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HINTERGRUND
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Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein die Gebiete von Sensoren, Sensorvorrichtungen und -verfahren, insbesondere Biosensoren. Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Biosensor, der Hohlräume mit darin angeordneten Elektroden und Biorezeptoren aufweist, wobei die Hohlräume mit Deckeln verschlossen sind, die programmgesteuert elektrochemisch aufgelöst werden können, um die Hohlräume für Sensorzwecke freizulegen.
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Elektrochemische Biosensoren werden weithin zum Erfassen von Analyten in biologischen Systemen, wie z.B. Glucose in Blut, verwendet. Derartige Sensoren können beispielsweise in Point-of-Care-Diagnostikeinheiten (POCDs) eingesetzt oder für Umweltanalyse- und Arzneimittelentwicklungszwecke verwendet werden. POCDs ziehen erheblichen Nutzen aus Miniaturisierung, die die Tragbarkeit und die Integration verschiedener Funktionen in eine diagnostische Einheit verbessert.
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Ein Element eines Biosensors ist der Biorezeptor, der ein biologisch abgeleitetes Material oder ein synthetisches biomimetisches Material ist, das spezifisch mit einem Analyten von Interesse wechselwirkt. Ein derartiger Biorezeptor beschränkt die Verwendbarkeit herkömmlicher Biosensoren insofern, dass er gewöhnlich irreversibel mit dem Analyten bindet; die Einheit kann daher nur einmal verwendet werden. Ferner beschränken Biorezeptoren gewöhnlich die Haltbarkeit eines Biosensors, beispielsweise durch Oxidation an Luft oder Exposition gegenüber Feuchte. Ein Beispiel eines derartigen Biosensors 1a wird in 1 skizziert, die ein Substrat 14 mit eingebauten Elektroden 13a, 13b darstellt, wobei eine Elektrode 13a mit Biosensoren 12 bedeckt ist. Bei Exposition gegenüber einer Flüssigkeit L mit Analyten 11a binden einige der Analyten 11b an die Rezeptoren 12, wodurch ein messbares Signal an einer Ausleseeinheit 16 entsteht. Diese Einheit 1a kann nur einmal mit Nennempfindlichkeit verwendet werden.
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Es wurden auch anspruchsvollere Einheiten vorgeschlagen. Eine Beschränkung derartiger POCD-Einheiten ist aber der Mangel an Flexibilität bei der Festlegung/Veränderung der Testbedingungen „im laufenden Betrieb“, d.h. kurz vor ihrer Verwendung oder während des Betriebs, da die Strömungswege gewöhnlich auf einer Konstruktionsebene kodiert und bei der Mikrofabrikation eingestellt sind. Dies führt zu Einheiten, die nach wohldefinierten Protokollen betrieben werden müssen und bei denen Flussrate und Volumen von bewegten Flüssigkeiten während des Betriebs nicht einfach ohne Verwendung aktiver Mikrokomponenten verändert werden können.
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KURZDARSTELLUNG
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Bei einer ersten Erscheinungsform ist die vorliegende Erfindung als ein Sensor ausgeführt. Der Sensor weist einen mikrogefertigten Chip mit einer Oberfläche, die einen oder mehrere darin gebildete Hohlräume aufweist (wobei die Hohlräume Sensorkomponenten enthalten), und einen oder mehrere Deckel auf, die jeweils die Oberfläche bedecken, um wenigstens einen der Hohlräume zu verschließen. Die Deckel stehen in Kontakt mit Rändern, die die Hohlräume an der Oberfläche begrenzen. Elektrische Schaltungsteile sind jeweils mit einem entsprechenden der Deckel verbunden, um zu ermöglichen, dass die Deckel bei Exposition gegenüber einer elektrochemischen Lösung teilweise elektrochemisch aufgelöst werden. Ferner bedecken Maskierungsmaterialteile Randbereiche der Deckel in der Ebene der Ränder, um die Deckel abzudichten und die Randbereiche im Betrieb von der elektrochemischen Lösung abzuschirmen.
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Die Sensorkomponenten können jeweils eine oder mehrere Elektroden, die in einem entsprechenden der Hohlräume angeordnet sind, und an der Elektrode/den Elektroden verankerte Rezeptoren aufweisen. In diesem Fall weist der Sensor ferner zweite elektrische Schaltungsteile auf, die mit den Elektroden verbunden sind.
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Bei einer weiteren Erscheinungsform ist die Erfindung als eine Sensorvorrichtung ausgeführt, die einen wie vorstehend beschriebenen mikrogefertigten Chip aufweist. Ferner weist die Vorrichtung elektrische Steuermittel auf, die mit den elektrischen Schaltungsteilen auf dem Chip verbunden sind, um teilweises elektrochemisches Auflösen der Deckel bei Exposition gegenüber einer elektrochemischen Lösung im Betrieb zu ermöglichen.
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Bei einer weiteren Erscheinungsform ist die Erfindung als ein Sensorverfahren ausgeführt, das eine(n) wie vorstehend beschriebene(n) Sensor oder Sensorvorrichtung einsetzt. Bei diesem Verfahren wird zuerst die Oberfläche des Chips gegenüber einer elektrochemischen Lösung exponiert und die elektrischen Schaltungsteile, die mit einem der Deckel verbunden sind, werden mit einem Strom beaufschlagt, um einen inneren Bereich dieses Deckels elektrochemisch aufzulösen, während seine Randbereiche durch einen oder mehrere der Maskierungsteile von der elektrochemischen Lösung abgeschirmt werden. Dies ermöglicht, dass eine oder mehrere Sensorkomponenten gegenüber einem externen Medium exponiert werden. Letzteres wird dann über die exponierten Sensorkomponenten, z.B. über Elektroden und (Bio)rezeptoren, erfasst.
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Nun werden Sensoreinheiten, insbesondere Biosensoren, Vorrichtungen und Sensorverfahren, die die vorliegende Erfindung ausführen, anhand nichtbeschränkender Beispiele und mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
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Figurenliste
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Die begleitenden Figuren, in denen in den verschiedenen Ansichten gleiche Bezugszahlen identische oder funktionell ähnliche Elemente bezeichnen und die zusammen mit der nachstehenden ausführlichen Beschreibung in die vorliegende Beschreibung aufgenommen sind und einen Teil davon bilden, dienen zur weiteren Veranschaulichung verschiedener Ausführungsformen und zur Erklärung verschiedener Prinzipien und Vorteile, die alle gemäß der vorliegenden Offenbarung sind, wobei:
- 1 eine 2-dimensionale (2D) Querschnittsansicht einer Biosensoreinheit gemäß einem bekannten Ansatz im Stand der Technik ist;
- 2 eine 2D-Querschnittsansicht einer Einheit gemäß Ausführungsformen ist, die einen Deckel aufweist, der bei Exposition gegenüber einer elektrochemischen Lösung elektrochemisch aufgelöst werden kann, um den darunterliegenden Hohlraum freizulegen. Der Einfachheit halber werden nur ein derartiger Hohlraum und ein entsprechender Deckel gezeigt;
- 3A eine 3-dimensionale (3D) Ansicht einer wie in 2 gezeigten Sensoreinheit gemäß Ausführungsformen ist, die mehrere in einem Feld angeordnete Hohlräume aufweist;
- 3B eine Einzelteilansicht eines Deckels gemäß Ausführungsformen zeigt, der von einer Verstärkungsschicht getragen und von Maskierungsmaterialteilen (hier als Rahmen strukturiert) abgedeckt wird, die Randbereiche des Deckels bedecken sollen, um den Deckel abzudichten und seine Randbereiche von einer elektrochemischen Lösung abzuschirmen;
- 4A bis 4D eine Folge von 2D-Querschnittsansichten zeigen, die Hauptschritte eines Sensorverfahrens gemäß Ausführungsformen veranschaulichen, das eine wie in 2 gezeigte Sensoreinheit einsetzt;
- 5A bis 5D eine Folge von 2D-Querschnittsansichten zeigen, die veranschaulichen, wie mehrere Hohlräume einer Sensoreinheit gemäß Ausführungsformen nacheinander für Sensorzwecke freigelegt werden können;
- 6A bis 6D eine weitere Folge zeigen, die veranschaulicht, wie Hohlräume einer Sensoreinheit gemäß Ausführungsformen auf Grundlage von Ergebnissen vorhergehender Sensorschritte programmgesteuert freigelegt werden können, um unterschiedliche Analyten zu erfassen; und
- 7 eine weitere Folge von 2D-Querschnittsansichten ist, die allgemeine Herstellungsschritte einer Sensoreinheit gemäß Ausführungsformen veranschaulichen.
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Die begleitenden Zeichnungen zeigen vereinfachte Darstellungen von Einheiten oder Teilen davon, wie sie in Ausführungsformen vorkommen. In den Zeichnungen dargestellte technische Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabgetreu. Ähnlichen oder funktionell ähnlichen Elementen in den Figuren wurden, wenn nicht anders angegeben, die gleichen Bezugszahlen zugeordnet.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Bei einer Erscheinungsform können flexiblere POCDs, Biosensoren und, allgemeiner, Sensoren bereitgestellt werden. Bei einer Erscheinungsform kann ein Typ von Sensor bereitgestellt werden, der mikrostrukturierte Chips mit Deckeln, die programmgesteuert aufgelöst werden können, einsetzt. Bei einer Erscheinungsform kann eine Biosensoreinheit mit Biorezeptoren bereitgestellt werden, die mehrmals verwendet werden kann und eine wesentlich längere Haltbarkeit aufweist. Bei einer Erscheinungsform kann eine Biosensoreinheit bereitgestellt werden, die programmiert werden kann, eine Reihe von Biosensorexperimenten durchzuführen, die einer logischen Reihenfolge folgen (z.B. in einem nichtflüchtigen Speicher kodiert), wie sie in der nachstehenden Beschreibung beschrieben wird.
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Es ist zu beachten, dass in der vorliegenden Beschreibung ein Sensor oder eine Sensoreinheit eine Einheit bezeichnet, die einen mikrogefertigten Chip aufweist und gewöhnlich eine tragbare integrale Einheit ist, die dafür gestaltet ist, die Erfassung eines externen Mediums L über Sensorkomponenten der Einheit zu ermöglichen. Eine derartige Einheit kann elektronische Peripheriegeräte zum Steuern des Auflösens der Deckel und Auslesen von Messsignalen (für Sensorzwecke) enthalten oder auch nicht. Eine Sensorvorrichtung dagegen soll in der vorliegende Beschreibung eine oder mehrere derartige Peripheriegeräte zusätzlich zu der Sensoreinheit enthalten. Eine derartige Vorrichtung kann daher aus mehreren Teilen bestehen, die elektrisch miteinander verbunden sind. Derartige Teile können beispielsweise als Kit bereitgestellt werden, das gegebenenfalls zusammengesetzt werden kann, um eine integrale Einheit zu bilden. Die hierin beschriebenen Sensorverfahren setzen derartige Sensoreinheiten und -vorrichtungen ein.
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Mit Bezug auf 2 bis 4A-D wird zuerst eine Erscheinungsform der Erfindung beschrieben, die einen Sensor 1, 10 betrifft. Der Sensor weist einen mikrogefertigten Chip 10 auf. Der Chip weist eine Hauptoberfläche S auf, z.B. eine obere Oberfläche, in der ein oder mehrere Hohlräume 20 gebildet sind. Vorzugsweise weist die Einheit mehrere Hohlräume 20 auf, wie zu Zwecken der Veranschaulichung in den begleitenden Zeichnungen und in der nachstehenden Beschreibung beschrieben. Die Hohlräume enthalten jeweils eine oder mehrere Sensorkomponenten 12, 13a, 13b.
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Bei einer Erscheinungsform sind die Hohlräume hohle Hohlräume, die z.B. als in der Oberfläche S gebildete Vertiefungen gebildet sind, wie z.B. als Rillen oder Kerben (wie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt), oder über auf die Oberfläche strukturierte Mikrostrukturen (wie z.B. Säulen und Deckel, nicht gezeigt). Die Hohlräume 20 können beispielsweise, wie in 3A bis 3B beispielhaft gezeigt, in einem Feld in der Oberfläche S angeordnet sein. Es ist zu beachten, dass derartige Hohlräume eine kompliziertere Geometrie als in den begleitenden Zeichnungen gezeigt aufweisen können. Ferner können manche der Hohlräume, falls erforderlich, miteinander in Fluidverbindung stehen, z.B. durch Mikrokanäle.
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Die Einheit 1 weist ferner Deckel 21 auf, die jeweils die Oberfläche S (teilweise) bedecken, um wenigstens einen entsprechenden Hohlraum 20 zu verschließen. Die Deckel 21 stehen in mechanischem Kontakt mit Rändern 20r an der Oberfläche S, wobei diese Ränder 20r die in der Oberfläche S gebildeten Hohlräume begrenzen. Die Deckel 21 sind dünne Membranen (d.h. Filme), die einen oder mehrere Hohlräume in der Oberfläche S überspannen. Jeder Deckel kann beispielsweise einen einzigen Hohlraum 20 überspannen, um eine Öffnung des Hohlraums in einer oberen Ebene der strukturierten Oberfläche S zu verschließen. Bei Varianten kann ein Deckel 21 gegebenenfalls zwei oder mehr Hohlräume 20 bedecken und somit, wie in 3A gezeigt, mehrere Hohlräume verschließen.
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Ferner weist die Einheit elektrische Schaltungsteile 25 auf, die z.B. als elektrische Leiterbahnen gebildet sind, die zum Teil auf der Oberseite des Chips 10 (entlang der y-Achse) und durch den Chip (entlang der z-Achse) verlaufen, wie es zur Verbindung mit Endteilen der Deckel erforderlich ist. Die Schaltungsteile 25 sind jeweils mit einem entsprechenden Deckel 21 verbunden. Die Deckel 21 können über die elektrischen Schaltungsteile 25 durch Anlegen einer Vorspannung oder eines Stroms mit einem Strom beaufschlagt werden. Dies ermöglicht, die Deckel teilweise elektrochemisch aufzulösen, wenn sie, wie in 4C und 4D gezeigt, gegenüber einer elektrochemischen Lösung L (wie z.B. einer wässrigen Flüssigkeit) exponiert werden. Dieser Punkt wird nachstehend ausführlich beschrieben.
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Ferner bedecken Maskierungsmaterialteile 22 Randbereiche der Deckel 21 in der Ebene der Ränder 20r, die in Kontakt mit den Randbereichen der Deckel stehen. Die Deckel sind daher, wie in 2, 5A bis 5D und 6A bis 6D zu sehen ist, teilweise unter den Maskierungsteilen 22 zurückgesetzt. Auf diese Weise dichten die Maskierungsteile 22 die Deckel 21 ab, die somit die Hohlräume abdichten. Ferner schirmen die Maskierungsteile 22 die Randbereiche der Deckel im Betrieb von der elektrochemischen Lösung L ab. Somit bleiben bei dem elektrochemischen Auflösen eines Deckels 21 (oder eines Teils davon) die elektrischen Schaltungsteile 25 durch die Maskierungsteile 22 vor elektrochemischer Auflösung geschützt. Ohne die Maskierungsteile 22 können die Integrität und Funktion der elektrischen Schaltungsteile 25 während des Auflösens eines entsprechenden Deckels 21 nicht zuverlässig aufrechterhalten werden. Somit ermöglichen die Maskierungsteile 22 ein Auflösen von Deckeln 21 mit guter Reproduzierbarkeit von einem Hohlraum 20 zu einem anderen Hohlraum in einem Feld von Hohlräumen.
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Die Ränder 20r können als Flansche angesehen werden, die die Hohlräume 20 begrenzen. Die Ränder werden von Teilen der Oberfläche S gebildet, die sich in unmittelbarer Nachbarschaft der Hohlräume befinden. Das heißt, diese Hohlräume wären an der Oberfläche S offen, wenn die Deckel 21 nicht vorhanden wären (die Hohlräume 20 öffnen sich bei Auflösen der Deckel). Mit anderen Worten bilden die Hohlräume nach dem Versiegeln durch die Deckel 21 geschlossene Kammern.
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Dank der vorliegenden Lösung kann jeder der Deckel 21 auf programmgesteuerte Weise über eine elektrische Schaltung elektrochemisch (teilweise) aufgelöst werden, indem die Deckel über die elektrischen Schaltungsteile 25 mit einem Strom beaufschlagt werden. Die Schaltungen 25 können beispielsweise eine Kreuzschienenstruktur aufweisen, um die Deckel, wie später ausführlich beschrieben, selektiv ansprechen und auflösen zu können. Die Maskierungsteile 22 schützen die Deckel 21 (und gegebenenfalls endständige Teile der Schaltungen 15, 25, siehe 5A) vor der elektrochemischen Lösung L. Ferner helfen die Teile 22, die mechanische Stabilität der Deckel 21 zu verstärken. Das heißt, die Maskierungsteile halten Randbereiche der Deckel 21, die die Hohlräume 20 überspannen, aufrecht.
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All dies wird nun im Einzelnen in Bezug auf bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Es sei damit begonnen, dass, wie in 5A gezeigt, manche der Maskierungsmaterialteile 22 Randbereiche von zwei benachbarten Deckeln 21 bedecken können. Insbesondere können benachbarte Deckel 21 entsprechende Hohlräume 20 oder Sätze von Hohlräumen, die entlang der y-Achse in 5A bis 5D verlaufen, bedecken. Ferner können derartige Deckel 21 jeweils mit einem dazwischenliegenden Teil der Oberfläche S in Kontakt stehen, der (ebenfalls entlang der y-Achse) zwischen zwei Hohlräumen (oder Sätzen von Hohlräumen, siehe 3A) verläuft. Dieser dazwischenliegende Teil der Oberfläche S bildet Ränder, die benachbarte Hohlräume begrenzen, siehe 5A. Dann kann ein Maskierungsteil 22 gegenüberliegende Randbereiche von zwei benachbarten Deckeln 21 in der Ebene eines dazwischenliegenden Teils der Oberfläche S bedecken. Somit können, wie in 5A gezeigt, zwei benachbarte Deckel 21 teilweise unter einem gleichen Maskierungsteil 22 zurückgesetzt sein, ohne miteinander in Kontakt zu stehen. Somit sind benachbarte Deckel in der Ebene eines Maskierungsteils körperlich und elektrisch getrennt, um elektrische Kurzschlüsse zu vermeiden und zu ermöglichen, das elektrochemische Auflösen jedes Deckels einzeln zu steuern.
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Wie bereits vorstehend angemerkt, sind die vorliegenden Sensoren vorzugsweise als Biosensoren ausgeführt. Beispielsweise weisen die Sensorkomponenten eines Hohlraums 20 in 2, 4A bis 4D und 5A bis 5D vorzugsweise eine in dem Hohlraum angeordnete Elektrode 13a auf. Die Elektrode 13a kann durch bekannte Strukturierungsverfahren (z.B. über chemische Ätzung und Metallabscheidung) einfach auf eine Wand (eine Boden- und/oder eine Seitenwand) eines Hohlraums strukturiert oder mit der Wand fluchtend gemacht sein.
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Weiter kann der Sensor 1 zweite elektrische Schaltungsteile 15, aufweisen, die von den ersten elektrischen Schaltungsteilen 25 verschieden sind. Die elektrischen Schaltungsteile können ebenfalls als elektrische Leiterbahnen gebildet sein, die, wie in 2 schematisch gezeigt, zum Teil auf der Oberseite des Chips 10 (entlang der y-Achse) und durch den Chip (entlang der z-Achse) verlaufen, wie es zur Verbindung mit Endteilen der Elektroden 13a, 13b erforderlich ist. Es ist zu beachten, dass eine nackte Elektrode 13a bereits verwendet werden kann, um Messungen durchzuführen und eine Flüssigkeit zu erfassen. Die Sensorkomponenten weisen aber vorzugsweise an der Elektrode 13a verankerte Rezeptoren 12 auf.
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Die Rezeptoren 12 können beispielsweise Biorezeptoren sein, wie zur Veranschaulichung in den begleitenden Zeichnungen und der nachstehenden Beschreibung beschrieben, die den Sensor 1 zu einem Biosensor machen. Die Biorezeptoren 12 sind durch die Deckel 21, die die Hohlräume abdichten (geschlossene Kammern), siehe 4A, von externen Medien (Fluide, Feuchte, Licht etc.) geschützt. Da jeder Deckel 21 einzeln mit einem elektrischen Schaltungsteil 25 verbunden ist, kann er nach Exposition gegenüber einer elektrochemischen Lösung L, siehe 4B, auf Verlangen aufgelöst werden (4C), was zu Öffnen des entsprechenden Hohlraums/der entsprechenden Hohlräume und Exposition der darin angeordneten Biorezeptoren gegenüber dem externen Medium L führt. Die Rezeptoren 12 können also, wie in 4D dargestellt, Analyten 11 binden.
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Wie vorstehend vorgeschlagen, kann jeder Hohlraum ferner eine oder mehrere zusätzliche Elektroden 13b (hier zweite Elektroden genannt) darin angeordnet aufweisen. Die zweiten Elektroden 13b können beispielsweise im Wesentlichen frei von Rezeptoren sein, z.B. um als Hilfselektrode für amperometrische Sensormessungen oder als Referenzelektrode bei der Verwendung potentiometrischer Sensorverfahren zu dienen. Die zweiten Elektroden 13b sind jeweils mit entsprechenden elektrischen Schaltungsteilen 15 (d.h. manchen der zweiten elektrischen Teile) verbunden. Die Teile 15, die mit Elektrodenpaaren 13a, 13b verbunden sind, können ihrerseits mit einer Ausleseeinheit 16 (für Strom oder Spannung) für Messzwecke verbunden sein. Es ist zu beachten, dass die zweiten elektrischen Schaltungsteile 15 vorzugsweise wenigstens teilweise von den Maskierungsmaterialteilen 22 maskiert werden, siehe 5A, wobei die oberen Elektrodenelemente, die zu den Endteilen der Elektroden 13a, 13b führen, von den oberen Teilen 22 maskiert werden.
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Bei Varianten können die zweiten Elektroden 13b außerhalb der Hohlräume 20 angeordnet sein. Das heißt, eine oder mehrere zweite Elektroden können an einer beliebigen geeigneten Stelle auf dem Chip 10 angeordnet sein, so dass sie im Betrieb in Kontakt mit Flüssigkeit L kommen und dadurch Messungen ermöglichen. Bei anderen Varianten könnten die zweiten Elektroden extern und dennoch elektrisch mit dem Chip 10 verbindbar sein, z.B. durch elektrische Durchkontaktierungen und Kontaktflächen, wie sie auf dem Gebiet der Mikrofluidikchips gängig sind.
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Bei weiteren Varianten kann eine oder können mehrere dritte Elektroden innerhalb oder außerhalb der Hohlräume angeordnet sein (nicht gezeigt). Derartige zusätzliche Elektroden können mit Elektroden 13a und 13b in der gleichen elektrischen Schaltung kombiniert sein und angeordnet sein, um mit der gleichen Flüssigkeit L in Kontakt zu stehen, um eine Dreielektrodenschaltung-Konfiguration zu bilden.
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Während die zweiten Elektroden 13b gegebenenfalls außerhalb der Hohlräume 20 angeordnet sein können, kann durch Platzieren derartiger Elektroden 13b innerhalb der Hohlräume 20 in der Praxis ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) erhalten werden. Da Elektroden 13b, wie z.B. in 2 dargestellt, lokal sind (d.h. nahe an ihren entsprechenden Gegenelektroden 13a), werden die durchgeführten Sensormessungen ferner gewöhnlich genauer sein.
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In allen Fällen ermöglichen die Elektroden 13a, 13b, sobald sie mit einer geeigneten Ausleseeinheit 16 verbunden sind, ein Signal (Spannung oder Strom) zu erhalten, das für das Vorhandensein und/oder die Konzentration eines in dem externen Medium enthaltenen Analyten indikativ ist. Die Schaltung 15 ist dafür gestaltet, unabhängige Sensorvorgänge durch die geöffneten Hohlräume, also Hohlräume, deren Deckel aufgelöst worden ist, zu ermöglichen. Das bedeutet, dass das externe Medium über die Sensorkomponenten der geöffneten Hohlräume selektiv erfasst werden kann.
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Für diesen Zweck wird gewöhnlich eine externe Ausleseeinheit 16 verwendet, die zusammen mit dem Chip 10 eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Erscheinungsform der Erfindung bildet. Bei Varianten kann jedoch eine einfache Ausleseeinheit 16 direkt auf dem Chip 10 integriert sein, um eine tragbare Vorrichtung zu bilden.
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Die in 5A bis 5D, 6A bis 6D gezeigten Biosensoreinheiten ermöglichen, verschiedene Hohlräume unter Verwendung einer externen elektrischen Steuerung auf Anforderung zu öffnen, um so die Anzahl von Messungen, die mit dem gleichen Chip durchgeführt werden können, zu erhöhen. Beispielsweise könnte die gleiche Biosensormessung an mehreren Proben über einen langen Zeitraum mit dem gleichen Chip durchgeführt werden (5A bis 5D). Bei einem weiteren Beispiel (siehe 6A bis 6D) könnten verschiedene Biosensormessungen an der gleichen Probe mit der gleichen Einheit durchgeführt werden, aber die verschiedenen Typen von durchgeführten Messungen können von dem Ergebnis der vorangehenden Messung(en) abhängen, wie später für Sensorverfahren gemäß der Erfindung beschrieben wird.
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Bei Ausführungsformen weist jeder Deckel 21 ein Standard-Redoxpotential auf, das zwischen -0,8 V und +1,6 V bezogen auf eine Standard-Wasserstoffelektrode (SHE) beträgt, was leicht mit einer wie in 2 gezeigten Konfiguration erhalten werden kann.
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Bei dem Beispiel von 3B enthält ein Deckel 21 eine metallische Schicht 21m, die beispielsweise Gold, Silber, Aluminium und/oder Nickel enthalten kann. Bei Varianten können die Schichten 21m elektrochemisch aktive Polymere, wie z.B. Polypyrrol, Polyphenol, enthalten, die durch Anlegen geeigneter Potentiale durch die Schaltung 25 elektrochemisch oxidiert werden können, um so den Deckel 21 mechanisch aufzubrechen oder ihn für die Flüssigkeit L und/oder den Analyten 11 durchlässig zu machen.
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Die mittlere Dicke der Deckel 21 soll gewöhnlich zwischen 5 und 200 Mikrometer betragen, um elektrochemisches Auflösen der Deckel zu ermöglichen. Allerdings können sehr dünne Schichten von Metallen oder Polymeren leicht in Hohlräume mit einem mittleren Durchmesser von 0,1 bis 2 oder sogar 2 mm, wie sie hierin betrachtet werden, kollabieren, so dass die Verwendung von Maskierungsteilen 22 zu ihrer Verstärkung vorteilhaft ist. Das heißt, dass die von den Maskierungsteilen 22 auf die dünnen Folien 21 induzierte seitliche Spannung hilft, die Deckel 21 intakt zu halten, damit sie die Hohlräume geeignet überspannen.
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Dennoch können die Deckel 21, wie in 3B veranschaulichend gezeigt, ferner eine Verstärkungsschicht 21p aus einem Material aufweisen, das die metallische Schicht 21m trägt. Das heißt, die metallische Schicht ist auf der Verstärkungsschicht 21p angeordnet. Letztere ist so strukturiert, dass nach dem Auflösen der metallischen Schicht 21m eine Flüssigkeit L in die Hohlräume 20 eindringen kann. Zusätzlich, oder in Varianten, können die Hohlräume 20 in den Hohlräumen 20 angeordnete Trägerstrukturen aufweisen (nicht gezeigt), die helfen, die Deckel 21 zu tragen und zu verhindern, dass diese in die Hohlräume kollabieren. Abhängig von den Abmessungen der Hohlräume und der Dicke der Deckel können diese zusätzlichen Trägerstrukturen erforderlich sein oder auch nicht. Beispielsweise können keine zusätzlichen Trägerstrukturen erforderlich sein, wenn der mittlere Durchmesser der Öffnung der Hohlräume 20 (wie gemessen in der Ebene (x, y)) 0,2 mm nicht übersteigt, vorausgesetzt, dass die Deckel unter die Maskierungsteile 22 zurückgesetzt sind. Dies hängt jedoch von der genauen Dicke, die für die Metallschichten 21m gewählt wird, ab.
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Der Chip 10 wird gewöhnlich aus einem oder zwei Substraten 10s, 10a gefertigt, die beispielsweise Silicium, Glas, PDMS oder eine Keramik aufweisen können. Derartige Substrate können gestapelte Schichten aufweisen, wie sie per se bekannt sind. Beispielsweise kann eine obere Schicht für die Fertigung der Hohlräume verwendet werden, während eine dickere untere Schicht verwendet werden könnte, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu verleihen. Dies wird später mit Bezug auf 7 ausführlich beschrieben.
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Es ist zu beachten, dass bei Varianten auch andere Sensormaterialien für die Rezeptoren 12 verwendet werden könnten. Beispielsweise kann eine Polymermembran anstelle der oder zusätzlich zu den Rezeptoren 12 verwendet werden, wobei die Polymermembran eine bestimmte Affinität für gegebene Analyten 11 aufweist. Allgemeiner könnten andere Typen von Sensorverfahren eingesetzt werden, wie z.B. mit optischem Nachweis, der in den Hohlräumen angeordnete Wellenleiter und eine Lichtquelle und einen Detektor benötigen kann.
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Weiterhin mit Bezug auf 2 bis 5D wird nun eine weitere Erscheinungsform der Erfindung beschrieben, die eine Sensorvorrichtung 1 betrifft. Diese Vorrichtung weist einen Sensor auf, der im Wesentlichen aus einem mikrogefertigten
Chip 10 besteht, der bereits vorstehend mit Bezug auf 2 bis 6D ausführlich beschrieben worden ist. Daher wird diese Erscheinungsform der Vorrichtung nachstehend nur kurz in Erinnerung gerufen. Der mikrogefertigte Chip 10 enthält einen oder (vorzugsweise) mehrere in einer Oberfläche S des Chips 10 gebildete Hohlräume 20. Wie gesagt, enthalten die Hohlräume Sensorkomponenten 12, 13a, 13b und sind von Deckeln 21 verschlossen, die mit Rändern 20r in Kontakt stehen, die die Hohlräume an der Oberfläche S begrenzen. Elektrische Schaltungsteile 25 sind mit entsprechenden Deckeln 21 verbunden und Maskierungsmaterialteile 22 bedecken Randbereiche der Deckel 21 in der Ebene der Ränder 20r, um die Deckel 21 abzudichten und ihre Randbereiche im Betrieb abzuschirmen.
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Ferner weist die Vorrichtung elektrische Steuermittel 26 auf (z.B. eine Spannungs- und/oder eine Stromquelle), die mit den elektrischen Schaltungsteilen 25 verbunden sind, um, wie bereits vorstehend erklärt, bei Exposition gegenüber einer elektrochemischen Lösung L teilweises elektrochemisches Auflösen der Deckel zu ermöglichen. Die Steuermittel 26 werden gewöhnlich in einem Peripheriegerät bereitgestellt.
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In Einklang mit bereits beschriebenen Ausführungsformen ist diese Vorrichtung vorzugsweise als Biosensorvorrichtung gestaltet. Das heißt, jeder Hohlraum 20 kann eine darin angeordnete erste Elektrode 13a aufweisen, wobei Rezeptoren 12 an den ersten Elektroden verankert sind. Jeder Hohlraum kann gegebenenfalls aus bereits beschriebenen Gründen eine zweite Elektrode 13b aufweisen, obwohl die Elektroden 13b gegebenenfalls an anderer Stelle auf dem Chip 10 angeordnet sein können. Der Chip kann zweite elektrische Schaltungsteile 15 aufweisen, die mit den ersten Elektroden 13a und den zweiten Elektroden 13b verbunden sind. In diesem Fall kann die Vorrichtung 1 eine Ausleseeinheit 16 aufweisen, die über die elektrischen Schaltungsteile 15 geeignet mit den Elektroden 13a, 13b verbunden ist, um im Betrieb von den ersten und zweiten Elektroden erhaltene Messsignale auszulesen.
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Die Sensorvorrichtung 1 weist vorzugsweise eine Hilfselektrode 23 auf (z.B. aus Platin), die über einen Zweig der elektrischen Schaltung 25 mit den elektrischen Steuermitteln 26 verbunden ist, um in elektrischer Kommunikation mit den Deckeln zu stehen. Die Steuermittel 26 sind dafür gestaltet, eine Vorspannung zwischen einem ausgewählten der Deckel 21 und der Hilfselektrode 23 (die daher als eine Gegenelektrode angesehen werden kann) anzulegen, um teilweises Auflösen der Deckel 21 zu ermöglichen. Die Hilfselektrode 23 kann so angeordnet sein, dass sie gegenüber dem erfassten Medium L exponiert ist, um dabei zu helfen, das zum Auflösen der Deckel erforderliche Potential zu erzielen. Es ist zu beachten, dass die Steuermittel 26 bei Varianten dafür gestaltet sein können, einen Strom zu liefern, um dadurch den Deckel aufzulösen. In dem Fall eines geregelten Stroms wird sich das elektrochemische Potential der Deckelschicht 21m im Allgemeinen im Zeitverlauf verändern, während sich im Fall einer geregelten Spannung im Allgemeinen der Auflösungsstrom im Zeitverlauf verändern wird. Beide Wege sind gangbar, um das gewünschte Auflösen des Deckels zu erzielen.
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Abhängig von der Konfiguration der Schaltung 25, 26 kann eine oder können mehrere Hilfselektroden 23 verwendet werden. Das heißt, es kann eine einzige Elektrode 23 verwendet werden, die über die Steuermittel 26 in elektrischer Kommunikation mit allen Deckeln 21 steht. Bei Varianten kann jeder Deckel 21 mit einer entsprechenden Hilfselektrode 23 verbunden sein. Es ist zu beachten, dass derartige Hilfselektroden 23 vorzugsweise so angeordnet sind, dass sie mit dem Medium L in Kontakt kommen. Dies ist jedoch keine strenge Bedingung.
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Nun werden zusätzliche Ausführungsformen beschrieben, die mögliche Kreuzschienenarchitekturen zum Ansprechen und Auflösen ausgewählter Deckel betreffen. Bei einem einfachen Ansatz bilden eine Membran (Deckel) und entsprechende Sensorkomponenten eine einzelne Zelle, die einem entsprechenden Hohlraum entspricht. Diese Zellen sind an Kreuzungen der Kreuzschienenstruktur angeordnet. Ein Problem bei diesem Ansatz ist allerdings, dass Erhöhen der Anzahl von Zellen (Feldgröße) zu der Zunahme von Leckströmen führt. Ferner nimmt der Widerstand der Membran der Zielzelle während des Auflösens der Membran zu, mit der Folge, dass zunehmender Strom in die benachbarten Zellen gesteuert wird. Die Verwendung der so genannten 1T1R-Kreuzschienenkonfiguration löst dieses Problem, erfordert aber ein aktives Schaltelement für jede Zelle. Es können zwei Möglichkeiten in Betracht gezogen werden, um dies zu erzielen, nämlich Platzieren der aktiven Schaltelemente (i) oben auf der Zelle oder (ii) an deren Boden. Die erste Möglichkeit kann insbesondere unter Verwendung von Dünnschichtelektronik auf einem Polymerfilm, der auf die Oberseite des Zellenfelds aufgebracht wird, erzielt werden. Die Membran wird so platziert, dass die zu öffnende Dünnschicht in der Nähe der Sensoren liegt und sie für die zu erfassenden Fluide zugänglich macht. Für die zweite Möglichkeit können die Sensorzellen beispielsweise auf der Rückseite eines Siliciumchips hergestellt werden, wobei der geschaltete Strom über Durchkontaktierungen durch Silicium an die Membranen angelegt werden kann.
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Mit Bezug auf 3A bis 5D wird nun eine letzte Erscheinungsform der Erfindung beschrieben, die Sensorverfahren betrifft. Diese Verfahren verwenden einen Sensor 1 oder eine wie vorstehend beschriebene Vorrichtung, siehe z.B. 4A. Im Wesentlichen erfordern derartige Verfahren Exponieren der Oberfläche S des Chips 10 gegenüber einer elektrochemischen Lösung L, 4B, und Beaufschlagen der elektrischen Schaltungsteile 25, die mit einem ausgewählten Deckel 21 verbunden sind, mit einem Strom, um einen inneren Bereich dieses Deckels elektrochemisch aufzulösen, 4C. Dies wird vorzugsweise durch Anlegen einer Vorspannung (z.B. von +2 V) zwischen dem ausgewählten Deckel 21 und einer Hilfselektrode 23 erzielt. In der Praxis ist die angelegte Vorspannung etwa gleich dem oder höher als das Standard-Redoxpotential. Beispielsweise wäre eine Vorspannung von +2 V für Standard-Redoxpotentiale in dem Bereich von -0,8 V bis +1,6 V geeignet.
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Bei Varianten zum Anlegen von Vorspannungen kann ein Strom angelegt werden, um das gleiche zu erzielen. In diesem Fall ist das Vorzeichen des angelegten Stroms so, dass der Deckel 21 zu einem stärker positiven und daher oxidativen Potential gemäß der elektrochemischen Konvention polarisiert wird.
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Wie bereits angemerkt, bleiben die Randbereiche des Deckels durch die Maskierungsteile 22 von der elektrochemischen Lösung L abgeschirmt. Dies führt zu der Exposition der Sensorkomponente(n) 12, 13a, 13b des entsprechenden Hohlraums/der entsprechenden Hohlräume gegenüber einem externen Medium L. Schließlich wird dieses externe Medium (oder Partikel darin) über die Sensorkomponenten 12, 13a, 13b, 4D, auf Grundlage der bereits beschriebenen Prinzipien erfasst. Die vorstehend beschriebenen Schritte können für mehrere Deckel gemeinsam oder einen nach dem anderen (aufeinanderfolgend) usw. durchgeführt werden.
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Insbesondere kann die zum Auflösen des Deckels/der Deckel verwendete elektrochemische Lösung L bereits Analyten 11 enthalten, die dann erfasst werden sollen. Somit kann das elektrochemische Auflösen des Deckels/der Deckel direkte Exposition der Sensorkomponenten 12, 13a, 13b gegenüber derartigen Analyten 11 bewirken, die dann erfasst werden können. Es ist zu beachten, dass die Auflösungs- und Erfassungsschritte teilweise gleichzeitig erfolgen können, um das Verfahren zu beschleunigen.
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Wie gesagt, enthalten die Hohlräume 20 vorzugsweise Elektroden 13a, 13b, wobei Rezeptoren 12 für die Analyten 11 an einer 13a der Elektroden 13a verankert sind. Somit können Analyten 11 über ein Messsignal erfasst werden, das über die Elektroden 13a, 13b erhalten wird. Das heißt, dass nach Auflösen des Deckels (4C) die flüssige Probe L in den Hohlraum 20 eindringt und Analyten 11 an den Biorezeptor 12 binden, wodurch ein messbares Signal erzeugt wird (4D).
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Die oben beschriebenen Schritte können im Zeitverlauf wiederholt werden, z.B. zur Durchführung mehrerer Messungen (mit dem gleichen Chip 10), indem, wie in 5A bis 5D veranschaulicht, nacheinander verschiedene Hohlräume ausgewählt werden. Es ist zu beachten, dass 5B bis 5D eine Messreihe darstellen, die mit Proben durchgeführt werden könnte, die von dem gleichen Individuum oder von verschiedenen Individuen zu verschiedenen Zeiten genommen sind, ohne die in den Hohlräumen enthaltenen Biorezeptoren unnötig abzubauen oder zu kontaminieren.
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Bei der Variante von 6A bis 6D wirkt sich das Ergebnis der letzten Messung(en) auf die Auswahl des nächsten Hohlraums aus, der bestimmte Rezeptoren oder eine größere (Zahl von) Elektroden 13a (und damit eine größere Zahl von Rezeptoren) aufweisen kann, sollte eine Bestätigung erforderlich sein oder das SNR verbessert werden soll. Es ist jedoch bevorzugt, über Teilsätze von Hohlräumen zu verfügen, die mit verschiedenen Typen von Rezeptoren 121 bis 125 gefüllt sind, um, wie in 6A bis 6D gezeigt, unterschiedliche Analyten 111 bis 113 erfassen zu können.
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Somit können nach Exposition des Chips gegenüber einer Flüssigkeit L (6A bis 6B) und Öffnen eines gegebenen Hohlraums 202 (durch Auflösen eines entsprechenden Deckels 212) zum Erfassen erster Analyten 111 (6B) abhängig von dem verwendeten Protokoll weitere Deckel 214, 215 auf Grundlage eines Ergebnisses eines vorhergehenden Erfassungsschritts oder auf Grundlage von Ergebnissen mehrerer vorhergehender Schritte ausgewählt werden. Dann können die ausgewählten Deckel elektrochemisch aufgelöst werden, um Rezeptoren 124, 125 gegenüber Analyten 111 bis 113 in einer elektrochemischen Lösung L zu exponieren. Es ist zu beachten, dass, abhängig von dem Experiment, diese Lösung L mit der vorherigen Lösung identisch sein kann oder auch nicht. Der Chip 10 kann gegebenenfalls gegenüber der gleichen flüssigen Probe L exponiert bleiben oder auch nicht. Schließlich können Analyten 111 bis 113 der Lösung L auf ähnliche Weise über von den Elektroden 13a, 13b der zuletzt geöffneten Hohlräume erhaltene Messsignale erfasst werden, 6C. Es ist zu beachten, dass bei diesem Beispiel Analyten 112 an Rezeptoren 125 binden, während kein Analyt an Rezeptoren 124 bindet.
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Das gleiche Prinzip kann einmal wiederholt werden, wodurch Öffnen eines weiteren Hohlraums bewirkt wird, und so weiter.
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Im Einzelnen ist das in 6A bis 6D gezeigte Szenario das folgende: Eine positive Antwort aus dem Hohlraum 202 (6B) löst weitere Tests aus, wodurch Hohlräume 204, 205 geöffnet werden (6C). Nun liefert nur das von Hohlraum 205 erfasste Signal eine positive Antwort. Dies wiederum löst einen weiteren spezifischen Test aus, wodurch ein letzter Test in dem Hohlraum 201 durchgeführt wird, der eine positive Antwort liefert. Schließlich ist ein umfassender Datensatz, z.B. für Diagnosezwecke, erhalten.
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Die Peripheriegeräte 16, 26, die zum Steuern der Auflösung und für Auslesezwecke verwendet werden, sind per se bekannt. Der Chip 10 kann insbesondere folgendermaßen gefertigt werden. Wie in 7 zu sehen ist, kann beispielsweise ein Siliciumsubstrat 10s bereitgestellt werden, das oxidiert wird, um eine OberflächenOxidschicht 10o zu erhalten. Diese wird anschließend strukturiert, um eine
Zinnenstruktur 10p zu ergeben. Ein nachfolgender Ätzschritt (mit KOH) führt zu dem Bilden von Hohlräumen in dem Substrat 10s. Das verbleibende Oxid wird dann entfernt und eine metallische Schicht wird durch eine Schattenmaske abgeschieden, um Elektroden 13a, 13b zu strukturieren, bevor die Rezeptoren 12 platziert werden. Anschließend wird ein weiteres Substrat 10a (das z.B. Silicium oder PDMS aufweist) ähnlich wie die Struktur 10s, 10p strukturiert und eine Metallschicht wird abgeschieden (erneut durch eine Schattenmaske), um benachbarte Metalldeckel 21 zu erhalten, dann folgt das Übertragungsverfahren. Es wird sorgfältig gewährleistet, dass restliche Maskierungsteile 22 über Randbereiche der Deckel 21 vorragen und sie bedecken. Dem Fachmann ist klar, dass Varianten des vorstehend beschriebenen Verfahrens, die gegebenenfalls andere Materialien einsetzen, in Betracht gezogen werden können.
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Die vorliegende Erfindung ist mit Bezug auf eine beschränkte Zahl von Ausführungsformen, Varianten und die begleitenden Zeichnungen beschrieben worden, dem Fachmann ist aber klar, dass verschiedene Veränderungen durchgeführt werden können und Äquivalente ersetzt werden können, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Insbesondere kann ein(e) für eine gegebene Ausführungsform genannte(s) Element (Einheiten-artig oder Verfahren-artig), Variante oder in einer Zeichnung gezeigt mit einem anderen Element in einer anderen Ausführungsform, Variante oder Zeichnung kombiniert werden oder es ersetzen, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Demgemäß können verschiedene Kombinationen der für beliebige der vorstehenden Ausführungsformen oder Varianten beschriebenen Elemente in Betracht gezogen werden, die in dem Umfang der anhängenden Ansprüche bleiben. Ferner können zahlreiche geringfügige Modifikationen gemacht werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der vorliegenden Erfindung anzupassen, ohne von deren Umfang abzuweichen. Somit ist es vorgesehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die besonderen offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass die vorliegende Erfindung alle Ausführungsformen einschließt, die in den Umfang der anhängenden Ansprüche fallen. Ferner können zahlreiche andere Varianten als vorstehend ausdrücklich berührt in Betracht gezogen werden. Beispielsweise ist ein bevorzugter elektrochemischer Biosensor einer, der einen oder mehrere Hohlräume (oder Kammern) aufweist, die in oder auf einem Träger bereitgestellt sind, wobei Deckel (oder Membranen) Innenräume der Kammern von einem externen Medium trennen, wodurch Fluidkommunikation mit den Innenräumen der Kammern verhindert wird. Diese Membran ist elektrisch mit einer ersten elektrischen Schaltung verbunden, die eine Spannungs- und Stromquelle und eine Hilfselektrode aufweist, und weist die Eigenschaft auf, sich bei Anlegen eines positiven Potentials bezogen auf die Hilfselektrode in wässrigen Flüssigkeiten aufzulösen. In den Kammern sind eine oder mehrere Messelektroden angeordnet, wobei die Oberfläche wenigstens einer der Messelektroden von Biorezeptoren bedeckt ist. Die Messelektroden sind elektrisch mit einer zweiten elektrischen Schaltung verbunden, die eine Ausleseeinheit (für Spannung oder Strom) aufweist. Ferner können die vorliegenden Einheiten gegebenenfalls verschiedene Mikrostrukturen enthalten, wie z.B. Flusswege (denen z.B. Mikrokanäle und andere Strukturen gegenüberliegen), Kapillarpumpen, Lüftungsöffnungen, Kontaktflächen usw., wie sie auf dem Fachgebiet bekannt sind.
