DE19936302A1

DE19936302A1 - Vorrichtungen und Verfahren zur Untersuchung von Ionenkanälen in Membranen

Info

Publication number: DE19936302A1
Application number: DE1999136302
Authority: DE
Inventors: Niels Fertig; Armin Tilke; Jan Behrends; Robert Blick
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-08-02
Filing date: 1999-08-02
Publication date: 2001-02-15

Abstract

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Untersuchung von Ionenkanälen in Membranen. Die Erfindung zeichnet sich aus durch einen Biochip, in dem wenigstens eine Öffnung zur Aufnahme einer wenigstens einen Ionenkanal umfassenden Zellmembran vorgesehen ist. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Biochips zur Untersuchung von Ionenkanälen, mit einem Substrat, in dem wenigstens eine Öffnung zur Aufnahme einer wenigstens einen Ionenkanal umfassenden Zellmembran vorgesehen ist, mit den Schritten: Vorsehen eines Substrats aus einem Halbleitermaterial, Abscheiden einer isolierenden Schicht auf der ersten Seite des Substrats, Ätzen eines Fensterabschnitts von der anderen Seite des Substrats her, und Ausbilden jeder Öffnung in dem Fensterabschnitt. Darüber hinaus schafft die Erfindung eine Meßsonde, umfassend einen Biochip der zuvor genannten Art, ein Glasröhrchen, das auf der Seite des Substrats vorgesehen ist, die der Seite, auf der die Membran aufbringbar ist, gegenüberliegt, wobei die dem Substrat abgewandte Öffnung des Glasröhrchens so ausgebildet ist, daß eine Elektrode einführbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen und Verfahren zur Untersuchung von Ionenkanälen in Membranen, insbesondere Vorrichtungen und Verfahren zur Durchführung der sogenann ten Patch-Clamp-Technik.

Stand der Technik

Die Untersuchung von Ionenkanälen gewinnt in jüngster Zeit immer mehr an Bedeutung. Ionenkanäle sind Membranproteine, die als schaltbare Poren für Stromfluß dienen. Insbesondere sind Ionenkanäle als kleinste erregbare biologische Strukturen die fundamen talen Schaltelemente des Nervensystems. Die Ausstattung einer Nervenzelle mit Ionenka nälen verschiedenen Typs bestimmt daher wesentlich ihre Rolle bei der Informationsverar beitung im Gehirn. Ähnliches gilt im übrigen auch für nicht neuronale erregbare Zellen, bei spielsweise für die des Herzmuskels und seiner Erregungsleitungssysteme. Schaltvorgänge in Ionenkanälen werden unter anderem deshalb untersucht, um Aufschlüsse über etwaige Fehlfunktionen und deren Behebung durch Medikamente und dergleichen zu gewinnen.

Zur Untersuchung von Ionenkanälen in Zellmembranen im Hinblick auf deren Schaltvor gänge, d. h. deren Öffnungs- und Schließmechanismen, wird im Stand der Technik das Patch-Clamp-Verfahren eingesetzt. Hierzu werden sogenannte Patch-Clamp-Pipetten aus Glas verwendet. Eine derartige Pipette ist in Fig. 5 dargestellt. Diese Pipette umfaßt eine Öffnung 59, die ungefähr einen Durchmesser von 1 µm aufweist. Weiterhin umfaßt die Pipette einen Pipettenschaft 58, in dem eine Elektrode 53 vorgesehen ist.

Zur Analyse eines Ionenkanals wird ein Membranfleck mittels einer derartigen mit Elektrolyt gefüllten Pipette angesaugt, so daß sich zwischen Membran und Glas ein enger Kontakt bildet. Auf diese Weise wird ein sehr hoher Abdichtwiderstand in einer Größenordnung < 10 GΩ erhalten. Hierüber können sehr kleine Ionenströme durch die Membran bis hin zu einigen 100 fA gemessen werden.

Nachteil des bekannten Verfahrens ist allerdings, daß die Zeitskala, auf der die Öffnungs- und Schließmechanismen in Ionenkanälen ablaufen, mit der bekannten Meßanordnung aus Glaspipette, Elektrode und Verstärker nicht zugänglich ist. Dies liegt insbesondere daran, daß aufgrund der hohen Streukapazität der Glaspipette, die durch deren Geometrie bedingt ist (siehe Fig. 5), sowohl ein schlechtes Signal-zu-Rauschverhältnis als auch eine schlechte Zeitauflösung resultiert. So besteht für Patch-Clamp-Verfahren eine Beschränkung der Bandbreite auf unter 100 kHz.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Untersuchung von Ionenkanälen in Zellmembranen zu schaffen, die ein verbessertes Signal-zu-Rauschverhältnis und eine verbesserte Zeitauflösung zeigen.

Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch einen Biochip gelöst, der ein Substrat aufweist, in dem we nigstens eine Öffnung zur Aufnahme einer wenigstens einen Ionenkanal umfassenden Zellmembran vorgesehen ist.

Durch Verwendung eines derartigen Biochips kann auf den relativ langen Schaft einer Pipette, der zu der hohen Streukapazität führt, verzichtet werden. Vielmehr können von vornherein die kritischen geometrischen Parameter optimiert werden, wodurch das Signal- zu-Rausch-Verhältnis gegenüber dem Stand der Technik stark verbessert wird und dem nach die Zeitauflösung erhöht wird. So lassen sich erfindungsgemäß Bandbreiten von 10 MHz bei Strömen von 1 pA realisieren.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines derartigen Biochips ist es, daß, bedingt durch die Geometrie des Biochips alle Rastersondenverfahren, wie AFM, SNOM, STM problemlos anwendbar sind.

Darüber hinaus können aufgrund der geometriebedingten leichten Zugänglichkeit auch an dere bildgebende Verfahren, wie beispielsweise REM, konfokale Fluoreszenzmikroskopie (auch in Kombination mit SNOM), optische Mikroskopie oder Einzelphotonendetektion ein gesetzt werden.

Ein weiterer aus der geometriebedingten leichten Zugänglichkeit resultierender Vorteil ist die Möglichkeit einer chemischen und/oder mechanischen Manipulation des oder der Ionenkanäle.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung kann jede Öffnung Längen- und Breitenab messungen aufweisen, die in einem Bereich von 10 µm bis 10 nm liegen. Hierdurch läßt sich die Anzahl der beobachteten Ionenkanäle von mehreren tausend bis zu einem einzelnen, dessen Durchmesser im Bereich von einigen nm liegt, einstellen.

Entsprechend einer anderen Weiterbildung der zuvor beschriebenen Biochips kann jede Öffnung im wesentlichen kreisförmig sein. Hierdurch kann insbesondere bei Beobachtung eines einzelnen Kanals ein vollständig symmetrischer Aufbau realisiert werden. Falls ein derartiger symmetrischer Aufbau nicht entscheidend ist, können auch andere Formen für die Öffnungsquerschnitte gewählt werden.

Gemäß einer anderen Weiterbildung aller zuvor beschriebenen Biochips kann die Dicke des Substrats im Bereich jeder Öffnung in einem Bereich von 1 µm bis 50 nm liegen. In diesem Dickenbereich wird zum einen die Stabilität des Abschnitts, in dem sich die Öffnung befin det, gewährleistet. Zum anderen kann es bei zu großer Dicke Probleme mit dem Zugangswiderstand (series resistance), also dem Widerstand der Öffnung, geben.

Entsprechend einer anderen bevorzugten Weiterbildung aller zuvor beschriebenen Biochips kann das Substrat einen Basisabschnitt mit einer ersten Dicke und einen im Basisabschnitt ausgebildeten Fensterabschnitt mit einer zweiten Dicke, in dem jede Öffnung vorgesehen ist, aufweisen. Insbesondere können hierbei die Dicke des Basisabschnitts in einem Bereich von 1 mm bis 100 µm und die Dicke des Fensterabschnitts in einem Bereich von 1 µm bis 50 nm liegen. Durch diese Ausbildung kann die Stabilität des Substrats weiter erhöht werden, wobei im wesentlichen Abschnitt eine Dicke gewährleistet werden kann, bei der keine Probleme mit dem Zugangswiderstand auftreten.

Vorteilhafterweise können die zuvor beschriebenen Biochips ein Substrat aufweisen, das Quarz oder Glas umfaßt. Insbesondere Quarz läßt sich sehr gut mit bekannten Ätzver fahren, beispielsweise HF-Ätzen, verarbeiten, so daß die erwünschten oben beschriebenen Strukturen auf einfache Weise erhalten werden können.

Alternativ hierzu kann das Substrat ein Halbleitermaterial und eine auf dem Halbleitermate rial aufgebrachte Isolationsschicht aufweisen, wobei die Isolationsschicht auf der Seite des Halbleitermaterials, auf der die Membran aufbringbar ist, vorgesehen ist. Zusätzlich und zur Verringerung der Gesamtkapazität des Biochips kann auch auf der anderen Seite des Substrats eine Isolationsschicht aufgebracht werden. Diese beiden Ausführungen zeichnen sich ebenfalls dadurch aus, daß sie durch aus der Halbleitertechnik bekannte Verfahren mit den oben bezeichneten bevorzugten Maßen hergestellt werden kann.

Vorzugsweise umfaßt das Halbleitermaterial hierbei Si oder GaAs.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der zuvor beschriebenen Ausführungen kann das Substrat eine Ätzstoppschicht aufweisen, die auf der Seite des Substrats, auf der die Mem bran aufbringbar ist, vorgesehen ist. Hierdurch kann der Ätzschritt erheblich vereinfacht werden und die gewünschten Strukturen können mit höherer Präzision hergestellt werden.

Die Ätzstoppschicht kann dabei auch aus verschiedenen Unterschichten bestehen, die verschiedene Materialien, beispielsweise Si₃N₄, Glas, Si, Polymere, sowie Metalle, umfassen können.

Im Fall eines Substrats, das Halbleitermaterial umfaßt, können die Isolationsschicht und die Ätzstoppschicht durch eine einzige Schicht ausgebildet sein.

Die Isolationsschicht und/oder die Ätzstoppschicht können Si₃N_x, beispielsweise Si₃N₄, aufweisen. Mit diesem Material kann ein mit dem herkömmlichen Verfahren vergleichbarer Abdichtwiderstand von einigen GΩ, der zur Messung hinreichend kleiner Ströme erforder lich ist, realisiert werden.

Die zuvor beschriebenen und durch Verfahren aus der Halbleitertechnologie herstellbaren Biochips können ein Substrat aufweisen, das im Fensterabschnitt nur die Isolationsschicht aufweist. Auch diese Anordnung zeichnet sich dadurch aus, daß sie auf besonders einfache Weise durch anisotropes Ätzen hergestellt werden kann, wie im Zusammenhang mit der Diskussion der Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Biochips noch im Detail ausgeführt wird.

Entsprechend einer anderen Weiterbildung der zuvor beschriebenen Biochips können eine oder beide Seiten des Substrats mit einer passivierenden Schicht versehen sein.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung aller zuvor beschriebenen Biochips können Elek troden auf einer oder auf beiden Seiten des Substrats vorgesehen sein. Dies ermöglicht einen relativ einfachen Versuchsaufbau, da die Elektroden bereits fest auf dem Biochip in tegriert sind und demnach ein Anbringen und Justieren der Elektroden entfällt. Außerdem können durch eine derartige Anordnung die parasitären Kapazitäten und Widerstände weiter verringert werden, was zu einer weiteren Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Ver hältnisses führt.

Ob ein Biochip mit Elektroden auf einer oder auf beiden Seiten des Substrats zum Einsatz kommt, kann in Abhängigkeit von dem durchzuführenden Versuch bestimmt werden. Eine Anordnung mit integrierten Elektroden auf der Substratunterseite (der Seite, die der Mem bran abgewandt ist) eignet sich insbesondere auch zur kapazitiven Messung.

Als Elektroden eignen sich insbesondere Ag/AgCl-Elektroden. Diese Elektroden haben den Vorteil, daß ein Ausbilden von Raumladungen, die zur Verfälschung der Meßergebnisse führen können, vermieden wird.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung können diese Elektroden so ausgebildet sein, daß ein zeitlich konstantes elektrisches und/oder magnetisches (im folgenden elektromagnetisches) Feld und/oder ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld anlegbar ist. Insbesondere durch Anlegen eines hochfrequenten Wechselfelds im Bereich von MHz bis GHz läßt sich die Dynamik der Ionenkanäle analysieren. Zum Anlegen derartiger hochfrequenter Felder ist die Verwendung von Antennenstrukturen besonders ge eignet. Hierdurch kann eine effektive Kopplung des elektromagnetischen Feldes an den Ionenkanal erzielt werden.

Entsprechend einer bevorzugten Ausbildung können die Elektroden hierbei eine Breite von 40 nm aufweisen und die Elektroden können an die Öffnung herangeführt sein.

Ebenso wie Elektroden können gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der zuvor be schriebenen Biochips auch elektrisch und/oder optisch aktive und/oder passive Bauele mente auf dem Substrat integriert sein. Hierdurch ergibt sich ein weitere strukturelle Verein fachung des Versuchsaufbaus. Insbesondere können so auch die Signalwege kurz gehalten werden, was insbesondere bei den kleinen zu messenden Strömen zu einer deutlichen Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses führt.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform enthält der Biochip genau eine Öffnung. In Abhängigkeit von der Größe der Öffnung lassen sich bis zu einem einzigen Ionenkanal untersuchen.

Entsprechend einer anderen Ausführungsform können eine Mehrzahl von Öffnungen, die beispielsweise in Form eines Lochgitters angeordnet sind, vorgesehen sein. Mit einer der artigen Anordnung lassen sich gezielt (in Kombination mit ortsaufgelöster kapazitiver Messung) die Wechselwirkungen einzelner Ionenkanäle studieren.

Die Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zur Verfügung, das auf einfache Weise eine Herstellung eines Biochips, wie er oben beschrieben worden ist, ermöglicht. Insbesondere umfaßt das Verfahren die Schritte eines Vorsehens eines Substrats, eines Ätzens eines Fensterabschnitts in das Substrat, und eines Ausbildens jeder Öffnung in dem Fensterab schnitt.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung dieses Verfahrens wird auf einer Seite des Substrats eine Ätzstoppschicht aufgebracht, und der Fensterabschnitt wird von der anderen Seite des Substrats her bis zur Ätzstoppschicht geätzt. Hierdurch kann auf sehr einfache Weise eine präzise Ausbildung des Fensterbereichs erhalten werden.

Vorteilhafterweise läßt sich in den oben genannten Verfahren ein Quarzsubstrat einsetzen.

Alternativ kann ein Halbleitersubstrat, beispielsweise Si oder GaAs, mit einer Isolations schicht verwendet werden. Falls in diesem Verfahren eine Ätzstoppschicht verwendet wird, kann diese vorteilhafterweise in Form einer isolierenden Schicht vorgesehen werden, so daß keine zusätzliche Schicht erforderlich ist.

Vorzugsweise kann die Ätzstoppschicht und/oder die Isolationsschicht mit einem PECVD- Verfahren aufgebracht werden.

Als Ätzstoppschicht und/oder Isolationsschicht hat sich hierbei insbesondere eine Si₃N_x- Schicht, vorzugsweise eine Si₃N₄-Schicht, als günstig erwiesen.

In dem Ätzschritt gemäß dem oben bezeichneten Verfahren wird der Fensterabschnitt vor teilhafterweise durch einen anisotropen Ätzschritt ausgebildet. Bei einem Halbleitermaterial findet vorzugsweise sin KOH-Ätzschritt Einsatz, bei einem Quarz-Substrat hingegen ein HF-Ätzschritt.

Entsprechend einer bevorzugten Weiterbildung der zuvor beschriebenen Verfahren wird die Öffnung durch optische Lithographie und einen Trockenätzschritt gebildet. Dieses Verfahren eignet sich für vergleichsweise große Öffnungen. Sollen kleinere Öffnungen, bei spielsweise herab bis zu 10 nm vorgesehen werden, läßt sich die Öffnung beispielsweise durch Elektronenstrahllithographie und einen Trockenätzschritt bilden.

Alle zuvor genannten Verfahren können dahingehend weitergebildet werden, daß auf das Substrat, gegebenenfalls auf die Ätzstoppschicht, Elektroden, elektrisch und/oder optisch aktive und/oder passive Bauelemente integriert werden. In dieser Ausführung lassen sich die bereits im Zusammenhang mit den entsprechenden Biochips diskutierten Vorteile erzie len. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird deshalb auf die entsprechende obenste hende Diskussion verwiesen.

Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Meßsonde mit einem Biochip, wie er oben beschrieben worden ist, mit einem Glasröhrchen, das auf der Seite des Substrats vorgesehen ist, die der Seite, auf der die Membran aufbringbar ist, gegen überliegt, wobei die dem Substrat abgewandte Öffnung des Glasröhrchens so ausgebildet ist, daß eine Elektrode einführbar ist. Hierdurch kann eine Elektrode in ionischer Lösung zur Untersuchung des oder der Ionenkanäle an die Öffnung herangeführt werden.

Eine derartige Meßsonde schafft eine Einrichtung, in welcher der oben beschriebene Bio chip auf einfache Weise zur Durchführung der Analyse der Ionenkanäle integriert werden kann. Insbesondere kann diese Meßsonde auch problemlos in bekannten Patch-Clamp- Aufbauten integriert werden.

Vorteilhafterweise kann in einer solchen Meßsonde die dem Substrat abgewandte Öffnung des Glasröhrchens so ausgebildet sein, daß eine Elektrodeneinrichtung einschraubbar ist. In dieser Anordnung kann die Elektrodeneinrichtung schnell gewechselt werden und ist darüber hinaus wieder verwendbar. Diese Anordnung eignet sich unter anderem für einen Biochip, der nur Elektroden auf der Oberseite des Chips aufweist.

In dieser Weiterbildung kann die Meßsonde zweckmäßigerweise auch zusammen mit der einschraubbaren Elektrode vertrieben werden.

In einer derartigen Anordnung sind zweckmäßigerweise zwischen der Öffnung des Glas röhrchens und der einschraubbaren Elektrode Dichtungsmittel, beispielsweise O-Ringe, vorgesehen, damit der Elektrolyt im Glasröhrchen verbleibt.

Vorteilhafterweise ist das Glasröhrchen mit dem Substrat verklebt oder mit einem Dichtungsring mit dem Substrat verschraubbar. Hierdurch kann eine einfache und dichte Verbindung zwischen Glasröhrchen und Substrat sichergestellt werden. Die Verschraubung gemäß der zweiten Alternative führt zusätzlich zur Wiederverwertbarkeit der Meßsonde.

Die zuvor beschriebenen Meßsonden können vorteilhaft so weitergebildet werden, daß sie eine Einrichtung zum Erzeugen von Unterdruck in dem Glasröhrchen aufweisen. Mit dieser Einrichtung kann mit der üblichen Ansaugtechnik ein Membranfleck einer ebenfalls in Lösung befindlichen Zelle definiert werden. Damit können alle zur Durchführung einer Ana lyse von Ionenkanälen erforderlichen Schritte an einer einzigen Vorrichtung durchgeführt werden. Dies führt zu einer verbesserten Handhabbarkeit der Vorrichtung.

Im folgenden werden besondere Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines Biochips gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Biochips gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine dritte Ausführungsform des Biochips gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine Ausführungsform der Meßsonde gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 5 eine Pipette zur Untersuchung von Ionenkanälen gemäß dem Stand der Tech nik.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform 1 eines Biochips gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Dieser Biochip umfaßt ein Substrat in dem eine Öffnung 19 zur Aufnahme einer wenigstens einen Ionenkanal umfassenden Zellmembran vorgesehen ist.

Das Substrat umfaßt einen Basisabschnitt 10 mit einer ersten Dicke d₁ und einen Fenster abschnitt 11 mit einer zweiten Dicke d₂, in dem die Öffnung 19 vorgesehen ist.

Die Dicke des Basisabschnitts 10 liegt in einem Bereich von 1 mm bis 100 µm und die Dicke des Fensterabschnitts liegt in einem Bereich von 1 µm bis 50 nm. Der Fensterab schnitt hat hierbei eine Fläche von einigen 10 µm².

Die Öffnung 19 ist im wesentlichen kreisförmig und hat einen Durchmesser, der in einem Bereich von 10 µm bis 10 nm liegt. Die Größe der Öffnung bestimmt sich danach, wieviele Ionenkanäle in einer Zellmembran untersucht werden sollen.

Der Biochip 1 ist aus einem (0001)-Quarz (Z-Schnitt) gebildet, in den zunächst durch einen anisotropen naßchemische Ätzschritt der Fensterabschnitt 11 ausgebildet wird. Als Ätzmittel wird hierbei HF verwendet.

Im letzten Schritt wird, je nach Größe der erwünschten Öffnung, diese Öffnung durch op tische Lithographie und einen Trockenätzschritt oder durch Elektronenstrahllithographie und einen Trockenätzschritt gebildet.

Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Biochips gemäß der vorliegenden Erfin dung.

Dieser Biochip weist ebenfalls ein Substrat 20, 21, in dem eine Öffnung 29 zur Aufnahme einer wenigstens einen Ionenkanal umfassenden Zellmembran vorgesehen ist.

Die geometrische Form und die Abmessungen des Biochips 2 entsprechen denen des in Fig. 1 gezeigten Biochips 1. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird in diesem Zusam menhang lediglich auf die entsprechende Beschreibung der Fig. 1 verwiesen. Die Bezugs zeichen einander entsprechender Teile unterscheiden sich hierbei nur in ihrer ersten Ziffer.

Das Substrat des Biochips 2 umfaßt einen Basisabschnitt 20, der ebenfalls aus Quarz ge bildet ist, und eine Ätzstoppschicht, in welcher der Fensterabschnitt 21 ausgebildet ist. Diese Ätzstoppschicht besteht aus Si₃N_x, vorzugsweise Si₃N₄.

Gegenüber dem Biochip 1 auf Fig. 1 zeichnet sich der Biochip 2 dadurch aus, daß er durch ein vereinfachtes Verfahren herstellbar ist.

So wird auf das Substrat 20 zunächst ein Ätzstoppfilm aufgebracht. Anschließend wird von der gegenüberliegenden Seite durch einen anisotropen naßchemischen HF-Ätzschritt der Fensterabschnitt 11 bis zur Ätzstoppschicht gebildet. Abschließend wird die Öffnung, vor zugsweise durch eines der im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrie benes Verfahren, gebildet.

In Fig. 3 ist eine dritte Ausführungsform eines Biochips 3 gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.

Bezüglich der geometrischen Abmessungen und Aufbaus entspricht der Biochip 3 im we sentlichen dem Aufbau der in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Biochips, so daß auch hier zur Vermeidung von Wiederholungen auf die Beschreibung dieser Chips verwiesen wird. Die Bezugszeichen einander entsprechender Teile unterscheiden sich hierbei nur in ihrer ersten Ziffer.

Im Gegensatz zu den dort gezeigten Biochips besteht der Basisabschnitt 30 des Substrat aus einem Halbleitermaterial, beispielsweise (100)-Si.

Auf diesem Halbleitermaterial ist eine isolierende Schicht aufgebracht, in welcher der Fen sterabschnitt 31 ausgebildet ist. Die isolierende Schicht 31 dient außerdem im Herstel lungsverfahren als Ätzstoppschicht.

Der Herstellungsvorgang ist demnach dem in Fig. 2 hergestellten Biochip ähnlich. In der dargestellten Ausführungsform besteht diese Schicht aus Si₃N₄.

Insbesondere wird zuerst auf den Siliziumbasisabschnitt 30 die Isolations- und Ätzstopp schicht mit einem PECVD-Verfahren aufgebracht. Dann wird von der anderen Seite durch einen anisotropen naßchemischen KOH-Ätzschritt der Fensterabschnitt 31 in dem Substrat ausgebildet. Hierbei wird bis zur Ätzstoppschicht durchgeätzt. Anschließend kann, wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen in Abhängigkeit von der erwünschten Größe der Öffnung diese durch optische Lithographie bzw. Elektronenstrahllithographie und einen Trockenätzschritt ausgebildet werden.

Im letzten Schritt werden schließlich noch Elektroden 32 und 33, die im vorliegenden Fall aus Ag/AgCl bestehen, auf die Oberseite und die Unterseite des Substrats aufgebracht.

In Fig. 3 ist darüber hinaus dargestellt, wie eine Membran M mit einen Ionenkanal I in die Öffnung 39 eingebracht worden ist. Zur anschließenden Messung, die unter Bezugnahme auf Fig. 4 noch im Detail beschrieben wird, muß eine Elektrolytflüssigkeit 34 über Membran und Elektrode 32, sowie im Ätzgraben, vorgesehen werden.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Biochips stellen lediglich bevorzugte Ausführungsfor men der Erfindung dar, und sind nicht als Beschränkung derselben zu verstehen.

Demgemäß sind eine Vielzahl anderer, nicht gezeigter Ausführungsformen möglich.

Beispielsweise ist es nicht erforderlich, daß die Öffnung kreisförmig ausgebildet ist. Sie kann je nach Anforderung verschiedene Querschnitte aufweisen.

Außerdem lassen sich verschiedene Materialien zur Ausbildung der Biochips einsetzen. So kann beispielsweise anstelle des Quarzes auch Glas und anstelle des Silizium ein anderes Halbleitermaterial, beispielsweise GaAs, verwendet werden.

Insbesondere im Fall eines Substrats aus Halbleitermaterial, allerdings nicht beschränkt hierauf, können die Oberflächen des Substrats mit einer passivierenden Schicht überzogen werden.

Weiterhin lassen sich auch verschiedenartige Elektroden einsetzen, beispielsweise solche, die zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes im Bereich des Ionenkanals geeignet sind.

Darüber hinaus können elektrisch und/oder optisch aktive und/oder passive Bauelemente auf dem Substrat integriert werden.

Ebenso lassen sich zur Herstellung der Biochips verschiedene aus der Halbleitertechnolo gie hinreichend bekannte Verfahren in Abhängigkeit von dem jeweils verwendeten Materia lien einsetzen.

Auch können mehrere Öffnungen vorgesehen werden, die beispielsweise in Form eines Lochgitters angeordnet sind.

In Fig. 4 ist eine Meßsonde gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar gestellt.

Diese Meßsonde umfaßt ein Substrat mit einem Basisabschnitt 40 und einem Fensterab schnitt 41, in dem eine Öffnung 49 ausgebildet ist. Auf dem Substrat ist weiterhin eine erste Elektrode 42 angeordnet.

Unter dem Substrat 40 ist ein Glasröhrchen 45 befestigt, an das sich eine Elektrode 43 mit Halterung anschließt.

Weiterhin umfaßt die Meßsonde eine Einrichtung zum Erzeugen von Unterdruck in dem Glasröhrchen, die durch das Bezugszeichen 46 angedeutet ist.

Neben der dargestellten Ausführungsform der Meßsonde, die nicht als Beschränkung der vorliegenden Erfindung zu verstehen ist, sind weitere Abwandlungen möglich.

Als Biochips lassen sich beispielsweise beliebige der erfindungsgemäßen Biochips einset zen. Insbesondere die Abmessungen bestimmen sich hierbei nach dem Einsatzgebiet, also insbesondere der Zahl der zu untersuchenden Kanäle.

Das Glasröhrchen kann beispielsweise mit dem Substrat verklebt werden.

Die Elektrodeneinrichtung mitsamt Halterung kann so ausgebildet werden, daß sie von un ten in das Glasröhrchen einschraubbar ist.

Weiterhin kann zwischen der Öffnung des Glasröhrchens und der einschraubbaren Elek trode ein Dichtungsring vorgesehen sein.

Im folgenden wird beschrieben, wie mit der vorliegenden Meßsonde Ionenströme durch den Ionenkanal gemessen werden können.

Zunächst wird eine Zellmembran in Elektrolytlösung auf das Substrat aufgebracht. Durch Betätigung der Einrichtung zum Erzeugen von Unterdruck 46 wird die Membran mitsamt dem Ionenkanal in die Öffnung gesaugt. In der Meßsonde befindet sich ebenfalls eine Elektrolytlösung 44. Über die beiden Elektroden 42 und 43 kann schließlich der durch den Ionenkanal fließende Strom gemessen werden.

Claims

1. Biochip (1; 2; 3), insbesondere zur Untersuchung von Ionenkanälen, mit einem Substrat (10; 20; 30), in dem wenigstens eine Öffnung (19; 29; 39) zur Aufnahme einer wenigstens einen Ionenkanal (I) umfassenden Zellmembran (M) vorgesehen ist.

2. Biochip nach Anspruch 1, in welchem jede Öffnung Längen- und Breitenabmessungen aufweist, die in einem Bereich von 10 µm bis 10 nm liegen.

3. Biochip nach Anspruch 2, in welchem jede Öffnung im wesentlichen kreisförmig ist.

4. Biochip nach einem der vorangegangenen Ansprüche, in welchem die Dicke des Substrats im Bereich jeder Öffnung in einem Bereich von 1 µm bis 50 nm liegt.

5. Biochip nach einem der vorangegangenen Ansprüche, in welchem das Substrat einen Basisabschnitt (10; 20; 30) mit einer ersten Dicke (d₁) und einen im Basisabschnitt ausgebildeten Fensterabschnitt (11; 21; 31) mit einer zweiten Dicke (d₂), in dem jede Öffnung vorgesehen ist, aufweist.

6. Biochip nach Anspruch 5, in welchem die Dicke des Basisabschnitts in einem Bereich von 5 mm bis 10 µm, vorzugsweise von 1 mm bis 100 µm, liegt, und die Dicke des Fensterabschnitts in einem Bereich von 10 µm bis 10 nm, vorzugsweise von 1 µm bis 50 nm, liegt.

7. Biochip nach einem der vorangegangenen Ansprüche, in welchem das Substrat (10; 20) Quarz oder Glas umfaßt.

8. Biochip nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in welchem das Substrat (30) ein Halblei termaterial und eine auf dem Halbleitermaterial aufgebrachte Isolationsschicht (31) aufweist.

9. Biochip nach Anspruch 8, in welchem das Halbleitermaterial Si oder GaAs umfaßt.

10. Biochip nach einem der Ansprüche 7 bis 9, in welchem das Substrat eine Ätzstopp schicht (21; 31) umfaßt, die auf der Seite des Substrats, auf der die Membran auf bringbar ist, vorgesehen ist.

11. Biochip nach Anspruch 10 in Verbindung mit Anspruch 8, in welchem die Isolations schicht und die Ätzstoppschicht durch eine einzige Schicht ausgebildet sind.

12. Biochip nach Anspruch 11, in welchem die Isolationsschicht und/oder die Ätzstopp schicht Si₃N_x, vorzugsweise Si₃N₄, aufweist.

13. Biochip nach einem der Ansprüche 7 bis 12 in Verbindung mit Anspruch 5 oder 6, in welchem das Substrat im Fensterabschnitt nur die Isolationsschicht und/oder die Ätz stoppschicht aufweist.

14. Biochip nach einem der vorangegangenen Ansprüche, in welchem eine oder beide Seiten des Substrats mit einer passivierenden Schicht überzogen sind.

15. Biochip nach einem der vorangegangenen Ansprüche, in welchem Elektroden auf einer oder auf beiden Seiten des Substrats vorgesehen sind.

16. Biochip nach Anspruch 15, in welchem die Elektroden so ausgebildet sind, daß ein zeitlich konstantes elektromagnetisches Feld und/oder ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld anlegbar ist.

17. Biochip nach Anspruch 16, in welchem die Elektroden eine Breite von etwa 40 nm haben und an die Öffnung herangeführt sind.

18. Biochip nach einem der vorangegangenen Ansprüche, in welchem aktive und/oder passive Bauelemente auf dem Substrat integriert sind.

19. Biochip nach einem der vorangegangenen Ansprüche, in welchem genau eine Öffnung vorgesehen ist.

20. Biochip nach einem der Ansprüche 1 bis 18, in welchem eine Mehrzahl von Öffnun gen, die in Form eines Lochgitters angeordnet sind, ausgebildet ist.

21. Verfahren zur Herstellung eines Biochips zur Untersuchung von Ionenkanälen, mit einem Substrat, in dem wenigstens eine Öffnung zur Aufnahme einer wenigstens einen Ionenkanal umfassenden Zellmembran vorgesehen ist, mit den Schritten:
Vorsehen eines Substrats,
Ätzen eines Fensterabschnitts in das Substrat, und
Ausbilden jeder Öffnung in dem Fensterabschnitt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, in welchem eine Ätzstoppschicht auf eine Seite des Substrats aufgebracht wird, und der Fensterabschnitt von der anderen Seite des Substrats her bis zur Ätzstoppschicht geätzt wird.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, in welchem ein Quarzsubstrat verwendet wird.

24. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, in welchem ein Substrat aus einem Halbleiter, vorzugsweise Si oder GaAs, mit einer Isolationsschicht verwendet wird.

25. Verfahren nach Anspruch 24 in Verbindung mit Anspruch 22, in welchem die Isola tionsschicht und die Ätzstoppschicht in Form einer Schicht vorgesehen werden.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 25, in welchem die Isolationsschicht und/oder die Ätzstoppschicht mit einem PECVD-Verfahren aufgebracht wird.

27. Verfahren nach Anspruch 26, in welchem die Isolationsschicht und/oder die Ätzstopp schicht aus Si₃N_x, vorzugsweise Si₃N₄, gebildet wird.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche Anspruch 21 bis 27, in welchem der Fensterab schnitt durch einen anisotropen Ätzschritt ausgebildet wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28 in Verbindung mit Anspruch 23, in welchem der an isotropen Ätzschritt ein HF-Ätzschritt ist.

30. Verfahren nach Anspruch 28 in Verbindung mit Anspruch 24, in welchem der an isotropen Ätzschritt ein KOH-Ätzschritt ist.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 30, in welchem die Öffnung durch op tische Lithographie und einen Trockenätzschritt gebildet wird.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 30, in welchem die Öffnung durch Elek tronenstrahllithographie und einen Trockenätzschritt gebildet wird.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 32, in welchem auf die Ätzstoppschicht Elektroden, elektrisch und/oder optisch aktive und/oder passive Bauelemente inte griert werden.

34. Meßsonde (4), umfassend
einen Biochip (1; 2; 3) nach einem der Ansprüche 1 bis 20,
ein Glasröhrchen (45), das auf der Seite des Substrats vorgesehen ist, die der Seite, auf der die Membran (M) aufbringbar ist, gegenüberliegt, wobei
die dem Substrat abgewandte Öffnung des Glasröhrchens so ausgebildet ist, daß eine Elektrodeneinrichtung (43) einführbar ist.

35. Meßsonde nach Anspruch 34, in welcher das Glasröhrchen mit dem Biochip verschraubbar ist.

36. Meßsonde nach einem der Anspruch 35, in welcher zwischen Glasröhrchen und Biochip Dichtungsmittel vorgesehen sind.

37. Meßsonde nach Anspruch 34, in welcher das Glasröhrchen mit dem Substrat verklebt ist.

38. Meßsonde nach einem der Ansprüche Anspruch 34 bis 37, in welcher die Elektrodeneinrichtung in das Glasröhrchen einschraubbar ist.

39. Meßsonde nach Anspruch 38, in welcher zwischen Glasröhrchen und Elektrodeneinrichtung Dichtungsmittel vorgesehen sind.

40. Meßsonde nach einem der Ansprüche 34 bis 39, in welcher eine Einrichtung zum Erzeugen von Unterdruck (46) in dem Glasröhrchen vorgesehen ist.