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Die Erfindung betrifft eine integrierte
elektronische Schaltung mit zumindest einem Feldeffekt-Sensor zum
Nachweis wenigstens eines Biomoleküls, ein Analysesystem sowie
ein Verfahren zum Nachweis wenigstens eines Biomoleküls.
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Aus dem Stand der Technik sind an
sich Feldeffekt-Sensoren zum Nachweis von Biomolekülen bekannt:
Aus Souteyrand et al. (E. Souteyrand, J. P. Cloarec, J. R. Martin,
C. Wilson, I. Lawrence, S. Mikkelsen und M. F. Lawrence, Direct
Detection of Hybridization of Synthetic Homo-Oligomer DNA Sequences
by Field Effect, J. Phys. Chem. 1997, 101, 2980-2985) ist ein Feldeffekt-Transistor
(FET) zur Detektion von DNA bekannt. Zur Durchführung einer Messung wird das
Gate des Feldeffekt-Transistors mit einer Messlösung in Kontakt gebracht. Eine
daraufhin gegebenenfalls erfolgende Hybridisierung an der Gate-Elektrode
wird durch Impedanzmessung des Leitungskanals detektiert. Zur Auswertung
der Impedanz-Messungen ist der Feldeffekt-Transistor mit einem Personal
Computer (PC) verbunden.
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Ein entsprechender Affinitäts-Sensor
ist auch in US-Patent Nr. 5,869,244 offenbart. Aus der unveröffentlichten
Patentanmeldung
DE 10163557.5 vom
21.12.2001 mit dem Titel „Transistorbasierter Sensor
mit besonders ausgestalten Gatelektrode zur hochempfindlichen Detektion
von Analyten" ist
eine spezielle Ausgestaltung der Gate-Elektrode eines solchen Feldeffekt-Affinitäts-Sensors zur Erhöhung der
Empfindlichkeit bekannt. Die Gate-Elektrode ist so ausgebildet,
dass die Kontaktfläche
an der Detektionselektrode, an der gegebenenfalls Hybridisierungsereignisse
stattfinden, wesentlich größer ist
als die Kontaktfläche
der Gate-Elektrode zum Leitungskanal hin.
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Mit solchen vorbekannten Feldeffekt-Affinitäts-Sensoren
ist also der Nachweis von Biomolekülen, insbesondere von geladenen
Biomolekülen
wie zum Beispiel Proteinen, DNA oder RNA möglich.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
verbesserte integrierte elektronische Schaltung mit einem Feldeffekt-Sensor
zum Nachweis wenigstens eines Biomoleküls zu schaffen sowie ein Analysesystem
mit einer solchen integrierten Schaltung und ein verbessertes Verfahren
zum Nachweis wenigstens eines Biomoleküls.
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Die der Erfindung zugrunde liegenden
Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche jeweils
gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird dem Feldeffekt-Sensor
in der integrierten elektronischen Schaltung ein steuerbarer Halbleiterschalter
zugeordnet, der zur Messung des Leitungszustandes des Feldeffekt-Sensors
dient. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass der Feldeffekt-Sensor
und der steuerbare Halbleiterschalter in derselben integrierten
elektronischen Schaltung z. B. monolithisch auf einem Chip integriert sind.
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Über
den dem Feldeffekt-Sensor zugeordneten steuerbaren Halbleiterschalter
kann der Feldeffekt-Sensor der integrierten Schaltung durch entsprechende
Adressierung von außen
angesteuert werden. Dies hat den Vorteil, dass sich mehrere Feldeffekt-Sensoren
mit jeweils zugeordneten steuerbaren Halbleiterschaltern in derselben
integrierten elektronischen Schaltung realisieren lassen, so dass
einzelne der Feldeffekt-Sensoren durch entsprechende Adressierung
und Ansteuerung über
den jeweils zugeordneten steuerbaren Halbleiterschalter zur Durchführung der
Messung des Leitungszustandes in einem wahlfreien Zugriff (random
access) ansteuerbar sind.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung hat der Feldeffekt-Sensor
eine Gate-Elektrode mit einem Elektrodenbereich zur Erzeugung eines
elektrischen Feldes für
den Kanal-Bereich, wodurch der Leitungszustand bestimmt wird. Ein
zweiter Elektrodenbereich der Gate-Elektrode dient zur Anlagerung
des zu detektierenden Biomoleküls.
Vorzugsweise werden die Oberflächenverhältnisse
der beiden Elektrodenbereiche so gewählt, dass der Elektrodenbereich
zur Anlagerung des Biomoleküls
wesentlich größer ist
als der andere Elektrodenbereich, d. h. z. B. um einen Faktor 10
bis 500 000. Diese Ausgestaltung der Gate-Elektrode hat insbesondere
den Vorteil, der Erhöhung
der Empfindlichkeit des Feldeffekt-Sensors.
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Beispielsweise ist ein einzelner
Feldeffekt-Sensor so aufgebaut, dass zwischen einer Detektionselektrode
aus einem elektrisch isolierendem Material und einem als Dielektrikum
ausgebildeten Gateoxid eines Transistors eine Gateelektrode angeordnet
ist. Die Gateelektrode weist eine große Kontaktfläche Asens für
die Detektionselektrode und eine kleine Kontaktfläche Agate an das Gateoxid des angrenzenden sub-Mikrometer-
bzw. Nanotransistors auf.
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Der Rezeptor zur Bindung bzw. Umsetzung des
geladenen Biomoleküls
ist an der Oberfläche
der Detektionselektrode immobilisiert. Bei den zu detektierenden
Biomolekülen
handelt es sich um Biomoleküle
wie Nukleinsäuren
(RNA, DNA), Proteine und Substrate von immobilisierten Enzymen.
Unter den Begriff Rezeptoren fallen alle Moleküle, die ein solches Biomolekül binden
oder umsetzen können,
wodurch das Biomolekül
nachgewiesen wird. Als Rezeptoren oder Fänger eignen sich insbesondere
DNA (z.B. Oligonukleotide und CDNA), RNA und zu DNA analoge Oligomere,
die aus zu Nukleosiden analogen Monomeren aufgebaut sind, wie z.B.
Peptid Nukleinsäuren
(PNA) oder Morpholinonukleinsäuren. Auch
Heterooligomere aus natürlichen
Nukleosiden und zu Nukleosiden analogen Monomeren können als
Fänger
dienen.
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Über
die große
Fläche
der Detektionselektrode ist gewährleistet,
dass der Rezeptor sich auf technisch einfache Weise auf deren Oberfläche immobilisieren
lässt.
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Über
die kleine Kontaktfläche
Agate der Gateelektrode an den Transistor
ist gleichzeitig eine hohe Nachweisempfindlichkeit für das Biomolekül gegeben,
da der erfindungsgemäße Sensor über die
Verwendung isolierender Materialien immer eine Reihenschaltung zweier
Kondensatoren umfast. Der ersten Kondensator ist zwischen Detektionselektrode und
Gateelektroden-Material, der zweite Kondensator ist zwischen Gateelektroden-Material
und Silizium-Substrat angeordnet.
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Zur Bereitstellung des ersten Kondensators besteht
die Detektionselektrode aus einem isolierendem Material. Die Detektionselektrode
kann beispielsweise aus SiO2 bestehen. SiO2 ist ein guter Isolator. Das Material lässt sich
auch in sehr dünnen Schichten
auftragen. Kleinste Ladungsänderungen an
der Oberfläche
der Detektionselektrode durch Bindung eines geladenen Biomoleküls an ein
immobilisiertes Rezeptormolekül
können
so bei hoher Empfindlichkeit über
den ersten Kondensator in Richtung des Transistors übertragen
werden. Darüber
hinaus sind Biomoleküle
wie z. B. Nukleinsäuren,
Antikörper
und Enzyme als Rezeptoren über
Verfahren, welche Stand der Technik innerhalb der Silanchemie bilden,
gut auf SiO2 immobilisierbar.
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Neben SiO2 als
Material für
die Detektionselektrode sind auch Ta2O5 , Al2O3 oder
Si3N4 besonders
geeignet. Die Materialien sind ebenfalls gute Isolatoren. Sie eignen
sich darüber
hinaus in besonderer Weise als pH-sensitive Materialien für den Nachweis
von Substraten als Biomoleküle,
die im Verlauf einer Reaktion mit einem immobilisierten Enzym, beispielsweise
mit Dehydrogenasen, umgesetzt werden. Hierdurch kommt es zu einer
nachweisbaren lokalen Änderung
des pH-Wertes an der Detektionselektrode, wodurch das geladene Biomolekül nachgewiesen
wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung wird als Gateelektrodenmaterial hochleitendes Polysilizium
eingesetzt. Dies bewirkt vorteilhaft, dass das Gateelektroden-Material
kapazitiv an die Detektionselektrode angekoppelt ist. Es ist eine
gute Signalübertragung
von der Detektionselektrode zur Gateelektrode gewährleistet
. Selbstverständlich
ist das Material der Gateelektrode nicht auf Polysilizium beschränkt. Vielmehr
können
alle in Frage kommenden Materialien mit guter Leitfähigkeit
für die
Gateelektrode verwendet werden.
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Die Gateelektrode und die Detektionselektrode
können über eine
oder mehrere Schichten miteinander verbunden sein. Im Bereich zwischen
Gateelektrode und Detektionselektrode kann als Oberfläche der
Gateelektrode eine Silizidschicht angeordnet sein. Die Silizidschicht
kann z. B. durch Aufsputtern von Wolfram auf das Polysilizium und
anschließendem
Tempern erzeugt werden. Es kann aber auch nach Aufsputtern von Titan
eine Schicht aus Titansilizid als Oberfläche der Gateelektrode angeordnet sein.
Vorteilhaft sind die vorgenannten Silizide sehr gute Leiter. Sie
verhindern einen Ionenfluss an den Transistor und erhöhen die
Haltbarkeit des Transistors.
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In einer besonders vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung liegt eine Schichtenfolge aus Polysilizium,
Wolframsilizid sowie SiO2 zur Bildung eines
ersten Kondensators vor. Auf dem Polysilizium ist die Schicht aus
Wolframsilizid, welche die Oberfläche der Gateelektrode bildet,
angeordnet. Polysilizium und Wolframsilizid zusammen bilden dabei
die Gateelektrode. Eine derartige Schichtenfolge mit SiO2 als isolierendes Material für die Detektionselektrode
führt zur
kapazitiven Anbindung der Gateelektrode an die Detektionselektrode.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist dem Feldeffekt-Sensor ein weiterer steuerbarer
Halbleiterschalter zugeordnet. Der weitere steuerbare Halbleiterschalter
ist mit einer seiner Leitungselektroden mit der Gate-Elektrode des
Feldeffekt-Sensors elektrisch verbunden. Durch Ansteuerung des weiteren
steuerbaren Halbleiterschalters kann ein elektrisches Potenzial
an die Gate-Elektrode des Feldeffekt-Sensors angelegt werden. Auf
diese Art und Weise lassen sich beispielsweise die Interaktionsparameter
für die
Detektion des Biomoleküls,
insbesondere die Hybridisierungsparameter für die Detektion von DNA, festlegen;
ferner kann über
die Potenzial-Steuerung der Gate-Elektrode des Feldeffekt-Sensors
eine Elektrofokussierung geladener Biomoleküle durchgeführt werden.
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Auch bei dieser Ausführungsform
ist besonders vorteilhaft, dass der weitere steuerbare Halbleiterschalter
ebenfalls Teil der integrierten elektronischen Schaltung ist. Wenn
mehrere Feldeffekt-Sensoren in der integrierten elektronischen Schaltung vorhanden
sind, kann jedem der Feldeffekt-Sensoren ein weiterer steuerbarer
Halbleiterschalter zugeordnet werden, um die Gate-Elektroden der
Feldeffekt-Sensoren jeweils unabhängig voneinander durch wahlfreien
Zugriff anzusteuern.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist im Detektionsbereich des Feldeffekt-Sensors eine
Elektrode angeordnet. Die Elektrode ist mit einem weiteren steuerbaren
Halbleiterschalter der integrierten elektronischen Schaltung und
zwar mit einer dessen Leitungselektroden elektrisch verbunden. Durch
entsprechende Ansteuerung der Elektrode über den weiteren Halbleiterschalter kann
eine elektrochemische Reaktion im Detektionsbereich des Feldeffekt-Sensors,
d. h. im Bereich der Gate-Elektrode, die mit der Messlösung kontaktiert, angeregt
werden.
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Durch entsprechende Ansteuerung der
Elektrode über
den weiteren Halbleiterschalter kann beispielsweise eine in situ-Synthese
eines Fängermoleküls für das nachzuweisende
Biomolekül
durchgeführt
werden. Alternativ kann eine Schutzgruppe eines an der Detektionselektrode
immobilisierten Linkers elektrochemisch entfernt werden. An dieser Stelle
kann sich dann ein Fängermolekül an den
Linker anlagern bzw. durch eine entsprechende Reaktion kovalent
an den Linker gebunden werden.
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Auch hierbei ist wiederum besonders
vorteilhaft, dass jedem der Feldeffekt-Sensoren der integrierten elektronischen
Schaltung ein solcher weiterer steuerbarer Halbleiterschalter zugeordnet
werden kann, sodass die entsprechenden Elektroden der Feldeffekt-Sensoren
durch wahlfreien Zugriff angesteuert werden können. Auf diese Art und Weise
ist es möglich,
unterschiedliche Fängermoleküle durch Anlegen
entsprechender Signalsequenzen an die integrierte elektronische
Schaltung an den der Messlösung
ausgesetzten Bereichen der Gate-Elektroden der Feldeffekt-Sensoren
in situ zu synthetisieren oder anzulagern.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind die Feldeffekt-Sensoren mit dem oder den jeweils
zugeordneten steuerbaren Halbleiter schaltern matrixförmig in
der integrierten elektronischen Schaltung angeordnet. Bei einer solchen
matrixförmigen
Anordnung kann das an sich für
DRAMs bekannte Wordline-Bitline-Prinzip angewendet werden (vergleiche
US-Patent Nr. 3,387,286):
Jeder Halbleiterschalter der Feldeffekt-Sensoren wird
mit einer Wort-Leitung und mit einer Bit-Leitung verbunden. Durch
Adressierung eines Wort-/Bit-Leitungspaares
wird so ein wahlfreier Zugriff auf die Feldeffekt-Sensoren der Matrix
zur Messung des Leitungszustands und/oder zur Anlegung eines elektrischen
Potenzials und/oder zur Anregung einer elektrochemischen Reaktion
ermöglicht.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung erfolgt die Adressierung eines der Feldeffekt-Sensoren
der Matrix durch Eingabe einer logischen Adresse, die dann zur Auswahl
eines Wort-/Bit-Leitungspaares dekodiert wird.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung hat die integrierte elektronische Schaltung einen
Steuereingang zur Auswahl eines Betriebsmodus, je nachdem ob sich
eine eingegebene Adresse eines Feldeftekt-Sensors auf die Messung des Leitungszustands,
die Potenzialeinstellung der Gate-Elektrode des Feldeffekt-Sensors
oder die Anregung einer elektrochemischen Reaktion bezieht.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die erfindungsgemäße integrierte elektronische
Schaltung Teil eines Analysesystems. Das Analysesystem hat Programmmittel zur
Ansteuerung der Feldeftekt-Sensoren,
um ein bestimmtes Analyseprogramm durchzuführen. Vorzugsweise ist das
gesamte Analysesystem auf einem einzigen Chip integriert (sog. „System
on Chip"), d. h. auch
die Programmmittel zur Ansteuerung der Feldeffekt-Sensoren können Teil
derselben integrierten elektronischen Schaltung wie die Feldeffekt-Sensoren
selbst sein. Dies ist besonders vorteilhaft, um z. B. tragbare Analysegeräte zu realisieren.
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Vorteilhafte Einsatzgebiete der vorliegenden Erfindung
sind insbesondere die molekulargenomische Diagnostik von Krankheiten
und genetischen Anlagen, die Stratifizierung von Patienten durch
die Analyse von „single
nuclear Polymorphisms" sowie die
genaue Steuerung von Therapien. Weitere wichtige Anwendungsgebiete
sind die Erforschung von Krankheiten, die Entdeckung von Genommarkern und
die Entwicklung neuer Medikamente auf der Basis von pharmokogenomischer
Forschung.
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Besonders vorteilhaft ist dabei,
dass aufgrund der Verwendung von Feldeffekt-Sensoren eine Markierung mit einem signalgebenden
Molekül
nicht erforderlich ist. Ferner kann eine Empfindlichkeit erreicht
werden, die in vielen Fällen
eine Genamplifikation (PCR) der Nukleinsäuren unnötig macht. Dadurch wird eine
robuste, artefaktfreie und automatisierbare Analyse ermöglicht.
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Der technologische Ansatz der Erfindung
ermöglicht
ein Zurückgreifen
auf an sich bekannte halbleitertechnologische Verfahren, die eine
entsprechend hohe Integrationsdichte erlauben. Aufgrund dessen sind
Chips mit einer Sensor-Dichte
von z. B. über
10 000 Feldeffekt-Sensoren pro cm2 realisierbar.
Ein solches elektronisches "Hochdichte-Array" lässt sich
besonders vorteilhaft für
die pharmakogenomische Forschung einsetzen. Beispielsweise lässt sich über ein
solches Hochdichte-Array das gesamte Genom eines Organismus repräsentieren.
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Von besonderem Vorteil ist dabei,
dass beispielsweise 256 Messpunkte auf einer sehr kleinen Chipfläche von
zum Beispiel 1 mm2 oder weniger realisiert
werden können.
Aufgrund der sehr kleinen Chipfläche
sind die Diffusionswege in der Messlösung entsprechend kurz, so
dass sich die Analysezeit ebenfalls verkürzt Von weiterem besonderem
Vorteil ist bei der Erfindung, dass auch die Kalibrierung der einzelnen
Feldeffekt-Sensoren auf elektronischem Wege durch externe Ansteuerung
der Feldeffekt-Sensoren im wahlfreien Zugriff erfolgen kann. Zur
Durchführung
der Kalibrierung können
beispielsweise zunächst
die relevanten Transistorparameter der Feldeffekt-Sensoren erfasst
werden.
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Zur Durchführung einer Messung werden
die Sensorflächen
mit Fängermolekülen bestückt. Die Anzahl
dieser Fängermoleküle an einer
Sensorfläche bestimmt
dabei zugleich die auftretende maximale Ladung an der Sensorfläche, wenn
sich geladene Biomoleküle
an die Fängermoleküle anlagern.
Um eine quantitative Aussage über
die Konzentration der betreffenden geladenen Biomoleküle in der
Messlösung treffen
zu können,
ist es daher erforderlich, die Anzahl der Fängermoleküle an der Sensorfläche zu bestimmen.
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Dies kann so erfolgen, dass nach
der Aufbringung der Fängermoleküle auf die
Sensorflächen der
Leitungszustand, wie zum Beispiel die Impendanz des Kanalgebiets,
messtechnisch erfasst werden, um so eine quantitative Aussage über die
Anzahl und die elektrische Aktivität der Fängermoleküle an den Sensorflächen zu
erlangen. Aus einer gemessenen Änderungen
der Impendanz des Leitungs-Kanals nach Aufbringen der Messlösung, ist
daher eine quantitative Aussage über
die Konzentration der nachzuweisenden geladenen Biomoleküle in der Messlösung möglich. Aufgrund
der wahlfreien Zugriffsmöglichkeit
auf die einzelnen Feldeffekt-Sensoren eines erfindungsgemäßen Biochips
können
daher aufwendige Kalibrierungsvertahren wie etwa in
DE 100 25 580 A1 entfallen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird zur Realisierung der Feldeffekt-Sensoren eine
sogenannte Double-Gate MOSFET – Struktur
verwendet. Der Vorteil von Double-Gate MOSFETs ist, dass prinzipbedingt
Kurz-Kanal-Effekte vermieden werden. Ferner können auch die Exemplarstreuungen
der Feldeffekt-Transistoren verringert werden, da das Kanalgebiet
nur leicht oder auch undotiert sein kann. Dadurch wird der Einfluss der
sta tistischen Schwankung der Dotierung auf die Exemplarstreuung
reduziert bzw. eliminiert. Aufgrund dessen sind mit einer solchen
Transistorstruktur besonders genaue quantitative Messungen möglich. Ein
Double-Gate MOSFET ist beispielsweise an sich aus der
DE 198 46 063 A1 bekannt.
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Von weiterem besonderem Vorteil ist
die bei Verwendung eines Double-Gate MOSFETs erreichbare Empfindlichkeit,
da zum Schalten eines solchen MOS-FETs nur wenige Elektronen erforderlich
sind. Wegen der Kleinheit des Kanal-Gebiets im Nanometerbereich ist bei
Verwendung von Double-Gate MOSFETs Strukturen die Verwendung einer
T- oder trichterförmig
ausgebildeten Gateelektrode besonders vorteilhaft, um die Anlagerung
der geladenen Biomoleküle
zu erleichtern.
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Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
integrierte elektronische Schaltung mit einem Feldeffekt-Sensor
und einem steuerbaren Halbleiterschalter,
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2 eine
integrierte elektronische Schaltung mit einer Matrix aus Feldeffekt-Sensoren
und jeweils zugeordneten steuerbaren Halbleiterschaltern, die über Wort-
und Bit-Leitungen ansteuerbar sind,
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3 eine
integrierte elektronische Schaltung mit einem Feldeffekt-Sensor,
der eine T-förmige Gate-Elektrode
aufweist, deren elektrisches Potenzial einstellbar ist,
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4 eine
integrierte elektronische Schaltung mit einer Matrix aus Feldeffekt-Sensoren
mit einer Gate-Elektrode, deren elektrischen Potenzial einstellbar
ist,
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5 eine
integrierte elektronische Schaltung mit einer zusätzlichen
Elektrode zur Anregung einer elektrochemischen Reaktion,
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6 ein
Flussdiagramm einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
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7 eine
Variante des Verfahrens der 6.
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Die 1 zeigt
eine integrierte elektronische Schaltung 100, die auf einem
Substrat 102 realisiert ist. Bei dem Substrat 102 kann
es sich beispielsweise um einen Silizium-Wafer handeln. Es können jedoch auch
andere Substrate zum Einsatz kommen.
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Die integrierte elektronische Schaltung 100 beinhaltet
einen Feldeffekt-Sensor 104 mit einem Source-Gebiet 106 und
einem Drain-Gebiet 108. Zwischen dem Source-Gebiet 106 und
dem Drain-Gebiet 108 befindet sich ein Kanal-Gebiet 110, in
dem sich ein Leitungs-Kanal ausbilden kann. Oberhalb des Kanal-Gebiets 110 befindet
sich ein Dielektrikum 112, welches die Gate-Elektrode 114 des
Feldeffekt-Sensors 104 gegenüber dem Substrat 102 elektrisch
isoliert.
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Neben dem Feldeffekt-Sensor 104 befindet sich
ein steuerbarer Halbleiterschalter, der als Transistor 116 ausgebildet
ist. Der Transistor 116 hat ein Source-Gebiet 118 und ein Drain-Gebiet 120.
Dazwischen befindet sich ein Kanal-Gebiet 122 zur Ausbildung eines
Leitungs-Kanals, wenn der Transistor 116 über die
auf dem Dielektrikum 124 befindliche Gate-Elektrode entsprechend
angesteuert wird.
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Das Drain-Gebiet 108 des
Feldeffekt-Sensors 104 und das Source-Gebiet 118 des
Transistors 116 sind über
eine Leitung 128 der integrierten elektronischen Schaltung 100 miteinander
elektrisch verbunden. Die Gate-Elektrode 126 des Transistors 116 ist
mit einer Steuerungsleitung 130 elektrisch verbunden. Ferner
ist das Drain-Gebiet 120 des Transistors 116 mit
einer Messleitung 132 e lektrisch verbunden. Vorzugsweise
ist das Source-Gebiet 106 des Feldeffekt-Sensors 104 z.B.
mit einem festen elektrischen Potenzial verbunden.
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Auf dem Feldeffekt-Sensor 104 und
dem Transistor 116 befindet sich eine isolierende Schutzschicht,
die eine Öffnung
für die
Oberfläche 134 der Gate-Elektrode 114 aufweist.
Auf diese Art und Weise kann eine Messlösung mit der Oberfläche 134 der Gate-Elektrode 114 des
Feldeffekt-Sensors 104 in Kontakt gebracht werden.
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Zum Nachweis eines Biomoleküls wird
also eine Messlösung
mit der Oberfläche 134 in
Kontakt gebracht. Wenn es daraufhin an der Oberfläche 134 zu
Bindungsereignissen, beispielsweise im Fall von DNA zu Hybridisierungsereignissen
kommt, führt
die entsprechende Ladungsträgerdichte
auf der Gate-Elektrode 114 dazu,
dass sich ein Leitungskanal in dem Kanal-Gebiet 110 ausbildet. Über die Steuerungsleitung 130 kann
der Transistor 116 eingeschaltet werden, um den Leitungszustand
des Feldeffekt-Sensors 104 über die Leitungen 128 und 132 zu
erfassen. Beispielsweise kann die Impedanz, z. B der Ohmsche Widerstand,
des Leitungskanals in dem Kanal-Gebiet 110 gemessen werden,
um darauf basierend eine quantitative Aussage über die Anzahl der Hybridisierungsereignisse
und damit über
die vorliegende Konzentration des Biomoleküls zu gewinnen. Alternativ
wird lediglich eine Feststellung getroffen, ob der Kanal des Feldeffekt
Sensors leitend oder nicht-leitend ist. Zur Abtastung des zeitlichen Verlaufs
der Hybridisierungsereignisse an der Oberfläche 134 kann der Transistor 116 über die
Steuerungsleitung 130 wiederholt ein- und ausgeschaltet werden.
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Grundsätzlich kann zur Herstellung
der integrierten elektronischen Schaltung 100 auf an sich
bekannte Technologien zur Herstellung integrierter elektronischer
Schaltungen zurückgegriffen
werden. Besonders geeignet sind hierfür CMOS-Fertigungsprozesse,
insbesondere bipolar CMOS (BICMOS)-Fertigungstechnologien. Diese Fertigungstechnologien
haben den weiteren Vorteil, dass sie besonders kostengünstig sind.
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Zur Erreichung eines hohen Integrationsgrades
ist es vorteilhaft, den Feldeffekt-Sensor 104 und/oder den Transistor 116 als
vertikale Nano-MOSFETs auszubilden. Im Gegensatz zu der Darstellung in
der 1 verläuft bei
einem vertikalen MOSFET das Kanal-Gebiet senkrecht entlang einer
in die Tiefe geätzten
Stufe. Auch die Source-Drain-Kontakte sind tiefenversetzt. Bei der
Verwendung eines Nano-MOSFETs ist dessen Empfindlichkeit im Bereich einiger
Elektronen zur Steuerung des Gates von besonderem Vorteil.
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Die 2 zeigt
eine integrierte elektronische Schaltung 200. Die integrierte
elektronische Schaltung 200 beinhaltet die integrierte
elektronische Schaltung 100 der 1 sowie weitere prinzipiell gleich aufgebaute
integrierte elektronische Schaltungen 202 bis 216.
Die integrierten elektronischen Schaltungen 100 und 202 bis 216 sind
matrixförmig in
Zeilen und Spalten angeordnet. In einem praktischen Anwendungsfall
kann eine große
Anzahl weiterer solcher integrierter elektronischer Schaltungen in
der Matrix vorhanden sein, wie z.B. insgesamt 16,256 oder auch über 10 000
integrierte elektronische Schaltungen bei einem Flächenbedarf
für jeden Feldeffekt-Sensor
einschliesslich dessen kompletter Beschattung im Bereich von ca.
100 bis 500 μm2 oder weniger.
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Die Steuerungsleitung 130 ist
mit den Gate-Elektroden der entsprechenden Transistoren der integrierten
elektronischen Schaltungen 206, 212 derselben
Spalte wie die integrierte Schaltung 100 elektrisch verbunden. Über die
Steuerungsleitung 130 können
daher sämtliche
integrierte elektronische Schaltungen 100, 206, 212 in
der betreffenden Spalte der Matrix angesteuert werden. Die Steuerungsleitung 130 kann
daher auch als "Wort-Leitung" bezeichnet werden.
Für die
weiteren Spalten der Matrix ist jeweils eine weitere Wort-Leitung
vorhanden, d.h. die Wort-Leitungen 218 und 220.
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Entsprechend verhält es sich für die Messleitung 132:
Die Messleitung 132 ist mit den Drain-Gebieten der Transistoren
der weiteren integrierten elektronischen Schaltungen 202, 204,
die sich in derselben Zeile der Matrix wie die in tegrierte elektronische
Schaltung 100 befinden, elektrisch verbunden. Über die
Messleitung 132 kann also der Leitungszustand sämtlicher
Feldeffekt-Sensoren der integrierten elektronischen Schaltungen 100, 202, 204 derselben
Zeile der Matrix gemessen werden. Deshalb wird im weiteren die Messleitung 132 auch
als "Bit-Leitung" bezeichnet.
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Für
jede der weiteren Zeilen der Matrix ist eine weitere Bit-Leitung
vorgesehen, d.h. Bit-Leitungen 222 und 224.
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Die Wort-Leitungen 130, 218, 220 sind
mit entsprechenden Treibern 226 verbunden; auch die Bit-Leitungen 132, 222, 224 sind
mit Treibern 228 verbunden sowie mit Messverstärkern für die Impedanzmessung
bzw. für
die Bestimmung eines leitenden oder nicht-leitenden Zustands.
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Die integrierte elektronische Schaltung 200 hat
ferner einen Adresspuffer 230. Über den Adresspuffer kann eine
logische Adresse zur Adressierung einer der integrierten elektronischen
Schaltungen 100, 202 bis 216 eingegeben
werden. Eine solche Adresse wird von der Steuerung 232 dekodiert.
Die Steuerung 232 wählt
dann die der dekodierten Adresse entsprechenden Treiber aus, um
die adressierte integrierte elektronische Schaltung über das
entsprechende Wort-Leitungs-/Bit-Leitungs-Paar
anzusteuern, um den Leitungszustand des entsprechenden Feldeffekt-Sensors
zu messen. Das Messergebnis wird dann über den Datenpuffer 234 ausgegeben.
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Die integrierte elektronische Schaltung 200 kann
ferner einen Programmspeicher 236 aufweisen. In dem Programmspeicher 236 befindet
sich ein Analyseprogramm, welches eine Messsequenz für die Abfrage
des Leitungszustandes der verschiedenen Feldeffekt-Sensoren der
integrierten elektronischen Schaltungen 100, 202 bis 216 aufweist.
In diesem Fall erfolgt also die Adressierung nicht durch Eingabe über den
Adresspuffer, sondern durch die von dem in dem Programmspeicher 236 befindlichen
Programm vorgegebenen Adressierungssequenz.
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Die 3 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer integrierten elektronischen Schaltung 300. Elemente
der 3, die Elementen
der 1 entsprechen, sind
mit ähnlichen
Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei jeweils 200 hinzuaddiert wurde.
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Im Unterschied zu der Gate-Elektrode
114 der
1 ist die Gate-Elektrode
314 der
3 T-förmig oder trichterförmig ausgebildet.
Die Gate-Elektrode
314 hat einen Elektrodenbereich
336,
der auf dem Dielektrikum
312 aufliegt. Ferner hat die Gate-Elektrode
314 einen
Elektrodenbereich
338 zur Ausbildung einer Detektionsfläche. Auf
dem Elektrodenbereich
338 befindet sich eine Detektionselektrode
340,
die durch eine Wolframsilizit- oder Titansilizit-Schicht von dem
Elektrodenbereich
338 getrennt sein kann. Diese Ausbildung
der Detektionselektrode
340 an sich ist in der
DE 10163557.5 offenbart.
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Die Gate-Elektrode 314 ist
mit einer Leitung 342 mit einem Drain-Gebiet 344 eines
weiteren Transistors 346 elektrisch verbunden. Auch der
weitere Transistor 346 ist als Feldeffekt-Transistor ausgebildet
und hat ein Source-Gebiet 348 sowie eine Gate-Elektrode 350 auf
einem Dielektrikum 352. Die Gate-Elektrode 350 ist
mit einer Steuerungsleitung 354 verbunden und das Source-Gebiet 348 mit
einer Potenzialleitung 356.
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Durch Einschalten des Transistors 346 über die
Steuerungsleitung 354 kann über die Potenzialleitung 356 und
die Leitung 342 ein bestimmtes elektrisches Potenzial an
die Gate-Elektrode 314 des Feldeffekt-Sensors 304 angelegt
werden. Hierüber lassen
sich Interaktionsparameter, insbesondere Hybridisierungsparameter,
mit Bezug auf die Messlösung
festlegen. Ferner kann durch Anlegen eines geeigneten Potenzials
an die Gate-Elektrode 314 auch eine Elektrofokussierung
durchgeführt
werden. Entsprechende Verfahren zur Einstellung von Hybridisierungsparametern
und zur Elektrofokussierung sind an sich aus dem Stand der Technik
bekannt, vergleiche insbesondere US-Patent Nr. 5,849,846 und US-Patent
Nr. 6,017,696.
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Die Steuerung des Potentials der
Gate-Elektrode 314 über
den Transistor 346 kann z.B. wie folgt verwendet werden:
Zunächst
werden die Sensorflächen
mit Fängern
bestückt,
wobei die Fänger
kovalente Bindungen mit einem Linker auf den Sensorflächen eingehen.
Wenn die Fänger
z.B. eine negative Ladung aufweisen, so wird an die Gate-Elektrode 314 ein
ebenfalls negatives Potential angelegt. Dadurch werden die kovalent
gebundenen Fänger
abgestoßen
und stehen im wesentlichen senkrecht von den Sensorflächen ab.
In dieser Position können
sich in der Messlösung
nachzuweisende Biomoleküle
besonders gut an die Fänger
anlagern. Nach einem für die
Hybridisierung ausreichendem Zeitraum wird ein positives Potential
an die Gate-Elektrode 314 angelegt, so dass die hybridisierten
Moleküle
an die Sensorflächen
gezogen werden und sich dort dicht an die Sensoroberflächen anlagern.
Aufgrund dessen hat die angelagerte Ladung einen besonders starken Einfluss
auf das Kanal-Gebiet 310, so dass sich die Empfindlichkeit
erhöht.
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Die 4 zeigt
eine der 2 entsprechende
integrierte elektronische Schaltung 300 mit einer Matrix
der integrierten elektronischen Schaltungen der 3. Einander entsprechende Elemente wurden
wiederum mit ähnlichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Im Unterschied zu der Ausführungsform
der 2 sind in der Ausführungsform
der 4 für jeden
integrierten elektronischen Schaltkreis 300, 402 bis 416 zwei
Wort-Leitungs-/Bit-Leitungs-Paare vorhanden. Mit dem einem Wort-Leitungs-/Bit-Leitungs-Paar
wird ein Feldeffekt-Sensor ausgewählt, um dessen Leitungszustand
zu bestimmen.
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Mit dem anderen Wort-Leitungs-/Bit-Leitungs-Paar
wird dagegen ein Feldeffekt-Sensor
ausgewählt,
um dessen elektrisches Potenzial einzustellen, beispielsweise für die Zwecke
der Einstellung der Hybridisierungsparameter oder zur Durchführung einer
Elektrofokussierung. Beispielsweise erfolgt die Messung des Leitungszustandes
des Feldeffekt-Sensors der integrierten elektronischen Schaltung 408 über die
Wort-Leitung 418 und die Bit-Leitung 422. Dagegen
erfolgt die Einstellung des elektrischen Potenzials der Gate-Elektrode
des Feldeffekt-Sensors der integrierten elektronischen Schaltung 408 über die
Wort-Leitung 438 und
die Bit-Leitung 442. Entsprechendes gilt für die weiteren
integrierten elektronischen Schaltungen der Matrix.
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Vorzugsweise hat die Steuerung 432 einen externen
Eingang zur Festlegung eines Betriebszustand mit Bezug auf eine über den
Adresspuffer 430 eingegebene Adresse. Über die Spezifizierung des Betriebszustands
kann festgelegt werden, ob eine Adresse zur Messung des Leitungszustandes
oder zur Einstellung eines bestimmten elektrischen Potenzials an
einer über
die Adresse ausgewählten Gate-Elektrode
eines Feldeffekt-Sensors eingegeben wurde. Alternativ kann eine
Messsequenz bzw. eine Sequenz zur Einstellung von Hybridisierungsparametern
oder zur Elektrofokussierung durch ein oder mehrere in dem Programmspeicher 436 befindliche
Programme festgelegt werden.
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Die 5 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer integrierten elektronischen Schaltung 500. Elemente
der 5, die Elementen
der 3 entsprechen, sind
mit ähnlichen
Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei jeweils 200 hinzuaddiert wurde.
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Im Bereich der Detektionselektrode 540 befindet
sich an der Gate-Elektrode 514 eine weitere Elektrode 558.
Diese kann die Detektionselektrode 540 beispielsweise ring-
oder rechteckförmig
umgeben, je nach der Form der DetektiAonselektrode 540.
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Anstelle einer einzelnen weiteren
Elektrode 558 können
auch zwei Elektroden vorgesehen sein, die dann als Anode und Kathode
zur Anregung einer elektrochemischen Reaktion dienen können. Wenn nur
eine weitere Elektrode 558 vorhanden ist, fungiert die
Messlösung
als Gegenelektrode.
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Die Elektrode 558 ist mit
einer Leitung 560 mit dem Drain-Gebiet 544 des
Transistors 546 verbunden. Wenn der Transistor 546 über die
Steuerungsleitung 554 eingeschaltet wird, kann über die Potenzial-Leitung 556 und
die Leitung 560 eine elektrische Spannung an die Elektrode 558 angelegt
werden. Auf diese Art und Weise kann eine elektrochemische Reaktion
in der Messlösung
angeregt werden.
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Hierbei kann es sich beispielsweise
um Redox- oder Charge-Transferreaktionen
handeln. Solche Reaktionen können
verwendet werden, um z. B. in-situ Fängermoleküle auf der Detektionselektrode 540 zu
synthetisieren. Insbesondere können
Schutzgruppen von Molekülen
schrittweise abgespalten werden, um ein DNA-Fängermolekül zu synthetisieren. Alternativ
kann elektrochemisch die Schutzgruppe eines Linkers abgespalten
werden, um ein Fängermolekül anzulagern.
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Beispielsweise kann sich an der Detektionselektrode 540 ein
Linker befinden, insbesondere ein Monomer mit einer Schutzgruppe.
Durch Anlegung einer Spannung an die Elektrode 558 wird
durch eine elektrochemische Reaktion die Entfernung einer Schutzgruppe
ausgelöst..
Dadurch kann ein in der Messlösung
befindliches Monomer eine Verbindung mit dem Monomer an der Detektionselektrode 540, dessen
Schutzgruppe elektrochemisch entfernt worden ist, eingehen, sodass
es zu einer Verkettung der Monomere kommt. Das verkettete Monomer
hat seinerseits an einem Ende ebenfalls eine Schutzgruppe, die wiederum
durch Anlegung eines entsprechenden Potenzials an der Elektrode 558 elektrochemisch
entfernt werden kann, sodass es zu einer weiteren Verkettung kommt,
usw. Auf diese Art und Weise lässt
sich also ein gewünschtes
Fängermolekül durch
schrittweise Verkettung von Monomeren in-situ an der Detektionselektrode 540 synthetisieren.
Zum schrittweisen Aufbau des Fängermoleküls werden die
miteinander verketteten Monomere an der Detektionselektrode vorzugsweise
kovalent oder auch elektrostatisch immobilisiert.
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Integrierte elektronische Schaltungen
des Typs der integrierten Schaltung 500 der 5 können entsprechend der Ausführungsformen
der 2 und 4 matrixförmig angeordnet werden, um
einen wahlfreien Zugriff auf einzelne der Feldeffekt-Sensoren zur
Messung des Leitungszustands oder zur Anregung einer elektrochemischen
Reaktion durchzuführen.
Die Anlegung einer Signalsequenz an die Elektrode 558 kann
dabei programmgesteuert erfolgen, um automatisch die erforderlichen
Fängermoleküle an den
Detektionselektroden zu synthetisieren.
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Ferner ist es auch möglich die
Ausführungsformen
der 3 und 5 miteinander zu kombinieren,
wenn für
jeden Feldeffekt-Sensor drei Wort-/Binde-Leitungspaare vorhanden sind. In diesem
Fall gibt es für
jede integrierte elektronische Schaltung der Matrix drei Betriebszustände:
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- (i) Messung des Leitungszustands des Feldeffekt-Sensors,
- (ii) Anlegung eines Potenzial an die Gate-Elektrode des Feldeffekt-Sensors
zur Einstellung von Hybridisierungsparametern oder zur Elektrofokussierung
oder
- (iii) Anregung einer elektrochemischen Reaktion, insbesondere
zur in situ-Synthese
von Fängermolekülen.
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Anstatt für jeden der Transistoren ein
eigenes Wort/Bitleitungspaar vorzusehen, ist es auch möglich eine
einzelne Matrix von Wort/Bitleitungen zu multiplexen, wobei über die
Eingabe des Betriebszustand der jeweilige Transistor des adressierten Feldeffekt-Sensors
ausgewählt
wird.
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Die 6 zeigt
ein entsprechendes Flussdiagramm zum Nachweis von Biomolekülen mittels
eines erfindungsgemäßen Sensors.
In dem Schritt 600 werden die Feldeffekt-Sensoren der Sensor-Matrix mit
Fängermolekülen bestückt. Dies
kann beispielsweise durch Mikropipettierung erfolgen. Alternativ kann
auch eine photo-chemische in situ-Synthese auf den einzelnen Feldeffekt-Sensoren
erfolgen. Eine solche photo-chemische in situ-Synthetisierung ist
an sich bekannt aus US-Patent Nr. 5,143,854, 5,384,261, 5,424,186,
5,445,934 und 6,922,963.
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Danach wird in dem Schritt 602 eine
Messlösung
auf die Sensor-Matrix aufgebracht. Daraufhin werden in dem Schritt
604 für
die einzelnen Sensoren der Sensor-Matrix die Interaktionsparameter
mit der Mess-Lösung
eingestellt. Dies kann durch wahlfreien Zugriff auf die Sensoren
erfolgen.
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In dem Schritt 606 wird ein Leitungszustand der
einzelnen Sensoren der Sensor-Matrix abgefragt. Hierzu wird beispielsweise
eine Impedanz-Messung des jeweiligen Kanal-Gebiets durchgeführt. Auch
diese Messung kann durch wahlfreien Zugriff auf die einzelnen Sensoren
erfolgen. Der Schritt 606 kann mehrfach durchgeführt werden, um einen zeitlichen Verlauf
der Impedanz der Kanal-Gebiete
abzutasten. Aus einem solchen zeitlichen Verlauf lassen sich analytische
Rückschlüsse ziehen.
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Die 7 zeigt
eine alternative Ausführungsform
des Verfahrens der 6.
Im Unterschied zu dem Verfahren der 6 erfolgt
in dem Schritt 700 eine elektrochemische in situ-Synthese von Fängermolekülen. Dies
erfolgt über
eine entsprechende Ansteuerung der Elektroden (vergleiche Elektrode 558 der 5) der Feldeffekt-Sensoren.
Von Vorteil ist bei dieser Ausführungsform,
dass die Sensorflächen
sehr viel kleiner gewählt
werden können
als bei einer Aufbringung der Fängermolekühle durch
Mikrodosierung oder Mikropipettierung. Insbesondere wird es hierdurch
möglich,
eine Sensor-Matrix mit z.B. über
10 000 Feldeffekt-Sensoren und einer entsprechenden Anzahl unterschiedlicher
Fängermoleküle zu realisieren.
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Die weiteren Schritte 702 bis 706
laufen im Prinzip gleich ab wie die entsprechenden Schritte 602
bis 606 der 6.
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- 100
- integrierte
elektronische Schaltung
- 102
- Substrat
- 104
- Feldeffekt-Sensor
- 106
- Source-Gebiet
- 108
- Drain-Gebiet
- 110
- Kanal-Gebiet
- 112
- Dielektrikum
- 114
- Gate-Elektrode
- 116
- Transistor
- 118
- Source-Gebiet
- 120
- Drain-Gebiet
- 122
- Kanal-Gebiet
- 124
- Dielektrikum
- 126
- Gate-Elektrode
- 128
- Leitung
- 130
- Steuerungsleitung,
Wortleitung
- 132
- Messleitung,
Bit-Leitung
- 134
- Oberfläche
- 200
- integrierte
elektronische Schaltung
- 202
- integrierte
elektronische Schaltung
- 204
- integrierte
elektronische Schaltung
- 206
- integrierte
elektronische Schaltung
- 208
- integrierte
elektronische Schaltung
- 210
- integrierte
elektronische Schaltung
- 212
- integrierte
elektronische Schaltung
- 214
- integrierte
elektronische Schaltung
- 216
- integrierte
elektronische Schaltung
- 218
- Wortleitung
- 220
- Wortleitung
- 222
- Bit-Leitung
- 224
- Bit-Leitung
- 226
- Treiber
- 228
- Treiber
und Messverstärker
- 230
- Adresspuffer
- 232
- Steuerung
- 234
- Datenpuffer
- 236
- Programmspeicher
- 300
- integrierte
elektronische Schaltung
- 302
- Substrat
- 304
- Feldeffekt-Sensor
- 306
- Source-Gebiet
- 308
- Drain-Gebiet
- 310
- Kanal-Gebiet
- 312
- Dielektrikum
- 314
- Gate-Elektrode
- 316
- Transistor
- 318
- Source-Gebiet
- 320
- Drain-Gebiet
- 322
- Kanal-Gebiet
- 324
- Dielektrikum
- 326
- Gate-Elektrode
- 328
- Leitung
- 330
- Wortleitung
- 332
- Bit-Leitung
- 336
- Elektrodenbereich
- 338
- Elektrodenbereich
- 340
- Detektorenelektrode
- 342
- Leitung
- 344
- Drain-Gebiet
- 346
- Transistor
- 348
- Source-Gebiet
- 350
- Gate-Elektrode
- 352
- Dielektrikum
- 354
- Steuerungsleitung
- 356
- Potenzialleitung
- 400
- integrierte
elektronische Schaltung
- 402
- integrierte
elektronische Schaltung
- 404
- integrierte
elektronische Schaltung
- 406
- integrierte
elektronische Schaltung
- 408
- integrierte
elektronische Schaltung
- 410
- integrierte
elektronische Schaltung
- 412
- integrierte
elektronische Schaltung
- 414
- integrierte
elektronische Schaltung
- 416
- integrierte
elektronische Schaltung
- 418
- Wort-Leitung
- 420
- Wort-Leitung
- 422
- Bit-Leitung
- 424
- Bit-Leitung
- 426
- Treiber
- 428
- Treiber
und Messverstärker
- 430
- Adresspuffer
- 432
- Steuerung
- 434
- Datenpuffer
- 436
- Programmspeicher
- 438
- Wortleitung
- 440
- Wortleitung
- 442
- Bit-Leitung
- 444
- Bit-Leitung
- 500
- integrierte
elektronische Schaltung
- 502
- Substrat
- 504
- Feldeffekt-Sensor
- 506
- Source-Gebiet
- 508
- Drain-Gebiet
- 512
- Dielektrikum
- 514
- Gate-Elektrode
- 516
- Transistor
- 518
- Source-Gebiet
- 520
- Drain-Gebiet
- 524
- Dielektrikum
- 526
- Gate-Elektrode
- 528
- Leitung
- 530
- Steuerungsleitung
- 532
- Messleitung
- 536
- Elektrodenbereich
- 548
- Source-Gebiet
- 550
- Gate-Elektrode
- 552
- Dielektrikum
- 554
- Steuerungsleitung
- 556
- Potenzialleitung
- 558
- Elektrode
- 560
- Leitung