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BEREICH DER
TECHNIK
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Die
Erfindung betrifft eine neue Klasse von Sensoren und Systemen auf
der Basis von Biegebalken, die die Erkennung von Molekülen, eine
chemische Affinität
oder eine physikalische Eigenschaft in eine mechanische Reaktion
umsetzen.
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DER ERFINDUNG
ZUGRUNDE LIEGENDER ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die
Entwicklung von Rastertunnelmikroskopen und Rasterkraftmikroskopen
hat zu verschiedenen Arten von Anwendungen geführt. Beispiele für diese
Anwendungen sind: Rastersonden-Speichersysteme, z.B. Speichersysteme,
die parallele lokale Sonden verwenden, Rastersonden-Lithographiesysteme,
Testgeräte,
die eine Rastersonde oder eine Gruppe von Sonden umfassen, atomare
Auflösung, Untersuchungssysteme
mit hohem Durchsatz und ein Rastersondensystem, das für die Strukturierung von
Oberflächen
wie Halbleiterchips und dergleichen verwendet wird. Allen diesen
Systemen ist gemeinsam, dass sie einen oder mehrere Biegebalken
umfassen.
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Die
Entwicklung von Sensoren auf der Basis von Biegebalken zum Nachweis
von physikalischen Phänomenen
und biochemischen Reaktionen wird immer stärker vorangetrieben.
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Beispiele
sind der Wärmemesssensor,
der auch als chemische Nase bezeichnet wird und in der Europäischen Patentschrift
EP 711 410 B1 beschrieben
ist, oder das in der US-Patentschrift 5 737 086 beschriebene Spektroskopie-Messsystem.
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Die
internationale Anmeldung mit der Veröffentlichungsnummer WO 98 50773
beschreibt einen Biosensor, der einen Mikrobiegebalken enthält, welcher
auf eine chemische Anregung, ein Bindeereignis oder eine Massebelastung
mit einem elektrischen Ausgangssignal reagiert. Der Mikrobalken
wird mit Hilfe von mehreren Mikrofabrikationsprozessen im Mikrometer- bis Millimeterbereich
gebildet, wobei piezoelektrische Materialien dünn aufgebracht werden. Weiterhin
wird beschrieben, dass ein Referenzsensor, der über keine biomolekulare Erkennungsoberfläche verfügt, die
Basis- oder Indexresonanzfrequenz der Balkenstruktur(en) festlegt.
Ein zweiter Sensor (Prüfsensor),
der die bestimmte biomolekulare Erkennungsoberfläche enthält, wird in einer Umgebung
mit derselben Flüssigkeit
in Schwingungen versetzt und darf durch ein Massebelastungsereignis mit
dem verwandten Analyten reagieren. Die sich aus dem Test ergebende
Resonanzfrequenz wird gemessen.
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Die
US-Patentschrift 5 807 758 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Nachweis einer Zielsubstanz. Das Zielmolekül kann sich in der Flüssigphase
(in einer Lösung)
oder (bei manchen Ausführungsformen
der Erfindung) in der Dampfphase befinden. Ein erfindungsgemäßer Sensor überwacht,
ob sich eine Zielsubstanz selektiv an Gruppen auf der Oberfläche des
Biegebalkens gebunden hat, indem er die Auslenkung des Biegebalkens
und folglich die auf den Biegebalken wirkende Kraft überwacht.
Diese auf den Biegebalken wirkende Kraft entsteht aus der auf eine
Struktur wirkende Kraft, welche sich in einem elektrischen oder
magnetischen Feld bewegt und selektiv an den Biegebalken gebunden
sein kann. Im Falle von Zielsubstanzen, die eine ausreichend große elektrische
Nettoladung oder ein ausreichend großes Dipolmoment haben, kann
die Zielsubstanz selbst als die Struktur dienen, die sich in einem
elektrischen Feld bewegt. Weitaus üblicher ist es jedoch, dass
getrennte veränderte
Strukturen wie zum Beispiel veränderte
Magnetpartikel oder veränderte
Partikel mit einer Nettoladung oder einem Dipolmoment eine Kraft
auf den Biegebalken ausüben, wenn
sie selektiv an den Biegebalken gebunden sind, die mit dem Vorhandensein
der Zielsubstanz zusammenhängt.
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In
dem Artikel "An
artificial nose based on a micromechanical cantilever array" von H.P. LANG u.a.
in ANALYTICA CHIMICA ACTA, Band 393, Nr. 1 bis 3, 30. Juni 1999,
Seiten 59 bis 65, ISSN: 0003-2670, wird ein chemischer Sensor beschrieben,
der auf einer mikromechanischen strukturierten Anordnung (Array)
von Silicium-Biegebalken beruht. Der Artikel gibt einen Überblick über Betriebsweisen von
Sensoren auf der Basis von Biegebalken. Es wird erwähnt, dass
die Verwendung einer strukturierten Anordnung von Biegebalken-Sensoren
es ermöglicht,
dass einige der Biegebalken als Referenzsensoren dienen können, d.h.
als Sensoren, die nicht mit dem Analyt reagieren. Folglich kann
einer störungsbehafteten
Umgebung eine geringe Reaktion des Sensors entnommen werden.
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Der
Artikel "A high-sensitivity
micromachined biosensor" von
D.R. BASELT u.a. in PROCEED.IEEE, Band 85, Nr. 4, 1997, Seiten 672
bis 680, beschreibt einen kraftverstärkten biologischen Sensor (FABS).
Jede FABS-Zelle enthält
derzeit zwei nebeneinander angeordnete Helmholtz-Paare, eines für einen
Signalbiegebalken und eines für
eine Referenz. Um externe Vibrationen von Störungen zu befreien, verwenden
FABS einen Referenzbiegebalken, der mit der Ausnahme, dass er keine
Antikörperbeschichtung
hat, identisch mit dem Signalbiegebalken ist.
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Ein
Nachteil von bekannten mikromechanischen Sensorsystemen zur Erkennung
von Zielsubstanzen oder zum Nachweis von Eigenschaften von Flüssigkeiten
ist, dass die Ergebnisse schwer zu reproduzieren sind, da eine hohe
Abhängigkeit
von Umgebungsparametern besteht. Ein weiterer Nachteil von bekannten
Schemata besteht darin, dass sie sehr empfindlich auf Temperaturschwankungen, Änderungen
des pH-Wertes und dergleichen reagieren. Die Erkennung von Atomen
oder Molekülen
ist folglich sehr schwierig, wenn nicht gar unmöglich.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schema zur zuverlässigen Erkennung
von Atomen, Molekülen,
Zellen, Viren, Bakterien oder Mikroorganismen in verschiedenen Umgebungen
bereitzustellen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schema zur zuverlässigen Erkennung
von Eigenschaften von Flüssigkeiten
in verschiedenen Umgebungen bereitzustellen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schema zur automatisierten
Steuerung des Durchflusses von Flüssigkeiten bereitzustellen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schema zur intelligenten
Freisetzung oder Injektion einer pharmazeutischen Substanz oder
dergleichen bereitzustellen.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schema bereitzustellen,
das dazu dient, die Erkennung von Molekülen, eine chemische Affinität oder eine
physikalische Eigenschaft in eine mechanische Reaktion umzusetzen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Schema zum Nachweis einer Zielsubstanz
in einer Referenzflüssigkeit.
Um dies zu erreichen, werden ein Messbiegebalken, der funktionalisiert
wird, indem eine erste Beschichtung auf eine der Oberflächen des
Messbiegebalkens aufgebracht wird, wobei diese erste Beschichtung
eine Empfindlichkeit für
die Zielsubstanz aufweist, und ein Referenzbiegebalken mit einer
Referenzbeschichtung auf einer der Oberflächen des Referenzbiegebalkens,
wobei diese Referenzbeschichtung eine geringere Empfindlichkeit für die Zielsubstanz
als die erste Beschichtung aufweist. Der Messbiegebalken und der
Referenzbiegebalken werden in einem Referenzschritt der Referenzflüssigkeit
und in einem Nachweisschritt der Referenzflüssigkeit mit der Zielsubstanz
ausgesetzt. Eine Erkennungseinheit ermittelt den Auslenkungsunterschied
zwischen dem Messbiegebalken und dem Referenzbiegebalken während des
Referenzschritts und des Nachweisschritts.
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Ein ähnliches
Schema kann zum Nachweis der Eigenschaften einer Flüssigkeit
verwendet werden.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch Systeme, die die Erkennung von
Molekülen,
eine chemische Affinität
oder eine physikalische Eigenschaft in eine mechanische Reaktion
umsetzen. Ein solches System umfasst mindestens einen mikrostrukturierten
Biegebalken, der eine funktionalisierte Oberfläche hat. Diese Oberfläche wird
funktionalisiert, indem eine Beschichtung aufgebracht wird, die
eine Empfindlichkeit für
eine Zielsubstanz (Molekularerkennung) oder eine physikalische Eigenschaft
einer Zielflüssigkeit
aufweist. Wenn der Biegebalken der Zielsubstanz oder der Zielflüssigkeit
ausgesetzt wird, wird er automatisch durch in dem Biegebalken wirkende
Kräfte
gebogen. Diese Kräfte
treten zwischen der Beschichtung des Biegebalkens und seiner Oberfläche auf.
Anders ausgedrückt,
der Biegebalken setzt die Erkennung von Molekülen, eine chemische Affinität oder eine
physikalische Eigenschaft in eine mechanische Reaktion (Bewegung)
um. Der Biegebalken kehrt in seine Ausgangsposition zurück, wenn
die Ausgangssituation wiederhergestellt wird. Dies kann beispielsweise
geschehen, indem im Falle eines DNA-Hybridisierungssensor eine hohe Konzentration
an Harnstoff oder im Falle von anderen Sensoren eine hohe Konzentration
einer anderen Flüssigkeit
injiziert wird. Wenn der Biegebalken nun im Wechsel der Zielsubstanz
oder der Zielflüssigkeit ausgesetzt
wird, kann ein Flipflop- oder bistabiles System aufgebaut werden.
Mit solchen Systemen können
kleine mikromechanische Maschinen, Pumpen, Behälter, Durchflusssysteme und
so weiter aufgebaut werden.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Systeme besteht darin, dass sie eine hohe
Empfindlichkeit aufweisen, für
die Massenproduktion geeignet und wiederverwendbar sind. Darüber hinaus
weisen die vorliegenden Systeme ein schnelles Antwortverhalten auf.
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Weitere
Vorteile sind für
den Fachmann entweder offensichtlich, oder sie werden in der Beschreibung
ausdrücklich
erwähnt.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die folgenden schematischen
Darstellungen ausführlich
beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass die Figuren nicht maßstabsgetreu
sind.
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1A ist
ein schematischer Querschnitt durch einen Biegebalken.
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1B ist
ein schematischer Querschnitt durch einen Biegebalken, während dieser
einer Zielsubstanz ausgesetzt wird.
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2A ist
ein schematischer Querschnitt durch ein Durchflusssystem.
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2B ist
ein schematischer Querschnitt durch ein Durchflusssystem, bei dem
der Deckel einer Zielsubstanz ausgesetzt wird.
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3 ist
ein schematischer Querschnitt durch einen Behälter.
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4A bis 4C sind
schematische Querschnitte durch ein auf einer strukturierten Anordnung der
Sensoren beruhendes Sensorsystem gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4D ist
ein Diagramm, das die relative Auslenkung der beiden Biegebalken
des auf einer strukturierten Anordnung beruhenden Sensorsystems
zeigt, welches in den 4A bis 4C veranschaulicht
ist.
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5 ist
ein schematischer Querschnitt durch einen Biegebalken gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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6 ist
eine schematische Darstellung eines auf einer strukturierten Anordnung
beruhenden Sensorsystems gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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7 ist
eine schematische Darstellung eines weiteren auf einer strukturierten
Anordnung beruhenden Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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8 ist
ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung.
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BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Bevor
verschiedene Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung beschrieben werden, befassen wir uns
mit den grundlegenden Elementen von Rastersondensystemen gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Biegebalken
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Biegebalken
sind bekannte Elemente, die einfach herzustellen sind. Vorhandene
Halbleiterherstellungsprozesse können
angewendet werden. Im Wesentlichen kommen Verfahren der Mikrobearbeitung
zur Anwendung, um einzelne Biegebalken und strukturierte Anordnungen
(Arrays) von Biegebalken zu erzeugen. Bei der Dimensionierung dieser
Biegebalken sind bestimmte Parameter des als Substrat verwendeten
Materials zu berücksichtigen,
in dem die Biegebalken gebildet werden. Wenn ein Biegebalken oder
ein Biegebalken-Array sachgemäß entworfen
wurde, kann er/es durch Serienfertigung zu geringen Kosten bei hoher
Ausbeute in Massen produziert werden.
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Biegebalken
werden gewöhnlich
hergestellt, indem Teile eines Siliciumsubstrats weggeätzt werden.
Dieses Substrat ist normalerweise (100) oder (111) orientiert. (100)
orientiertes Silicium könnte
beispielsweise unter Verwendung von Ethylendiaminpyrokatechol- oder
KOH-Lösungen
nassgeätzt
werden. Nasschemische Ätzverfahren
hängen
im Allgemeinen von der Kristallorientierung des Substrats ab, z.B.
zeigt (100) orientiertes Silicium eine sehr geringe Ätzrate der
(111)-Ebene, was
zu einem guten Ätzstopp
entlang der (111)-Achse führt,
und dies wiederum erzeugt definierte Ätzebenen mit einem Winkel von
54,7° von
(100). Ein alternativer Ansatz verwendet Trockenätzverfahren, z.B. das reaktive
Ionenstrahlätzen
(RIE), das chemisch unterstützte
Ionenstrahlätzen,
das mikrowellenunterstützte
Plasmaätzen
oder das induktiv gekoppelte Plasmaätzen. In Abhängigkeit
von den Prozessbedingungen kann man tiefe und anisotrope oder isotrope
Strukturen erhalten, was eine hervorragende Steuerung der Größenverhältnisse
zulässt.
Die zu ätzenden
Strukturen können
mit Hilfe von Masken festgelegt werden.
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Ebenso
können
Biegebalken mit Hilfe des Ionenstrahlätzverfahrens mit fokussiertem
Ionenstrahl hergestellt oder verändert
werden. Bei diesem Verfahren wird ein vorgefertigter Biegebalken
in einer Vakuumkammer mit einem Basisdruck von beispielsweise ca.
2,3*10–6 mbar
eingeschlossen. von einer Innenquelle werden Gallium-(Ga-)Ionen
mit einer hohen Spannung (10 kV bis 30 kV) beschleunigt und auf
das Ziel fokussiert. Das Material am Zielpunkt wird mit einem Strom
von 12 pA bis 12000 pA erodiert. Die Wirksamkeit des Prozesses lässt sich
verbessern, indem ein Strom von beispielsweise Chloridmolekülen auf
einen Zielbereich gelenkt wird. Die für das Ionenstrahlätzen mit
fokussiertem Ionenstrahl notwendige Ausrüstung ist handelsüblich.
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Mittels
des Ionenstrahlätzens
mit fokussiertem Ionenstrahl können
auch Änderungen
an herkömmlichem
Biegebalken vorgenommen werden. Es ist beispielsweise möglich, einen
kleineren Biegebalken oder eine strukturierte Anordnung von Biegebalken
in einem herkömmlichen
Biegebalken zu bilden.
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Die
verwendeten Biegebalken können
jede beliebige Form haben, die sich mit Hilfe der vorstehend genannten
Verfahren herstellen lässt.
Die Form des Querschnitts senkrecht zur Längsachse des Biegebalkens könnte beispielsweise
rechteckig, rund, elliptisch oder vieleckig sein.
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Zur
Herstellung von Biegebalken eignen sich auch andere Halbleitermaterialien
wie Galliumarsenid, wie in "Dynamic Micromechanics
on Silicon: Techniques and Devices" von K.E. Petersen, IEEE Transactions
on Electronic Devices, Band ED25, Nr. 10, 1978, Seiten 1241 bis
1249, berichtet wird. Ebenfalls geeignet ist Siliciumnitrid (Si3N4).
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Auslenkungssensoren
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Um
die Auslenkung/Biegung eines Biegebalkens zu ermitteln, wird ein
Auslenkungssensor verwendet. Die Auslenkung eines Biegebalkens wird
gewöhnlich
mit optischen oder piezoresistiven Auslenkungssensoren ermittelt.
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Ein
piezoresistiver Widerstand beispielsweise kann am festen Ende des
Biegebalkenarms integriert werden. Die Auslenkung des freien Endes
des Biegebalkenarms erzeugt eine Belastung auf dem Biegebalken.
Diese Belastung ändert
den widerstandswert des Widerstands am Fuße des Biegebalkens im Verhältnis zur
Auslenkung des Biegebalkens. Eine Vorrichtung zur Messung des Widerstandswerts
wird an den piezoresistiven Widerstand angeschlossen, um seinen
Widerstandwert zu messen und ein Signal zu erzeugen, das der Auslenkung des
Biegebalkenarms entspricht. Wie erstmalig in der ebenfalls anhängigen Patentanmeldung PCT/IB95/00724,
eingereicht am 1. September 1995, gezeigt wurde, können solche
piezoresistiven Detektoren in einer Verengung am festen Ende des
Biegebalkens so gebildet werden, dass er einer noch stärkeren Belastung
ausgesetzt wird.
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Ein
optischer Auslenkungssensor umfasst eine Lichtquelle, z.B. eine
Laserdiode, und einen Fotodetektor. Das von der Lichtquelle abgestrahlte
Licht wird auf den Biegebalken gerichtet, und die Fotodiode wird
so angeordnet, dass sie das reflektierte Licht sammelt. Eine Auslenkung
des Biegebalkens führt
zu einer veränderten
Auslenkung der Lichtstrahlen. Diese Änderung der Auslenkung kann
von der Fotodiode festgestellt und ausgewertet werden, um Informationen über den
Betrag zu erhalten, um den sich der Biegebalken verschoben hat.
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Beide
Verfahren zur Ermittlung der Auslenkung können auf die vorliegende Erfindung
angewendet werden.
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Erkennungsschaltkreise
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Bestimmte
Mittel können
bereitgestellt werden, darunter Erkennungsschaltkreise, Vorverstärker und
eine geeignete Verdrahtung. Vorhandene Werkzeuge und Prozesse, die
in der Halbleiter- und Festkörperindustrie
gebräuchlich
sind, können
zur Herstellung dieser Mittel eingesetzt werden. In Abhängigkeit
von der jeweiligen Anwendung ist eine Miniaturisierung unbedingt
erforderlich, um kurze Zwischenverbindungen, hohe Geschwindigkeiten
und einen verringerten Stromverbrauch zu erzielen. Ein Teil oder
die gesamte Erkennungselektronik lässt sich sogar in den Biegebalkenchip
integrieren.
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Zusammen
mit den Erkennungsschaltkreisen werden die Auslenkungssensoren hier
als Erkennungseinheit bezeichnet. Die Erkennungseinheit ermöglicht die
Erfassung und Auswertung von Daten.
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Allen
beschriebenen Beispielen und Ausführungsformen ist gemeinsam,
dass sie mindestens einen mikrostrukturierten Biegebalken oder eine
mikrostrukturierte Membran umfassen, die/der so ausgelegt ist, dass
er/sie als biochemischer Sensor in Flüssigkeiten betrieben werden
kann.
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Ein
Beispiel ist in den 1A und 1B gezeigt.
Die Biegebalkenstruktur 10 umfasst einen Biegebalken 11 und
eine Grundplatte 13. Die Grundplatte 13 wird gewöhnlich von
einer Biegebalkenhalterung (nicht gezeigt) getragen.
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Jeder
Biegebalken 11 hat zwei Hauptoberflächen, die hier als Vorderseite 14 und
Rückseite 15 bezeichnet
werden. In der vorliegenden Erfindung wird auf die Vorderseite 14 des
Biegebalkens eine Beschichtung 12 aufgebracht. Der Biegebalken 11 kann
durch das Aufbringen der Beschichtung 12 einzeln funktionalisiert
werden. Der Einfachheit halber ist die Beschichtung 12 so
gezeigt, dass sie die gesamte Vorderseite 14 bedeckt. Es
ist auch möglich, nur
einen Teil der Vorderseite 14 oder der Rückseite 15 des
Biegebalkens zu beschichten. Die jeweilige Beschichtungslage 12 – bei der
es sich um eine einzelne Lage oder um eine Kombination von mehreren Lagen
handeln kann – setzt
einen physikalischen Prozess oder eine biochemische Reaktion in
eine mikromechanische Reaktion (Biegung) um.
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Im
Allgemeinen besteht ein mikrostrukturierter Biegebalken oder eine
mikrostrukturierte Membran, wie vorstehend beschrieben wurde, aus
zwei verschiedenen Oberflächen,
einer Vorder- und einer Rückseite,
die unterschiedliche Affinitäten
haben oder unterschiedlich interagieren, wenn sie beide einer Zielsubstanz
oder einer Zielflüssigkeit
ausgesetzt werden, oder aber es wird nur eine Oberfläche der Zielsubstanz
oder der Zielflüssigkeit
ausgesetzt. Eine Oberfläche
des Biegebalkens oder der Membran muss entsprechend dem gewählten Analyt
einzeln funktionalisiert werden, z.B. durch Proteine (Antigen-Antikörper, Rezeptorliganden,
Enzyme), Oligonukleotide, selbst organisierende Monoschichten (Thiole),
polymere Schichten, Zellen oder Mikroorganismen.
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Ein
Biegebalken oder eine Membran kann funktionalisiert werden, indem
(1) er/sie in einen kleinen Behälter
oder Kanal eines Mikrofluidik-Netzwerks eingeführt wird, das mit der gewählten Flüssigkeit
gefüllt
ist, oder (2) indem die Beschichtung auf seine/ihre Oberfläche aufgedampft
oder in anderer weise aufgebracht wird.
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Wenn
der mikrostrukturierte Biegebalken 10 einer Zielsubstanz
ausgesetzt wird, werden Kräfte
erzeugt, die den Biegebalken 11 nach unten biegen, wie
in 1B gezeigt ist, oder ihn nach oben biegen (nicht
gezeigt). Die folgenden Mechanismen – oder eine Kombination dieser
Mechanismen – kann
dazu führen,
dass sich der Biegebalken biegt: thermische Auswirkungen, die Erzeugung
von Oberflächen-
oder Grenzflächenbelastungen,
elektrostatische Wechselwirkungen, räumliche Auswirkungen oder Auswirkungen
der Solvatation, konformative Änderungen
von Molekülen
oder Zellen, die zu einer Ausdehnung oder zu Veränderungen der elastischen Eigenschaften des
Materials auf den Biegebalken führen.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass der mikrostrukturierte Biegebalken 10 ein
passives Bauelement ist. Keine Aktoren, keine Anregung und kein
anderes Mittel sind notwendig, um die Biegekräfte zu erzeugen. Der Biegebalken
biegt sich automatisch, wenn er einer Zielsubstanz ausgesetzt wird,
für die
er durch Aufbringen einer entsprechenden Beschichtung 12 funktionalisiert
wurde. Statt des dynamischen (resonanten) Verhaltens lässt sich
eher ein statisches Biegeverhalten feststellen.
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Die
mikrostrukturierten Biegebalken oder Membrane können so funktionalisiert werden,
dass sie verwendet werden können,
um auf Folgendes zu reagieren beziehungsweise Folgendes zu erkennen oder
zu überwachen:
- – physikalische
Parameter (die hier als Eigenschaften bezeichnet werden) einer Flüssigkeit, wie
zum Beispiel Temperatur, Brechungsindex, Innenkonzentration oder
der pH-Wert;
- – das
Vorhandensein einer Substanz oder eines Materials (die/das hier
als Zielsubstanz bezeichnet wird) in einer Flüssigkeit, insbesondere durch Molekularerkennung
oder das Binden von Biomolekülen
an Partner auf der Beschichtung des Biegebalkens;
- – physikalische
oder chemische Eigenschaften des Materials von dem oder auf dem
Biegebalken oder Wechselwirkungen mit dem Biegebalken wie Oberflächenladungen
oder hydrophobe Eigenschaften, Adsorptionsprozesse, pK-Werte oder selbst
organisierende Monoschichten oder Biomoleküle, konformative Änderungen
von Molekülen
auf der Oberfläche
oder Reaktionen von Zellen auf verschiedene Umgebungen.
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Durch
das Biegen eines mikrostrukturierten Biegebalkens oder einer mikrostrukturierten
Membran, das durch die Wechselwirkung zwischen der Beschichtung
und der Zielsubstanz verursacht wird, können mikrofabrizierte Klappen
oder Deckel geöffnet
oder Ventile eines Mikrofluidik-Systems angesteuert werden. Dadurch
können "intelligente" Depots von pharmazeutischen
Substanzen erzeugt werden, die bei einem festgelegten Wert von beispielsweise
Blutzucker oder bei Vorhandensein von bestimmten Antikörpern oder
Viren öffnen
und schließen.
Ein zweites Beispiel ist in den 2A und 2B gezeigt.
Dieses Beispiel zeigt die Verwendung eines mikrostrukturierten Biegebalkens 21 in
einem Durchflusssystem 20. Der mikrofabrizierte Biegebalken 21 dient
als eine Art Schalter in dem Durchflusssystem 20. Das Durchflusssystem 20 umfasst ein
erstes Rohr 22 und ein zweites Rohr 23. Das zweite
Rohr 23 ist mit dem ersten Rohr 22 verbunden.
Die Schnittstelle des ersten Rohres 22 und des zweiten
Rohres 23 wird als Verzweigungspunkt bezeichnet. Der mikrofabrizierte
Biegebalken 21 ist so angeordnet, dass er das zweite Rohr 23 verschließt. In diesem
Zustand (siehe 2A) fließt eine Flüssigkeit F1 von links nach
rechts durch das Rohr 22. In das zweite Rohr 23 tritt
keine Flüssigkeit
ein, da seine Einlassöffnung
durch den Biegebalken 21 abgedeckt oder verschlossen ist.
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Der
Biegebalken 21 ist biegbar. Eine seiner Oberflächen (entweder
die Vorder- oder die Rückseite)
wird funktionalisiert, indem eine entsprechende Beschichtung (in
den 2A, 2B nicht gezeigt) aufgebracht
wird. Diese Beschichtung weist eine Empfindlichkeit für eine Zielsubstanz
auf, die in der Flüssigkeit
F1 enthalten ist. Wenn wir nun annehmen, dass die Zielsubstanz zu
der Flüssigkeit
F1 hinzugefügt
wird, biegt sich der Biegebalken 21, wie in 2B gezeigt
ist. Das Biegen des Biegebalkens 21 hat ein Öffnen des
zweiten Rohrs 23 zur Folge. Ein bestimmter Prozentsatz
der Flüssigkeit
F1 fließt
nun aus dem ersten Rohr 21 in das zweite Rohr 23.
Anders ausgedrückt,
der Biegebalken 21 wirkt als Schalter zwischen den beiden
Rohren. Wenn man den Biegebalken der Zielsubstanz aussetzt, werden Kräfte erzeugt,
die ihn automatisch so biegen, dass der Querschnitt an dem Verzweigungspunkt
in einer Weise verändert
wird, die den Flüssigkeitsdurchfluss durch
das Durchflusssystem 20 beeinflusst. Man beachte, dass
das zweite Rohr 23 offen bleibt, solange die Zielsubstanz
in der Flüssigkeit
F1 eingeschlossen ist. Wenn in F1 keine Zielsubstanz mehr vorhanden ist
oder wenn ihre Konzentration unter einen Nachweisschwellenwert fällt, bewegt
sich der Biegebalken 21 in seine Ausgangsposition zurück, und
das zweite Rohr 23 wird wieder geschlossen.
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Noch
ein weiteres Beispiel ist in 3 gezeigt.
In dieser Figur ist der Querschnitt eines Behältersystems 30 gezeigt.
Der Behälter
umfasst Wände 32 und
einen Deckel 31. Ein mikrostrukturierter Biegebalken dient
als Deckel 31. Eine der Oberflächen des Deckels (entweder
die Vorder- oder die Rückseite)
wird funktionalisiert, indem eine entsprechende Beschichtung (in 3 nicht
gezeigt) so aufgebracht wird, dass sie für eine Zielsubstanz oder bestimmte Eigenschaften
einer Zielflüssigkeit
sensibilisiert wird. Es wird davon ausgegangen, dass der Biegebalken so
beschichtet wird, dass er eine Empfindlichkeit für einen Unterschied im pH-Wert
der Flüssigkeit
F2 außerhalb
des Behälters 30 und
einer Flüssigkeit
F3, die sich im Behälter
befindet, aufweist. Diese Flüssigkeit
F3 kann eine pharmazeutische Substanz (z.B. ein Medikament) enthalten.
Wenn der Biegebalken nun einen Unterschied im pH-Wert an seiner
Vorderseite (der Oberfläche,
die der Flüssigkeit
F2 zugewandt ist) und seiner Rückseite
(der Oberfläche,
die der Flüssigkeit
F3 zugewandt ist) feststellt, wird eine Kraft erzeugt, die den Biegebalken 31 biegt.
Der Biegevorgang des Biegebalkens 31 ist nicht gezeigt.
Als Folge dessen, dass sich der Biegebalken biegt, öffnet sich
der Behälter 30,
und es erfolgt ein Austausch/ein Mischen der Flüssigkeiten F2 und F3. In der
Folge verschwindet der Unterschied im pH-Wert, und der Behälter 30 schließt sich
wieder. Ein Teil der Flüssigkeit
F3 wurde in die Flüssigkeit
F2 freigesetzt. Diese Wirkungsweise kann genutzt werden, um kleine
Dosen einer pharmazeutischen Substanz beispielsweise in Blut freizusetzen.
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Nun
wird der Fall veranschaulicht, in dem eine strukturierte Anordnung
(Array) von mindestens zwei Biegebalken verwendet wird.
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Solche
Arrays bestehen aus mindestens zwei Biegebalken, wobei einer als
inaktiver Referenz- und der andere als Erfassungsbiegebalken dient.
Beide Biegebalken können
einzeln entsprechend dem gewählten
Analyt funktionalisiert werden, d.h. durch Proteine (Antigen-Antikörper, Rezeptorliganden,
Enzyme), Oligonukleotide, selbst organisierende Monoschichten (Thiole),
polymere Schichten, Zellen oder Mikroorganismen. Dies kann geschehen, indem
die Biegebalken entweder parallel in kleine Behälter oder Kanäle eines
Mikrofluidik-Netzwerks, das mit der gewählten Flüssigkeit gefüllt ist,
eingeführt
werden, oder indem die Beschichtung auf ihre Oberfläche aufgedampft
oder in anderer Weise aufgebracht wird. Die Durchbiegung der Biegebalken wird
parallel ausgelesen, z.B. mit Hilfe eines optischen Strahlauslenkungsverfahrens
unter Verwendung von gemultiplexten Lichtquellen wie beispielsweise
einer strukturierten Anordnung (Array) von nach oben strahlenden
Halbleiterlasern (vertical cavity surface emitting lasers, VCSELs).
Wichtig ist, dass es immer ein Paar von einander entsprechenden
Biegebalken gibt, die vor dem Aufbringen der Beschichtung dieselben
physikalischen Eigenschaften aufweisen. Idealerweise werden die
Biegebalken gleichzeitig unter Anwendung derselben Herstellungsschritte gefertigt.
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Systeme,
die auf einer strukturierten Anordnung (Array) von Biegebalken beruhen,
können
so aufgebaut werden, dass sie als biochemische Sensorsysteme zur
Verwendung in Flüssigkeiten
betrieben werden können.
Solche Sensorsysteme können zum
Nachweis der Proteinadsorption auf Oberflächen von Biegebalken, Änderungen
des pH-Werts von Lösungen
und zur Molekularerkennung durch statisches Biegen des Biegebalkens
verwendet werden. Ein Sensorsystem kann mit Hilfe eines abgeänderten
handelsüblichen
AFM-Kopfes und einer Flüssigkeitszelle
aufgebaut werden.
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Ein
Sensorsystem 40 ist in den 4A bis 4D gezeigt.
Das vorliegende Sensorsystem 40 ist dafür vorgesehen, einen Strang
einer einzelsträngigen
DNA (ssDNA) (der hier als Zielsubstanz bezeichnet wird) in einer
Referenzflüssigkeit
nachzuweisen. Das System 40 umfasst einen Messbiegebalken 41,
der funktionalisiert wird, indem eine erste Beschichtung auf eine
seiner Oberflächen
aufgebracht wird. Die erste Beschichtung wird auf die Vorderseite
(Oberseite) des Biegebalkens 41 aufgebracht. Diese erste
Beschichtung weist eine Empfindlichkeit für einen bestimmten komplementären DNA-Strang
(Ziel-DNA-Strang) auf. Ein Referenzbiegebalken 42 umfasst
eine Referenzbeschichtung auf einer seiner Oberseiten. Diese Referenzbeschichtung
weist eine geringere Empfindlichkeit für den Ziel-DNA-Strang als die
erste Beschichtung auf. Beide Biegebalken sind an eine Biegebalkenhalterung 43 angeschlossen,
um den Messbiegebalken 41 und den Referenzbiegebalken 42 in
einem Referenzschritt einer Referenzflüssigkeit und in einem Nachweisschritt
der Referenzflüssigkeit
mit der Zielsubstanz auszusetzen. Es ist wichtig, dass beide Biegebalken
mit der Ausnahme ihrer Funktionalisierung genau gleich sind. Darüber hinaus
umfasst das Sensorsystem 40 eine Erkennungseinheit (in
den 4A bis 4C nicht
gezeigt), um den Auslenkungsunterschied zwischen dem Messbiegebalken 41 und
dem Referenzbiegebalken 42 während des Referenzschritts
und des Nachweisschritts zu ermitteln. Das Biegen der Biegebalken 41 und 42 kann
mittels eines optischen Ausleseverfahrens festgestellt werden, das
aus zwei gemultiplexten VCSELs und einem linearen Positionssensor
besteht.
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Hier
werden beide Biegebalken 41 und 42 durch kurze
Stränge
von einzelsträngiger
DNA, so genannte Oligonukleotide, die durch eine Thiol-Gruppe an
ihrem 5'-Ende modifiziert
werden, funktionalisiert. Ein Biegebalken wird mit einem 12-mer-Oligonukleotid und
der andere Biegebalken mit einem 16-mer-Oligonukleotid, beide mit unterschiedlichen Sequenzen,
bedeckt, so dass die Oberflächen
der Biegebalken dieselben physikalischen Eigenschaften aufweisen
und sich nur in ihrer Basensequenz, der genetischen Information
der Oligonukleotide, unterscheiden. Der 12-mer-Biegebalken kann
als Referenzbiegebalken für
den 16-mer-Biegebalken dienen oder umgekehrt.
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Das
Sensorsystem 40 umfasst ferner eine Flüssigkeitszelle, die es ermöglicht,
die beiden Biegebalken 41 und 42 einer Referenzflüssigkeit
und der Zielsubstanz auszusetzen. Indem die komplementären Stränge von
Oligonukleotiden in die Flüssigkeitszelle
injiziert werden, kommt es zu einer Basenpaarung, die als Hybridisierung
bezeichnet wird, und die komplementären Stränge binden nur an den Biegebalken 41 mit
der übereinstimmenden
Sequenz. Der Biegebalken 41 biegt sich von der Seite weg,
auf der die Hybridisierung stattfindet, wie in 4B gezeigt ist.
Der Unterschied im Biegeverhalten zwischen den beiden Biegebalken 41 und 42 (hier
das Biegesignal von dem funktionalisierten 12-mer-Biegebalken abzüglich des
Signals von dem 16-mer-Biegebalken) wird ermittelt und von der Erkennungseinheit
aufgezeichnet.
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In 4B wurde
zuerst das komplementäre 12-mer-Oligonukleotid injiziert,
und das Ausgangssignal der Erkennungseinheit steigt an (siehe 4D). Nach
der Reinigung mit einer Referenzflüssigkeit wurde dann das komplementäre 16-mer-Oligonukleotid
so injiziert, dass sich der Biegebalken 42 ebenfalls nach
unten biegt (siehe 4C). Dies bedeutet, dass das
Ausgangssignal der Erkennungseinheit abfällt (siehe 4D).
Die relative Auslenkung zwischen den beiden Biegebalken 41 und 42,
d.h. der Unterschied im Biegeverhalten, ist in 4D anhand eines
Diagramms dargestellt. Dieses Differenzsignal ist das Ausgangssignal
der Erkennungseinheit. Das vorstehend beschriebene Erkennungssystem
ermöglicht
die Erkennung von Molekülen,
beispielsweise Biomolekülen
wie DNA.
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Zur
Erkennung von einzelsträngiger
DNA (ssDNA) ist eine strukturierte Anordnung (Array) von Silicium-Biegebalken
geeignet. Die einzelnen Biegebalken haben gewöhnlich die folgenden Abmessungen:
eine Dicke zwischen 0,1 Mikrometer und 10 Mikrometer; eine Länge zwischen
50 Mikrometer und 1000 Mikrometer; eine Breite zwischen 10 Mikrometer
und 500 Mikrometer. Gut geeignet zur Erkennung von DNA-Strängen ist
eine lagenweise aufgebrachte Beschichtung, die in 5 gezeigt
ist und von der Oberfläche 47 des
Biegebalkens aufwärts
eine Metallschicht 44 (z.B. eine Goldschicht) umfasst,
die es ermöglicht,
mit Thiol modifizierte kurze Stränge
der einzelsträngigen
DNA 46, so genannte Oligonukleotide, mit dem Biegebalken 41 zu
verknüpfen.
Die Basen 47 der einzelsträngigen DNA bilden während eines
Hybridisierungsprozesses Basenpaare mit den Basen 50 ihres
komplementären
DNA-Strangs 49.
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Das
Sensorsystem 40 ermöglicht
die Überwachung
der Molekularerkennung durch statisches Biegen des Biegebalkens.
In der vorliegenden Ausführungsform
hängt das
Biegeverhalten der Biegebalken von der Konzentration der komplementären Oligonukleotide
ab. Die Empfindlichkeit der aktuellen Konfiguration liegt bei mehr
als 109 Molekülen, was einer vollständigen Oberflächenabdeckung
entspricht. Das zeitabhängige
Biegesignal kann durch Langmuir-Adsorptionskinetik
angepasst werden. Außerdem
ist das System 40 in der Lage, Stränge derselben Länge, aber
mit unterschiedlicher Basensequenz, und sogar einzelne Basenfehlpaarungen
in einer Oligonukleotidsequenz zu erkennen. Dies ermöglicht die
Erkennung von genetischen Veränderungen
(wie zum Beispiel Mutationsanalyse, einzelner Nukleotidpolymorphismus)
durch Sequenzierung mittels Hybridisierung.
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Die
Basenpaarung kann chemisch unterbrochen werden, indem hohe Konzentrationen
von beispielsweise Harnstoff in die Flüssigkeitszelle injiziert werden.
Dann kann das Experiment mit demselben Sensorsystem 40 wiederholt
werden.
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Wie
vorstehend erwähnt
wurde, wird eine Seite des Silicium(Si-)Biegebalkens mit einer Metallschicht
bedeckt. Die Dicke dieser Schicht kann zwischen 1 nm und 500 nm
betragen. Gut geeignet ist eine Goldschicht mit einer Dicke von
20 nm, um ihr Reflexionsvermögen
für das
optische Auslesen zu erhöhen.
Die Metallschicht kann beispielsweise durch Elektronenstrahlbedampfung
aufgebracht werden. Die anderen Schichten können beispielsweise mittels
Aufsprühbeschichtung
auf den Biegebalken aufgebracht werden.
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Jede
Seite der beiden Biegebalken kann einzeln mittels Thiol- oder aber Silan-Chemie
funktionalisiert werden. Indem zwei oder mehr Biegebalken parallel
verwendet werden, kann einer der Biegebalken als Referenz betrieben
werden. Dies ist besonders für
das Messen von statischen Auslenkungen von Biegebalken in Flüssigkeiten
wichtig, da kleine Änderungen
der Temperatur und des Brechungsindex der Flüssigkeit (die beispielsweise
vom pH-Wert oder der Innenkonzentration abhängen) das Signal sehr stark
beeinflussen (z.B. 100 nm Auslenkung je °C oder mehrere 10 nm je pH-Einheit).
Diese Auswirkungen können
aufgehoben werden, indem das Differenzsignal zwischen einem besonders
sensibilisierten Biegebalken und einem inaktiven Referenzbiegebalken
ausgewertet wird.
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Das
in den 4A bis 4C veranschaulichte
System kann auch zum Nachweis oder zur Erkennung von RNA verwendet
werden.
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In
einer anderen Ausführungsform
werden nun der eine Biegebalken mittels eines inerten Alkylthiols
(CH3) und der andere Biegebalken mittels
eines Carboxythiols (COOH) funktionalisiert, die aufgrund des pH-Werts
der Lösung
(0,1 M Phosphatpuffer) protoniert/deprotoniert werden können. Bei
einem niedrigen pH-Wert ist die mit COOH abgeschlossene Oberfläche des
Biegebalkens ungeladen, ihre negative Aufladung nimmt aber zu, je
mehr deprotonierte COO-Gruppen sich bei einem höheren pH-Wert aufbauen. Dadurch
wird der Biegebalken von der geladenen Thiol-Schicht weg gebogen.
Ein solches Sensorsystem kann als mikrofabriziertes, hochsensibles
und lokales pH-Messgerät
verwendet werden. Das Biegesignal nimmt bei gemischten Thiol-Schichten
mit einer verringerten Anzahl von Carboxy-Gruppen auf der Oberfläche des
Biegebalkens ab. Der mit Carboxythiol beschichtete Biegebalken biegt
sich noch mehr, wenn Ionen in Lösung
hinzugefügt
werden. Dies zeigt, dass elektrostatische Abstoßung und die Abschirmung von
Oberflächenladungen
durch Gegenionen nicht die einzigen Ursachen dafür sind, dass sich ein Biegebalken
biegt.
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Eine
weitere Ausführungsform
ist in 6 gezeigt. Das Sensorsystem 60 umfasst
ein Array aus 7 Messbiegebalken (A bis G) und 7 gegenüberliegenden
Referenzbiegebalken (A' bis
G'). Die Grundplatte 61 des
Arrays dient als Biegebalkenhalterung und ist so aufgebaut, dass
sie einen Kanal zur Durchflussführung
einer Flüssigkeit
F4 bereitstellt. Die Flüssigkeit
F4 fließt
den Kanal 62 so entlang, dass alle Biegebalken der Flüssigkeit
ausgesetzt werden. Im vorliegenden Fall umfasst jeder Biegebalken
einen piezoelektrischen Detektor, der einer Erkennungsschaltung
ein Auslesesignal bereitstellt. Die Erkennungsschaltung empfängt Signale
von jedem Biegebalken und erzeugt 7 Ausgangssignale.
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Diese
7 Ausgangssignale sind die Differenzsignale der Signale, die von
den Biegebalkenpaaren A-A',
B-B',..., G-G' bereitgestellt werden.
Die Erkennungsschaltung kann mit einem Rechnersystem zur anschließenden Verarbeitung
der 7 Ausgangssignale verbunden werden.
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Das
Blockschaltbild eines Sensorsystems mit zwei Biegebalken 71, 72 und
einer typischen Erkennungseinheit ist in 7 gezeigt.
In der vorliegenden Ausführungsform
gibt es ein optisches Auslenkungssensorsystem 73 (74)
je Biegebalken 71 (72). Ein jedes solches Auslenkungssensorsystem 73 (74)
umfasst eine Lichtquelle 75 (76), z.B. eine Laserdiode,
und einen Fotodetektor 77 (78). Das von der Lichtquelle 75 (76)
abgestrahlte Licht 79 (80) wird auf die Biegebalken 71 (72)
gerichtet, und die Fotodiode 77 (78) ist so angeordnet,
dass das reflektierte Licht 81 (82) von ihr gesammelt
wird. Eine Auslenkung des Biegebalkens 71 (72)
führt zu
einer veränderten
Auslenkung der Lichtstrahlen 81 (82). Diese Änderung
der Auslenkung kann von der Fotodiode 77 (78)
erkannt werden, die ein Ausgangssignal OUT1 (OUT2) erzeugt. Diese
Ausgangssignale OUT1 und OUT2 (Fotoströme) werden von einer Einheit 83 ausgewertet,
um Informationen über
den Betrag zu erhalten, um den sich die beiden Biegebalken 71 und 72 verschoben
haben.
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Die
Einheit 83 hat zwei Eingänge 84 und 85, an
denen die Fotoströme
der Fotodioden 77, 78 empfangen werden. Die Blöcke 86 und 87 wandeln
die Fotoströme
in Spannungen 88, 89 um. Der Baustein 90 bildet
die Differenz zwischen den beiden Spannungen 88, 89.
Ein optionaler Verstärker 91 wird
zur Verstärkung
des Differenzsignals 92 eingesetzt. Im vorliegenden Beispiel
wird das resultierende Signal 93 einer Schnittstellenkarte 94 zugeführt, über die
die Einheit 83 an einen Rechner (nicht gezeigt) angeschlossen
ist. Der Rechner erfasst das resultierende Signal zur weiteren Verarbeitung.
Zwischen den Auslenkungssensorsystemen 73, 74 und
der Einheit 83 und/oder dem Rechner kann es auch eine Rückkopplungsschleife
geben. Die Auslenkungssensorsysteme 73 und 74 werden
hier zusammen mit der Einheit 83 als Erkennungseinheit
bezeichnet.
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 8 veranschaulicht.
Diese Figur zeigt den schematischen Aufbau des Sensorsystems 100 mit
einer Flüssigkeitszelle 101,
die eine Biegebalken-Array 102 beherbergt. Die Flüssigkeitszelle 101 hat
einen Eingang 112 und einen Ausgang 113. Die Erkennungseinheit
des Systems umfasst eine Erfassungs- und Steuereinheit 103 (ADC),
die die Lichtquellen 104 (in der vorliegenden Ausführungsform
eine VCSEL-Array) über
ein Zeitmultiplexschema ein- und ausschaltet. Ein typischer VCSEL hat
eine Wellenlänge
von 760 nm und eine Ausgangsleistung von ungefähr 0,1 mW. Das Laserlicht 105 kann
in Zeitabständen
zwischen 0,1 s und 1 s gemultiplext werden. Das Laserlicht 105 von
einem VCSEL-Array 104 wird über eine Fokussierungsoptik (nicht
gezeigt) auf die Spitze der Biegebalken 106, 107 des
Array 102 gelenkt, dann reflektiert und von einem linearen
Positionssensor (PSD) 108 gesammelt. Dieser PSD 108 erzeugt
Fotoströme
y1 und y2 für
den Biegebalken 107 beziehungsweise den Biegebalken 106.
Die Fotoströme
y1 und y2 von gegenüberliegenden
Elektroden werden von einem Strom-Spannung-Wandler 109 in
Spannungen umgewandelt. Die Ausgangsspannungen V1 und V2 werden anschließend von
einem Verstärker 110 (Verstärkungsfaktor
G) verstärkt.
Die Erfassungs- und Steuereinheit 103 verarbeitet dann
das Ausgangssignal k(t) des Verstärkers. Der ADC 103 kann
beispielsweise einen Analog-Digital-Wandler zur Erzeugung eines
digitalen Ausgangssignals m umfassen. Das Signal m wird dann einem
Personal Computer (PC) 111 zugeführt, wo es beispielsweise aufgezeichnet
und verarbeitet werden kann. Die Verarbeitung der aufgezeichneten
Informationen kann verbindungslos (offline) auf dem Personal Computer 111 erfolgen.
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Die
funktionalisierten/sensibilisierten Biegebalken-Arrays können mindestens
10 Mal wiederverwendet und vor ihrer Verwendung mindestens mehrere
Tage gelagert werden.
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In
der Zukunft kann die Anzahl der Biegebalken pro Array erhöht, und/oder
dreidimensionale Biegebalken-Arrays können statt der vorliegenden
zweidimensionalen Arrays verwendet werden. Außerdem können die Biegebalken weiter
miniaturisiert werden. Neue Klassen von nanomechanischen DNA-Chips mit
allen Anwendungsmöglichkeiten
dieser Chips sind die Folge. Die vorliegende Ausführungsform
hat den klaren Vorteil, dass sie bekannte Erkennungsschemata nutzt,
die eine Kennzeichnung erforderlich machen (z.B. durch Fluorophore).
Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Kennzeichnung nicht notwendig, da Biomoleküle durch
das statische Biegen der Biegebalken nachgewiesen werden.
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Die
Erkennungseinheit kann die Aufzeichnung des Differenzsignals ermöglichen.
Das Differenzsignal von zwei Biegebalken wird gemessen, um Störsignale
oder Umgebungseinflüsse,
z.B. Biegen durch Temperaturänderungen, Signale
aufgrund von Änderungen
des Brechungsindex oder Reaktionen und Adsorptionen, die auf den
gleichen Oberflächen der
Biegebalken stattfinden, auszuschalten.
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Ein
Biegebalken-Array gemäß der vorliegenden
Erfindung kann als eine Art von "biomolekularer Pinzette" verwendet werden.
Biomoleküle,
insbesondere lange Stränge
von DNA, können
dadurch nachgewiesen werden, dass sich der Biegebalken biegt, und
anschließend
kann der Biegebalken aus dem Array herausgebrochen werden. Die Moleküle können von
ihren Bindepartnern auf der Oberfläche entfernt und mittels biochemischer
Verfahren weiter analysiert werden.
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In
Abhängigkeit
von den Ausführungsdetails erlaubt
der erfindungsgemäße Ansatz
die Erkennung von Molekülen,
Zellen, Viren, Bakterien, Mikroorganismen, Atomen, Ionen, Protonen
und wahrscheinlich sogar Elektronen. Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung
können
zur Prozess- und Qualitätskontrolle,
als Einweg-Biosensoren zur medizinischen Analyse, zur Entwicklung
von Duftstoffen, in der Önologie
und als Erfassungseinheiten für
flüssige
Analyten eingesetzt werden.
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Ein
Sensorsystem gemäß der vorliegenden Erfindung
kann zum Aufbau eines pH-Messgeräts verwendet
werden. In diesem Fall würde
der Messbiegebalken eine pH-empfindliche Beschichtung und der Referenzbiegebalken
eine pH-unempfindliche Beschichtung aufweisen.
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Die
hier beschriebenen Systeme können
im Reagenzglas und/oder im lebenden Organismus eingesetzt werden.