DE112012003289T5

DE112012003289T5 - Nanofluidische, biochemische Sensoren auf der Grundlage von oberflächenladungsmoduliertem Ionenstrom

Info

Publication number: DE112012003289T5
Application number: DE112012003289.6T
Authority: DE
Inventors: Ali Afzali-Ardakani; Philip Sutton Waggoner
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 2011-08-10
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2014-05-08
Also published as: WO2013022903A1; US20130040313A1; GB201403414D0; GB2508114A

Abstract

Biologische und chemische Sensoren auf der Grundlage von Änderungen in der Oberflächenladung in einer Pore oder einem Kanal wie zum Beispiel einer Nanopore oder einem Nanokanal werden eingesetzt, um Zielanalyten in einer Elektrolytlösung mit einer geringen Ionenkonzentration zu erfassen. Rezeptoren innerhalb der Pore oder des Kanals fangen einen Zielanalyten ein und verursachen dadurch eine Änderung in der Oberflächenladung, die sich auf den Ionenleitwert auswirkt. Die Änderung im Ionenleitwert wird erfasst, wodurch das Vorhandensein des Zielanalyten bewiesen wird. Ein Sekundärmarker kann in die Pore oder den Kanal eingebracht werden, damit er sich in bestimmten Fällen an einen eingefangenen Analyten bindet, um eine Änderung in der Oberflächenladung zu verursachen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Physik und im Besonderen auf nanofluidische und mikrofluidische Sensoren und dergleichen.
Hintergrund der Erfindung
Fluidische Einheiten im Nanobereich beinhalten Poren und/oder Kanäle, die in ausgewählten Substraten ausgebildet sind. Eine Festkörper-Nanopore kann durch eine TEM(Transmissionselektronenmikroskop)-Bohrung durch ein ausgewähltes Substrat gefertigt werden. Festkörper-Nanoporen können zum Analysieren von biologischen Proteinen verwendet werden.
Nanofluidische Kanäle können durch serielle Elektronenstrahllithographie gefertigt werden, um die gewünschten Abmessungen zu erzielen. Kanäle können auch mithilfe von Photolithographie, Nanoprägelithographie und Nanotransferlithographie gefertigt werden.
Nanoporen sind als Sensoren für Moleküle wie zum Beispiel DNA verwendet worden. Ein kleiner Durchlass kann so angeordnet werden, dass er zwei elektrolytgefüllte Behälter trennt, von denen zumindest einer Zielmoleküle enthält. Die Zielmoleküle können durch den Durchlass gezogen werden, und ihr Vorhandensein kann als Stromabfall erfasst werden. Mithilfe einer hohen Ionenkonzentration dient die Pore als elektrischer Widerstand, wobei die Höhe des Widerstands von dem Verhältnis der Länge zur Querschnittsfläche abhängt. Es können Änderungen in der Querschnittsfläche der Pore auftreten, wenn flexible und etwas aufgewickelte einzelsträngige DNA mit ihrem komplementären Strang hybridisiert. Doppelsträngige DNA kann recht starr und stabartig sein. Der Porendurchmesser nimmt dementsprechend wesentlich ab, was zu einer physischen Blockierung des Ionenstroms durch die Pore führt. Die Änderung im Strom kann erfasst werden.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die Grundgedanken der Erfindung stellen Techniken zur Erfassung von Analyten mithilfe von mikrofluidischen und nanofluidischen Sensoren bereit. In einem Aspekt beinhaltet ein beispielhaftes Verfahren den Schritt zum Erzielen einer Einheit, die einen fluidischen Durchlass aufweist, die eine Rezeptorschicht zum Einfangen eines ausgewählten Analyten beinhaltet, wobei der fluidische Durchlass, der die Rezeptorschicht beinhaltet, zumindest eine Abmessung von eintausend Nanometern oder weniger aufweist. Eine Elektrolytlösung, die ein oder mehrere Moleküle des ausgewählten Analyten enthält, strömt durch den fluidischen Durchlass, sodass der ausgewählte Analyt durch die Rezeptorschicht eingefangen wird. Das Einfangen des Analyten führt zu einer Änderung in der Oberflächenladung auf der Rezeptorschicht. Die in dem Verfahren verwendete Elektrolytlösung weist eine ausreichend geringe Salzkonzentration auf, sodass die Oberflächenladung eine wesentliche Auswirkung auf den Ionenleitwert durch den fluidischen Durchlass hat. Der ionenleitwert durch den fluidischen Durchlass wird erfasst. Änderungen im Leitwert spiegeln das Einfangen des Zielanalyten wider.
In einem weiteren Aspekt weist ein beispielhaftes Verfahren ein Strömenlassen einer Elektrolytlösung durch einen fluidischen Durchlass auf. Der Durchlass beinhaltet eine Rezeptorschicht zum Einfangen eines ausgewählten Analyten und zum Verursachen einer Änderung in der Oberflächenladung innerhalb des fluidischen Durchlasses beim Einfangen des ausgewählten Analyten. Der fluidische Durchlass, der die Rezeptorschicht beinhaltet, weist zumindest eine Abmessung von eintausend Nanometern oder weniger auf. Die Elektrolytlösung weist eine ausreichend geringe Salzkonzentration auf, sodass eine Oberflächenladung innerhalb des fluidischen Durchlasses eine wesentliche Auswirkung auf den Ionenleitwert durch den fluidischen Durchlass hat. Das beispielhafte Verfahren beinhaltet des Weiteren ein Erfassen des Ionenleitwerts durch den fluidischen Durchlass.
Ein weiteres beispielhaftes Verfahren beinhaltet die Verwendung eines Sekundärmarkers, der in der Lage ist, sich an einen Zielanalyten zu binden. Das Verfahren weist ein Strömenlassen einer Elektrolytlösung durch einen fluidischen Durchlass auf, der eine Rezeptorschicht zum Einfangen eines ausgewählten Analyten aufweist, wobei der fluidische Durchlass, der die Rezeptorschicht beinhaltet, zumindest eine Abmessung von eintausend Nanometern oder weniger aufweist. Die Elektrolytlösung weist eine ausreichend geringe Salzkonzentration auf, sodass eine Oberflächenladung innerhalb des fluidischen Durchlasses eine wesentliche Auswirkung auf den Ionenleitwert durch den fluidischen Durchlass haben kann. Das Verfahren beinhaltet des Weiteren ein Einbringen eines Sekundärmarkers in den fluidischen Durchlass, der in der Lage ist, sich an den ausgewählten Analyten zu binden und beim Binden mit dem ausgewählten Analyten eine Oberflächenladung innerhalb des fluidischen Durchlasses bereitzustellen, und ein Erfassen des Ionenleitwerts durch den fluidischen Durchlass.
Ein beispielhaftes System gemäß der Erfindung weist ein Substrat auf, das einen fluidischen Durchlass beinhaltet, der eine Oberfläche aufweist, die eine Rezeptorschicht zum Einfangen eines Analyten und zum Verursachen einer Änderung einer Oberflächenladung beim Einfangen des Analyten beinhaltet. Der fluidische Durchlass, der die Rezeptorschicht beinhaltet, weist zumindest eine Abmessung von eintausend Nanometern oder weniger auf. Eine erste fluidische Kammer und eine zweite fluidische Kammer stehen mit dem fluidischen Durchlass in fluidischer Verbindung. Das System beinhaltet eine Spannungsquelle zum Anlegen einer Spannung über den fluidischen Durchlass und eine Erfassungseinheit zum Erfassen von Änderungen im elektrischen Leitwert durch den fluidischen Durchlass. Eine Elektrolytlösung in der ersten fluidischen Kammer weist eine ausreichend geringe Salzkonzentration auf, sodass eine Änderung in der Oberflächenladung, die aus dem Einfangen der Analyten durch die Rezeptorschicht resultiert, wenn die Elektrolytlösung durch den fluidischen Durchlass strömt, eine wesentliche Auswirkung auf den Ionenleitwert durch den fluidischen Durchlass hat.
So, wie der Begriff hierin verwendet wird, beinhaltet ein „Vereinfachen” eines Vorgangs das Durchführen des Vorgangs, das Erleichtern des Vorgangs, das Unterstützen der Durchführung des Vorgangs oder das Veranlassen der Durchführung des Vorgangs. So können beispielsweise, und ohne dabei einschränkend zu wirken, Anweisungen, die auf einem Prozessor ausgeführt werden, einen Vorgang vereinfachen, der durch Anweisungen ausgeführt wird, die auf einem entfernt angeordneten Prozessor ausgeführt werden, indem sie entsprechende Daten oder Befehle senden, um die Durchführung des Vorgangs zu veranlassen oder zu unterstützen. Um Missverständnisse auszuschließen, wenn ein Aktor einen Vorgang auf andere Weise als durch Durchführen des Vorgangs vereinfacht, wird der Vorgang dennoch durch eine Entität oder eine Kombination von Entitäten durchgeführt.
Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung oder von Elementen davon können in Form eines Computerprogrammprodukts wie zum Beispiel eines computerlesbaren Speichermediums mit einem computerverwendbaren Programmcode zum Durchführen der angegebenen Verfahrensschritte implementiert werden. Des Weiteren können ein oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung oder von Elementen davon in Form eines Systems (oder einer Vorrichtung) implementiert werden, das/die einen Speicher und zumindest einen Prozessor beinhaltet, der mit dem Speicher verbunden und in der Lage ist, beispielhafte Verfahrensschritte durchzuführen. Noch weiter können in einem weiteren Aspekt eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung oder von Elementen davon in Form von Mitteln zum Ausführen eines oder mehrerer der hierin beschriebenen Verfahrensschritte implementiert werden; zu den Mitteln können (i) ein oder mehrere Hardware-Modul(e), (ii) ein oder mehrere Software-Modul(e), die in einem computerlesbaren Speichermedium (oder mehreren solcher Medien) gespeichert sind und auf einem Hardware-Prozessor implementiert werden, oder (iii) eine Kombination aus (i) und (ii) zählen; wobei beliebige der (i) bis (iii) die spezifischen Techniken implementieren, die hierin dargelegt werden.
Die Techniken der vorliegenden Erfindung können wesentliche vorteilhafte technische Auswirkungen bereitstellen. Beispielsweise können eine oder mehrere Ausführungsformen einen oder mehrere der folgenden Vorteile bieten:

• Ermöglicht patientennahe Diagnostik/Biosensoren;
• Lässt hochempfindliche Anwendungen und Spurenerfassung zu;
• Geringste Anforderungen an die Ausstattung;
• Erfassung von kleinen, geladenen Analyten.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen davon, die in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist, ersichtlich.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1A ist ein Graph, der den elektrischen Leitwert als Funktion einer Elektrolytkonzentration für Nanoporen veranschaulicht, die in Siliciumnitrid ausgebildet sind und in 1B, 1C und 1D dargestellt werden;
2A ist ein Graph, der den elektrischen Leitwert als Funktion einer Elektrolytkonzentration für Nanoporen veranschaulicht, die in Titannitrid ausgebildet sind und in 2B, 2C und 2D dargestellt werden;
3 ist ein Graph, der den elektrischen Leitwert als Funktion einer Elektrolytkonzentration für eine Nanopore in Titanoxid vor und nach einer Ausbildung einer Oxidschicht veranschaulicht;
4 ist eine schematische Darstellung, die eine Oberflächenladungsdichte in einem Kanal und ihre Auswirkung auf Ionen in einer Elektrolytlösung veranschaulicht;
5 ist ein Graph, der einen Leitwert in Nano-Siemens als Funktion einer KCl-Konzentration darstellt;
6 ist eine schematische Darstellung einer Pore, die eine Rezeptorschicht beinhaltet;
7 ist eine schematische Darstellung der in 6 dargestellten Pore mit durch die Rezeptorschicht eingefangenen Analyten;
8 ist eine schematische Darstellung einer Einheit, die eine Nanopore mit einer Rezeptorschicht beinhaltet;
9A und 9B stellen das Einfangen eines D-Glucose-Analyten durch eine Borsäure-Rezeptorschicht dar;
10 ist ein Graph, der eine Änderung des Ionenleitwerts in einem Elektrolyt abhängig von der Ionenkonzentration darstellt;
11 ist ein Graph, der den Leitwert einer Nanopore in Pico-Siemens nach dem Einbringen von Glucose und anschließendem Spülen mit einer glucosefreien Elektrolytlösung darstellt;
12 ist eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Messen des Leitwerts in einem fluidischen Kanal, der eine Oberfläche mit einer Rezeptorschicht aufweist;
13 ist ein Graph, der einen Strom durch den fluidischen Kanal von 12 als Funktion einer Zeitdauer veranschaulicht;
14 ist ein Ablaufdiagramm, das das Verarbeiten einer Probe veranschaulicht, die einen Analyten enthält;
15 ist ein Graph, der einen Strom durch eine einzelne Pore während des Einfangens von Analytenmolekülen innerhalb der Pore veranschaulicht;
16 ist ein Graph, der einen Strom durch ein Array von Poren während des Einfangens von Analytenmolekülen innerhalb des Arrays von Poren veranschaulicht;
17 stellt ein System zum Erfassen einer Vielzahl verschiedener Analyten dar, die in einer Testprobe vorhanden sein können, und
18 stellt ein Computersystem dar, das beim Implementieren eines oder mehrerer Aspekte und/oder Elemente der Erfindung nützlich sein kann.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Die Erfassung von biologischen Molekülen wie zum Beispiel Proteinen, DNA und Enzymen kann auf dem Gebiet der Diagnostik nützlich sein. Die vorliegende Erfindung stellt Techniken bereit, die Durchlässe wie zum Beispiel mikrofluidische und/oder nanofluidische Poren oder Kanäle einsetzen, um solche Moleküle zu erfassen. Änderungen im Ionenleitwert können resultierend aus Oberflächenladungsänderungen des Durchlasses erfasst werden. Die Bindung ausgewählter Moleküle an die Oberfläche des Durchlasses kann die Erfassung der ausgewählten Moleküle ermöglichen, wie im Folgenden erörtert wird. Ferner werden Erfassungseinheiten, die in der Lage sind, solche Techniken zu verwenden, durch die Erfindung zum Erfassen ausgewählter Moleküle bereitgestellt.
Der Ionenleitwert von Nanoporen und Nanokanälen bei hohen Ionenkonzentrationen wird durch die Porengeometrie und die Ionenkonzentration vorgegeben. Bei geringen Konzentrationen steuert jedoch die Oberflächenladung im Wesentlichen die Anzahl von Ionen in der Pore oder dem Kanal und folglich deren Leitwert. Unter Bezugnahme auf 1(A) bis (D) und 2(A) bis (D) wird der Leitwert durch Nanoporen verschiedener Größen dargestellt, die in Siliciumnitrid bzw. Titannitrid ausgebildet sind. Der Leitwert steigt tendenziell mit einer Zunahme der Ionenkonzentration der KCl-Elektrolytlösung wie auch mit einer Zunahme der Porengröße an.
Unter Bezugnahme auf 3 lässt sich beobachten, dass unter bestimmten Bedingungen bei geringen Ionenkonzentrationen der Leitwert durch eine kleinere Nanopore höher als durch eine größere Nanopore sein kann. In diesem beispielhaften Test ist der Leitwert durch eine plasmaoxidierte TiN-Nanopore mit einem gleichmäßigen Oxid von 1,25 nm Dicke höher als durch eine 3,5 nm dicke TiN-Nanopore ohne Oxidbeschichtung. Bei relativ hohen KCl-Konzentrationen ist die Leitfähigkeit der oxidierten Nanopore aufgrund des verringerten Nanoporendurchmessers vermindert. Jedoch ist aufgrund der höheren Oberflächenladung der oxidierten Nanoporenoberfläche die Leitfähigkeit bei geringen Konzentrationen höher. 4 veranschaulicht schematisch die Wirkung, die eine Oberflächenladung in einem rechteckigen Durchlass 20 mit der Höhe „h” aufweisen kann. Ionen in der Lösung werden durch die elektrischen Felder auf der Oberfläche einer Pore oder eines Kanals bis zu der „Dukhin-Länge” beeinflusst. Die in 4 dargestellten negativen Ladungen stellen Oberflächenladungen dar, wohingegen die positiven Zeichen positive Ionen innerhalb einer Dukhin-Länge der Oberfläche darstellen, die der Oberflächenladung entgegenwirken. Der Ionenleitwert durch die Pore/den Kanal ist bei einem konstanten Wert gesättigt, wenn gilt I_Dukhin = |σ|/eρ ≥ r_p (Porenradius) oder h_channel/2, wobei ρ die Gegenionenkonzentration und σ die Oberflächenladungsdichte ist. Es gilt G_sat = 2μw|σ|/I, wobei w und I die Breite bzw. die Länge des Durchlasses sind. Bei einer Sättigung ist die Anzahl der Gegenionen in dem Durchlass konstant, was zu einem konstanten Leitwert führt, wie in 5 dargestellt.
6 und 7 stellen den Durchlass 20 dar, der eine Rezeptorschicht 22 beinhaltet. 7 stellt des Weiteren Analytenmoleküle 24 dar, die durch die Rezeptorschicht 22 eingefangen wurden. Die Rezeptorschicht 22 kann aus Rezeptormolekülen bestehen, die auf (einen) bestimmte(en) Analyten abzielen. Zu nichtbeschränkenden Beispielen zählen chemische Rezeptoren, Antikörper und Oligonukleotide. Chelat-Moleküle wie zum Beispiel Tri- oder Bi-Pyridin, die dafür bekannt sind, dass sie mehrwertige Schwermetallionen in Wasser einfangen, können möglicherweise ebenfalls verwendet werden. Bei einem beispielhaften Testprozess kann der Ionenleitwert durch den Durchlass (Kanal oder Pore) mithilfe eines Kalibrierungsfluids gemessen werden, bevorzugt mit einer Elektrolytlösung mit einer geringen Salzkonzentration wie etwa 0,1 mM KCl. Die Lösung, die den fraglichen Analyten enthält (oder möglicherweise enthält), wird eingebracht, während gleichzeitig der Ionenleitwert weiterhin gemessen wird. Anschließend wird der Durchlass mit einem Kalibrierungsfluid gespült und der neue Ionenleitwert gemessen. Es kann eine Echtzeiterfassung eines Zielanalyten bereitgestellt werden.
Eine Testeinheit 60, wie in 8 dargestellt, kann dazu verwendet werden, die Durchführbarkeit der hierin offenbarten Verfahren zu zeigen. Die Einheit beinhaltet eine TiN-Dünnschicht 62 mit einer Dicke von zwanzig (20) Nanometern in einem Stapel, der dielektrische Schichten 64, 66 aus SiO₂ und Si₃N₄ mit einer Dicke von 10 nm bzw. 50 nm aufweist. Die Einheit beinhaltet eine fluidische Zelle 68, die eine KCl-Lösung enthält. Die TiN-Schicht beinhaltet eine Pore 70 mit einem Durchmesser von weniger als einhundert Nanometern, bevorzugt kleiner. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform weist die TiN-Membranschicht eine plasmaoxidierte Oberfläche auf. Eine Rezeptorschicht 72 ist an die Membranschicht 62 gebunden, wodurch sich die Porengröße verringert. Die dielektrischen Dünnschichten der Einheit 60 aus Si₃N₄ und SiO₂ können mithilfe von plasmaunterstützter chemischer Gasphasenabscheidung (plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD) abgeschieden werden. Die TiN-Dünnschicht kann mithilfe von reaktivem Sputtern abgeschieden werden. Die Dünnschichten können nacheinander auf einem Silicium-Wafer abgeschieden werden. Um eine dünne Membranschicht 62 zu fertigen, durch die eine Pore (oder bei alternativen Ausführungsformen ein Kanal) hergestellt werden kann, kann Standardlithographie verwendet werden, um die Rückseite des Wafer zu strukturieren, sodass mithilfe eines anisotropen Siliciumätzmittels wie zum Beispiel KOH oder Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH) eine Durchgangsöffnung durch den gesamten Silicium-Wafer geätzt werden kann. Poren können mithilfe eines Transmissionselektronenmikroskops (TEM) mit einer so geringen Größe wie einem Nanometer gefertigt werden. Sonstige Techniken können eingesetzt werden, um etwas größere Poren bereitzustellen, wie zum Beispiel Elektronenstrahllithographie und reaktives Ionenätzen. Es ist ersichtlich, dass Kanäle, die parallel zu einer Wafer-Oberfläche statt durch eine Membran verlaufen, gemäß den Grundgedanken der Erfindung verwendet werden können. Grabenartige Kanäle sind wahrscheinlich empfänglicher für skalierbare Techniken wie zum Beispiel Photolithographie und herkömmliche Nass- und Trocken-Ätztechniken (mit reaktiven Ionen). Kanäle werden auch für „Chiplabor”-Anwendungen bevorzugt, wie im Folgenden erörtert wird.
9A und 9B stellen jeweils das Binden einer Borsäure-Rezeptorschicht an die Oberfläche der TiN-Membranschicht 62 und das Einfangen eines D-Glucosemoleküls durch die Rezeptorschicht dar. Wie in 9B dargestellt, führt das Binden von Glucose zu einer negativen Ladung des Boratoms. Es ist ersichtlich, dass außer Glucose auch Borsäure zum Einfangen von vicinalen Diolen und Dihydroxiden eingesetzt werden kann. Es ist ferner ersichtlich, dass andere Porenmaterialien als TiN eingesetzt werden können, darunter TiO₂, Si₃N₄, HfO₂ und Al₂O₃, ohne zwingend auf diese beschränkt zu sein.
10 ist ein Graph, der darstellt, wie sich der Ionenleitwert einer Einheit 60, wie sie in 8 dargestellt wird, mit der Salzkonzentration ändert. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist eine 11 nm mal 14 nm große, elliptische Pore in der TiN-Membranschicht 62 im Anschluss an eine Oxidierung auf etwa 8 nm mal 11 nm verkleinert. Die Borsäurebeschichtung verringert die Porengröße weiter auf etwa 6 nm mal 9 nm. Die Daten in 10 zeigen, dass der Leitwert bei einem konstanten Wert von Konzentrationen von zehn (10) mM und darunter gesättigt ist, wobei dieser Sättigungsbereich der gewünschte Bereich für eine Anwendung der Erfindung ist. Im Anschluss an ein Einfangen einer Monoschicht Zucker würde die Porengröße etwa 5 nm mal 8 nm betragen. 1 mg/ml D-Glucose in einer 0,1 mM KCl-Elektrolytlösung wird in der fluidischen Zelle oberhalb und unterhalb der Nanopore bereitgestellt. Es wird eine Vorspannung von 100 mV über die Nanopore angelegt. 11 stellt einen Porenleitwert in Echtzeit im Anschluss an ein Einbringen von 1 mg/ml Glucose in die 0,1 mM KCl-Elektrolytlösung und anschließendes Spülen der Nanopore mit einer 0,1 mM KCl-Elektrolytlösung dar. Wie in dem Graphen dargestellt, kommt es zu einem steilen Abfall des Porenleitwerts, wenn die Glucose enthaltende Elektrolytlösung eingebracht wird. Der negative Leitwert wird der Anziehungskraft von K+-Ionen in der Lösung auf die stärker negativ geladene Porenoberfläche zugeschrieben. Der Leitwert ist im Anschluss an das Spülen mit der Elektrolytlösung sehr niedrig, jedoch nicht null. Das komplexe Verhalten des Leitwerts im Zeitverlauf kann vorübergehenden Auswirkungen durch ionische und molekulare Diffusion zugeschrieben werden, wodurch der Ionenleitwert auf einen konstanten Wert zurückgesetzt wird, der sich erheblich vom Ausgangswert unterscheidet, da noch Glucose an die Borsäure innerhalb der Pore gebunden ist.
Ein System 80 zum Erfassen von Analyten, das die Grundgedanken der Erfindung verwendet, wird in 12 dargestellt. Ein solches System kann entweder Poren oder Kanäle beinhalten, die ein Elektrolyt mit einer ausreichend geringen Salzkonzentration enthalten, sodass sich die Oberflächenladung (falls vorhanden) auf den Poren oder Kanälen erheblich auf den Leitwert auswirkt. Das System beinhaltet einen oder mehrere Einlassanschlüsse 82. Eine fluidische Kammer 84, die einen Mikrokanal aufweisen kann, steht mit dem Einlassanschluss/den Einlassanschlüssen in fluidischer Verbindung. Die fluidische Kammer 84 kann zum Beispiel zum Mischen einer reinen Elektrolytlösung, die durch einen ersten Einlassanschluss eingebracht wird, mit einer Lösung verwendet werden, die Analytenmoleküle enthält (oder möglicherweise enthält), die durch einen zweiten Einlassanschluss eingebracht wird. Ein mit einem Rezeptor beschichteter Durchlass 86 wie zum Beispiel eine Pore oder ein Kanal steht mit der fluidischen Kammer 84 in fluidischer Verbindung und dient als Sensor. Der Durchlass 86, der die Rezeptorschicht beinhaltet, weist zumindest eine Abmessung auf, die eintausend Nanometer oder weniger beträgt. Diese zumindest eine Abmessung ist bei den meisten Anwendungen wahrscheinlich erheblich kleiner als eintausend Nanometer und würde für viele Anwendungen bevorzugt weniger als fünfzig (50) Nanometer betragen. Sonstige Abmessungen des Durchlasses können größer als diese zumindest eine Abmessung sein, möglicherweise erheblich größer. Beispielsweise könnte ein Kanal eine Tiefe von einhundert Nanometern oder weniger, eine Breite von mehr als eintausend Nanometern und eine Länge von einem Mikrometer aufweisen. Die relativ große Breite des Kanals kann das Signal-Rausch-Verhältnis verbessern. Sämtliche Abmessungen des Durchlasses sind bevorzugt erheblich größer als die Höchstabmessung des zu erfassenden Analyten und können mehr als zehnmal größer als die Höchstabmessung des Analyten sein. Ein(e) zweite(r) Mikrokanal oder fluidische Kammer 88 steht mit dem Auslass des Durchlasses in fluidischer Verbindung. Eine Spannungsquelle 90 wird zum Anlegen eines elektrischen Potentials über den Durchlass 86 bereitgestellt. Der Strom durch das System 80 wird durch ein Amperemeter 92 erfasst. Wie in 12 veranschaulicht, funktioniert der mit dem Rezeptor beschichtete Durchlass 86 im Allgemeinen wie ein Regelwiderstand. Änderungen im Strom stehen mit Änderungen im Sensorwiderstand in Zusammenhang, der mit Änderungen in der Oberflächenladung des Durchlasses korreliert. Der Strom ist proportional zu der Größe der Oberflächenladung in dem Durchlass 86. 13 stellt einen gemessenen Strom in dem System 80 als Funktion einer Zeitdauer dar. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform steigt die Oberflächenladung im Laufe der Zeit an.
14 beinhaltet einen Ablaufplan, der den Betrieb eines mikrofluidischen Systems 100 darstellt, das zum Implementieren der Grundgedanken der Erfindung verwendet werden kann. Verschiedene Funktionen, die durch das System durchgeführt werden, können durch einen Computer gesteuert werden. Sensoren, wie sie hierin beschrieben werden, können in mikrofluidische Systeme, wie hierin dargestellt, oder sonstige derartige System integriert werden, die heute erhältlich sein können oder die zukünftig erhältlich werden. Das beispielhafte System beinhaltet einen oder mehrere fluidische Einlässe, die für verschiedene Proben verwendet werden können, oder, wie in 14 dargestellt, einen Probeneinlass 102 und einen Reagenseinlass 104. Ein Probenvorbereitungsbereich 106, wie dargestellt, beinhaltet eine Filtereinheit 108, eine Verdünnungskammer 110, eine Reaktionskammer 112 und eine Mischkammer 114. Es ist ersichtlich, dass der Probenvorbereitungsbereich mehr als eines dieser Elemente und/oder zusätzliche Elemente beinhalten kann. Die vorbereitete, Analyten enthaltende Elektrolytlösung wird von dem Probenvorbereitungsbereich 106 aus einem Sensor 116 zugeführt. Bei dem Sensor kann es sich zum Beispiel um einen einzigen nanofluidischen Durchlass (eine Pore oder einen Kanal), der eine Rezeptorschicht zum Einfangen eines Zielanalyten aufweist, oder um ein Array solcher Durchlässe handeln. Gemäß der Erfindung beinhaltet zumindest einer der Durchlässe eine Rezeptorschicht, und die Elektrolytlösung ist ausreichend verdünnt, sodass die Oberflächenladung des Durchlasses sich erheblich auf die elektrische Leitfähigkeit durch den Durchlass auswirkt. Wenn ein Array von Durchlässen eingesetzt wird, kann jeder Durchlass dieselben Abmessungen aufweisen, oder ein oder mehrere Durchlässe können unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Wie oben erörtert, weist jeder Durchlass, in dem die Oberflächenladung eine erhebliche Auswirkung auf die elektrische Leitfähigkeit dort hindurch haben soll, zumindest eine Abmessung auf, die eintausend Nanometer oder weniger, für viele mögliche Anwendungen bevorzugt fünfzig Nanometer oder weniger, beträgt. Eine elektrische Kenngröße, die sich auf die Leitfähigkeit des Durchlasses bezieht, wird mithilfe einer Signalanalyse- und Erfassungseinheit 118 bezogen. Eine solche Einheit kann ein Amperemeter beinhalten. Eine Analyse der elektrischen Kenngröße kann Daten in Bezug auf das Vorhandensein des Zielelektrolyten, seine Konzentration oder sonstige Daten bereitstellen. Das System 100 kann des Weiteren zusätzliche mikrofluidische oder nanofluidische Sensoren 120 beinhalten, die auf dieselbe Weise oder auf eine andere Weise arbeiten wie der Sensor 116. Zusätzlich kann eine Sammelkammer 122 zum Aufnehmen der vorbereiteten, Analyten enthaltenden Lösung zur weiteren Analyse außerhalb des mikrofluidischen Systems 100 bereitgestellt werden. Die Sammelkammer 122 kann mit dem Sensor 116, wie dargestellt, oder mit dem Probenvorbereitungsbereich 106 in fluidischer Verbindung stehen. Möglichkeiten zur Multiplex-Erfassung wie auch zur Verwendung einer Vielfalt von Erfassungstechnologien können durch das System 100 bereitgestellt werden.
15 stellt einen Typ eines Sensors 130 dar, der als Sensor 116 in 14 eingesetzt werden kann. Dieser Sensor beinhaltet eine einzige Pore 132 in einer Membran 134, die eine Rezeptorschicht zum Abzielen auf einen Analyten beinhaltet, der die Pore in einer Elektrolytlösung mit einer sehr geringen Salzkonzentration durchquert. Ein Strom als Funktion der Zeitdauer für einen solchen Sensor 130 wird ebenfalls in der Figur dargestellt. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform führt das Einfangen eines Analyten zu einem Abfall in dem Strom durch die Pore. Es wird weiter angenommen, dass das Binden des Analyten den Strom um fünfzig Prozent verringert, dass jedoch Rauschen etwa 25% des ursprünglichen Stroms i₀ beträgt. Es ist ersichtlich, dass im Rahmen der hierin offenbarten Techniken ein Erfassen von elektrischen Kenngrößen, die mit dem Leitwert in Zusammenhang stehen, wie zum Beispiel elektrischer Strom, als gleichbedeutend mit einem Erfassen des Ionenleitwerts betrachtet wird. Elektrischer Strom ist unter den hierin offenbarten Betriebsgrößen proportional zu der Größe der Oberflächenladung innerhalb einer Pore 132 oder eines sonstigen fluidischen Durchlasses.
Ein zweiter Typ eines Sensors 140, der als Sensor 116 in dem System von 14 eingesetzt werden kann, wird in 16 dargestellt. Dieser Sensor 140 beinhaltet ein Array von Poren 142 in einer Membran 144, wobei jede der Poren eine Rezeptorschicht zum Abzielen auf einen Analyten beinhaltet. Das Array von Poren weist im Vergleich zu Einzelporensensoren ein überragendes Signal-Rausch-Verhältnis auf, wie durch den zugehörigen Graphen veranschaulicht wird.
17 stellt ein System 150 dar, das dem in 12 dargestellten System 80 ähnelt. Das System beinhaltet einen Einlassanschluss/Einlassanschlüsse 152 und Durchlässe 154, die mit dem Einlassanschluss/den Einlassanschlüssen in fluidischer Verbindung stehen. Wie oben erörtert, kann es sich bei den Durchlässen entweder um Poren oder um Kanäle handeln. Wenn Kanäle eingesetzt werden, beträgt zumindest eine Abmessung jedes Kanals bevorzugt weniger als 100 nm. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform beinhaltet jeder der Durchlässe eine andere Rezeptorschicht, die als Rezeptor A, Rezeptor B bzw. Rezeptor C gekennzeichnet sind. Es ist jedoch ersichtlich, dass die Rezeptorschichten aus denselben Materialien bestehen können. Ein Durchlass kann als Steuerung dienen und keine Rezeptorschicht aufweisen. Durch Bereitstellen einer Vielzahl von Rezeptorschichten kann das System 150 für eine Multiplex-Erfassung einer Vielzahl von Analyten verwendet werden. Bei dieser beispielhaften Ausführungsform ist jedem Durchlass 154 ein Amperemeter 156 zugehörig. Wenngleich nur eine Spannungsquelle 158 dargestellt wird, ist ersichtlich, dass das System so gestaltet werden kann, dass es für jeden Durchlass getrennte Spannungsquellen beinhaltet. Im Betrieb bewegt sich eine Elektrolytlösung mit einer geringen Salzkonzentration von dem Einlassanschluss/den Einlassanschlüssen 152 zu den Durchlässen 154 und strömt gleichzeitig durch die Durchlässe. Wenn die Elektrolytlösung verschiedene Typen von Analyten enthält, können die verschiedenen Rezeptorschichten so konzipiert werden, dass sie die unterschiedlichen Analyten einfangen. Das Einfangen von Analyten wird durch Änderungen im Strom widergespiegelt, die durch die Amperemeter, die jedem Durchlass zugehörig sind, infolge von Änderungen in den Oberflächenladungen davon aufgrund des Bindens von Analyten an die Rezeptorschichten erfasst werden. Es ist ersichtlich, dass das System Multiplex-Arrays von Durchlässen beinhalten kann, wobei jedes Array dieselbe Zusammenstellung von Rezeptorschichten aufweist. Es ist ersichtlich, dass ein einziges Amperemeter statt der Vielzahl von Amperemetern 156 eingesetzt und so angeordnet werden kann, dass es elektrischen Strom durch jeden Durchlass 154 erfasst. Strommesswerte können nacheinander von jedem Durchlass bezogen werden, wenn eine Analyten enthaltende Elektrolytlösung durch die Durchlässe strömt. Die Messwerte können zu einem Speicher wie etwa einem Speicher 1804 in 18 zur Speicherung oder weiteren Verarbeitung übertragen werden. Messwerte können fortlaufend oder zu ausgewählten Zeitpunkten genommen werden, unabhängig davon, ob ein oder eine Vielzahl von Amperemetern verwendet wird.
Wie oben erörtert, können Poren, Kanäle und Arrays von Poren oder Kanälen als fluidische Durchlässe verwendet werden, um die Erfindung umzusetzen. Wie in den Figuren dargestellt, können Poren unterschiedliche Formen aufweisen, darunter die runden und elliptischen Formen, die in 1(b) bis (d) und 2(b) bis (d) gezeigt werden, ohne auf diese beschränkt zu sein. Kanäle, die als grabenartige Strukturen in Wafer-Oberflächen ausgebildet sind, können ebenfalls in unterschiedlichen Gestaltungen ausgebildet werden. Die Größen der Poren oder Kanäle sind dergestalt, dass sich Oberflächenladungen an den Wänden davon erheblich auf den elektrischen Leitwert auswirken, wenn sich Elektrolytlösungen mit ausreichend geringen Salzkonzentrationen darin befinden. Die Poren- oder Kanalgrößen hängen außerdem teilweise von den Größen der Zielanalyten ab. Im Hinblick auf die kanalartigen Durchlässe beträgt zumindest eine Abmessung bevorzugt weniger als einhundert Nanometer, sodass Oberflächenladungen den elektrischen Leitwert erheblich verändern. Sonstige Abmessungen der kanalartigen Durchlässe können erheblich größer sein und können bevorzugt größer sein, um das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern. Es kann möglich sein, einige geladene Analyten zu erfassen, die durch die Durchlässe strömen, die zumindest eine Abmessung im mikrofluidischen Bereich (0,1 bis 100 Mikrometer) wie auch im nanofluidischen Bereich (1 bis 1.000 nm) aufweisen. Durchlässe sollten größer sein als die Analyten, die darin eingefangen werden sollen. Beispielsweise weisen Antikörper typischerweise eine Größenordnung von fünf bis zehn Nanometern auf. Bei Durchlässen, die zum Einfangen solcher Antikörper verwendet werden, sollten alle Abmessungen größer als fünf bis zehn Nanometer sein und bevorzugt im Bereich von etwa fünf- bis zehnmal größer als die Höchstabmessungen der Analyten sein. Es ist ersichtlich, dass Analyten unregelmäßige Formen aufweisen können und dass die Durchlässe möglicherweise für bestimmte Analyten mit optimalen Größen und Formen konzipiert sein müssen, um die Erfassung solcher Analyten durch Änderungen im Leitwert auf der Grundlage von Änderungen in der Oberflächenladung am besten zu ermöglichen und gleichzeitig zu vermeiden, dass Poren oder Kanäle verstopft werden, wodurch der Durchfluss erheblich behindert würde. Durchlässe, bei denen zumindest eine oder möglichst alle Abmessungen zumindest mehr als zehnmal größer als die Höchstabmessungen des Analyten sind, können für bestimmte Anwendungen bevorzugt sein.
Über die Überlegungen zu Größe und Form der Durchlässe, wie oben erörtert, hinaus ist die Durchlasslänge eine weitere Überlegung beim Konzipieren von Sensoren mithilfe von Oberflächenladungstechniken. Der Dynamikbereich eines Sensors, der von Änderungen in der Oberflächenladung eines Durchlasses abhängt, vergrößert sich mit zunehmender funktionalisierter Poren- oder Kanallänge. Wenn die Rezeptorschicht nur einen dünnen Abschnitt des Durchlasses ausmachen würde, könnte sie aufgrund der begrenzten Anzahl von Bindungsstellen leicht mit Analytenmolekülen gesättigt werden. Durch Vergrößern der funktionalisierten Länge des Durchlasses dauert es länger, bis bei stark analytenhaltigen Lösungen Sättigung eintritt. Höhere Konzentrationen von Analyten können dementsprechend mit längeren funktionalisierten Durchlässen erfasst werden, da mehr Bindungsstellen verfügbar sind. Um Spuren von Materialien zu erfassen, ist jedoch eine höchste Empfindlichkeit erwünscht, und es kann Dynamikbereich aufgegeben werden.
Ein Analyt kann mit einem sekundären „Kennzeichnungsmarker” versehen werden, um gegebenenfalls eine Ladung bereitzustellen. Ein solcher Marker kann einem Rezeptormolekül ähneln, jedoch nicht an die Oberfläche gebunden werden. Techniken zum sekundären Markieren werden bei enzyme-linked immunosorbent Assays (ELISA) mithilfe eines Paares von Antikörpern eingesetzt, die einen fraglichen Analyten wie bei einem „Sandwich” umgeben. Der Sekundärantikörper weist einen Marker auf, der durch Fluoreszenz, Farbmessung/Meerrettichperoxidase, radioaktive Markierung oder sonstige Techniken erfasst werden kann. Es sind beispielsweise typischerweise viele verschiedene Antikörper für dasselbe Protein vorhanden, sie binden sich jedoch häufig an verschiedene Bereiche des Proteins mit verschiedenen Aminosäurensequenzen und/oder -konfigurationen. Das Binden bei dieser beispielhaften Ausführungsform ähnelt dem oben beschriebenen Einfangen von Analyten, das Binden erfolgt lediglich an einer anderen Stelle des Analyten. Der Sekundärmarker sollte eine Ladung mitführen, entweder von Natur aus oder konstruktionsbedingt, die dann die Oberflächenladung innerhalb des fluidischen Durchlasses bereitstellen könnte. Wenn ein Sekundärmarker verwendet wird, würde die Messung des Ausgangswerts durchgeführt, nachdem der Analyt eingefangen worden ist, d. h. im Anschluss an das Einbringen der schwach konzentrierten Elektrolytlösung, die möglicherweise den Analyten enthält, und die abschließende Messung würde durchgeführt, nachdem dieser Sekundärmarker/-rezeptor eingebracht oder gebunden worden ist. Der Sekundärmarker/die Sekundärkennzeichnung ist ausreichend spezifisch für den Analyten, sodass er/sie sich nur dann an die Oberfläche des Durchlasses binden würde, wenn der Analyt vorhanden wäre.
Eine Reihe verschiedener Materialien kann zur Verwendung als Poren- oder Kanalmaterialien ausgewählt werden, darunter SiO₂, TiN und Si₃N₄, ohne auf diese beschränkt zu sein. Au ist eine weitere Möglichkeit und ist mit Thiol-terminierten, einzelsträngigen DNA-Molekülen verwendet worden, die als Rezeptoren verwendet wurden. Die Oberflächenchemie der Kanäle oder Poren kann an eine große Anzahl verschiedener Moleküle angepasst werden, um einen bestimmten molekularen oder enzymatischen Rezeptor an die Oberfläche zu binden.
Veränderungen des Einschwingzustands und des eingeschwungenen Zustands im Strom können dazu verwendet werden, Daten in Bezug auf einen Analyten bereitzustellen. Veränderungen des eingeschwungenen Zustands würden beobachtet, indem ein ursprünglicher Ausgangswert einer elektrischen Kenngröße gemessen wird, die Elektrolytlösung eingebracht wird, die den Analyten enthält, und zu einem späteren Zeitpunkt eine Gleichgewichtsmessung durchgeführt wird. Wenn die elektrische Kenngröße wie zum Beispiel der elektrische Leitwert in Echtzeit gemessen würde, können zusätzliche Daten in Bezug auf die Kinetik der Wechselwirkungen in dem Durchlass bezogen werden, wie zum Beispiel die Geschwindigkeit der Änderung des elektrischen Leitwerts bei Exposition gegenüber der Analyten enthaltenden Lösung. Einschwingverhalten können potenziell durch eine Diffusion des Analyten, wobei es sich um eine Funktion der Konzentration und der Durchlassgröße handelt, und durch die Kinetik der Bindung des Analyten an die Rezeptorschicht beeinflusst werden. Beispielsweise kann sich ein Analyt dauerhaft an ein Rezeptormolekül binden, oder er kann dazu neigen, sich nach der anfänglichen Bindung von der Rezeptorschicht zu lösen.
Die durch die Erfindung bereitgestellten Systeme und Verfahren nutzen Änderungen in der Oberflächenladung einer Pore oder eines Kanals bei geringen Ionenkonzentrationen, die sich stark auf die elektrische Leitfähigkeit auswirken. Dies ermöglicht die Fähigkeit, sogar einzelne Ionen wie Schwermetallionen in einer Lösung mit fluidischen Einheiten zu erfassen, die erheblich größer als einzelne atomare Ionen sind. Demgegenüber schirmen in Systemen, die hohe Salzkonzentrationen einsetzen, die Ionen in der Lösung die Oberflächenladungen an den Durchlasswänden schnell ab, sodass sich lediglich die widerstandsähnliche Salzvolumenkonzentration auf den elektrischen Strom auswirkt. Die Höhe des Widerstands bei solchen Konzentrationen hängt von dem Verhältnis der Länge zur Querschnittsfläche ab. Systeme, die sich auf hohe Salzkonzentrationen stützen, neigen dazu, auf Änderungen im Porenquerschnitt aufgrund der Bindung von Analyten zu setzen, die sich auf den Strom auswirken. Die Techniken, die gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, sind recht unempfindlich gegenüber der Größe von Analyten, da eine wesentliche Schrumpfung der Poren- oder Kanalabmessungen keine Voraussetzung für eine Analytenerfassung ist. Die Fähigkeit, relativ kleine Analyten mit kleineren Rezeptorschichten zu erfassen, ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung. Sehr große Moleküle, die wahrscheinlich pendeln und erhebliche Verstopfungen im Kanal verursachen und dadurch mit Signalen auf der Grundlage der Oberflächenladung konkurrieren und dem System als zusätzliches Rauschen erscheinen, sind jedoch möglicherweise keine idealen Kandidaten für eine Erfassung mithilfe der hierin bereitgestellten Techniken.
Angesichts der Erörterung bis hierher ist ersichtlich, dass ein beispielhaftes Verfahren gemäß einem Aspekt der Erfindung allgemein den Schritt zum Erzielen einer Einheit beinhaltet, die einen fluidischen Durchlass aufweist, der eine Rezeptorschicht zum Einfangen eines ausgewählten Analyten beinhaltet, wobei der fluidische Durchlass, der die Rezeptorschicht beinhaltet, zumindest eine Abmessung von eintausend Nanometern oder weniger aufweist. 8 und 14 veranschaulichen einen solchen fluidischen Durchlass, der eine Rezeptorschicht aufweist. Das Verfahren beinhaltet des Weiteren ein Strömenlassen einer Elektrolytlösung, die ein oder mehrere Moleküle des ausgewählten Analyten enthält, durch den fluidischen Durchlass, sodass der ausgewählte Analyt durch die Rezeptorschicht eingefangen wird, wobei das Einfangen des Analyten eine Änderung in der Oberflächenladung auf der Rezeptorschicht verursacht. Beispielsweise stellt 7 das Einfangen von Analytenmolekülen durch eine Rezeptorschicht dar, wohingegen 9A und 9B den Schritt des Einfangens im Hinblick auf einen spezifischen Analyten (Glucose) und eine spezifische Rezeptorschicht (Borsäure) darstellen. Wie oben erörtert, weist die Elektrolytlösung eine ausreichend geringe Salzkonzentration auf, sodass die Oberflächenladung eine wesentliche Auswirkung auf den Ionenleitwert durch den fluidischen Durchlass hat. Das Verfahren beinhaltet des Weiteren ein Erfassen des Ionenleitwerts durch den fluidischen Durchlass. 11 und 13 beinhalten Graphen, die die Erfassung eines Ionenleitwerts darstellen, wobei der erste Graph Einheiten des Leitwerts (pS) als Funktion einer Zeitdauer darstellt und der zweite Graph einen Strom als Funktion einer Zeitdauer darstellt.
Es ist ferner ersichtlich, dass ein beispielhaftes System gemäß der Erfindung ein Substrat beinhaltet, das einen fluidischen Durchlass mit einer Oberfläche aufweist, die eine Rezeptorschicht zum Einfangen eines Analyten und zum Verursachen einer Änderung der Oberflächenladung beim Einfangen des Analyten beinhaltet. 12, 14 und 17 stellen beispielhafte Systeme dieses Typs dar, wohingegen 8 und 9A Rezeptorschichten darstellen, die in den Systemen verwendet werden können. Der fluidische Durchlass, der die Rezeptorschicht beinhaltet, weist zumindest eine Abmessung von eintausend Nanometern oder weniger auf. Eine erste fluidische Kammer steht mit dem fluidischen Durchlass in fluidischer Verbindung, wie am besten in 12 dargestellt wird. Eine zweite fluidische Kammer steht ebenfalls mit dem fluidischen Durchlass in fluidischer Verbindung, wie durch das Bezugszeichen 88 in 12 dargestellt wird. Eine Spannungsquelle wird zum Anlegen einer Spannung über den fluidischen Durchlass bereitgestellt, wie in 12 und 17 dargestellt. Eine Erfassungseinheit zum erfasst Änderungen im elektrischen Leitwert durch den fluidischen Durchlass. 12 stellt ein Amperemeter 92 dar, und 17 stellt ein Array von Amperemetern 156 dar, die sämtlich auf Änderungen im Ionenleitwert ansprechen. Eine Elektrolytlösung in der ersten fluidischen Kammer weist eine ausreichend geringe Salzkonzentration auf, sodass eine Änderung in der Oberflächenladung, die aus dem Einfangen des Analyten durch die Rezeptorschicht resultiert, eine wesentliche Auswirkung auf den Ionenleitwert durch den fluidischen Durchlass hat, wenn sich die Elektrolytlösung darin befindet. Wenn sich ein Analyt in der Elektrolytlösung befindet, wird er dementsprechend durch die Rezeptorschicht eingefangen, was zu einer Änderung der Kennlinie der Oberflächenladung des fluidischen Durchlasses und des Ionenleitwerts führt. Wenn kein Analyt vorhanden ist, bleibt die Oberflächenladung (falls vorhanden) innerhalb des fluidischen Durchlasses unverändert. Die Erfassungseinheit kann dazu verwendet werden, das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein von Änderungen im Ionenleitwert aufgrund von Änderungen in der Oberflächenladung innerhalb des fluidischen Durchlasses durch Messen von elektrischen Kenngrößen wie zum Beispiel eines Stroms zu erfassen.
Die Erfindung umfasst des Weiteren ein Testen von Prozessen zum Ermitteln, ob ein Analyt in einer schwach konzentrierten Elektrolytlösung vorhanden ist. Ein solcher Prozess beinhaltet die Verwendung eines Sekundärmarkers oder einer Sekundärkennzeichnung, wie oben beschrieben. Im Besonderen weist ein erstes Verfahren, das keinen Sekundärmarker erfordert, ein Strömenlassen einer Elektrolytlösung durch einen fluidischen Durchlass, der eine Rezeptorschicht zum Einfangen eines ausgewählten Analyten und zum Verursachen einer Änderung in der Oberflächenladung innerhalb des fluidischen Durchlasses beim Einfangen des ausgewählten Analyten beinhaltet, wobei der fluidische Durchlass, der die Rezeptorschicht beinhaltet, zumindest eine Abmessung von eintausend Nanometern oder weniger aufweist, wobei die Elektrolytlösung eine ausreichend geringe Salzkonzentration aufweist, sodass eine Oberflächenladung innerhalb des fluidischen Durchlasses eine wesentliche Auswirkung auf den Ionenleitwert durch den fluidischen Durchlass hat, und ein Erfassen des Ionenleitwerts durch den fluidischen Durchlass auf. Wie oben erörtert, wird der Ionenleitwert durch Änderungen in der Oberflächenladung innerhalb des fluidischen Durchlasses erheblich beeinflusst, und er deutet daher auf das Vorhandensein oder das Nichtvorhandensein des Analyten hin.
Wenn das Einfangen des Analyten nicht ausreicht, um eine Änderung der Oberflächenladung in dem fluidischen Durchlass zu verursachen, kann das Verfahren dennoch zum Erfassen des Analyten verwendet werden, indem ein Sekundärmarker verwendet wird, der, wenn er an den Analyten gebunden wird, eine Änderung in der Oberflächenladung des Durchlasses bereitstellt, die erfasst werden kann. Ein solches Verfahren weist ein Strömenlassen einer Elektrolytlösung, die einen Zielanalyten enthalten kann, durch einen fluidischen Durchlass auf, der eine Rezeptorschicht zum Einfangen des ausgewählten (Ziel-)Analyten aufweist, wobei der fluidische Durchlass, der die Rezeptorschicht beinhaltet, zumindest eine Abmessung von eintausend Nanometern oder weniger aufweist. Die Elektrolytlösung weist eine ausreichend geringe Salzkonzentration auf, sodass eine Oberflächenladung innerhalb des fluidischen Durchlasses eine wesentliche Auswirkung auf den Ionenleitwert durch den fluidischen Durchlass haben kann. Das Verfahren weist des Weiteren ein Einbringen eines Sekundärmarkers, der in der Lage ist, sich an den ausgewählten Analyten zu binden, in den fluidischen Durchlass und ein Bereitstellen einer Oberflächenladung innerhalb des fluidischen Durchlasses beim Binden mit dem ausgewählten Analyten auf. Der Ionenleitwert durch den fluidischen Durchlass wird erfasst. Wenn der Analyt vorhanden ist, bindet sich der Sekundärmarker an den Analyten innerhalb des fluidischen Durchlasses und beeinflusst den Ionenleitwert durch die resultierende Änderung in der Oberflächenladung darin.
Einzelheiten eines beispielhaften Systems und Herstellungsgegenstands
Wie für einen Fachmann ersichtlich ist, können Aspekte der vorliegenden Erfindung als System, Verfahren oder Computerprogrammprodukt verkörpert werden. Dementsprechend können Aspekte der vorliegenden Erfindung eine reine Hardware-Ausführungsform, eine reine Software-Ausführungsform (darunter Firmware, residente Software, Mikrocode usw.) oder eine Ausführungsform annehmen, in der Software- und Hardware-Aspekte kombiniert werden, die sämtlich hierin verallgemeinernd als „Schaltung”, „Modul” oder „System” bezeichnet werden können. Des Weiteren können Aspekte der vorliegenden Erfindung die Form eines Computerprogrammprodukts annehmen, das in einem oder mehreren computerlesbaren Medien verkörpert wird, auf denen computerlesbarer Programmcode verkörpert ist.
Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung oder Elemente davon können in Form einer Vorrichtung implementiert werden, die einen Speicher und zumindest einen Prozessor beinhaltet, der mit dem Speicher verbunden und in der Lage ist, beispielhafte Verfahrensschritte durchzuführen, etwa Messen eines Ionenstroms, Erzeugen des elektrischen Potentials über den Durchlass mit der Rezeptorschicht, Steuern der Ströme der Elektrolytlösung und der Lösung der Testprobe (die möglicherweise Analyten enthält) durch den Durchlass, Steuern des Mischens der Elektrolytlösung und der möglicherweise Analyten enthaltenden Testprobe, Anzeigen fraglicher elektrischer Kenngrößen und Speichern von Daten, die sich auf die elektrische Leitfähigkeit innerhalb des Durchlasses beziehen. Eine Multiplex-Erfassung einer Vielzahl von Materialien, die Arrays auf demselben Chip verwenden, kann mithilfe eines Prozessors und eines Speichers vereinfacht werden. Fertigungsschritte zum Herstellen von Systemen, die in der Lage sind, die hierin offenbarten Techniken durchzuführen, können ebenfalls durch eine solche Vorrichtung gesteuert werden.
Eine oder mehrere Ausführungsformen können eine Software nutzen, die auf einem Universalcomputer oder einem Arbeitsplatzrechner ausgeführt wird. Unter Bezugnahme auf 18 könnte bei einer solchen Implementierung zum Beispiel ein Prozessor 1802, ein Speicher 1804 und eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle eingesetzt werden, die etwa durch eine Anzeige 1806 und eine Tastatur 1808 ausgebildet wird. Der Begriff „Prozessor” soll so, wie er hierin verwendet wird, eine beliebige Verarbeitungseinheit beinhalten, wie zum Beispiel eine, die eine CPU und/oder sonstige Formen einer Verarbeitungsschaltung beinhaltet. Des Weiteren kann sich der Begriff „Prozessor” auf mehr als einen einzelnen Prozessor beziehen. Der Begriff „Speicher” soll einen Speicher beinhalten, der einem Prozessor oder einer CPU zugehörig ist, wie zum Beispiel einen RAM (random access memory), einen ROM (read only memory), eine feste Speichereinheit (z. B. eine Festplatte), eine Wechselspeichereinheit (z. B. eine Diskette), einen Flash-Speicher und dergleichen. Darüber hinaus soll der Begriff „Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle” so, wie er hierin verwendet wird, zum Beispiel einen oder mehrere Mechanismen zum Eingeben von Daten in die Verarbeitungseinheit (etwa eine Maus) und einen oder mehrere Mechanismen zum Bereitstellen von Ergebnissen beinhalten, die der Verarbeitungseinheit zugehörig sind (etwa einen Drucker). Der Prozessor 1802, der Speicher 1804 und eine Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle wie zum Beispiel die Anzeige 1806 und die Tastatur 1808 können miteinander verbunden sein, etwa durch einen Bus 1810 als Teil einer Datenverarbeitungseinheit 1812. Geeignete Verbindungen, beispielsweise über den Bus 1810, können auch für eine Netzwerk-Schnittstelle 1814 wie etwa eine Netzwerkkarte, die dazu bereitgestellt wird, eine Verbindung mit einem Computernetzwerk herzustellen, und für eine Medienschnittstelle 1816 wie etwa eine Diskette oder ein CD-ROM-Laufwerk bereitgestellt werden, die dazu bereitgestellt werden kann, eine Verbindung mit Medien 1818 herzustellen. Schnittstellen können zu Mikroamperemetern, (nicht dargestellten) Ventilen, die das Mischen oder das Strömen der Elektrolytlösung und der Probe steuern, und/oder Stromversorgungen und dergleichen über ein Netzwerk oder eine(n) sonstige(n) geeignete(n) Schnittstelle, Analog-Digital-Wandler oder dergleichen bereitgestellt werden.
Dementsprechend kann eine Computer-Software, die Befehle oder Code zum Durchführen der Methoden der Erfindung beinhaltet, wie sie hierin beschrieben werden, in einer oder mehreren der zugehörigen Speichereinheiten (zum Beispiel einem ROM, einem festen oder einem Wechselspeicher) gespeichert werden und, wenn sie zur Nutzung bereit ist, durch eine CPU teilweise oder vollständig geladen werden (zum Beispiel in einen RAM) und implementiert werden. Zu einer solchen Software könnte Firmware, residente Software, Mikrocode und dergleichen zählen, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Ein Datenverarbeitungssystem, das zum Speichern und/oder Ausführen von Programmcode geeignet ist, beinhaltet zumindest einen Prozessor 1802, der direkt bzw. indirekt durch einen Systembus 1810 mit Speicherelementen 1804 verbunden ist. Die Speicherelemente können einen lokalen Speicher, der während der tatsächlichen Implementierung des Programmcodes eingesetzt wird, einen Massenspeicher und Cachespeicher beinhalten, die eine zeitweilige Speicherung von zumindest einem Teil des Programmcodes bereitstellen, um die Häufigkeit zu verringern, mit der der Code während der Implementierung aus dem Massenspeicher abgerufen werden muss.
Eingabe-/Ausgabe- bzw. E/A-Einheiten (zum Beispiel Tastaturen 1808, Anzeigen 1806, Zeigeeinheiten und dergleichen, jedoch nicht auf diese beschränkt) können entweder direkt (zum Beispiel über den Bus 1810) oder durch eingreifende E/A-Steuereinheiten (die der Übersichtlichkeit halber weggelassen werden) mit dem System verbunden sein.
Netzwerkadapter wie zum Beispiel eine Netzwerk-Schnittstelle 1814 können ebenfalls mit dem System verbunden sein, um dem Datenverarbeitungssystem zu ermöglichen, durch dazwischengeschaltete private oder öffentliche Netzwerke mit anderen Datenverarbeitungssystemen oder entfernt angeordneten Druckern oder Speichereinheiten verbunden zu werden. Modems, Kabelmodems und Ethernet-Karten sind nur einige der gegenwärtig verfügbaren Arten von Netzwerkadaptern.
Ein „Server” beinhaltet so, wie der Begriff hierin wie auch in den Ansprüchen verwendet wird, ein physisches Datenverarbeitungssystem (zum Beispiel ein System 1812, wie in 18 dargestellt), das als Server-Programm ausgeführt wird. Es versteht sich, dass ein solcher physischer Server eine Anzeige und eine Tastatur beinhalten kann.
Wie angemerkt, können Aspekte der vorliegenden Erfindung die Form eines Computerprogrammprodukts annehmen, das in einem oder mehreren computerlesbaren Medien verkörpert wird, auf denen computerlesbarer Programmcode verkörpert ist. Es kann eine beliebige Kombination eines oder mehrerer computerlesbarer Medien verwendet werden. Bei dem computerlesbaren Medium kann es sich um ein computerlesbares Signalmedium oder ein computerlesbares Speichermedium handeln. Bei einem computerlesbaren Speichermedium kann es sich zum Beispiel um ein elektronisches, magnetisches, optisches, elektromagnetisches, Infrarot- oder Halbleitersystem, eine solche Vorrichtung oder Einheit oder um eine beliebige geeignete Kombination aus Obigen handeln, ohne auf diese beschränkt zu sein. Bei dem Medienblock 1818 handelt es sich um ein nichtbeschränkendes Beispiel. Zu konkreteren Beispielen (einer nicht erschöpfenden Liste) des computerlesbaren Speichermediums würden folgende gehören: eine elektrische Verbindung mit einer oder mehreren Leitungen, eine tragbare Computerdiskette, eine Festplatte, ein Direktzugriffsspeicher (random access memory, RAM), ein Festwertspeicher (read-only memory, ROM), ein löschbarer, programmierbarer Festwertspeicher (erasable programmable read-only memory, EPROM oder Flash-Speicher), ein Lichtwellenleiter, ein tragbarer Compact-Disk-Festwertspeicher (CD-ROM), eine optische Speichereinheit, eine Magnetspeichereinheit oder eine beliebige geeignete Kombination der Obigen. Im Rahmen dieses Dokuments kann ein computerlesbares Speichermedium jedes physische Medium sein, das ein Programm zur Verwendung durch ein System, eine Vorrichtung oder Einheit zur Befehlsausführung bzw. in Verbindung mit diesen enthalten oder speichern kann.
Ein computerlesbares Signalmedium kann ein sich ausbreitendes Datensignal, in dem computerlesbarer Programmcode verkörpert wird, zum Beispiel im Basisband oder als Teil einer Trägerwelle beinhalten. Ein solches sich ausbreitendes Signal kann eine Vielfalt von Formen annehmen, darunter eine elektromagnetische Form, eine optische Form oder eine beliebige geeignete Kombination derselben, ohne auf diese beschränkt zu sein. Bei einem computerlesbaren Signalmedium kann es sich um ein beliebiges computerlesbares Medium handeln, das kein computerlesbares Speichermedium ist und das ein Programm zur Verwendung durch ein System, eine Vorrichtung oder Einheit zur Befehlsausführung bzw. in Verbindung mit diesen austauschen, verbreiten oder transportieren kann.
Auf einem computerlesbaren Medium verkörperter Programmcode kann mithilfe eines beliebigen geeigneten Mediums übertragen werden, zum Beispiel über Funk, Kabel, Lichtwellenleiterkabel, Hochfrequenz (HF) usw. oder über eine beliebige geeignete Kombination der Obigen, ohne auf diese beschränkt zu sein.
Computerprogrammcode zum Ausführen von Vorgängen für Aspekte der vorliegenden Erfindung kann in einer beliebigen Kombination einer oder mehrerer Programmiersprachen geschrieben werden, zum Beispiel in einer objektorientierten Programmiersprache wie etwa Java, Smalltalk, C++ oder dergleichen und in herkömmlichen verfahrensorientierten Programmiersprachen wie zum Beispiel der Programmiersprache „C” oder ähnlichen Programmiersprachen. Der Programmcode kann vollständig auf dem Computer des Benutzers, zum Teil auf dem Computer des Benutzers, als eigenständiges Software-Paket, zum Teil auf dem Computer des Benutzers und zum Teil auf einem entfernt angeordneten Computer oder vollständig auf dem entfernt angeordneten Computer oder Server ausgeführt werden. In letzterem Szenario kann der entfernt angeordnete Computer mit dem Computer des Benutzers durch eine beliebige Art von Netzwerk verbunden sein, zum Beispiel durch ein lokales Netzwerk (local area network, LAN) oder ein Weitverkehrs-Netzwerk (wide area network, WAN), oder die Verbindung kann mit einem externen Computer (zum Beispiel über das Internet mithilfe eines Internet-Diensteanbieters) hergestellt werden.
Aspekte der vorliegenden Erfindung werden hierin unter Bezugnahme auf Ablaufpläne und/oder Blockschaubilder von Verfahren, Vorrichtungen (Systemen) und Computerprogrammprodukten gemäß Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es versteht sich, dass jeder Block der Ablaufpläne und/oder Blockschaubilder, wie sie zum Beispiel in 14 bereitgestellt werden, und Kombinationen von Blöcken in den Ablaufplänen und/oder Blockschaubildern durch Computerprogrammbefehle implementiert oder vereinfacht werden kann/können. Diese Computerprogrammbefehle können für einen Prozessor eines Universalcomputers, eines Spezialcomputers oder einer sonstigen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung bereitgestellt werden, um eine Maschine zu erzeugen, sodass die Befehle, die über den Prozessor des Computers oder einer sonstigen programmierbaren Datenverarbeitungsvorrichtung ausgeführt werden, ein Mittel zum Implementieren der Funktionen/Vorgänge erzeugen, die in dem Block oder den Blöcken der Ablaufpläne und/oder der Blockschaubilder angegeben sind.
Diese Computerprogrammbefehle können auch in einem computerlesbaren Medium gespeichert werden, das einen Computer, eine sonstige programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung oder sonstige Einheiten so steuern kann, dass sie in einer bestimmten Weise funktionieren, sodass die in dem computerlesbaren Medium gespeicherten Befehle einen Herstellungsgegenstand (article of manufacture) erzeugen, der Befehle beinhaltet, die die/den Funktion/Vorgang implementieren, die/der in dem Block oder den Blöcken der Ablaufpläne und/oder der Blockschaubilder angegeben ist.
Die Computerprogrammbefehle können außerdem auf einen Computer, eine sonstige programmierbare Datenverarbeitungsvorrichtung oder sonstige Einheiten geladen werden, um zu bewirken, dass eine Reihe von Schritten eines Vorgangs auf dem Computer, einer sonstigen programmierbaren Vorrichtung oder sonstigen Einheiten ausgeführt wird, um einen computerimplementierten Prozess zu erzeugen, sodass die auf dem Computer oder einer sonstigen programmierbaren Vorrichtung ausgeführten Befehle Prozesse bereitstellen, um die in dem Block oder den Blöcken der Ablaufpläne und/oder der Blockschaubilder angegebenen Funktionen/Vorgänge zu implementieren.
Die Ablaufpläne und Blockschaubilder in den Figuren veranschaulichen die Architektur, Funktionalität und Arbeitsweise möglicher Implementierungen von Systemen, Verfahren und Computerprogrammprodukten gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In diesem Zusammenhang kann jeder Block in den Ablaufplänen oder Blockschaubildern ein Modul, ein Segment oder einen Abschnitt eines Codes darstellen, der einen oder mehrere ausführbare Befehle zum Implementieren der angegebenen logischen Funktion(en) aufweist. Es ist außerdem zu beachten, dass bei einigen alternativen Implementierungen die in dem Block vermerkten Funktionen in einer anderen Reihenfolge als in den Figuren vermerkt auftreten können. Beispielsweise können je nach einbezogener Funktionalität zwei nacheinander dargestellte Blöcke sogar im Wesentlichen gleichzeitig ausgeführt werden, oder die Blöcke können bisweilen in der umgekehrten Reihenfolge ausgeführt werden. Es ist ferner zu beachten, dass jeder Block der Blockschaubilder und/oder der Ablaufpläne und Kombinationen von Blöcken in den Blockschaubildern und/oder in den Ablaufplänen durch Spezialsysteme auf der Grundlage von Hardware, die die angegebenen Funktionen oder Vorgänge ausführen, oder durch Kombinationen von Spezial-Hardware und Computerbefehlen implementiert werden können.
Es wird darauf hingewiesen, dass beliebige der hierin beschriebenen Verfahren einen zusätzlichen Schritt zum Bereitstellen eines Systems beinhalten können, das verschiedene Software-Module aufweist, die auf einem computerlesbaren Speichermedium verkörpert werden; die Module können zum Beispiel beliebige oder alle der in den Blockschaubildern dargestellten oder hierin beschriebenen Elemente beinhalten; beispielsweise, und ohne dabei einschränkend zu wirken, ein Initialisierungsmodul, ein Modul zum Durchlaufen eines Probentests, ein Ausgabemodul zum Erzeugen einer Ausgabedatei und ein Nachverarbeitungsmodul, das eine Signalanalyse in Bezug auf die Testproben bereitstellt. Die Verfahrensschritte können anschließend mithilfe der verschiedenen Software-Module und/oder Teilmodule des Systems, wie oben beschrieben, ausgeführt werden, die auf einem oder mehreren Hardware-Prozessoren 1802 ausgeführt werden. Des Weiteren kann ein Computerprogrammprodukt ein computerlesbares Speichermedium mit einem Code beinhalten, der so gestaltet ist, dass er implementiert wird, um einen oder mehrere der hierin beschriebenen Verfahrensschritte auszuführen, darunter die Bereitstellung des Systems mit den verschiedenen Software-Modulen. In jedem Fall versteht es sich, dass die hierin veranschaulichten Komponenten in verschiedenen Formen von Hardware, Software oder Kombinationen davon implementiert werden können; zum Beispiel in (einer) anwendungsspezifischem integrierten Schaltung(en) (application specific integrated circuit(s), ASICS), Funktionsschaltungen, einem oder mehreren in geeigneter Weise programmierten digitalen Universalcomputern mit zugehörigem Speicher und dergleichen. Angesichts der hierin bereitgestellten Lehren der Erfindung ist ein Fachmann in der Lage, sonstige Implementierungen der Komponenten der Erfindung in Betracht zu ziehen.
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht beschränken. So, wie sie hierin verwendet werden, sollen die Singularformen „ein”, „eine” und „der”, „die”, „das” auch die Pluralformen beinhalten, sofern dies aus dem Kontext nicht eindeutig anders hervorgeht. Es versteht sich darüber hinaus, dass die Begriffe „aufweist” und/oder „aufweisend”, wenn sie in dieser Beschreibung verwendet werden, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen und/oder Komponenten bezeichnen, jedoch nicht das Vorhandensein oder die Beifügung von einem/einer oder mehreren anderen Merkmalen, Ganzzahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon ausschließen.
Die entsprechenden Strukturen, Materialien, Vorgänge und Entsprechungen aller Mittel oder Schritt-plus-Funktion-Elemente in den nachstehenden Ansprüchen sollen jede Struktur, jedes Material bzw. jeden Vorgang zum Ausführen der Funktion in Kombination mit anderen beanspruchten Elementen als ausdrücklich beansprucht beinhalten. Die Beschreibung der vorliegenden Erfindung erfolgte zum Zweck der Veranschaulichung und Beschreibung, ist jedoch nicht erschöpfend oder auf die Erfindung in der dargestellten Form beschränkt gemeint. Viele Modifizierungen und Varianten sind für Fachleute ersichtlich, ohne vom Umfang und Gedanken der Erfindung abzuweichen. Die Ausführungsform wurde ausgewählt und beschrieben, um die Grundgedanken der Erfindung und die praktische Anwendung am besten zu erläutern und um anderen Fachleuten das Verständnis der Erfindung für verschiedene Ausführungsformen mit verschiedenen, für den in Betracht gezogenen Einsatz geeigneten Modifizierungen zu ermöglichen.

Claims

Verfahren, das aufweist: Erzielen einer Einheit, die einen fluidischen Durchlass aufweist, der eine Rezeptorschicht zum Einfangen eines ausgewählten Analyten beinhaltet, wobei der fluidische Durchlass, der die Rezeptorschicht beinhaltet, zumindest eine Abmessung von eintausend Nanometern oder weniger aufweist; Strömenlassen einer Elektrolytlösung, die ein oder mehrere Moleküle des ausgewählten Analyten enthält, durch den fluidischen Durchlass, sodass der ausgewählte Analyt durch die Rezeptorschicht eingefangen wird, wobei das Einfangen des Analyten eine Änderung in der Oberflächenladung auf der Rezeptorschicht verursacht, wobei die Elektrolytlösung eine ausreichend geringe Salzkonzentration aufweist, sodass die Oberflächenladung eine wesentliche Auswirkung auf den Ionenleitwert durch den fluidischen Durchlass hat, und Erfassen des Ionenleitwerts durch den fluidischen Durchlass.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest eine Abmessung des fluidischen Durchlasses größer als eintausend Nanometer ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der fluidische Durchlass zumindest eine Abmessung von fünfzig Nanometern oder weniger aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rezeptorschicht Borsäure aufweist und es sich bei dem Analyten um ein vicinales Dihydroxid handelt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Einheit eine Vielzahl von fluidischen Durchlässen beinhaltet, die jeweils eine Rezeptorschicht zum Einfangen zumindest eines ausgewählten Materials und zumindest eine Abmessung von eintausend Nanometern oder weniger aufweist, die des Weiteren ein gleichzeitiges Strömenlassen der Elektrolytlösung durch die Vielzahl von fluidischen Durchlässen und ein Erfassen des Ionenleitwerts durch jeden der fluidischen Durchlässe aufweist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Rezeptorschicht jedes fluidischen Durchlasses aus demselben Material zum Einfangen des ausgewählten Analyten besteht.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Rezeptorschichten für zumindest zwei der fluidischen Durchlässe aus verschiedenen Materialien zum Einfangen verschiedener ausgewählter Analyten bestehen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Abmessung des fluidischen Durchlasses zwischen fünf- und zehnmal größer als die Höchstabmessung des Analyten in der Elektrolytlösung ist.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren ein Vergleichen des erfassten Ionenleitwerts mit einem Bezugswert aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rezeptorschicht einzelsträngige DNA aufweist und es sich bei dem Analyten um ein Molekül handelt, das eine komplementäre Sequenz zu der einzelsträngigen DNA in der Rezeptorschicht beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rezeptorschicht einen Antikörper aufweist und es sich bei dem Analyten um ein Molekül handelt, das ein Epitop enthält, das durch den Antikörper erkannt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rezeptorschicht ein Enzym aufweist und es sich bei dem Analyten um ein Molekül handelt, auf das das Enzym einwirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, das des Weiteren ein Strömenlassen einer Elektrolytlösung ohne Analyten durch den fluidischen Kanal, ein Erfassen des Ionenleitwerts durch den fluidischen Durchlass, während sich die Elektrolytlösung ohne Analyten in dem fluidischen Durchlass befindet, und ein Vergleichen des erfassten Ionenleitwerts der Elektrolytlösung ohne Analyten mit dem erfassten Ionenleitwert der Elektrolytlösung aufweist, die den ausgewählten Analyten enthält.
System, das aufweist: ein Substrat, das einen fluidischen Durchlass aufweist, der eine Oberfläche aufweist, die eine Rezeptorschicht zum Einfangen eines Analyten und zum Verursachen einer Änderung in der Oberflächenladung beim Einfangen des Analyten beinhaltet, wobei der fluidische Durchlass, der die Rezeptorschicht beinhaltet, zumindest eine Abmessung von eintausend Nanometern oder weniger aufweist; eine erste fluidische Kammer, die mit dem fluidischen Durchlass in fluidischer Verbindung steht; eine zweite fluidische Kammer, die mit dem fluidischen Durchlass in fluidischer Verbindung steht; eine Spannungsquelle zum Anlegen einer Spannung über den fluidischen Durchlass; eine Erfassungseinheit zum Erfassen von Änderungen im Ionenleitwert durch den fluidischen Durchlass, und eine Elektrolytlösung in der ersten fluidischen Kammer, die eine ausreichend geringe Salzkonzentration aufweist, sodass eine Änderung in der Oberflächenladung in dem fluidischen Durchlass, die aus dem Einfangen des Analyten durch die Rezeptorschicht resultiert, eine wesentliche Auswirkung auf den Ionenleitwert durch den fluidischen Durchlass hat, wenn sich die Elektrolytlösung in dem fluidischen Durchlass befindet.
System nach Anspruch 14, wobei der fluidische Durchlass, der die Rezeptorschicht beinhaltet, zumindest eine Abmessung von mehr als eintausend Nanometern aufweist.
System nach Anspruch 14, wobei es sich bei dem fluidischen Durchlass, der die Rezeptorschicht beinhaltet, um einen Kanal handelt, der zumindest eine Abmessung von einhundert Nanometern oder weniger aufweist.
System nach Anspruch 14, wobei der fluidische Durchlass, der die Rezeptorschicht beinhaltet, zumindest eine Abmessung von fünfzig Nanometern oder weniger aufweist.
System nach Anspruch 14, wobei das Substrat des Weiteren eine Vielzahl von fluidischen Durchlässen aufweist, die mit den ersten und zweiten fluidischen Kammern in fluidischer Verbindung stehen, wobei jeder fluidische Durchlass eine Rezeptorschicht zum Einfangen eines ausgewählten Materials beinhaltet.
System nach Anspruch 18, wobei die Rezeptorschicht jedes fluidischen Durchlasses aus demselben Material zum Einfangen desselben Analyten besteht.
System nach Anspruch 18, wobei einer oder mehrere der fluidischen Durchlässe eine Rezeptorschicht beinhalten, die aus einem Material besteht, das sich von zumindest einem der anderen fluidischen Durchlässe unterscheidet.
System nach Anspruch 14, wobei die Abmessungen des fluidischen Durchlasses sämtlich zumindest zehnmal größer als die Höchstabmessung des Analyten sind.
Verfahren, das aufweist: Strömenlassen einer Elektrolytlösung durch einen fluidischen Durchlass, der eine Rezeptorschicht zum Einfangen eines ausgewählten Analyten und zum Verursachen einer Änderung in der Oberflächenladung innerhalb des fluidischen Durchlasses beim Einfangen des ausgewählten Analyten beinhaltet, wobei der fluidische Durchlass, der die Rezeptorschicht beinhaltet, zumindest eine Abmessung von eintausend Nanometern oder weniger aufweist, wobei die Elektrolytlösung eine ausreichend geringe Salzkonzentration aufweist, sodass eine Oberflächenladung innerhalb des fluidischen Durchlasses in der Lage ist, eine wesentliche Auswirkung auf den Ionenleitwert durch den fluidischen Durchlass zu haben, und Erfassen des Ionenleitwerts durch den fluidischen Durchlass.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei der fluidische Durchlass, der die Rezeptorschicht beinhaltet, zumindest eine Abmessung von fünfzig Nanometern oder weniger aufweist.
Verfahren, das aufweist: Strömenlassen einer Elektrolytlösung durch einen fluidischen Durchlass, der eine Rezeptorschicht zum Einfangen eines ausgewählten Analyten beinhaltet, wobei der fluidische Durchlass, der die Rezeptorschicht beinhaltet, zumindest eine Abmessung von eintausend Nanometern oder weniger aufweist, wobei die Elektrolytlösung eine ausreichend geringe Salzkonzentration aufweist, sodass eine Oberflächenladung innerhalb des fluidischen Durchlasses in der Lage ist, eine wesentliche Auswirkung auf den Ionenleitwert durch den fluidischen Durchlass zu haben; Einbringen eines Sekundärmarkers, der in der Lage ist, sich an den ausgewählten Analyten zu binden, in den fluidischen Durchlass und Bereitstellen einer Oberflächenladung innerhalb des fluidischen Durchlasses beim Binden an den ausgewählten Analyten, und Erfassen des Ionenleitwerts durch den fluidischen Durchlass.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der ausgewählte Analyt in der Elektrolytlösung vorhanden ist, das des Weiteren ein Beziehen eines Ausgangsmesswerts des Ionenleitwerts im Anschluss an das Einfangen des Analyten durch die Rezeptorschicht und ein Beziehen eines weiteren Messwerts des Ionenleitwerts im Anschluss an das Binden des Sekundärmarkers an den Analyten aufweist.