DE10257604A1

DE10257604A1 - Kapazitiver Nachweis von gebundenen Molekülen

Info

Publication number: DE10257604A1
Application number: DE2002157604
Authority: DE
Inventors: Ralph Dr. Müller
Original assignee: Axaron Bioscience AG
Current assignee: Sygnis Pharma AG
Priority date: 2002-12-09
Filing date: 2002-12-09
Publication date: 2004-07-22
Also published as: WO2004052528A1; AU2003289985A1

Abstract

Für den Nachweis von Molekülen in einer Lösung wird zunächst ein Biochip (20) gewählt, an den die nachzuweisenden Moleküle binden können. Für den Biochip wird ein elektrisch leitendes Substrat (24) gewählt. Zusätzlich wird ein elektrisch leitendes Array (32) von Elektroden (36) benötigt. Das Elektrodenarray ist in seiner räumlichen Anordnung zu den Spots des Biochips komplementär. Durch jeweils eine Elektrode und einen Spot kann ein Mikrokondensator gebildet werden. Das Elektrodenarray wird nach der Bindungsreaktion auf den Biochip aufgesetzt, wodurch Mikrokondensatoren mit einem minimalen Abstand von Elektrode und Gegenelektrode gebildet werden. Mit Hilfe dieser Mikrokondensatoren wird über eine Änderung der Dielektrizität des Raums im jeweiligen Kondensator bestimmt, ob Moleküle an den betreffenden Spot gebunden haben.

Description

Gebiet der Erfindung:
In zunehmendem Maße werden Biochips für Analysen im Bereich der Medizin, Genomforschung oder Lebensmittelanalytik eingesetzt. Die Biochips bestehen in der Regel aus einem Objektträger, auf dem in getrennten Spots unterschiedliche Arten von DNA- oder RNA-Oligonukleotiden, Peptiden, Proteinen, Enzymen, etc. immobilisiert sind. Die Spots sind in Form eines Rasters oder Arrays angeordnet, weshalb die Biochips allgemein auch als Microarrays bezeichnet werden. Mit Hilfe dieser Biochips werden beispielsweise Hybridisierungsassays, z. B. Transkriptionsanalysen, durchgeführt, in der Regel mit Hilfe geeignet markierter, etwa fluoreszenzmarkierter Proben. Microarrays sind allgemein für das Studium von Affinitätsreaktionen geeignet.
Stand der Technik:
Neben den fluoreszenzspektroskopischen Ausleseverfahren für Biochips sind noch weitere Ausleseverfahren bekannt, u. a. Ausleseverfahren, die auf Prinzipien der Elektrotechnik zurückgreifen, also etwa eine Impedanz messen, elektrochemische Parameter bestimmen oder auf Voltametrie oder Polarometrie basieren. Auch sind in einer Reihe von Schriften Nachweisverfahren geschildert, die auf der Messung einer Kapazität beruhen (siehe beispielsweise US 6,440,662 , WO 97/34140, WO 00/62047, US 4,072,576 , US 5,114,674 , WO 87/03095). Die meisten dieser Lösungen haben sich jedoch als wenig praktikabel erwiesen.
Aufgabe:
Aufgabe der Erfindung ist es, den parallelen Nachweis einer Vielzahl von unterschiedlichen Biomolekülen zu vereinfachen.
Lösung:
Diese Aufgabe wird durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die nachzuweisenden Moleküle können jegliche chemische Substanzen sein, z. B. aus der kombinatorischen Chemie oder aus einer Substanzbibliothek für das Wirkstoffscreening. In der Regel sind es Biomoleküle von der Art, wie sie eingangs erwähnt wurden, also DNA, RNA, PNA, Proteine, Enzyme, Peptide, Tumormarker, usw. Diese Moleküle liegen in der Regel in Lösung vor. Möglich ist jedoch auch der Nachweis anderer Moleküle z. B. aus der Gasphase. Daher wird unter einem Fluid allgemein ein fließfähiger Stoff, insbesondere ein Gas oder eine Flüssigkeit verstanden.
Erfindungsgemäß werden auf der Oberseite eines Substrats auf vorgegebenen Spots Moleküle fixiert, an die die nachzuweisenden Moleküle binden können. Ein solches System wird üblicherweise Biochip genannt. Dies kann auf einem flachen Substrat oder auf einem Substrat mit einer Vielzahl von Wells erfolgen. Ein Well ist typischerweise eine abgeschlossene Vertiefung, ein kleiner Topf in einem Array, wie man sie in Mikro- oder Nanotiterplatten findet.
Für das Substrat wird ein elektrisch leitendes Material gewählt, damit in geeigneter Weise die weiter unten beschriebenen Kondensatoren gebildet werden können. Beispielsweise kann das Substrat aus einem geeignet dotierten Halbleitermaterial gebildet werden, das auch die Möglichkeit der Mikrostrukturierung mit den üblichen Mitteln bietet.
Zusätzlich wird ein elektrisch leitendes Array von Elektroden gewählt, dessen Elektroden derart ausgebildet sind, dass sie dann im wesentlichen über den Spots des Biochips angeordnet sind, wenn das Elektrodenarray in geeigneter Position (komplementäre Lage) an die Oberseite des Biochips herangeführt wird, wodurch durch jeweils eine Elektrode und einen Spot des Biochips als eine Gegenelektrode ein Kondensator gebildet wird, wobei der Kondensator eine Kapazität und der Raum zwischen Elektrode und Spot eine Dielektrizität hat.
In der Regel werden die Elektroden durch Mikrostrukturierung jeweils einzeln erhaben auf einem Substrat ausgebildet. Dabei wird das Substrat in integrierter Schaltungstechnik derart ausgebildet, dass die Elektroden individuell mit Spannungen beaufschlagbar sind.
Es ist jedoch auch möglich, die Elektroden in einem flachen Substrat lediglich als individuell mit Spannungen beaufschlagbare räumliche Bereiche auszubilden.
Die Elektroden können auch durch Influenz erzeugt werden, wenn die Gegenelektrode mit Spannung beaufschlagt wird. Es genügt, eine Seite eines Kondensators mit elektrischer Spannung anzusteuern; auf der gegenüberliegenden Seite bildet sich durch Influenz eine Gegenelektrode, sofern die gegenüberliegende Seite elektrisch leitend ist. Diese arbeitet dann als Massenelektrode. Ob die beschichtete Seite angesteuert wird oder die unbeschichtete – was aus praktischen Gründen die Regel sein wird – oder beide Seiten ist unerheblich.
Ob die nachzuweisenden Moleküle auf der Elektrode oder der Gegenelektrode gebunden sind, auf dem elektrisch individuell ansteuerbaren Element oder nicht, auf erhabenen oder vertieften mikrostrukturierten Elementen, in Wells oder auf einem flachen Substrat, ist letztlich gleich. Begrifflich, jedoch nicht baulich, wird derjenige Teil, auf dem Moleküle gebunden sind, als Biochip, der andere als Elektrodenarray bezeichnet. Denkbar ist auch ein System, bei dem das Elektrodenarray gleichzeitig als Biochip fungiert, etwa wenn einem solchen System lediglich noch eine leitende Platte gegenüber steht.
Ist das System solcherart vorbereitet, wird das Fluid mit den nachzuweisenden Molekülen mit der Oberseite des Biochips in Kontakt gebracht. Dadurch kommt es zur Bindung der nachzuweisenden Moleküle, sofern diese im Fluid vorhanden sind und die physiko-chemischen Randbedingungen für die Bindungsreaktion eingehalten wurden.
Es folgt der eigentliche kapazitive Nachweis der Moleküle. Dazu werden das Elektrodenarray und die Oberseite des Biochips in komplementärer Lage einander angenähert. Typischerweise wird der Biochip Wells aufweisen und die Elektroden werden als kleine Säulen aus dem Elektrodenarray vorspringen. In diesem üblichen Fall werden in komplementärer Lage die Elektroden in die Wells gesenkt bis sie nahezu den Boden der Wells berühren. Dadurch besteht nur ein minimaler Abstand zwischen Elektrode und Gegenelektrode des Kondensators. Dieser Abstand kann weniger als 1 μm betragen, beispielsweise 50 nm.
Die Kapazität C eines Kondensators berechnet sich im lehrbuchmäßigen Fall des Plattenkondensators gemäß der Formel
wobei ε die Dielektrizitätskonstante des Stoffs zwischen den Kondenstorplatten ist, ε₀ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums, A die Fläche der beiden sich gegenüberstehenden Platten und d der Abstand der Platten ist.
Da die Kapazität eines Kondensators invers proportional zum Abstand der beiden Elektroden ist, ergibt sich für den erfindungsgemäßen Nachweis eine extrem hohe Kapazität. Dies wiederum führt zu einer extrem hohen Empfindlichkeit beim Nachweis von Änderungen der Dielektrizitätskonstante des Raums zwischen den beiden Elektroden. Die Dielektrizitätskonstante ändert sich, wenn im Raum zwischen den Elektroden Moleküle gebunden werden. Das sehr nahe Zusammenführen der beiden Elektroden bewirkt somit eine hohe Empfindlichkeit beim kapazitiven Nachweis von gebundenen Molekülen. Die Empfindlichkeit reicht für den Nachweis einiger weniger gebundener Moleküle aus.
Zum kapazitiven Nachweis wird eine Änderung der Kapazität und/oder der Dielektrizität des Zwischenraums der individuellen Kondensatoren gegenüber mindestens einem Vergleichsstandard bestimmt. Die Bestimmung der Änderung der Kapazität und/oder der Dielektrizität kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.
Hierzu kann beispielsweise die Kapazität bei einem vorgegebenen Abstand bestimmt werden. Dann kann aus der Kapazität auf die Dielektrizität bzw. deren Änderung geschlossen werden. Auch ist es möglich, die Kapazität als Funktion des Abstands der Elektrode und des Spots zu verfolgen. Es gibt dann unterschiedliche Möglichkeiten der Auswertung der erhaltenen Funktion. In dem extremen Fall, dass die Elektrode die gebundenen Moleküle berührt und mechanisch komprimiert, wird es beispielsweise zu einer Abweichung von der 1/d-Abhängigkeit der Kapazität vom Abstand kommen.
In der Regel wird bei der Messung die Differenz oder der Quotient zu einer Referenz betrachtet. Als Referenz bzw. Vergleichsstandard bieten sich z. B. Messungen vor dem Zuführen des Fluids oder auch Messungen an Spots an, die nicht beschichtet sind und daher keine Moleküle spezifisch aus dem Fluid binden. Als Referenz kann auch ein Well dienen, der geschlossen ist und nicht mit der Probe in Berührung kommt. Er bietet somit stets gleich bleibende Bedingungen insbesondere hinsichtlich der Dielektrizität des ihn füllenden Stoffs.
Es kann auch nützlich sein, Referenzen für bestimmte Abstände auszubilden. Dies kann durch geeignete Erhebungen oder Vertiefungen auf dem Substrat des Biochips oder des Elektrodenarrays erfolgen.
Um eine Vielzahl verschiedener Moleküle nachweisen zu können, wird üblicherweise auf jeden Spot eine andere Art von Molekülen fixiert, die spezifisch eine bestimmte Art von Molekülen aus dem Fluid bindet. Zum differenzierten Nachweis aller dieser verschiedenen Arten von Molekülen muss jeder aus Elektrode und Spot gebildete Kondensator individuell ausgelesen werden. Dazu ist das Elektrodenarray elektronisch geeignet auszulegen, so dass jede Elektrode einzeln angesteuert werden kann für eine sequentielle oder parallele Auslesung. Es ist nicht nötig, dass auch das leitende Substrat des Biochips eine individuelle Adressierung aufweist. Gegenüber der mit Spannung beaufschlagten Elektrode bildet sich im leitenden Substrat durch Influenz eine lokalisierte Gegenelektrode aus. Die Spannung zwischen Elektrode und dieser durch Influenz entstandenen Gegenelektrode kann zwischen Elektrode und dem Substrat als Masse gemessen werden. Daraus kann auf die Kapazität bzw. die Dielektrizität des Zwischenraums geschlossen werden.
Da jedes System aus Spot und Elektrode einen kleinen Kondensator bildet, erhält man insgesamt einen Array aus Mikrokondensatoren. Die erhaltenen Kapazitäten können bei entsprechender Darstellung als Array in Form eines kapazitiven Bildes ausgegeben werden. Das Auslesen des Chips besteht dann im Auslesen des kapazitiven Bildes.
Aus der bei der jeweiligen Messung bestimmten Änderung wird ermittelt, ob nachzuweisende Moleküle an einzelne Spots des Biochips gebunden sind.
Wird ein Substrat gewählt, welches ein Array von Erhöhungen und Vertiefungen aufweist, und zusätzlich ein Elektrodenarray, das ein zu den Vertiefungen komplementäres Array von vorspringenden Elektroden aufweist, die in komplementärer Lage in die Vertiefungen des Substrats eingeführt werden können, so führt dies in jedem der einzelnen Kondensatoren zu einer starken Konzentration des sich aufbauenden elektrischen Feldes allein auf diesen Kondensator, ohne dass es ein nennenswertes Übersprechen oder Streufelder hin zu anderen Kondensatoren gibt.
Auf einem flachen Biochip existieren zwischen den Spots, auf denen Bindungsmoleküle immobilisiert sind, Räume von der Dimensionen der Spots. Typische Werte für die Größe dieser Spots sind beispielsweise 100 μm. Da die Bindungsreaktionen mit den nachzuweisenden Molekülen diffusionslimitiert verlaufen, liegen die typischen Längen, jenseits derer es zu keiner Bindung mehr kommt, im Bereich von 10 um für die üblicherweise für den Nachweis zur Verfügung stehende Zeit. Das heißt große Teile der Zwischenräume zwischen den Spots bleiben ungenutzt. Es bietet sich daher an, diese Räume teilweise mit Erhöhungen oder kleine Säulen auszunutzen. Dies hat mehrere Vorteile:
Zum einen werden damit die ohnehin für die Nachweisreaktion nicht zu nutzenden Zwischenräume zwischen den Spots mit Material gefüllt, das das für den Nachweis benutzte Fluid verdrängt. Es wird dann weniger Fluid für den Nachweis benötigt.
Zum anderen bildet sich dadurch ein System von Erhöhungen und Vertiefungen, ähnlich den Wells einer üblichen Mikrotiterplatte. Im Gegensatz zu den üblichen Wells kommunizieren jedoch die gebildeten Vertiefungen derart miteinander, dass ein Fluid frei zwischen ihnen fließen kann. Es handelt sich somit nicht um Wells im eigentlichen Sinne, sondern eher um so genannte Pseudowells.
Durch einen solchen Biochip kann schließlich ein Fluid auch vollständig fließen, ohne dass das Fluid in jede Vertiefung einzelnen pipettiert werden muss. Aufgrund der geringen räumlichen Dimensionen, die die Säulen und Vertiefungen in einem solchen Biochip üblicherweise haben, verteilt sich eine Flüssigkeit aufgrund von Kapillarkräften selbstständig und durch die Rastersieb-artige Struktur gleichmäßig über den Biochip.
Zwischen Biochip und Elektrodenarray kann ein Deckglas, vorzugsweise jedoch eine elektrisch isolierende Folie angeordnet werden. Als Material für die Folie sollte ein Material mit einer Dielektrizitätskonstante nahe 1 gewählt werden, damit die Messung der Kapazität bzw. Dielektrizität durch die Folie möglichst nicht beeinflusst wird. Auch sollte die Folie möglichst dünn sein, damit der Abstand zwischen Elektrode und Gegenelektrode des Kondensators durch die Folie nicht unnötig vergrößert wird, wodurch die Empfindlichkeit des Nachweises abnehmen würde. Die Folie sollte eine Dicke im Bereich von 50 bis 500 nm haben.
Die Anordnung der Folie zwischen Biochip und Elektrodenarray hat eine Reihe von Vorteilen.
Wird ein Biochip mit Pseudowells durch eine solche Folie abgedeckt, so verteilt sich eine Flüssigkeit bei lateralem Auftrag durch Kapillarkräfte noch leichter über den ganzen Biochip. Auch kann ein solcher Chip leicht vollständig gespült und getrocknet werden.
Zusätzlich isoliert eine solche Folie den Biochip und das Elektrodenarray elektrisch voneinander, sodass es nicht zu Kurzschlüssen in einem der Kondensatoren kommen kann.
Die Folie bewirkt auch, dass das Elektrodenarray bei der Messung nicht kontaminiert wird. Damit wird in einem solchen System i. d. R. das in Halbleiter-Technik ausgebildete Elektrodenarray wiederverwendet und der Biochip als Verbrauchsartikel ausgelegt.
Der Biochip und/oder das Elektrodenarray können auch mit einem elektrisch isolierenden Film beschichtet werden. Für eine solche Beschichtung bietet sich beispielsweise Nitrozellulose an. Eine Beschichtung des Biochips und/oder des Elektrodenarrays mit Nitrozellulose bietet eine Vielzahl von Vorteilen.
Nitrozellulose ist elektrisch isolierend. Sie verhindert somit Kurzschlüsse zwischen Biochip und Elektrodenarray.
Ferner erlaubt eine Beschichtung des Biochips mit Nitrozellulose eine Bindung von DNA-Molekülen an den Biochip in sehr einfacher Weise. Auf Nitrozellulose kann DNA mittels Bestrahlung mit UV-Licht gebunden werden (sog. UV-Vernetzung). Nitrozellulose selbst ist ein Geflecht. Durch W-Bestrahlung kommt es zu chemischen Bindungen zwischen dem Backbone der DNA und der Nitrozellulose. Dazu kann die zu bindende DNA in einem Puffer gelöst auf die Nitrozellulose aufgebracht werden. Die solcherart gebundene DNA liegt flach auf der Nitrozellulose-Beschichtung auf. Bei der Hybridisierung eines komplementären DNA-Strangs kommt es infolgedessen zu einer idealen Ausrichtung der Dipolmomente der Basenpaarungen, nämlich senkrecht zur Oberfläche des Spots, parallel zu den elektrischen Feldlinien zwischen den Elektroden der Kapazitätsmessung. Es ergibt sich dadurch eine maximale Dielektrizitätskonstante der gebundenen Moleküle.
Die Nitrozellulose kann nach Vorbereitung der Oberflächen mit Mitteln der Silan-Chemie mit hohem Druck und in geringen Mengen aufgesprüht werden. Dazu wird eine geringe Menge Nitrozellulose, weniger als 1 μl, einem trockenen Stickstoffstrahl beigemengt. Es ergeben sich dadurch Schichtdicken von weniger als 10 nm, typischerweise zwischen 1 und 100 nm. Die solcherart gebildeten Schichten sind sehr gut auf dem Untergrund fixiert.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren schematisch dargestellt sind. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche Elemente. Im Einzelnen zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines zur Ausführung der Erfindung geeigneten Biochips;
2 eine schematische Darstellung eines Silizium-Wafers mit einem Säulenarray;
3 eine schematische Darstellung eines Biochips mit einer darauf liegenden Folie; und
4 eine schematische Darstellung des kapazitiven Nachweises.
1 zeigt im oberen rechten Teil ein Array 10 von Spots 12, auf denen Moleküle immobilisiert sind, die die nachzuweisenden Moleküle selektiv aus einer Lösung binden können.
Im mittleren Bereich der 1 ist ein Array 14 von rechteckigen Säulen 16 dargestellt. Zwischen den Säulen 16 befinden sich die eingangs geschilderten Pseudowells 18, die derart miteinander kommunizieren, dass die Lösung mit den nachzuweisenden Molekülen oder eine Spülflüssigkeit frei zwischen ihnen fließen kann.
Im unteren rechten Bereich ist der fertige Biochip 20 abgebildet. Er entsteht dadurch, dass in die Pseudowells 18 des Säulenarrays 14 die Spots 12 gesetzt werden. Das Spotten kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, beispielsweise photolithographisch. Vorzugsweise erfolgt der Spotten für alle Spots 12 gleichzeitig mit Hilfe eines Stempels, der eine Vielzahl von vorspringenden Kapillaren aufweist. Jede dieser vorspringenden Kapillaren steht in Verbindung mit einem Reservoir für die in den jeweiligen Spot 12 aufzubringenden Moleküle. Ein derartiger Stempel kann u. a. mit Hilfe von Mikrostrukturierungsverfahren hergestellt werden.
2 zeigt einen Silizium-Wafer 22 mit einem leitend dotierten Silizium-Substrat 24. Die Stärke des Silizium-Wafers 22 beträgt 675 μm einschließlich der Säulen 16. Die Säulen 16 haben eine Höhe von 10 μm. Die Säulen 16 haben einen Abstand von Säulenmittelpunkt zu Säulenmittelpunkt von vorzugsweise 300 μm zum nächsten Nachbarn, gemessen parallel zu den Kanten des gesamten Arrays 14. Die Säulendiagonale ist in jedem Fall kleiner als der Abstand, also kleiner als 300 μm, da ansonsten das freie Fließen von Lösungen zwischen den Pseudowells 18 nicht möglich wäre. Typische Kantenlängen der Säulen 16 sind 10 μm, 100 μm, 230 μm oder 280 μm. Die Säulen werden auf dem Silizium-Wafer 22 mit Hilfe von Mikrostrukturierungsverfahren präpariert.
3 zeigt den Biochip 20 mit den darauf präparierten Säulen 16. Auf dem Biochip 20 liegt eine Folie 26. Die Folie ist elektrisch isolierend und hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 50 und 500 nm. Denkbar ist auch eine Dicke von einem oder wenigen Mikrometern. Um die weiter unten im Zusammenhang mit 4 deutlich werdende erforderliche Elastizität aufzuweisen, wird vorzugsweise eine Folie aus PET (Polyethylenterephthalat), PC (Polycarbonat), PEN (Polyethylennaphthalen), Silikonfolie oder PP (Polypropylen) verwendet. Links des Biochips 20 ist durch einen nach rechts weisenden Pfeil 28 angedeutet, dass die zu untersuchende Lösung auf einer Seite des mit der Folie 26 abgedeckten Biochips 20 lateral aufgebracht werden kann. Aufgrund von Kapillarkräften verteilt sich die Lösung selbstständig über den gesamten Biochip 20. Das schachbrettartige Muster der Säulen 16 bzw. des Säulenarrays 14 (wie es im mittleren Teil der 1 zu erkennen ist) hilft dabei, die Lösung weiter zu durchmischen. Die Lösung kann – wie es rechts des Biochips 20 durch den nach rechts weisenden Pfeil 30 angedeutet ist – leicht aus dem Biochip 20 wieder abgesaugt werden bzw. durch den Biochip 20 mit Druck durchgespült werden und durch eingeleiteten Stickstoff oder getrocknete Luft getrocknet werden.
4 veranschaulicht den eigentlichen kapazitiven Nachweis. In 4A, ist im oberen Bereich das Elektrodenarray 32 abgebildet. Es besteht aus einem elektrisch leitenden Halbleitersubstrat 34, auf dem pyramidenstumpfförmige Elektroden 36 ausgebildet sind. Die Elektroden 36 werden aus dem Substrat 34 mit Hilfe von Mikrostrukturierungsverfahren herausgebildet. Die Elektroden 36 werden vorzugsweise als Pyramidenstümpfe ausgeführt, um im Falle des Nachweises die ggf. vorhandene Folie 26 nicht zu zerreißen.
Das Elektrodenarray 32 hat eine Gesamthöhe von vorzugsweise 675 μm. Die Elektroden 36 selbst haben eine Höhe von 9 oder 10 μm. Das Substrat 34 enthält durch die Dotierung entsprechender Leiterbahnen und die Ausbildung von Schaltungen einen integrierten Schaltkreis, der es ermöglicht, jede Elektrode 36 einzelnen anzusteuern.
In 4A deutet der Pfeil 38 an, wie das Elektrodenarray 32 für die Kapazitätsmessung an den Biochip 20 herangeführt wird.
4B veranschaulicht die Positionierung des Elektrodenarrays 32 und des Biochips 20 während der Kapazitätsmessung. Die Elektroden 36 sind in die Pseudowells 18 eingesunken, so dass sich ein möglichst geringer Abstand zwischen Elektrode 36 und Boden des Pseudowells 18 ergibt. Wurde der Biochip 20 durch eine Folie 26 abgedeckt, so wird der Abstand zwischen der Elektrode 36 und dem Boden des Pseudowells 18 im wesentlichen durch die Dicke der Folie 26 bestimmt.
War das Fluid eine wässrige Lösung, so wird diese vor der kapazitiven Messung entfernt, da die Dielektrizitätskonstante von Wasser mit 81 die Messwerte aller anderen Stoffe überlagern würde. Der Biochip kann dazu zunächst getrocknet werden, beispielsweise mit Hilfe von Stickstoff. Alternativ können die Elektroden 36 und gegebenenfalls die Folie 26 derart gestaltet werden, dass sie für die Kapazitätsmessung unmittelbar auf dem Boden des Pseudowells 18 aufliegen und dadurch alle Reste der Lösung verdrängen. Dabei hilft die halboffene Struktur der Pseudowells.

10: Array von Spots 12
12: Spot mit immobilisierten Molekülen
14: Array von Säulen
16: Säule
18: Pseudowell
20: Biochip
22: Silizium-Wafer
24: Substrat des Silizium-Wafers
26: Folie
28: Lösungseinlassrichtung
30: Lösungsauslassrichtung
32: Elektrodenarray
34: Substrat des Elektrodenarrays 32
36: Elektrode
38: Bewegungsrichtung des Elektrodenarrays 32 für den
: kapazitiven Nachweis
WO: 87/03095
WO: 97/34140
WO: 00/62047
US: 4, 072, 576
US: 5,114,674
US: 6,440,662

Claims

Verfahren zum Nachweis von Molekülen in einem Fluid mit folgenden Schritten: a) auf der Oberseite eines Substrats (24) werden auf vorgegebenen Spots (12) Moleküle fixiert (Biochip, 20), an die die nachzuweisenden Moleküle binden können; b) für das Substrat (24) wird ein elektrisch leitendes Material gewählt; c) es wird ein elektrisch leitendes Array (32) von Elektroden gewählt, dessen Elektroden (36) derart ausgebildet sind, dass sie dann im wesentlichen über den Spots (12) des Biochips (20) angeordnet sind, wenn das Elektrodenarray (32) in geeigneter Position (komplementäre Lage) an die Oberseite des Biochips herangeführt wird, wodurch durch jeweils eine Elektrode (36) und einen Spot (12) des Biochips als eine Gegenelektrode ein Kondensator gebildet wird, wobei der Kondensator eine Kapazität und der Raum zwischen Elektrode und Spot eine Dielektrizität aufweist; d) das Fluid mit den nachzuweisenden Molekülen wird mit der Oberseite des Biochips (20) in Kontakt gebracht; e) das Elektrodenarray (32) und die Oberseite des Biochips (20) werden in komplementärer Lage einander angenähert; f) eine Änderung der Kapazität und/oder der Dielektrizität des Zwischenraums der individuellen Kondensatoren gegenüber mindestens einem Vergleichsstandard wird bestimmt; und g) aus der bestimmten Änderung wird ermittelt, ob nachzuweisende Moleküle an einzelne Spots des Biochips (20) gebunden sind.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat (24) gewählt wird, welches ein Array von Erhöhungen (16) und Vertiefungen (l8) aufweist; und dass ein Elektrodenarray (32) gewählt wird, das ein zu den Vertiefungen (18) komplementäres Array von vorspringenden Elektroden (36) aufweist, die in komplementärer Lage in die Vertiefungen (18) des Substrats (24) versenkt werden können.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (18) derart gewählt werden, dass sie miteinander kommunizieren und das Fluid frei zwischen ihnen fließen kann.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Biochip (20) und dem Elektrodenarray (32) eine elektrisch isolierende Folie (26) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Biochip (20) und/oder das Elektrodenarray (32) mit einem elektrisch isolierenden Film beschichtet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisch isolierender Film ein Film aus Nitrozellulose gewählt wird.
Anordnung zum Nachweis von Molekülen in einem Fluid: a) mit einem Substrat (24), auf dessen Oberseite auf vorgegebenen Spots (12) Moleküle fixiert sind (Biochip, 20), an die die nachzuweisenden Moleküle binden können, wobei das Substrat im wesentlichen aus einem elektrisch leitenden Material gebildet ist; und b) mit einem elektrisch leitenden Array (32) von Elektroden (36), dessen Elektroden derart ausgebildet sind, dass sie dann im wesentlichen über den Spots (12) des Biochips (20) angeordnet sind, wenn das Elektrodenarray (32) in geeigneter Position an die Oberseite des Biochips herangeführt wird; c) wobei das Elektrodenarray (32) derart ausgebildet ist, dass die Elektroden (36) des Elektrodenarrays individuell mit einer elektrischen Spannung beaufschlagbar sind.