Die Auswerteeinheit kann auf dem Substrat integriert oder extern von dem Substrat vorgesehen sein.
Das mindestens eine Biosensor-Feld kann ein elektrochemisches Biosensor-Feld oder ein Impedanz-Biosensor-Feld sein. Falls das Biosensor-Feld ein elektrochemisches Biosensor-Feld ist, kann es insbesondere als Redox-Recycling-Biosensor-Feld eingerichtet sein. Bei einem Redox-Recycling-Biosensor-Feld werden zu erfassende Partikel mit einem Enzym-Label versehen, das nach einem erfolgten Hybridisierungsereignis mit auf dem Sensorfeld immobilisierten Fängermolekülen dazu verwendet wird, eine in die Anordnung einzubringende 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.
Das zumindest eine Biosensor-Feld ist vorzugsweise als Interdigitalelektroden-Biosensor-Feld eingerichtet. Mit anderen Worten kann es wie die bezugnehmend auf 1A bis 5B beschriebene Interdigitalelektroden-Anordnung 100 ausgestaltet und betreibbar sein.
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.
Das Substrat kann ein Keramik-Substrat, ein Halbleiter-Substrat (insbesondere ein Silizium-Substrat, das heißt ein Silizium-Wafer oder ein Silizium-Chip), ein Glas-Substrat oder ein Plastik-Substrat sein.
Das elektrische Ansteuersignal ist vorzugsweise ein zeitlich veränderliches elektrisches Signal. Insbesondere dann, wenn eine zu erfassende Impedanz durch einen kapazitiven Anteil dominiert wird, ist ein zeitlich veränderliches elektrisches Signal vorteilhaft.
Das Ansteuersignal kann eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung sein, und das Auslesesignal kann ein zeitlich veränderlicher elektrischer Strom sein. Alternativ kann das Ansteuersignal ein zeitlich veränderlicher elektrischer Strom und das Auslesesignal eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung sein.
Die Zeitabhängigkeit des elektrischen Ansteuersignals kann insbesondere eine mathematische Sinus-Funktion, eine Rechteck-Funktion, eine Sägezahn-Funktion, eine Dreiecks-Funktion oder eine Sprung-Funktion sein.
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 eingereichtet ist, dass sie der Ansteuereinheit und/oder der Auswahleinheit elektrische Spannungssignale und/oder elektrische Stromsignale bereitstellt. Darüber hinaus kann in dem Substrat ein Digital-Analog-Wandler Schaltkreis integriert sein, der derart eingerichtet ist, dass er ein digitales Spannungssignal und/oder Stromsignal der Versorgungseinheit in ein analoges Signal umwandelt und der Ansteuereinheit und/oder der Auswahleinheit bereitstellt. 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 elektrischen Detektionssignals. Aufgrund einer Verstärkung "On-Chip" ist vermieden, dass ein störanfälliges, analoges Signal entlang eines großen Bereichs von Signalleitungen verläuft und daher Störungen ausgesetzt ist. Dadurch ist das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert.
Vorzugsweise ist die mindestens eine Ansteuerleitung einerseits und die mindestens eine Detektionsleitung 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 Ansteuerleitungen und Detektionsleitungen. Die zwei Leitungsebenen (insbesondere Metallebenen) können so realisiert sein, wie es von Prozessen der Mikroelektronik bekannt ist. Dort sind alle Metallebenen oberhalb des Bulk-Materials (des Substrats) in Intermetall-Dielektrika 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.
Ferner kann in einem ersten Leitungsabschnitt, in dem die mindestens eine Ansteuerleitung und die mindestens eine Detektionsleitung von einer gegenseitigen Kreuzung frei sind, die mindestens eine Ansteuerleitung und die mindestens eine Detektionsleitung in derselben Ebene verlaufend ausgebildet sein. In einem zweiten Leitungsabschnitt, in dem die mindestens eine Ansteuerleitung und die mindestens eine Detektionsleitung sich gegenseitig kreuzen, kann die mindestens eine Ansteuerleitung und die mindestens eine Detektionsleitung in unterschiedlichen Ebenen verlaufend ausgebildet sein.
Mit anderen Worten muss eine zweite Leiterebene nicht notwendigerweise vergraben bzgl. 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). Nur in Kreuzungsbereichen zwischen Ansteuerleitungen und Detektionsleitungen ist dann 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.
Vorzugsweise ist der erste Leitungsabschnitt der mindestens einen Ansteuerleitung und/oder der mindestens einen Detektionsleitung mit dem zweiten Leitungsabschnitt der mindestens einen Ansteuerleitung und/oder der mindestens einen Detektionsleitung mittels mindestens einem im Wesentlichen vertikal zu dem Substrat verlaufend angeordneten elektrischen Kontaktierungselement gekoppelt. Insbesondere sind Vias möglich, um Leitungsabschnitte der Ansteuerleitungen und/oder der Detektionsleitungen, die in unterschiedlichen Ebenen verlaufen, miteinander zu koppeln.
Die mindestens eine Ansteuerleitung und/oder die mindestens eine Detektionsleitung kann auf einer Unterseite des Substrats oder unterhalb des Substrats verlaufend ausgebildet sein.
Mit anderen Worten kann eine Leitungsebene zum Beispiel auch an der Unterseite eines Chips realisiert sein. Hierfür sind Durchkontaktierungen erforderlich. Ferner kann unterhalb des Chips eine dielektrische Schicht ausgebildet werden, in welche elektrisch leitfähige Strukturen eingebettet werden, um Signalleitungen auszubilden.
Die Biosensor-Felder des erfindungsgemäßen Biosensor-Arrays können im Wesentlichen in einer 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.
Die Ansteuereinheit kann eine für alle Biosensor-Felder gemeinsame Versorgungseinheit aufweisen, die derart eingerichtet ist, dass mit ihr an das zumindest eine ausgewählte Biosensor-Feld das elektrische Ansteuersignal anlegbar ist.
Mit anderen Worten kann beispielsweise eine einzige gemeinsame Spannungsquelle als Versorgungseinheit vorgesehen sein, die unter Verwendung der Funktionalität der Auswahleinheit mit jeweils einem Biosensor-Feld oder einem Teil der Biosensor-Felder (beispielsweise einer Spalte von Biosensor-Feldern) gekoppelt wird, um diesem Biosensor-Feld bzw. diesen Biosensor-Feldern das elektrische Ansteuersignal bereitzustellen. Die Verwendung einer einzigen gemeinsamen Versorgungseinheit verringert die Herstellungskosten des Biosensor-Arrays.
Insbesondere kann für die zuletzt beschriebene Ausgestaltung die Ansteuereinheit und/oder die Detektionseinheit derart eingerichtet sein, dass mit ihr an zumindest einen Teil der nicht ausgewählten Biosensor-Felder ein elektrisches Referenzsignal anlegbar ist.
Mittels der Versorgungseinheit kann somit an ein einziges Biosensor-Feld oder beispielsweise eine Zeile von Biosensor-Feldern ein Spannungssignal als elektrisches Ansteuersignal angelegt werden, und an einen Teil oder an alle übrigen nicht ausgewählten Biosensor-Felder kann ein elektrisches Referenzsignal, insbesondere das elektrische Massepotential, angelegt sein.
Alternativ kann die Ansteuereinheit für jeweils eine Gruppe von Biosensor-Feldern eine der jeweiligen Gruppe zugehörige Versorgungseinheit aufweisen, die derart eingereichtet ist, dass mit ihr an die Biosensor-Felder der zugehörigen Gruppe das elektrische Ansteuersignal anlegbar ist.
Beispielsweise kann bei einer matrixförmigen Anordnung der Biosensor-Felder für jede Spalte von Sensorfeldern eine gemeinsame Spannungsquelle als den entlang der Spalte angeordneten Biosensor-Feldern zugehörige Versorgungseinheit vorgesehen sein. Die Ansteuereinheit 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.
Die Detektionseinheit kann eine für alle Biosensor-Felder gemeinsame Messeinheit aufweisen, die derart eingerichtet ist, dass mit ihr an genau einem ausgewählten Biosensor-Feld das elektrische Detektionssignal erfassbar ist.
Mit anderen Worten kann beispielsweise für alle Biosensor-Felder eine gemeinsame Stromerfasseinheit (z.B. Amperemeter) vorgesehen sein, die unter Verwendung der Auswahleinheit einem ausgewählten Biosensor-Feld zugeschaltet wird, so dass in diesem Fall der elektrische Strom durch das ausgewählte Biosensor-Feld mittels der für alle Biosensor-Felder gemeinsam vorgesehene Messeinheit erfasst wird.
Alternativ kann die Detektionseinheit für jeweils eine Gruppe von Biosensor-Feldern eine der jeweiligen Gruppe zugehörige Messeinheit aufweisen, wobei jede der Messeinheiten derart eingerichtet ist, dass mit ihr an genau einem ausgewählten Biosensor-Feld der zugehörigen Gruppe das elektrische Detektionssignal erfassbar ist.
Bezogen auf das Beispiel einer matrixförmigen Anordnung von Biosensor-Feldern kann beispielsweise für jede Zeile von Biosensor-Feldern eine gemeinsame Messeinheit (beispielsweise Stromerfasseinheit) vorgesehen sein. In diesem Falle ist es möglich, beispielsweise die ausgewählten Biosensor-Felder einer Spalte zeitlich parallel auszulesen, indem die Messeinheiten für die in unterschiedlichen Zeilen angeordneten, ausgewählten Biosensor-Felder jeweils separat das elektrische Auslesesignal erfassen.
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.
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.
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.
Vorzugsweise wird für das mindestens eine ausgewählte Biosensor-Feld basierend auf dem Ansteuersignal und dem 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.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen:
1A, 1B eine Draufsicht und eine Querschnittsansicht entlang der Schnittlinie I-I' einer Interdigitalelektroden-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
2A, 2B Querschnittsansichten eines ersten Teilbereichs der in 1 gezeigten Interdigitalelektroden-Anordnung zu unterschiedlichen Zeitpunkten während eines Verfahrens zum Betreiben der Interdigitalelektroden-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
3 eine Querschnittsansicht eines zweiten Teilbereichs der in 1 gezeigten Interdigitalelektroden-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
4 ein Ersatzschaltbild des ersten Teilbereichs der Interdigitalelektroden-Anordnung aus 1 gemäß dem Stand der Technik,
5A, 5B Ersatzschaltbilder des ersten Teilbereichs der in 1 gezeigten Interdigitalelektroden-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
6 ein Biosensor-Array gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
7 ein Biosensor-Array gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
8 ein Ersatzschaltbild des in 7 gezeigten Biosensor-Arrays,
9 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild des in 7 gezeigten Biosensor-Arrays,
10 ein Biosensor-Array gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
11 ein Biosensor-Array gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
12 ein Biosensor-Array gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
13 eine schematische Draufsicht eines Kreuzungsbereichs von drei Signalleitungen gemäß dem in 12 gezeigten Biosensor-Array.
In unterschiedlichen Ausführungsbeispielen sind gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 6 ein Biosensor-Array 600 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Das Biosensor-Array 600 weist ein Silizium-Substrat 601 und vier Impedanz-Biosensor-Felder 602 auf, die auf dem Silizium-Substrat 601 matrixförmig angeordnet sind. Jedes der Impedanz-Biosensor-Felder 602 weist einen ersten Anschluss 603 und einen zweiten Anschluss 604 auf. Ferner enthält das Biosensor-Array 600 zwei Ansteuerleitungen 605 und zwei Detektionsleitungen 606, wobei die Ansteuerleitungen 605 von den Detektionsleitungen 606 (insbesondere in Kreuzungsbereichen 610) elektrisch isoliert sind. Jeweils der erste Anschluss 603 eines jeden Impedanz-Biosensor-Felds 602 ist mit jeweils genau einer der beiden Ansteuerleitungen 605 gekoppelt. Jeweils der zweite Anschluss 604 eines jeden Impedanz-Biosensor-Felds 602 ist mit genau einer der beiden Detektionsleitungen 606 gekoppelt. Mit anderen Worten ist jeweils eine der beiden Ansteuerleitungen 605 für die in der zugehörigen Spalte angeordneten Impedanz-Biosensor-Felder 602 gemeinsam vorgesehen. Dadurch sind insgesamt vier Signalleitungen 605, 606 erforderlich, um die vier Impedanz-Biosensor-Felder 602 elektrisch zu kontaktieren. Ferner enthält das Biosensor-Array eine Ansteuereinheit 607 zum Bereitstellen eines elektrischen Ansteuersignals und eine Detektionseinheit 608 zum Erfassen eines aus dem elektrischen Ansteuersignal resultierenden elektrischen Detektionssignals. Eine Auswahleinheit 609 ist derart eingerichtet, dass sie die Ansteuereinheit 607 mit der Ansteuerleitung 605 eines auszuwählenden Impedanz-Biosensor-Felds 602a und die Detektionseinheit 608 mit der Detektionsleitung 606 des auszuwählenden Impedanz-Biosensor-Felds 602a koppelt, womit das Impedanz-Biosensor-Feld 602a ausgewählt wird. Mittels der Auswahleinheit 609, die in 6 schematisch durch eine erste Schalteinrichtung 609a und eine zweite Schalteinrichtung 609b symbolisiert ist, wird gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel jeweils genau eines der Impedanz-Biosensor-Felder 602 ausgewählt, indem die Auswahleinheit 609 das ausgewählte Biosensor-Feld, gemäß dem in 6 gezeigten Szenario das Biosensor-Feld 602a, mit der Ansteuereinheit 607 und mit der Detektionseinheit 608 derart koppelt, dass an das ausgewählte Impedanz-Biosensor-Feld 602a mittels der Ansteuereinheit 607 ein elektrisches Ansteuersignal angelegt wird, und dass an dem ausgewählten Impedanz-Biosensor-Feld 602a mittels der Detektionseinheit 608 ein aus dem elektrischen Ansteuersignal resultierendes elektrisches Detektionssignal erfassbar ist. Bei dem Biosensor-Array 600 kann mittels Umschaltens des Schalters der ersten Schalteinrichtung 609a die Ansteuereinheit 607 mit der gemäß 6 linken Ansteuerleitung 605 und/oder mit der gemäß 6 rechten Ansteuerleitung 605 gekoppelt werden. Ferner kann mittels der zweiten Schalteinrichtung 609b die Detektionseinheit 608 mit der gemäß 6 oberen und/oder mit der gemäß 6 unteren Detektionsleitung gekoppelt werden. Ferner kann mittels der Schalteinrichtungen 609a, 609b mindestens eine Ansteuerleitung 605 auf elektrisches Massepotential 611 gebracht sein, und/oder es kann mindestens eine Detektionsleitung 606 auf elektrisches Massepotential 611 gebracht sein. Gemäß der Schalterstellungen der Schalter der Schalteinrichtungen 609a, 609b in dem in 6 gezeigten Betriebszustand ist die rechte Ansteuerleitung 605 und ist die obere Detektionsleitung 606 auf Massepotential 611.
Es ist anzumerken, dass aufgrund der Funktionalität der Auswahleinheit 609 die Schalterstellung der ersten und zweiten Schalteinrichtung 609a, 609b umgelegt bzw. gesteuert werden kann.
Gemäß dem in 6 gezeigten Szenario ist die Schalterstellung der ersten Schalteinrichtung 609a so gewählt, dass die Ansteuereinheit 607 den beiden gemäß 6 linken Impedanz-Biosensor-Feldern 602, 602a das elektrische Ansteuersignal bereitstellt. Ferner ist gemäß dem in 6 gezeigten Szenario die Schalterstellung der zweiten Schaltereinrichtung 609b derart gewählt, dass die Detektionseinheit 608 mit den beiden gemäß 6 unteren Impedanz-Biosensor-Feldern 602a, 602 gekoppelt ist. Nur das ausgewählte Impedanz-Biosensor-Feld 602a ist sowohl mit der Ansteuereinheit 607 als auch mit der Detektionseinheit 608 gekoppelt und ist daher ausgewählt. Somit wird dem ausgewählten Impedanz-Biosensor-Feld 602a mittels der Ansteuereinheit 607 das elektrische Ansteuersignal bereitgestellt, und mittels der Detektionseinheit 608 wird ein aus dem elektrischen Ansteuersignal resultierendes elektrisches Detektionssignal des ausgewählten Impedanz-Biosensor-Felds 602a detektiert.
Gemäß dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Biosensor-Felder als Impedanz-Biosensor-Felder realisiert. Insbesondere ist jedes der Impedanz-Biosensor-Felder 602 ausgestaltet wie die bezugnehmend auf 1A bis 5B beschriebene Interdigitalelektroden-Anordnung 100. Der erste Anschluss 603 ist mit der ersten Elektrodenstruktur 102 gekoppelt, und der zweite Anschluss 604 ist mit der zweiten Elektrodenstruktur 103 gekoppelt. Das elektrische Ansteuersignal ist eine Wechselspannung, die von der Ansteuereinheit 607 generiert und bereitgestellt wird. Aufgrund dieser Wechselspannung wird ein Wechselstrom in dem ausgewählten Impedanz-Biosensor-Feld 602a generiert, der mittels eines Amperemeters der Detektionseinheit 608 erfasst wird. Aus den Werten der Wechselspannung und des Wechselstroms kann der Wert der Impedanz bestimmt werden. Dieser ändert sich, wie oben beschrieben, infolge eines Hybridisierungsereignisses an einem Impedanz-Biosensor-Feld 602 signifikant, so dass mittels Erfassens des Werts der Impedanz vor und nach einem Hybridisierungsereignis (d.h. vor bzw. nach Einfüllen eines möglicherweise zu erfassende Partikel aufweisenden Analyten in das Biosensor-Array 600) das Auftreten von Hybridisierungsereignissen qualitativ bzw. quantitativ ermittelt werden kann.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf Fig. 7 ein Biosensor-Array 700 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Bei dem Biosensor-Array 700 ist eine Vielzahl von Impedanz-Biosensor-Feldern 602 matrixförmig auf einem Silizium-Substrat 601 angeordnet. Das Biosensor-Array 700 weist n Zeilen und m Spalten von matrixförmig angeordneten Impedanz-Biosensor-Feldern 602 auf, das heißt m × n Impedanz-Biosensor-Felder. Ferner sind, wie in 7 gezeigt, m Ansteuerleitungen 605 und n Detektionsleitungen 606 vorgesehen, das heißt, n + m Signalleitungen. Im Kreuzungsbereich jeweils einer Ansteuerleitung 605 mit jeweils einer Detektionsleitung 606 ist jeweils ein als Interdigitalelektroden-Anordnung ausgestaltetes Impedanz-Biosensor-Feld 602 angeordnet. Der Ansteuer-Schaltkreis 607 weist eine Wechselspannungsquelle 701 und einen weiteren Anschluss auf, an dem ein elektrisches Massepotential 702 bereitgestellt ist. Die erste Schalteinrichtung 609a weist m erste Schalter 703 auf, von denen jeder mit einer der Ansteuerleitungen 605 gekoppelt ist. Eine Spalte von Impedanz-Biosensor-Feldern 602 wird ausgewählt, indem die Impedanz-Biosensor-Felder 602 der Spalte mit der Wechselspannungsquelle 601 gekoppelt werden. Alle anderen Spalten von Impedanz-Sensorfeldern 602 sind aufgrund entsprechend gewählter Schalterstellungen der ersten Schalter 703 mit dem elektrischen Massepotential 702 gekoppelt, wie in 7 gezeigt. Gemäß dem in 7 gezeigten Szenario sind nur die Impedanz-Biosensor-Felder 602 in der zweiten Spalte von links mit der Wechselspannungsquelle 701 gekoppelt.
Die Detektionseinheit 608 weist eine Stromerfasseinheit 704 auf, und ist ferner derart eingerichtet, dass sie ein elektrisches Massepotential 702 bereitstellen kann. Wie in
7 ferner gezeigt, ist die Detektionseinheit 608 mittels der zweiten Schalteinrichtung 609b mit den Detektionsleitungen 606 gekoppelt. Zweite Schalter 705 befinden sind jeweils in solchen Schalterstellung, dass mittels der zweiten Schalteinrichtung 609b genau eine der Detektionsleitungen 606 mit der Stromerfasseinrichtung 704 gekoppelt ist, wohingegen alle anderen Detektionsleitungen 606 auf elektrischem Massepotential 702 sind. Gemäß dem in 7 gezeigten Szenario sind nur die Impedanz-Biosensor-Felder 602 in der zweiten Reihe von oben mit der Stromerfasseinrichtung 704 gekoppelt.
Somit ist gemäß dem in 7 gezeigten Szenario nur das in der zweiten Zeile und der zweiten Spalte angeordnete Impedanz-Biosensor-Feld 602a ausgewählt. Gemäß dem in 7 gezeigten Szenario ist mittels der Wechselspannungsquelle 701 an das Impedanz-Biosensor-Feld 602a eine elektrische Wechselspannung angelegt. Daraus resultiert ein elektrischer Wechselstrom, der von der Stromerfasseinrichtung 704 erfasst wird. Ändert sich infolge eines Hybridisierungsereignisses die Impedanz des Impedanz-Biosensor-Felds 602a, so führt dies zu einer Veränderung des Werts des Wechselstroms, der von der Stromerfasseinrichtung 704 erfasst wird. Dadurch kann ermittelt werden, ob an dem ausgewählten Impedanz-Biosensor-Feld 602a ein Sensorereignis erfolgt ist oder nicht.
Ferner weist das Biosensor-Array 700 eine Potentiostat-Einrichtung auf. Diese ist aufgebaut aus einer Referenzelektrode 706 auf dem Substrat 601, einer Gegenelektrode 707 auf dem Substrat 701, und einem Operationsverstärker 708, der außerhalb des Chips ("Off- Chip") angeordnet ist. Ein nichtinvertierender Eingang 708a des Operationsverstärkers 708 ist auf elektrischem Massepotential 702. Ein invertierender Eingang 708b ist mit der Referenzelektrode 706 elektrisch gekoppelt, und ein Ausgang 708c des Operationsverstärkers 708 ist mit der Gegenelektrode 707 gekoppelt. Gemeinsam bilden diese Komponenten eine Potentiostat-Schaltung. Obwohl bei Impedanzsensoren bei sachgemäßem Betrieb vermieden werden kann, dass unerwünschte elektrochemische Umsätze an den Elektrodenstrukturen auftreten, kann die in 7 gezeigte Konfiguration vorteilhaft genutzt werden, um einem Analyten, der in das Biosensor-Array 700 eingebracht ist, ein stabiles elektrochemisches Potential niederohmig zuzuweisen (vgl. [1] bis [4]). Die Konfiguration mit einer Potentiostat-Einrichtung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Biosensor-Felder als Redox-Recycling-Sensoren ausgeführt sind.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 8 ein Ersatzschaltbild 800 des in 7 gezeigten Biosensor-Arrays beschrieben.
In 8 sind die als Interdigitalelektroden-Anordnung ausgestalteten Impedanz-Biosensor-Felder 602 schaltungstechnisch durch eine Impedanz Z 801 (eine komplexe Größe) ersetzt, da die als Interdigitalelektroden-Anordnung ausgestalteten Impedanz-Biosensor-Felder 602 einen ohmschen und einen kapazitiven Anteil der Impedanz enthalten.
In 9 ist ein vereinfachtes Ersatzschaltbild 900 des Biosensor-Arrays 700 gezeigt, in dem die häufig in guter Näherung gültige Approximation verwendet ist, dass bei der Impedanz Z von Impedanz-Biosensor-Feldern der kapazitive Anteil dominant über den ohmschen Anteil ist, so dass der ohmsche Anteil näherungsweise vernachlässigbar ist. Daher ist die Impedanz 801 aus 8 in 9 durch eine Kapazität C 901 angenähert. Dies entspricht in der Darstellung von Fig. 5A, 5B der Annahme, dass die parallel geschalteten Komponenten C_M, R_M derartige Werte aufweisen, dass R_M gegenüber C_M vernachlässigbar ist.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 10 ein Biosensor-Array 1000 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Bei dem Biosensor-Array 1000 ist abweichend von dem Biosensor-Array 700 für jede Spalte von Impedanz-Biosensor-Feldern 602 eine separate Wechselspannungsquelle 701 (V1, V2, ..., Vm-1, Vm) bereitgestellt. Ferner ist abweichend von dem Biosensor-Array 700 bei dem Biosensor-Array 1000 für jede Zeile von Impedanz-Biosensor-Feldern 602 eine separate Stromerfasseinrichtung 704 (I1, I2, ..., In-1, In) bereitgestellt. Jede der Wechselspannungsquellen 701 kann der zugehörigen Spalte von Impedanz-Biosensor-Feldern 602 eine Wechselspannung bereitstellen, wobei in einem bestimmten Betriebszustand jeweils nur eine der Wechselspannungsquellen V1, V2...Vm-1, Vm eine Wechselspannung bereitstellt, wohingegen die anderen der Spannungsquellen inaktiv sind. Mit anderen Worten sind bis auf eine der Wechselspannungsquellen 701 alle anderen ausgeschaltet, so dass alle bis auf eine der Ansteuerleitungen 605 auf Massepotential 702 sind. Dieses Auswählen einer jeweils aktivierten Spannungsquelle 701 erfolgt mittels der Auswähleinheit, die gemäß dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel anschaulich einstöckig mit der Ansteuereinheit ausgeführt ist. Mit anderen Worten wird die beschriebene Funktionalität von der Ansteuer-/Auswahl-Einheit 1001 wahrgenommen.
Gemäß dem in 10 gezeigten Szenario sind alle in der zweiten Spalte angeordneten Impedanz-Biosensor-Felder 602a ausgewählt, da nur die Wechselspannungsquelle V2 eine Wechselspannung bereitstellt. Dagegen sind die Wechselspannungsquellen V1, V3, V4...Vm-1, Vm deaktiviert, so dass die zugehörigen Ansteuerleitungen 605 auf elektrischem Massepotential 702 sind. Beim Betrieb des Biosensor-Arrays 1000 liefern alle bis auf genau eine Spannungsquelle (gemäß dem in 10 vorliegenden Szenario V2) elektrisches Massepotential 701, wohingegen die Spannungsquelle V2 702 als Stimulus für die entsprechende Spalte von Impedanz Biosensor-Feldern 602a fungiert.
Da jede Zeile mit einer separaten Stromerfasseinrichtung 704 versehen ist, können bei dem Biosensor-Array 1000 die Zeilen zeitlich parallel ausgelesen werden. Beispielsweise kann mit der Stromerfasseinrichtung I1 das ausgewählte Impedanz-Biosensor-Feld 602a der ersten Zeile ausgelesen werden, es kann zeitlich parallel mit der Stromerfasseinrichtung I2 das ausgewählte Impedanz-Biosensor-Feld 602a der zweiten Zeile ausgelesen werden, etc.
Alternativ ist auch ein sequentieller Lesebetrieb möglich. In diesem Falle ist die Detektions-/Auswahl-Einheit 1002 derart eingerichtet, dass sie auswählt, welche der Stromerfasseinrichtungen I1, I2...In einen aus der Wechselspannung (beispielsweise der Spannungsquelle V2) resultierenden Wechselstrom erfasst.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 11 ein Biosensor-Array 1100 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Das Biosensor-Array 1100 weist einen ersten Schaltungsblock 1101 und einen zweiten Schaltungsblock 1102 auf sowie eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 1103, die mit den beiden Schaltungsblöcken 1102, 1103 gekoppelt ist. An der Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle kann ein Sensorsignal bereitgestellt sein, beispielsweise das elektrische Ansteuersignal und das elektrische Detektionssignal.
Das Biosensor-Array 1100 stellt einen sogenannten aktiven Chip dar. Darunter wird ein Halbleiter-Substrat verstanden, in das monolithisch Schaltkreise integriert sind, die unterschiedliche Funktionen aufweisen können. Insbesondere sind die Komponenten Spannungsquellen 701, Operationsverstärker 708 und Teile der Auswähleinheit 709 in dem ersten Schaltungsblock 1101 integriert, und es sind andere Komponenten wie die Stromerfassungseinrichtung 704, andere Teile der Auswahleinheit 609, etc. in dem zweiten Schaltungsblock 1102 integriert. Ferner sind weitere Komponenten für die Signal-Vorverarbeitung und Signal-Weiterverarbeitung in den Schaltungsblöcken 1101, 1102 "On-Chip" realisiert. Ferner weist der Chip des Biosensor-Arrays 1100 eine definierte, gemäß den Bedürfnissen der jeweiligen Anwendung konfigurierte (z.B. digitale) Schnittstelle 1103 (I/O) auf.
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 Sensorelements maßgeblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit (beispielsweise das Rauschen) hat.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 12 ein Biosensor-Array 1200 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Das Biosensor-Array 1200 ist eine Anordnung von Impedanz-Biosensor-Feldern 602, die als Dreiecksmatrix mit drei Verdrahtungsrichtungen vorgesehen ist. Ferner ist eine gemeinsame Wechselspannungsquelle 701 als Ansteuereinheit und eine gemeinsame Stromerfasseinrichtung 704 als Detektionseinheit vorgesehen. Die Auswahleinheit 609 ist mittels einer Vielzahl von Schaltern 1201 mit steuerbaren Schalterstellungen symbolisiert. Die Schalterstellungen sind mittels der Auswahleinheit 609 steuerbar. Ferner sind in 12 erste Signalleitungen 1202, zweite Signalleitungen 1203 und dritte Signalleitungen 1204 derart verlaufend angeordnet, dass in (voneinander elektrisch isolierten) Kreuzungsbereichen der Signalleitungen 1202 bis 1204 sich diese in 60°-Winkeln überkreuzen. Insbesondere ist in 12 ein ausgewähltes Impedanz-Biosensor-Feld 602a gezeigt, das infolge der in 12 gezeigten Schalterstellungen der Schalter 1201 ausgewählt ist. Ein erster Schalter 1201a ist in einer derartigen Schalterstellung, dass der erste Anschluss 603 des ausgewählten Impedanz-Biosensor-Feldes 602a mit der Wechselspannungsquelle 701 gekoppelt ist. Ferner ist ein zweiter Schalter 1201b in einer derartigen Schalterstellung, dass der zweite Anschluss 604 des ausgewählten Impedanz-Biosensor-Feldes 602a mit der Stromerfasseinrichtung 704 gekoppelt ist. Die Schalterstellungen aller anderen Schalter 1200 sind derart, dass die an diese anderen Schalter 1200 angrenzenden ersten, zweiten bzw. dritten Signalleitungen 1202 bis 1204 auf elektrischem Massepotential 702 sind. Mit anderen Worten ist gemäß dem in 12 gezeigten Szenario das ausgewählte Impedanz-Biosensor-Feld 602a das einzige der Impedanz-Biosensor-Felder 602, das sowohl mit der Wechselspannungsquelle 701 als auch mit der Stromerfasseinrichtung 704 gekoppelt ist. Gemäß dem in 12 gezeigten Szenario fungiert die an das ausgewählte Impedanz-Biosensor-Feld 602a angeschlossene ersten Signalleitung 1202 als Ansteuerleitung 605, die an das ausgewählte Impedanz-Biosensor-Feld 602a angeschlossene zweite Signalleitung 1203 fungiert als Detektionsleitung 606. Jeder der Schalter 1201 weist drei Schalterstellungen auf, so dass die jeweils zugehörige Signalleitung 1202 bis 1204 wahlweise mit dem elektrischen Massepotential 702, der Wechselspannungsquelle 701 oder der Stromerfasseinrichtung 704 gekoppelt werden kann. Dadurch ist eine unabhängige Messung auf jeder Position der Impedanz-Biosensor-Felder 602 möglich.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 13 beschrieben, wie ein Kreuzungsbereich 1205 zwischen einer der ersten Signalleitungen 1202, einer der zweiten Signalleitungen 1203 und einer der dritten Signalleitungen 1204 unter Verwendung von nur zwei Verdrahtungsebenen realisiert sein kann.
Hierfür ist in 13 eine erste Metallisierungsebene 1300 und ist eine zweite Metallisierungsebene 1301 in Draufsicht gezeigt. Die erste Metallisierungsebene 1300 ist in einer Richtung senkrecht zu der Papierebene von 13 gegenüber der zweiten Metallisierungsebene 1301 verschoben, d.h. die Papierebene von 13 ist parallel zu der Oberfläche des Biosensor-Arrays 1200. In dem Kreuzungsbereich 1205 treffen sich eine der ersten Signalleitungen 1202, die vollständig in der ersten Metallisierungsebene 1300 vorgesehen ist, eine der zweiten Signalleitungen 1203, die vollständig in der zweiten Metallisierungsebene 1301 vorgesehen ist und eine der dritten Signalleitungen 1204, die, wie in 13 gezeigt, zum Teil in der ersten Metallisierungsebene 1300 und zu einem anderen Teil in der zweiten Metallisierungsebene 1301 vorgesehen ist. Um in dem Kreuzungsbereich 1205 eine elektrische Isolation der Signalleitungen 1202 bis 1204 voneinander zu ermöglichen, ist die dritte Signalleitung 1204 in 13 in einen ersten Abschnitt 1204a, einen zweiten Abschnitt 1204b und einen dritten Abschnitt 1204c aufgeteilt. Der erste und der dritte Abschnitt 1204a, 1204c verlaufen in der zweiten Metallisierungsebene 1301, wohingegen der zweite Abschnitt 1204b in der ersten Metallisierungsebene 1300 verläuft. Mittels vertikaler Kontaktierungselemente 1302, die senkrecht zu der Papierebene von 13 verlaufend angeordnet sind, ist der erste Abschnitt 1204 mit dem zweiten Abschnitt 1204b bzw. der zweite Abschnitt 1204b mit dem dritten Abschnitt 1204c der dritten Signalleitung 1204 gekoppelt. Dadurch ist unter Verwendung von nur zwei Metallisierungsebenen ermöglicht, dass drei Signalleitungen 1202 bis 1204 einander überkreuzen, ohne dass die elektrische Isolation unterbrochen wird.
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 Falle hinreichend, wie in 13 schematisch gezeigt.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:

[1] WO 93/22678
[2] DE 19610115 A1
[3] US Patent Serial No. 60/007840
[4] Peter Van Gerwen et al., "Nanoscaled Interdigitated Electrode Arrays for Biochemical Sensors", Proc. International Conference on Solid-State Sensors and Actuators (Transducers '97), S. 907–910, 1997
[5] Hagleitner, C. et al. "A Gas Detection System on a Single CMOS-Chip comprising capacity, calorimetric, and mass sensitive microsensors", Proc. International Solid-State Circuit Conference (ISSCC), S. 430, 2002
[6] R. Thewes et al., "Sensor Arrays for Fully Electronic DNA Detection on CMOS", Proc. Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC), p. 350, 2002

100: Interdigitalelektroden-Anordnung
101: Substrat
102: erste Elektrodenstruktur
103: zweite Elektrodenstruktur
104: erster Teilbereich
105: zweiter Teilbereich
200: Fängermoleküle
201: Analyt
202: zu erfassende Partikel
203: Impedanz
300: Feldlinien
301: Symmetrielinien
302: Bedeckungsbereich
400: Ersatzschaltbild
401: erste Kapazität
402: erster ohmscher Widerstand
403: zweite Kapazität
404: zweiter ohmscher Widerstand
405: dritte Kapazität
406: dritter ohmscher Widerstand
500: Ersatzschaltbild
501: Amperemeter
502: Wechselspannungsquelle
503: Massepotential
510: vereinfachtes Ersatzschaltbild
511: erste effektive Kapazität
512: erster effektiver ohmscher Widerstand
600: Sensor-Array
601: Silizium-Substrat
602: Impedanz-Biosensor-Felder
602a: ausgewähltes Impedanz-Biosensor-Feld
603: erster Anschluss
604: zweiter Anschluss
605: Ansteuerleitung
606: Detektionsleitung
607: Ansteuereinheit
608: Detektionseinheit
609: Auswahleinheit
609a: erstes Schalteinrichtung
609b: zweite Schalteinrichtung
610: Kreuzungsbereiche
611: Massepotential
700: Sensor-Array
701: Wechselspannungsquelle
702: elektrisches Massepotential
703: erste Schalter
704: Stromerfasseinrichtung
705: zweite Schalter
706: Referenzelektrode
707: Gegenelektrode
708: Operationsverstärker
708a: nichtinvertierender Eingang
708b: invertierender Eingang
708c: Ausgang
800: Ersatzschaltbild
801: Impedanz
900: vereinfachtes Ersatzschaltbild
901: Kapazität
1000: Sensor-Array
1001: Ansteuer-/Auswahl-Einheit
1002: Detektions-/Auswahl-Einheit
1100: Sensor-Array
1101: erster Schaltungsblock
1102: zweiter Schaltungsblock
1103: Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle
1200: Sensor-Array
1201: Schalter
1201a: erster Schalter
1201b: zweiter Schalter
1202: erste Signalleitungen
1203: zweite Signalleitungen
1204: dritte Signalleitungen
1204a: erster Abschnitt
1204b: zweiter Abschnitt
1204c: dritter Abschnitt
1205: Kreuzungsbereich
1300: erste Metallisierungsebene
1301: zweite Metallisierungsebene
1302: vertikale Kontaktierungselemente

Claims

Biosensor-Array – mit einem Substrat; – mit einer Mehrzahl von auf dem Substrat angeordneten Biosensor-Feldern, von denen jedes einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist; – mit mindestens einer Ansteuerleitung und mit mindestens einer Detektionsleitung, wobei – die mindestens eine Ansteuerleitung von der mindestens einen Detektionsleitung elektrisch isoliert ist; – jeweils der erste Anschluss eines jeden Biosensor-Felds mit genau einer der mindestens einen Ansteuerleitung gekoppelt ist und der zweite Anschluss eines jeden Biosensor-Felds mit genau einer der mindestens einen Detektionsleitung gekoppelt ist; – zumindest eine der mindestens einen Ansteuerleitung und zumindest eine der mindestens einen Detektionsleitung mit zumindest zwei der Biosensor-Felder gekoppelt ist; – mit einer Ansteuereinheit zum Bereitstellen eines elektrischen Ansteuersignals; – mit einer Detektionseinheit zum Erfassen eines aus dem elektrischen Ansteuersignal resultierenden elektrischen Detektionssignals; und – mit einer Auswahleinheit, die derart eingerichtet ist, dass sie die Ansteuereinheit mit der Ansteuerleitung eines auszuwählenden Biosensor-Felds und die Detektionseinheit mit der Detektionsleitung des auszuwählenden Biosensor-Felds koppelt, womit das Biosensor-Feld ausgewählt wird.
Biosensor-Array nach Anspruch 1, mit einer Auswerteeinheit, die derart eingerichtet ist, dass sie für das mindestens eine ausgewählte Biosensor-Feld basierend auf dem Ansteuersignal und dem 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.
Biosensor-Array nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens eines der Biosensor-Felder – ein elektrochemisches Biosensor-Feld; oder – ein Impedanz-Biosensor-Feld ist.
Biosensor-Array nach Anspruch 3, bei dem zumindest ein als elektrochemisches Biosensor-Feld eingerichtetes Biosensor-Feld ein Redox-Recycling-Biosensor-Feld ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zumindest ein Biosensor-Feld ein Interdigitalelektroden-Biosensor-Feld ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Biosensor-Felder zu einer Mehrzahl von Biosensor-Gruppen gruppiert sind derart, dass jede Biosensor-Gruppe wahlweise separat von den anderen Biosensor-Gruppen oder gemeinsam mit zumindest einem Teil der anderen Biosensor-Gruppen betreibbar ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Substrat – ein Keramik-Substrat; – ein Halbleiter-Substrat; – ein Glas-Substrat; oder – ein Plastik-Substrat ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das elektrische Ansteuersignal ein zeitlich veränderliches elektrisches Signal ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem – das Ansteuersignal eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung und das Detektionssignal ein zeitlich veränderlicher elektrischer Strom ist; oder – das Ansteuersignal ein zeitlich veränderlicher elektrischer Strom und das Detektionssignal eine zeitlich veränderliche elektrische Spannung ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei dem in dem Substrat – ein Analog-Digital-Wandler-Schaltkreis integriert ist, der derart eingerichtet ist, dass er ein analoges elektrisches Signal in ein digitales Signal umwandeln und der Auswerteeinheit bereitstellen kann; und/oder – eine elektrische Versorgungseinheit integriert ist, die derart eingerichtet ist, dass sie der Ansteuereinheit und/oder der Auswahleinheit elektrische Spannungssignale und/oder elektrische Stromsignale bereitstellen kann; und/oder – ein Digital-Analog-Wandler-Schaltkreis integriert ist, der derart eingerichtet ist, dass er ein digitales Spannungssignal und/oder Stromsignal der Versorgungseinheit in ein analoges Signal umwandeln und der Ansteuereinheit und/oder der Auswahleinheit bereitstellen kann; und/oder – eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle integriert ist; und/oder – eine Verstärkereinheit, eingerichtet zum Verstärken des elektrischen Detektionssignals, integriert ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem die mindestens eine Ansteuerleitung und die mindestens eine Detektionsleitung zumindest teilweise in zwei unterschiedlichen Leitungsebenen in und/oder auf und/oder unter dem Substrat ausgebildet sind.
Biosensor-Array nach Anspruch 11, bei dem die Biosensor-Felder in genau einer der Leitungsebenen ausgebildet sind.
Biosensor-Array nach Anspruch 11 oder 12, bei dem in einem ersten Leitungsabschnitt, in dem die mindestens eine Ansteuerleitung und die mindestens eine Detektionsleitung von einer gegenseitigen Kreuzung frei sind, die mindestens eine Ansteuerleitung und die mindestens eine Detektionsleitung in derselben Ebene verlaufend ausgebildet sind, und bei dem in einem zweiten Leitungsabschnitt, in dem die mindestens eine Ansteuerleitung und die mindestens eine Detektionsleitung sich gegenseitig kreuzen, die mindestens eine Ansteuerleitung und die mindestens eine Detektionsleitung in unterschiedlichen Ebenen verlaufend ausgebildet sind.
Biosensor-Array nach Anspruch 13, bei dem der erste Leitungsabschnitt der mindestens einen Ansteuerleitung und/oder der mindestens einen Detektionsleitung mit dem zweiten Leitungsabschnitt der mindestens einen Ansteuerleitung und/oder der mindestens einen Detektionsleitung mittels mindestens einem im Wesentlichen vertikal zu dem Substrat verlaufend angeordneten elektrischen Kontaktierungselement gekoppelt sind.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem die mindestens eine Ansteuerleitung und/oder die mindestens eine Detektionsleitung auf einer Unterseite des Substrats oder unterhalb des Substrats verlaufend ausgebildet ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei dem die Ansteuereinheit eine für alle Biosensor-Felder gemeinsame Versorgungseinheit aufweist, die derart eingerichtet ist, dass mit ihr an das zumindest eine ausgewählte Biosensor-Feld das elektrische Ansteuersignal anlegbar ist.
Biosensor-Array nach Anspruch 16, bei dem die Ansteuereinheit und/oder die Detektionseinheit derart eingerichtet sind, dass an zumindest einen Teil der nicht ausgewählten Biosensor-Felder ein elektrisches Referenzsignal anlegbar ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Ansteuereinheit für jeweils eine Gruppe von Biosensor-Feldern eine der jeweiligen Gruppe zugehörige Versorgungseinheit aufweist, die derart eingerichtet ist, dass mit ihr an die Biosensor-Felder der zugehörigen Gruppe das elektrische Ansteuersignal anlegbar ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem die Detektionseinheit eine für alle Biosensor-Felder gemeinsame Messeinheit aufweist, die derart eingerichtet ist, dass mit ihr an genau einem ausgewählten Biosensor-Feld das elektrische Detektionssignal erfassbar ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem die Detektionseinheit für jeweils eine Gruppe von Biosensor-Feldern eine der jeweiligen Gruppe zugehörige Messeinheit aufweist, wobei jede der Messeinheiten derart. eingerichtet ist, dass mit ihr an genau einem ausgewählten Biosensor-Feld der zugehörigen Gruppe das elektrische Detektionssignal erfassbar ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 20, mit einer Potentiostat-Einrichtung, die derart eingerichtet ist, dass mit ihr zumindest einem Teil der Biosensor-Felder ein konstantes elektrisches Potential vorgebbar ist.
Biosensor-Array nach Anspruch 21, bei dem die Potentiostat-Einrichtung eine Referenzelektrode, eine Gegenelektrode und einen Operationsverstärker aufweist, wobei ein erster Eingang des Operationsverstärkers mit der Referenzelektrode, ein zweiter Eingang des Operationsverstärkers mit einem Referenzpotential und ein Ausgang des Operationsverstärkers mit der Gegenelektrode gekoppelt ist.
Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays – mit einem Biosensor-Array – mit einem Substrat; – mit einer Mehrzahl von auf dem Substrat angeordneten Biosensor-Feldern, von denen jedes einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist; – mit mindestens einer Ansteuerleitung und mit mindestens einer Detektionsleitung, wobei – die mindestens eine Ansteuerleitung von der mindestens einen Detektionsleitung elektrisch isoliert ist; – jeweils der erste Anschluss eines jeden Biosensor-Felds mit genau einer der mindestens einen Ansteuerleitung gekoppelt ist und der zweite Anschluss eines jeden Biosensor-Felds mit genau einer der mindestens einen Detektionsleitung gekoppelt ist; – zumindest eine der mindestens einen Ansteuerleitung und zumindest eine der mindestens einen Detektionsleitung mit zumindest zwei der Biosensor-Felder gekoppelt ist; – mit einer Ansteuereinheit zum Bereitstellen eines elektrischen Ansteuersignals; – mit einer Detektionseinheit zum Erfassen eines aus dem elektrischen Ansteuersignal resultierenden elektrischen Detektionssignals; und – mit einer Auswahleinheit, die derart eingerichtet ist, dass sie die Ansteuereinheit mit der Ansteuerleitung eines auszuwählenden Biosensor-Felds und die Detektionseinheit mit der Detektionsleitung des auszuwählenden Biosensor-Felds koppelt, womit das Biosensor-Feld ausgewählt wird; – wobei gemäß dem Verfahren – die Ansteuereinheit mit der Ansteuerleitung eines auszuwählenden Biosensor-Felds und die Detektionseinheit mit der Detektionsleitung des auszuwählenden Biosensor-Felds gekoppelt wird, womit das Biosensor-Feld ausgewählt wird; – der Ansteuerleitung des ausgewählten Biosensor-Felds ein elektrisches Ansteuersignal bereitgestellt wird; – an der Detektionsleitung des ausgewählten Biosensor-Felds ein aus dem elektrischen Ansteuersignal resultierendes elektrisches Detektionssignal des ausgewählten Biosensor-Felds erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 23, bei dem für das mindestens eine ausgewählte Biosensor-Feld basierend auf dem Ansteuersignal und dem Detektionssignal ermittelt wird, 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.