DE10334097A1 - Biosensor mit einer Anordnung von mehreren Schichten und Verfahren zum Messen von Eigenschaften einer Testkomponente - Google Patents

Biosensor mit einer Anordnung von mehreren Schichten und Verfahren zum Messen von Eigenschaften einer Testkomponente Download PDF

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Michael Portwich
Prosper Dr. Hartig
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Charite Universitaetsmedizin Berlin
Helmholtz Zentrum Berlin fuer Materialien und Energie GmbH
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Charite Universitaetsmedizin Berlin
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07KPEPTIDES
    • C07K17/00Carrier-bound or immobilised peptides; Preparation thereof
    • C07K17/14Peptides being immobilised on, or in, an inorganic carrier

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Biosensor mit einer Anordnung von mehreren Schichten sowie ein Verfahren zum Messen von Eigenschaften einer Testkomponente mit dem Biosensor. Die Anordnung von mehreren Schichten umfaßt eine Halbleitersubstratschicht und eine benachbart zu der Halbleitersubstratschicht angeordnete Schicht mit einer biologisch aktiven Komponente. Es ist ein mit der Schicht mit der biologisch aktiven Komponente in Wirkverbindung stehender Wechselwirkungsabschnitt gebildet, in welchem eine Testsubstanz mit einer Testkomponente zum Wechselwirken mit der biologisch aktiven Komponente eingebracht werden kann. Darüber hinaus sind mindestens eine Anschlußelektrode, die mit dem Wechselwirkungsabschnitt elektrisch leitend verbunden ist, sowie eine weitere Anschlußelektrode, die mit der Halbleitersubstratschicht elektrisch leitend verbunden ist, vorgesehen, wobei mit Hilfe der mindestens einen Anschlußelektrode und der weiteren Anschlußelektrode Anschlußmittel zum Ankoppel an einen elektrischen Stromkreis gebildet sind, so daß zwischen der mindestens einen Anschlußelektrode und der weiteren Anschlußelektrode über die Anordnung der mehreren Schichten und den Wechselwirkungsabschnitt eine Leitfähigkeit, die sich infolge des Wechselwirkens der Testkomponente mit der biologisch aktiven Komponente gegebenenfalls ändert, abgegriffen werden kann.

Description

  • Die Erfindung liegt auf dem Gebiet von Biosensoren, die genutzt werden, um Eigenschaften einer Teskomponente zu messen.
  • Als Biosensor wird allgemein eine Anordnung bezeichnet, in der ein biologisch aktives Element/eine biologisch aktive Komponente, beispielsweise ein Protein, ein DNS-Abschnitt, ein Biomimetikum oder eine ganze Zelle, mit einem physikalischen Wandler (Transduktor) gekoppelt oder in diesen integriert ist. Mit Hilfe des physikalischen Wandlers wird infolge einer Wechselwirkung des biologisch aktiven Elements mit einer Testkomponente, insbesondere Molekülen, einer Testsubstanz ein Meßsignal erzeugt, welches dann als Meßgröße meßtechnisch erfaßt werden kann. Die Meßgröße kann abhängig von dem ausgehenden Meßsignal bei bekannten Biosensoren optischer, elektrochemischer, kalorimetrischer, piezoelektrischer oder magnetischer Natur sein. Biosensoren eröffnen die Möglichkeit, Wechselwirkungen zwischen biologisch aktiven Komponenten zu untersuchen, um beispielsweise Informationen über Verbindungen mit bekannter Bioaktivität oder über die Bioaktivität von Proben mit bekannter oder unbekannter chemischer Zusammensetzung zu gewinnen (vgl. Keusgen: „Biosensors: new approaches in drug discovery", Naturwissenschaften, 89 (2002) 433–444).
  • Die Selektivität eines Biosensors hängt von der oder den vom jeweiligen Biosensor umfaßten biologisch aktiven Komponenten ab, die mit den zu untersuchenden Testkomponenten wechselwirken. Nur bestimmte Testkomponenten, die mit der vom Biosensor umfaßten biologisch aktiven Komponente wechselwirken, verursachen ein meßbares Signal. Die überwiegenden Anzahl der bekannten Biosensoren weisen elektrochemische Wandler (Transduktoren) auf. Die verwendeten Wandler können in amperometrische, potentiometrische, konduktometrische und kapazitive Wandler eingeteilt werden. Amperometrische Biosensoren detektieren bei einem konstant gehaltenen Potential Änderungen eines Stromflusses über den Biosensor, wenn Ladungstransfer in Form von Elektronen zwischen einer biologisch aktiven Komponente und einer Elektrode erfolgt. In einer typischen Meßanordnung für einen amperometrischen Biosensor wird beispielsweise ein Enzym auf einer Oberfläche einer Elektrode immobilisiert und ein gelöstes biochemisches Substrat zugegeben. Wenn das Enzym mit dem Substrat interagiert, fließt ein Strom, der abhängig von der Konzentration des Analyten ist. Potentiometrische Biosensoren detektieren bei konstant gehaltenem Strom, der üblicherweise gleich null gehalten wird, eine Veränderung der Spannung. Im Vergleich zu amperometrischen Biosensoren kann hier die biologisch aktive Komponente, beispielsweise ein Enzym, auf der Oberfläche einer pH-sensitiven Vorrichtung aufgebracht sein. Bei konduktometrischen Biosensoren wird die Änderung der Leitfähigkeit zwischen zwei Elektroden detektiert. Bewirkt eine Wechselwirkung zwischen der zu untersuchenden Testkomponente und der vom Biosensor umfaßten biologisch aktiven Komponente eine Änderung der Dielektrizitätskonstante, können auch Kapazitätsmessungen für die physikalische Wandlung des Meßsignals verwendet werden.
  • Aus dem Dokument US 6,485,986 ist ein Verfahren zum elektrochemischen Aufbringen organischer Schichten auf einem Siliziumsubstrat bekannt, wodurch eine in der Biosensorik einsetzbare Schichtanordnung hergestellt wird.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Biosensor sowie ein verbessertes Verfahren zum Messen von Eigenschaften einer Testkomponente, die mit einer oder mehreren biologisch aktiven Komponenten des Biosensors wechselwirken, mit Hilfe des Biosensors anzugeben, die eine mit Hilfe einfacher apparativer Mittel ausführbare Ermittlung von Informationen über Eigenschaften der Testkomponente einer Testsubstanz ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Biosensor nach dem unabhängigen Anspruch 1 und ein Verfahren zum Messen von Eigenschaften einer Testkomponente in einer Testsubstanz nach dem unabhängigen Anspruch 12 gelöst.
  • Die Erfindung umfaßt den Gedanken, einen Biosensor mit einer Anordnung von mehreren Schichten, die eine Halbleitersubstratschicht und eine benachbart zu der Halbleitersubstratschicht angeordnete Schicht mit Elementen einer biologisch aktiven Komponente, die immobilisiert sind, aufweist, für eine elektrische Leitfähigkeitsmessung zu nutzen. Zu diesem Zweck verfügt der Biosensor über einen mit der Schicht mit der biologisch aktiven Komponente in Wirkverbindung stehenden Wechselwirkungsabschnitt, in welchem eine Testsubstanz zum Wechselwirken einer Testkomponente der Testsubstanz mit der biologisch aktiven Komponente eingebracht werden kann, und mindestens eine Anschlußelektrode, die mit dem Wechselwirkungsabschnitt elektrisch leitend verbunden ist, sowie einer weiteren Anschlußelektrode, die mit der Halbleitersubstratschicht elektrisch verbunden ist. Mit Hilfe der mindestens einen Anschlußelektrode und der weiteren Anschlußelektrode sind Anschlußmittel zum Ankoppeln der Anordnung mit den mehreren Schichten an einen elektrischen Stromkreis gebildet, so daß eine elektrische Leitfähigkeit zwischen der mindestens einen Anschlußelektrode und der weiteren Anschlußelektrode über die Anordnung der mehreren Schichten und dem Wechselwirkungsabschnitt meßbar ist, wobei sich die elektrische Leitfähigkeit gegebenenfalls infolge des Wechselwirkens der Testkomponente mit der biologisch aktiven Komponente ändern kann.
  • Die Halbleitersubstratschicht ist hierbei insbesondere im Bereich der abgeschiedenen organischen Schicht bzw. in dem Bereich, in welchem die Leitfähigkeit gemessen wird, im wesentlichen oxidfrei gebildet, ggf. mit einer nicht geschlossenen Oxidschicht versehen, bei der es sich im Fall der Verwendung einer Siliziumsubstratschicht um eine nicht geschlossene Siliziumoxidschicht handeln kann. Als Substrat wird dann ein Silizium-Einkristall, polykristallines Silizium, poröses Silizium oder amorphes Siliziummaterial verwendet, bevorzugt mit einer 1-1-1-Oberflächenorientierung bzw. Vorzugsorienierung, was die Abscheidung von geschlossenen, kompakten organischen Schichten ermöglicht. Der Begriff Siliziumsubstrat umfaßt auch Siliziumverbindungen, Siliziumlegierungen und Siliziummaterial mit eingelagerten Fremdatomen/-ionen (Dotierung). Dies gilt für andere Halbleitersubstrate entsprechend. Testkomponenten können insbesondere Moleküle, Ionen und/oder Elemente sowie hieraus zusammengesetzte Komponenten sein.
  • Die Nutzung der Anordnung auf Basis der Halbleitersubstratschicht, insbesondere einer Siliziumsubstratschicht, hat den Vorteil, daß Halbleiter, insbesondere Silizium, nicht toxisch, im Vergleich zu im Stand der Technik verwendeten Metallen, beispielsweise Gold, kostengünstig verfügbar und leicht mit Hilfe von Standardtechnologien strukturierbar sind. Die Oberfläche von Silizium ist im Vergleich zu Gold selbstpassivierend. Kratzer oder Oberflächendefekte führen bei Silizium nicht zu einem Kurzschluß von Strom über die Lösung. Die Siliziumoberfläche wird im Bereich der Defekte sofort durch Oxidation mit einer gegen null gehenden Leitfähigkeit passiviert, so daß der Strom weiterhin vorrangig über die organische Schicht fließt bzw. der Potentialabfall über die organische Schicht erhalten bleibt. Aus der Halbleitertechnologie sind geeignete Technologien zur Bereitstellung einer gewünschten Oberfläche des Siliziumsubstrats bekannt. Beispielsweise ist es vorteilhaft, eine H-terminierte Oberfläche zu verwenden. Für die Herstellung der für den Biosensor genutzten Mehrschichtanordnung stehen verschiedene Herstellungsverfahren zur Verfügung.
  • Die Erfindung hat darüber hinaus den Vorteil, daß eine elektrische Leitfähigkeitsmessung, beispielsweise im Vergleich zu optischen Messungen, mit Hilfe sehr einfacher apparativer Mittel und mit großer Sensitivität ausgeführt werden kann.
  • Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der Wechselwirkungsabschnitt als ein Durchströmungsabschnitt gebildet ist, der von der Testsubstanz in flüssiger oder gasförmiger Form durchströmt werden kann. Hierdurch ist ein fortdauernder Austausch der Testsubstanz beim Nutzen des Biosensors zum Messen ermöglicht.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht an die mindestens eine Anschlußelektrode und die weitere Anschlußelektrode angeschlossene Anzeigemittel zum Anzeigen einer aus der elektrischen Leitfähigkeit über die Anordnung der mehreren Schichten und den Wechellwirkungsabschnitt abgeleiteten Meßgröße vor. Auf diese Weise kann ein von stationären Meßeinrichtungen unabhängiger Biosensor zur Detektion ausgebildet werden.
  • In ähnlicher Weise kann bei einer Weiterbildung der Erfindung eine an die mindestens eine Anschlußelektrode und die weitere Anschlußelektrode angeschlossene, elektrische Energiequelle vorgesehen sein. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Batterie oder ein Bauteil zur induktiven Einspeisung einer elektrischen Energie handeln. Eine Energiegewinnung kann auch aus biochemischen Prozessen realisiert werden, beispielsweise mittels einer Immobilisierung einer Nervenzelle, welche elektrische Impulse abgibt.
  • Um eine detaillierte und umfangreiche Auswertung der Analyse der Testsubstanz mit Hilfe des Biosensors zu ermöglichen, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung Speichermittel, beispielsweise elektrische, magnetische oder optische Speichermittel, zum Speichern von Informationen betreffend die Leitfähigkeit über die Anordnung der mehreren Schichten und dem Wechselwirkungsabschnitt vor. Die Speichermittel können mit Hilfe einer geeigne ten Computereinrichtung ausgelesen werden, um die Informationen über die Leitfähigkeit mit Hilfe der Computereinrichtung zu analysieren. Dieses ermöglicht den Einsatz des Biosensors getrennt von der Computereinrichtung zum Auswerten. Mit Hilfe der Speichermittel kann beispielsweise auch ein Farbumschlag registriert werden.
  • Eine bevorzugte Fortbildung der Erfindung kann vorsehen, daß die Anordnung der mehreren Schichten zwischen der Halbleitersubstratschicht und der Schicht mit der biologisch aktiven Komponente eine Anbindungsschicht mit Linkermolekülen aufweist, wobei die Linkermoleküle zum Anbinden der biologisch aktiven Komponente an die Halbleitersubstratschicht über jeweilige chemische Bindungen mit Elementen der Halbleitersubstratschicht und der biologisch aktiven Komponente verbunden sind und die biologisch aktive Komponente an mindestens einer Ankopplungsgruppe der Linkermoleküle anlagert. Die Anbindungsschicht kann kovalent, über eine Salzbindung, über elektrostatische Wechselwirkung, hydrophobe Wechselwirkung, Van-der-Waals Wechselwirkung oder in ähnlicher Weise gebunden sein. Auf diese Weise kann der Biosensor mit Hilfe selektiv ausgewählter Linkermoleküle für verschieden Analyseaufgaben individuell angepaßt werden.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die Linkermoleküle Photoradikale sind. Hierdurch ist es möglich, die Anbindungsschicht mit den Linkermolekülen mit Hilfe einer durch Licht induzierten Photoreaktion zu erzeugen. Der Begriff Photoradikale in der hier verwendeten Bedeutung bezieht sich auf photochemisch erzeugte/gebildete reaktionsfähige Verbindungen bzw. Molekülreste, Atome oder Ionen, insbesondere Radikale und Elektronenmangelverbindungen. Gegenüber bekannten Verfahren, bei denen in einer Schutzgasumgebung gearbeitet werden muß, ermöglicht die Nutzung eines nicht anodischen, elektrochemischen Potentials und von Photoradikalen als Linkermoleküle eine vereinfachte Herstellung der Anbindungsschicht. Ein Verfahren zum Herstellen eines Biosensors mit Hilfe von Photoradikalen ist in der mit der vorliegenden Anmeldung zeitgleich eingereichten deutschen Anmeldung mit dem Titel „Verfahren zum Herstellen einer Anordnung mit mehreren Schichten auf Basis eines Halbleitersubstrats und Mehrschichtanordnung" zu entnehmen, deren Inhalt hier mittels Referenz integriert wird. Diese Anmeldung beschreibt darüber hinaus ein hinsichtlich des Herstellens einer Mehrschichtanordnung für einen Biosensor bevorzugtes Verfahren, bei dem die elektrischen Leitfähigkeitseigenschaften über die Grenzschicht zwischen dem Halbleiter, insbesondere Silizium, und der organischen Schicht der sich ergebenden Schichtanordnung durch die Vermeidung von Oxid auf der Halbleitersubstratschicht, insbesondere in den für die Leitfähigkeitsmessung relevanten Bereichen der Halbleitersubstratschicht, vorteilhaft ausgeprägt werden.
  • Eine optimierte Leitfähigkeit wird bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, daß die chemischen Bindungen zwischen den Photoradikalen und den Elementen der Halbleitersubstratschicht Si-N-Bindungen umfassen.
  • Zweckmäßig kann bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, daß die Photoradikale auf Basis einer Arylazid-Verbindung, eines Benzophenon-Derivats und/oder eines Diazirin-Derivats gebildet sind. Besonders bevorzugt werden als Photolinker Halogen-Arylazid-Verbindungen verwendet, beispielsweise Fluor-Arylazid-Derivate. Diese Verbindungsklasse kann in verschiedenen Formen mit Ankopplungsgruppen versehen werden, die einerseits während der photoinduzierten Abscheidungsprozesse stabil sind, d. h. es treten auch keine intramolekularen Reaktionen auf, und andererseits die Fähigkeit aufweisen, abhängig von der Ankopplungsgruppe, unterschiedliche Moleküle, Ionen und/oder Elemente zu binden.
  • Die Leitfähigkeitsmessung kann zweckmäßig mit Hilfe einer Strommessung oder einer Potentialmessung ausgeführt werden. Hierbei ist es vorteilhaft, eine der beiden Größen konstant zu halten. Die Strommessung ist bei konstantem elektrochemischen Potential vorteilhaft, da sie im Vergleich zur Potentialmessung empfindlicher ist.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Meßanordnung mit einem Biosensor;
  • 2 eine schematische Darstellung einer Anordnung mehrerer Schichten;
  • 3 eine grafische Darstellung einer Strom-Zeit-Kurve in einer Puffer-Lösung bei konstanter Spannung;
  • 4 eine grafische Darstellung einer Strom-Zeit-Kurve in einer gepufferten Lösung mit biotinyliertem Peptid und Streptavidin bei konstanter Spannung;
  • 5 eine grafische Darstellung einer Strom-Zeit-Kurve mit einer Puffer-Lösung aus biotinyliertem Peptid und Streptavidin bei konstanter Spannung ; und
  • 6 eine schematische Darstellung eines Biosensors mit Anschlußelektroden.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Meßanordnung zum Ausführen einer elektrischen Leitfähigkeitsmessung an einem Biosensor. Der verwendete Biosensor umfaßt in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 eine Schichtanordnung mit einem einkristallinen Silizium-Wafer 1 mit atomar glatter Oberfläche und 1-1-1-Oberflächenorientierung, bedeckt mit einem organischen Schichtsystem 2, welches unmittelbar auf dem Wafer 1 eine Schicht 2a mit Linkermolekülen (Crosslinker) und hierauf abgeschieden eine Schicht 2b mit biologisch aktiven Komponenten, beispielsweise Peptide (ein nicht homooligomerisierender Leucin-Zipper) umfaßt, wobei die biologisch aktiven Komponenten mit Hilfe der Linkermoleküle an den Wafer 1 über kovalente chemische Bindungen gekoppelt sind.
  • Gemäß 1 ist auf der Rückseite des Silizium-Wafers 1 eine Indium-Gallium Paste aufgetragen, über welche ein guter elektrischer Kontakt zu einem unterliegenden Metallteller 3 besteht. Der Metallteller 3 ist mit einem Potentiostaten 4 verbunden, welcher bevorzugt einen Rechner in Form eines üblichen Personalcomputers umfaßt oder mit diesem verbunden ist. Auf der mit organischen Substanzen beschichteten Vorderseite des Silizium-Wafers 1 ist ein nach oben und unten hin offenes Teflongefäß 5 angeordnet. Ein Viton-Dichtring 6 zwischen Teflongefäß 5 und Silizium-Wafer 1 sorgt dafür, daß beim Befüllen des Gefäßes 5 mit einer Lösung, welche im Fall der Durchführung einer Messung eine biologische Testsubstanz ist, keine Lösung ausläuft. Somit stellt der beschichtete Silizium-Wafer 1 den Boden des Gefäßes 5 dar. Das Teflongefäß 5 wird über im Metallteller 3 befestigte Schrauben fixiert. In dem Gefäß 5 ist oberhalb des organischen Schichtsystems 2 ein Wechselwirkungsabschnitt 7 gebildet, in welchem die biologische Testsubstanz zu Meßzwecken eingebracht wird, so daß Moleküle in der Testsubstanz mit den biologisch aktiven Komponenten in dem Schichtsystem 2 Wechselwirken können.
  • In das Gefäß 5 ragen von ober her bis in den Wechselwirkungsabschnitt 7 zwei als Anschlußelektroden gebildete Golddrähte 8, 9, welche mit dem Potentiostaten 4 elektrisch verbunden sind. Hierbei dient ein Golddraht 8 als Referenzelektrode, ein Golddraht 9 als Gegenelektrode, und der beschichtete Silizium-Wafer 1 stellt eine Arbeitselektrode dar (drei Elektroden-Aufbau). Bei leitfähiger Lösung (biologische Testsubstanz) im Gefäß 5 wird ein konstantes Potential von etwa –1V am Potentiostaten 4 eingestellt. 3 zeigt eine Messung des von der Leitfähigkeit abhängigen Stromes in Abhängigkeit von der Zeit nach dem Einbringen der Puffer-Lösung in dem Wechselwirkungsabschnitt. Bei einem konstant angelegtem Potential von –1V ist der Strom konstant und kleiner 1 μA.
  • Nach Zugabe von Streptavidin zu der Pufferlösung (vgl. 4) sinkt der Strom in kurzer Zeit wieder auf einen Wert kleiner 1 μA. Streptavidin bindet nicht an das Peptid, mit welchem der Silizium-Wafer 1 beschichtet ist (Negativkontrolle). Nach mehrmaligem Spülen des Gefäßes 5 (Lösung einfüllen und vollständig abpumpen) mit Pufferlösung führt Einfüllen von Lösung mit biotinyliertem Peptid Nr. 3 und Streptavidin in Puffer zu einem starken Anstieg des Stromes auf einen Wert von größer 3 μA (vgl. 5). Das biotinylierte Peptid Nr. 3, das über die Biotinmarkierung an Streptavidin binden kann, bindet an das Peptid mit welchem der Silizium-Wafer 1 beschichtet ist. Der Biosensor zeigt diese Wechselwirkung als Leitfähigkeitsänderung zeitabhängig in Echtzeit in Form eines erheblich größeren Stromflusses an.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Biosensors 60 mit einer Mehrschichtanordnung 62, die eine Siliziumsubstratschicht 61, eine hierauf abgeschiedene Schicht 63 mit Linkermolekülen, die über kovalente chemische Bindungen mit dem Silizium der Silziumsubstratschicht 61 verbunden sind, und eine auf der Schicht 63 angeordnete weitere Schicht 64 mit biologisch aktiven Komponenten umfaßt. Oberhalb der weiteren Schicht 64 ist ein Wechselwirkungsabschnitt 65 gebildet, in welchem eine Testsubstanz mit einer Testkomponente, beispielsweise als Lösung oder Suspension, eingebracht werden kann, so daß die Testkomponente in Wechselwirkung mit der biologisch aktiven Komponente der weiteren Schicht 64 treten kann. Der Wechselwirkungsabschnitt 65 weist zwei Öffnungen 66, 67 auf, so daß der Wechselwirkungsabschnitt 65 von der Testsubstanz durchströmt werden kann. Eine Anschlußelektrode 68 ist an dem Wechselwirkungsabschnitt 64 angebracht. Eine weitere Anschlußelektrode 69 steht mit der Siliziumsubstratschicht 61 in elektrischem Kontakt und ist beispielsweise mit Hilfe einer elektrisch leitenden Paste ohne Siliziumoxid angebracht oder ist mittels Bedampfens einer Siliziumoxid freien Oberfläche mit Gold realisiert. Mit Hilfe der Anschlußelektrode 68 und der weiteren Anschlußelektrode 69, die zweckmäßig aus einem geeigneten Metall, beispielsweise Gold, gebildet sind, sind Anschlußmittel zum Anschließen des Biosensors 60 an einen elektrischen Stromkreis 70 gebildet, welcher seinerseits nach 6 eine Meßeinrichtung 71, welche wahlweise eine Anzeigeeinrichtung umfaßt, und eine elektrische Potentialquelle 72 aufweist. Die umfaßte Anzeigeeinrichtung kann beispielsweise eine optische Anzeige sein, die durch farbliche Änderung das Erfassen einer bestimmten elektrischen Leitfähigkeit und/oder einer Leitfähigkeitsänderung ermöglicht, was jeweils einer bestimmten Wechselwirkung zwischen der Testkomponete in der Testsubstanz und der biologisch aktiven Komponente in der weiteren Schicht 64 entsprechen kann. Mit Hilfe des elektrischen Stromkreises können Meßsignale für die elektrische Leitfähigkeit und deren Änderung zwischen der Anschlußelektrode 68 und der weiteren Anschlußelektrode 69 über die Mehrschichtanordnung 62 und den Wechselwirkungsabschnitt 65 gemessen werden. Wahlweise können die erfaßten Meßwerte in einem elektronischen, magnetischen oder optischen Speicher 73, welcher in die Meßeinrichtung integriert oder hiervon getrennt ausgeführt ist, in geeigneter Form gespeichert werden, so daß die Meßwerte für ein späteres Auslesen und Auswerten mit einer geeigneten Einrichtung, beispielsweise einem Computer, zur Verfügung stehen.
  • Die erfaßten Meßwerte liefern Informationen über eine vorhandene oder nicht ausgebildete (Negativtest) Wechselwirkung zwischen der Testkomponente der Testsubstanz in dem Wechselwirkungsabschnitt 65 und der biologisch aktiven Komponente in der weiteren Schicht 64. Der elektrische Stromkreis 70 kann meßtechnisch vom Fachmann für den jeweiligen Anwen dungsfall individuell angepaßt werden, insbesondere hinsichtlich des benötigten elektrischen Potentials und der benötigten Meßgeräte. Der Biosensor 60 und der elektrische Stromkreis 70, auch einschließlich des elektronischen Speichers 73, können insbesondere für mobile Anwendungen als ein biosensorisches Meßsystem integriert sein, beispielsweise in Form eines Einzelchips.
  • Die in 4 beobachtbare Bindung zwischen der immobilisierten biologisch aktiven Komponente und der gelösten Testkomponente ist auf mehrgestaltige Wechselwirkungen in der Lösung zurückzuführen. Zum einen finden Konformationsänderungen der immobilisierten Komponente unter Ausbildung einer helikalen Sekundärstruktur statt und es erfolgt eine Bindung über hydrophobe Wechselwirkungen und über elektrostatische Wechselwirkungen (Salzbrücken) mit dem im Puffer gelösten Peptid Nr. 3. Diese Wechselwirkungen sind von mehreren Faktoren abhängig, etwa von dem Lösungsmittel, der Ionenstärke, dem pH-Wert und der Temperatur. Weiterhin ist Peptid Nr. 3, das seinerseits bei der Bindung auch Konformationsänderungen eingeht, mit einem niedermolekularen Molekül, Biotin, markiert, über das es in Wechselwirkung in Form von Bindung mit dem sich in der Lösung befindlichen Protein Streptavidin steht.
  • Mit Hilfe des beschriebenen Biosensors ist es möglich, alle denkbaren biologischen und biochemischen Wechselwirkungen zu detektieren, bei denen es infolge der Wechselwirkungen zwischen der immobilisierten biologisch aktiven Komponente und der Testkomponente in der Lösung oder der Suspension zu einer Leitfähigkeitsänderung kommt. Hierzu können etwa Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Testkomponenten gehören, zum Beispiel: Protein und Protein, Protein und Nukleinsäure, Protein und Lipid, Protein (z.B. ein Lektin) und Kohlenhydrat (z.B. ein Saccharid), Protein und niedermolekularer Stoff (z.B. Protein und Metallion bei Zinkfinger-Proteinen), Protein und Ligand (z.B. Protein und Peptid; Protein und Farbstoff, Antikörper und Antigen; Rezeptor und Hormon; Protein und Biomimetikum; Protein und Pharmkon; Enzym und Substrat oder Substrat-Inhibitor; Apo-Enzym und prosthetische Gruppe; Transportsytern und Spezies), wobei nicht-kovalente Wechselwirkungen (durch Wasserstoffbrücken, hydrophobe Wechselwirkungen, Van-der-Waals-Wechselwirkungen, Metall-Komplexierung, Metallbindung oder elektrostatische Wechselwirkungen (z.B. elektrostatische Bindungen wie Ionenbindungen bzw. Salzbindung)) und kovalente Bindungen stattfinden können. Ziel eines solchen Vorgehens bei nicht-kovalenten Bindungen kann es sein, die Wechselwirkungen quantitativ (etwa durch Bestimmung der Bindungskonstanten oder Größen der Bindungskinetik) und/oder qualitativ (z.B. Art der Wechselwirkung und/oder Abhängigkeit von Temperatur, pH-Wert oder Ionenstärke) zu beschreiben. Weitere beobachtete detektierbare Wechselwirkungen sind z.B. Nukleinsäure und Testkomponente, Peptid und Testkomponente, Lipid und Testkomponente, Kohlenhydrat und Testkomponente, Pharmakon und Testkomponente, Metall-Chelat und Testkomponente, Metall und Testkomponente, Ionophor und Ion, Organelle und Testkomponente, Virus und Testkomponente, Zelle und Testkomponente, Gewebe und Testkomponente.
  • Ist die Belegung der Oberfläche (z.B. auf einer atomar glatten Oberfläche) bekannt, können so auch unbekannte Analytkonzentrationen in der Lösung bestimmt werden (bspw. durch Aufbringen eines Nickel-Chelats, der an den Histidin-Tag eines gelösten Proteins bindet).
  • Es können im Verlauf der Wechselwirkungen auch chemische Bindungen verändert werden, z.B. können kovalente Bindungen gebildet (etwa die kovalente Bindung beim Ausbilden einer Disulfidbrücke) oder gebrochen werden. Zu den Wechselwirkungen, die beobachtet werden können, zählen insbesondere alle möglichen biokatalytischen Prozesse und zwar insbesondere solche von Enzymen, katalytischen Nukleinsäuren, Organellen, Zellen oder Geweben, die mit Substraten, Cofaktoren, Inhibitoren oder Aktivatoren wechselwirken.
  • Ziel dieses Vorgehens kann es sein, Größen der Enzymkinetik zu bestimmen. Durch die enzymatische Substratumsetzung kann bei bekannter Belegung der Oberfläche mit Enzym oder Substrat (atomar glatte Oberfläche) auf unbekannte Analytkonzentration (Substrat oder Enzym) geschlossen werden. Ein enzymatischer Prozeß kann beispielsweise die Phosphorylierung (bzw. Dephosphorylierung) oder Glykosilierung eines Proteins sein. Weiterhin können Konformationsänderungen von räumlichen Strukturen, insbesondere der Protein-Tertiär- oder Quartärstruktur) beobachtet werden, z.B. Proteinfaltung oder Strukturänderungen von Protein-Ligand Komplexen durch Temperaturerhöhung (daraus lassen sich thermodynamische Größen von Molekül-Molekül Wechselwirkungen ableiten).
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.

Claims (14)

  1. Biosensor (60) mit einer Anordnung von mehreren Schichten, die eine Halbleitersubstratschicht (61) und eine benachbart zu der Halbleitersubstratschicht (61) angeordnete Schicht (64) mit einer biologisch aktiven Komponente umfassen, einem mit der Schicht (64) mit der biologisch aktiven Komponente in Wirkverbindung stehenden Wechselwirkungsabschnitt (65), in welchem eine Testsubstanz einer Testkomponente zum Wechselwirken mit der biologisch aktiven Komponente eingebracht werden kann, und mindestens einer Anschlußelektrode (68), die mit dem Wechselwirkungsab schnitt (65) elektrisch leitend verbunden ist, sowie einer weiteren Anschlußelektrode (69), die mit der Halbleitersubstratschicht (61) elektrisch leitend verbunden ist, wobei mit Hilfe der mindestens einen Anschlußelektrode (68) und der weiteren Anschlußelektrode (69) Anschlußmittel zum Ankoppeln an einen elektrischen Stromkreis (70) gebildet sind, so daß zwischen der mindestens einen Anschlußelektrode (68) und der weiteren Anschlußelektrode (69) über die Anordnung der mehreren Schichten und den Wechselwirkungsabschnitt (65) eine elektrische Leitfähigkeit, die sich infolge des Wechselwirkens der Testkomponente der Testsubstanz mit der biologisch aktiven Komponente gegebenenfalls ändert, abgegriffen werden kann.
  2. Biosensor (60) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitersubstratschicht (61) eine Siliziumsubstratschicht ist und auf der Siliziumsubstratschicht eine nicht geschlossene Siliziumoxidschicht gebildet ist.
  3. Biosensor (60) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselwirkungsabschnitt (65) als ein Durchströmungsabschnitt gebildet ist, der von der Testsubstanz durchströmt werden kann.
  4. Biosensor (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch an die mindestens eine Anschlußelektrode (68) und die weitere Anschlußelektrode (69) angeschlossene Anzeigemittel zum Anzeigen einer aus der elektrischen Leitfähigkeit über die Anordnung der mehreren Schichten und den Wechelswirkungsabschnitt (65) abgeleiteten Meßgröße.
  5. Biosensor (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch eine an die mindestens eine Anschlußelektrode (68) und die weitere Anschlußelektrode (69) angeschlossene elektrische Potentialquelle (72).
  6. Biosensor (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Speichermittel (73) zum Speichern von Informationen betreffend die elektrische Leitfähigkeit über die Anordnung der mehreren Schichten und den Wechselwirkungsabschnitt (65).
  7. Biosensor (60) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der mehreren Schichten zwischen der Halbleitersubstratschicht (61) und der Schicht (64) mit der biologisch aktiven Komponente eine Anbindungsschicht (63) mit Linkermolekülen aufweist, wobei die Linkermoleküle zum Anbinden der biologisch aktiven Komponente an die Halbleitersubstratschicht (61) über jeweilige chemische Bindungen mit Elementen der Halbleitersubstratschicht (61) und der biologisch aktiven Komponente verbunden sind und die biologisch aktive Komponente an mindestens einer Ankopplungsgruppe der Linkermoleküle anlagert.
  8. Biosensor (60) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,, daß die Linkermoleküle Photoradikale sind.
  9. Biosensor (60) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die chemischen Bindungen zwischen den Photoradikalen und den Elementen der Halbleitersubstratschicht (61) Si-N-Bindungen umfassen.
  10. Biosensor (60) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoradikale auf Basis einer Arylazid-Verbindung, eines Benzophenon-Derivats und/oder eines Diazirin-Derivats gebildet sind.
  11. Biosensor (60) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Photoradikale auf Basis einer Halogen-Arylazid-Verbindung gebildet sind.
  12. Verfahren zum Messen von Eigenschaften einer Testkomponente in einer Testsubstanz, insbesondere zum Nachweisen von Biomolekülen, bei dem: – die Testsubstanz mit der Testkomponente in einem Wechselwirkungsabschnitt (64) eines Biosensors (60) eingebracht wird, welcher eine Anordnung von mehreren Schichten aufweist, die eine Halbleitersubstratschicht (61) und eine benachbart zu der Halbleitersubstratschicht (61) angeordnete Schicht (64) mit einer biologisch aktiven Komponente umfaßt, wobei die Schicht (64) mit der biologisch aktiven Komponente in Wirkverbindung mit dem Wechselwirkungsabschnitt (65) steht, so daß die biologisch aktive Komponente und die Testkomponente wechselwirken, wenn die Testsubstanz in dem Wechselwirkungsabschnitt (65) eingebracht wird; – mindestens eine Anschlußelektrode (68), die mit dem Wechselwirkungsabschnitt (65) elektrisch leitend verbunden ist, sowie eine weitere Anschlußelektrode (69), die mit der Halbleitersubstratschicht (61) elektrisch leitend verbunden ist, unter Zwischenschaltung der Anordnung der mehreren Schichten und des Wechselwirkungsabschnitts (65) mit einem elektrischen Stromkreis (70) verbunden werden; und – mit Hilfe einer von dem elektrischen Stromkreis (70) umfaßten Meßeinrichtung (71) eine elektrische Leitfähigkeit, die sich infolge der Wechselwirkung zwischen der biologisch aktiven Komponente der Schicht (64) und der Testkomponente in der Testsubstanz gegebenenfalls ändert, über die Anordnung der mehreren Schichten und dem Wechselwirkungsabschnitt (65) gemessen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitfähigkeit mit Hilfe einer Strommessung gemessen wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Leitfähigkeit mit Hilfe einer Potentialmessung bei konstantem Strom in dem elektrischen Stromkreis (70) gemessen wird.
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