DE60127469T2 - Potentiometrischer dna-mikroarray, verfahren zu dessen herstellung und verfahren zur nukleinsäureanalyse - Google Patents

Potentiometrischer dna-mikroarray, verfahren zu dessen herstellung und verfahren zur nukleinsäureanalyse Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Die vorliegende Erfindung betrifft die Biotechnologie auf den Gebieten der genetischen Diagnose, der Sequenzanalyse von DNS und der Analyse von einfachen Nukleotid-Polymorphismen, insbesondere die Technologie auf dem Gebiet der genetischen Untersuchungen und speziell potentiometrische DNS-Mikroarrays, mit denen gleichzeitig eine Vielzahl von verschiedenen Nukleinsäuren mit hoher Genauigkeit analysiert werden kann, sowie einen Prozeß zum Herstellen des Mikroarrays und ein Verfahren zum Analysieren von Nukleinsäuren.
  • STAND DER TECHNIK
  • Das Vorhaben der Genom-Nukleotidsequenzanalyse für verschiedenen lebende Organismen einschließlich dem menschlichen Genomprojekt hat große Fortschritte gemacht, und es haben sich enorme Mengen an Informationen über die Nukleotidsequenz angesammelt. Es wurde bereits die gesamte Nukleotidsequenz des menschlichen Genoms bestimmt. Die Bestimmung der Genfunktionen im lebenden Körper läßt eine dramatische Entwicklung der Gentechnologie auf vielen Gebieten erwarten, etwa bei der Diagnose verschiedener Krankheiten, bei pharmazeutischen Entwicklungen, beim Züchten von Agrarprodukten und dergleichen. Die Grundlage für die Weiterentwicklung auf diesen neuen Gebieten sind neben den Informationen über die Nukleotidsequenzen Informationen über die Expression und die Funktion der Gene. Als Technologie für die Durchführung von Untersuchungen über die Funktion und Expression der Gene im großen Maßstab und deren Weiterführung zur Genuntersuchung wurde von Affymetrix Inc., Nanogen Inc., und so weiter der DNS-Chip oder das DNS-Mikroarray (im folgenden insgesamt als DNS-Mikroarray bezeichnet) entwickelt. Das Grundprinzip des Großteils der gegenwärtigen DNS-Mikroarrays beruht auf der Erfassung von Fluoreszenz, so daß dafür ein Laser oder ein komplexes optisches System erforderlich ist und das System groß und teuer ist.
  • Außerdem werden gegenwärtig alle DNS-Mikroarrays nach einmaligem Gebrauch grundsätzlich weggeworfen. Auch wenn die DNS-Mikroarrays gewaschen und wiederholt verwendet werden können, ist ihre Verwendung auf den höchstens zwei- oder dreimaligen Gebrauch beschränkt, so daß die Betriebskosten bei der Analyse vieler Proben und auf dem Gebiet der Gendiagnose bei der Untersuchung einer großen Anzahl von Proben und dergleichen ein wesentliches Problem darstellen. Insbesondere auf dem Gebiet der Medizin ist es schwierig, eine aufwendige Untersuchung angesichts der Kosten dafür allgemein einzuführen. Andererseits sind auf dem Gebiet der Medizin, das heißt dem Gebiet der Gendiagnose, eine hohe Genauigkeit und die Möglichkeit der quantitativen Bestimmung erforderlich. Entsprechend wird nach einer Technologie gesucht, die sowohl die Kosten verringert als auch eine hohe Genauigkeit sichert.
  • Zur Lösung dieses Problems wurden verschiedene DNS-Mikroarrays mit einem aktuellen Erfassungssystem in Verbindung mit der Oxidations-Reduktions-Markierung vorgeschlagen. Clinical Micro Sensor Systems, Inc. hat ein System entwickelt, bei dem ein Ende eines Moleküls, das molekularer Draht genannt wird, auf einer Metallelektrode immobilisiert wird, während das andere Ende an eine Prüf-Nukleinsäure gebunden ist, wobei die Abgabe und die Aufnahme von Elektronen zwischen der Oxidations-Reduktions-Markierung und der Metallelektrode bei der Hybridisierung der Prüf-Nukleinsäure mit dem Target-Gen durch die Änderung des elektrischen Stroms erfaßt und dadurch das Target-Gen bestimmt wird (Nature Biotechnology, Bd. 16 (1998), Seite 27, Seite 40). Da bei diesem System kein teurer Laser und kein kompliziertes optisches System erforderlich sind, läßt sich das System einfach und klein aufbauen. Dabei wird jedoch eine Oxidations-Reduktions-Reaktion auf der Metallelektrode als Grundprinzip für die Erfassung verwendet, bei der das Vorhandensein einer oxidierenden Substanz oder einer reduzierenden Substanz (z.B. Ascorbinsäure) in einer Probe aufgrund der Oxidation oder Reduktion einen elektrischen Strom induziert, wodurch die Genbestimmung gestört und die Genauigkeit der Erfassung verschlechtert wird. Gleichzeitig mit der Strommessung tritt progressiv eine Elektrodenreaktion auf. Da die Elektrodenreaktion irreversibel und eine Nichtgleichgewichtsreaktion ist, tritt eine Korrosion der Elektrode, eine Gasentwicklung und dergleichen auf, mit der Folge einer Instabilität der Strommessung und einer Abnahme der Erfassungsgenauigkeit, insbesondere wenn die Messung wiederholt wird.
  • Aus diesen Gründen ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein DNS-Mikroarray zu schaffen, das mit einem System mit geringen Betriebskosten und einem niedrigen Preis Messungen mit hoher Genauigkeit ermöglicht. Außerdem sollen ein Prozeß zum Herstellen des DNS-Mikroarrays und ein Verfahren zur Analyse von Nukleinsäuren mit diesem DNS-Mikroarray geschaffen werden.
  • DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung umfaßt ein DNS-Mikroarray, bei dem eine Prüf-Nukleinsäure auf der Oberfläche eines Isolators immobilisiert und dann mit einem Target-Gen hybridisiert wird, wobei die sich dabei ergebende Änderung der elektrischen Ladungsdichte erfaßt wird. Das DNS-Mikroarray umfaßt vorzugsweise ein System, bei dem eine Prüf-Nukleinsäure auf der Oberfläche der Gate-Isolierung eines elektrischen Feldeffekttransistors immobilisiert und dann auf der Oberfläche der Gate-Isolierung mit einem Target-Gen hybridisiert wird, wobei die sich dabei ergebende Änderung in der elektrischen Ladungsdichte durch den Feldeffekt erfaßt wird. Durch das Einbringen eines Interkalators oder durch das Markieren von Nukleinsäuren mit einem Molekül zur Ausbildung eines Komplexes mit einem geladenen Teilchen wie einem Ion zur Verstärkung der Änderung in der elektrischen Oberflächenladungsdichte zusätzlich zu der Ladung der Nukleinsäure kann ein DNS-Mikroarray geschaffen werden, das eine potentiometrische Erfassung von Änderungen im elektrischen Oberflächenpotential mit einem hohen Signal-Rausch-Ver hältnis ermöglicht. Da das Verfahren zur Analyse von Genen mit dem erfindungsgemäßen DNS-Mikroarray kein aufwendiges Laser-Erfassungssystem und kein kompliziertes optisches Erfassungssystem benötigt und da durch das Immobilisieren der Prüf-Nukleinsäure auf einem isolierenden Substrat, was sich von einem amperometrischen Erfassungssystem unterscheidet, das Oberflächenpotential im Gleichgewichtszustand gemessen wird, treten keine Probleme mit einer Korrosion des Substrats, einer Gasentwicklung und mit instabilen Signalwerten aufgrund von Störungen durch Oxidations-Reduktions-Substanzen auf, so daß eine ausgezeichnet stabile und hochgenaue Erfassung von Genen möglich ist.
  • Das potentiometrische DNS-Mikroarray umfaßt nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Anzahl von Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate, wobei auf der Oberfläche der Gate-Isolierung direkt oder über einen Träger einsträngige oder verzweigte Prüf-Nukleinsäuren immobilisiert sind, sowie Bezugselektroden.
  • Das potentiometrische DNS-Mikroarray umfaßt nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Substrat, auf dem eine Anzahl von Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate ausgebildet ist, wobei auf der Gate-Isolierung über den Kanalbereichen der einzelnen Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate direkt oder über einen Träger auf der Oberfläche des Substrats verschiedene Arten von einsträngigen und verzweigten Prüf-Nukleinsäuren immobilisiert sind.
  • Das potentiometrische DNS-Mikroarray umfaßt nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung einen ersten Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate, wobei auf der Oberfläche der Gate-Isolierung direkt oder über einen Träger eine Prüf-Nukleinsäure mit einer zu einem Abschnitt einer zu bestimmenden Target-Nukleinsäure komplementären Basensequenz immobilisiert ist, einen zweiten Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate, wobei auf der Oberfläche der Gate-Isolierung direkt oder über einen Träger eine Prüf-Nukleinsäure mit einer zu keinem Abschnitt einer zu bestimmenden Target-Nukleinsäure komplementären Basensequenz immobilisiert ist, und eine Schaltung zum Erfassen und Vergleichen der Ausgangssignale des ersten Feldeffekttransistors und des zweiten Feldeffekttransistors.
  • Das Verfahren zum Analysieren von Nukleinsäuren umfaßt nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung (a) das Aufbringen einer Probenlösung mit wenigstens einer Art Nukleinsäure auf das Substrat, das mit einer Anzahl von Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate versehen ist, bei denen auf der Oberfläche der Gate-Isolierungen direkt oder über einen Träger verschiedene Arten von einsträngigen oder verzweigten Prüf-Nukleinsäuren immobilisiert sind, und das Hybridisieren mit den einsträngigen oder verzweigten Prüf-Nukleinsäuren, (b) das Aufbringen einer Waschlösung auf das Substrat, um diejenigen Nukleinsäuren von der Oberfläche des Substrats zu entfernen, die nicht reagiert haben, (c) das Aufbringen einer Interkalatorlösung auf das Substrat, die mit den doppelsträngigen Nukleinsäuren reagieren, die sich gebildet haben, (d) das Aufbringen einer Waschlösung auf das Substrat, um denjenigen Interkalator von der Oberfläche des Substrats zu entfer nen, der nicht reagiert hat, und (e) das Aufbringen einer Pufferlösung auf das Substrat und das Messen der Ausgangssignale der Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate.
  • Wenn das Verfahren zum Analysieren von Nukleinsäuren zusätzlich zu den Schritten (a) bis (e) die Schritte (f) Dissoziieren der mit den einsträngigen oder verzweigten Prüf-Nukleinsäuren hybridisierten Nukleinsäuren durch Aufheizen des Substrats und (g) Aufbringen einer Waschlösung auf das Substrat zum Entfernen der von den einsträngigen oder verzweigten Prüf-Nukleinsäuren dissoziierten Nukleinsäuren und des Interkalators umfaßt und dann die Schritte (a) bis (e) wiederholt werden, kann eine Reihe von Messungen kontinuierlich durchgeführt werden.
  • Das Verfahren zum Analysieren von Nukleinsäuren umfaßt nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung (a) das Aufbringen einer Probenlösung, die Nukleinsäurefragmente enthält, die mit einem Molekül markiert sind, das geladene Teilchen aufnehmen kann, auf ein Substrat mit einer Anzahl von Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate, bei denen auf der Oberfläche der Gate-Isolierungen direkt oder über einen Träger verschiedene Arten von einsträngigen und verzweigten Prüf-Nukleinsäuren immobilisiert sind, und das Hybridisieren mit den einsträngigen oder verzweigten Prüf-Nukleinsäuren, (b) das Aufbringen einer Waschlösung auf das Substrat, um diejenigen Nukleinsäurefragmente von der Oberfläche des Substrats zu entfernen, die nicht reagiert haben, (c) das Aufbringen einer Lösung mit einem Ion auf das Substrat, um mit dem Markierungsmolekül auf dem Substrat einen Komplex zu bilden und um mit dem Markierungsmolekül auf den doppelsträngigen Nukleinsäuren reagieren, die sich gebildet haben, sowie um einen Komplex mit dem Ion dem Markierungsmolekül zu bilden, und (d) das Messen der Ausgangssignale der Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate.
  • Das Molekül, das geladene Teilchen aufnehmen kann, kann ein Molekül sein, das mit einem monovalenten oder bivalenten Kation oder Anion selektiv einen Komplex bildet, zum Beispiel Valinomycin, Nonactin, Monactin, Bis(Kronenether), ein Calixaren-Derivativ, ein nichtzyklisches Polyether-Derivativ, ein quaternäres Ammoniumsalz, Porphyrin oder ein Derivativ dieser Moleküle.
  • In diesem Fall werden verschiedene Arten von Molekülen verwendet, die geladene Teilchen aufnehmen können, um verschiedene Nukleinsäurefragmente zu markieren, und die geladenen Teilchen (Ionen), die den einzelnen Molekülen entsprechen, werden so auf das Substrat aufgebracht, daß gleichzeitig oder nacheinander verschiedene Arten von Genen oder genetischen Polymorphismen gemessen werden können.
  • Wenn das erfindungsgemäße Verfahren zum Analysieren von Nukleinsäuren zusätzlich zu den Schritten (a) bis (d) noch die Schritte (e) Aufheizen des Substrats zum Dissoziieren der mit den einsträngigen oder verzweigten Prüf-Nukleinsäuren hybridisierten Nukleinsäurefragmente und (g) Aufbringen einer Waschlösung auf das Substrat zum Entfernen der von den einsträngigen oder verzweigten Prüf-Nukleinsäuren dissoziierten Nukleinsäurefragmente umfaßt und dann die Schritte (a) bis (d) wiederholt werden, kann eine Reihe von Messungen kontinuierlich durchgeführt werden.
  • Der Prozeß zum Herstellen des potentiometrischen DNS-Mikroarrays umfaßt nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung das Ausbilden einer Siliziumschicht auf einer ersten Oberfläche des isolierenden Substrats; das Aufteilen der Siliziumschicht durch Musterbildung in eine Anzahl von Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche; das Ausbilden einer Anzahl von pn-Übergängen, die in den einzelnen Siliziumschicht-Ausbildungsbereichen als die Source- und Drain-Bereiche der Feldeffekttransistoren, als Heizelement und als Temperatursensor dienen; das Ausführen einer Verdrahtung für die Signale von den Source- und Drain-Bereichen, wobei der Bereich zwischen den Source- und Drain-Bereichen als Kanal dient; und das Immobilisieren von Prüf-Nukleinsäuren direkt oder über einen Träger an den Stellen, die den Kanälen der Feldeffekttransistoren entsprechen, auf einer zweiten Fläche, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf der auf dem isolierenden Substrat die Siliziumschicht ausgebildet ist.
  • Der Prozeß zum Herstellen des potentiometrischen DNS-Mikroarrays umfaßt nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung das Ausbilden einer Siliziumschicht auf einer Oberfläche des isolierenden Substrats; das Aufteilen der Siliziumschicht durch Musterbildung in eine Anzahl von Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche; das Ausbilden einer Anzahl von pn-Übergängen, die in den einzelnen Siliziumschicht-Ausbildungsbereichen als die Source- und Drain-Bereiche der Feldeffekttransistoren, als Heizelement und als Temperatursensor dienen; das Ausführen einer Verdrahtung für die Signale von den Source- und Drain-Bereichen, wobei der Bereich zwischen den Source- und Drain-Bereichen als Kanal dient; das Ausbilden einer isolierenden Schicht auf der Oberfläche, auf der die Verdrahtung ausgeführt wurde; und das Immobilisieren von Prüf-Nukleinsäuren direkt oder über einen Träger an den Stellen auf der Oberfläche der isolierenden Schicht, die den Kanälen der Feldeffekttransistoren entsprechen.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung eines Beispiels für die Erfassung von Genen mit einem Feldeffekttransistor nach der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ein Konstruktionsbeispiel für ein Meßsystem für die Erfassung von Genen mit Feldeffekttransistoren nach der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine Darstellung zur Erläuterung eines Meßsystems mit einem DNS-Mikroarray nach der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem Interkalator;
  • 4 eine Darstellung zur Erläuterung eines Meßsystems mit einem DNS-Mikroarray nach der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit einem Markierungsmolekül;
  • 5 die Darstellung eines Beispiels für einen Prozeß zur Herstellung eines FET-Chips vom Dünnfilm-Gate-Typ (DNS-Mikroarray) zur Erfassung von Genen bei der vorliegenden Erfindung;
  • 6 eine Aufsicht auf ein Beispiel eines erfindungsgemäßen DNS-Mikroarrays;
  • 7 die Darstellung eines Beispiels für eine Anordnung von FETs, eines Heizelements und eines Temperatursensors;
  • 8 eine perspektivische Ansicht der Rückseite eines erfindungsgemäßen DNS-Arrays;
  • 9 eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes DNS-Mikroarray mit Abstrahlrippen;
  • 10 eine perspektivische Ansicht der Rückseite eines erfindungsgemäßen DNS-Mikroarrays mit Abstrahlrippen;
  • 11 eine Schnittansicht eines Beispiels eines erfindungsgemäßen FET-Chips vom Dünnfilm-Gate-Typ zur Erfassung von Genen;
  • 12 eine Schnittansicht eines anderen Beispiels eines erfindungsgemäßen FET-Chips vom Dünnfilm-Gate-Typ zur Erfassung von Genen;
  • 13 eine Darstellung zur Erläuterung eines Beispiels für das Meßsystem mit einem FET-Chips vom Dünnfilm-Gate-Typ zur Erfassung von Genen bei der vorliegenden Erfindung;
  • 14 eine Darstellung zur Erläuterung einer Flußzelle mit einem erfindungsgemäßen FET-Chip zur Erfassung von Genen;
  • 15 eine auseinandergezogene Ansicht der Flußzelle der 14; und
  • 16 eine Darstellung zur Erläuterung des Ablaufs bei der Messung mit dem erfindungsgemäßen FET zur Erfassung von Genen.
  • BESTE ART DER ERFINDUNGSAUSFÜHRUNG
  • Die vorliegende Erfindung wird im folgenden mit Bezug zu den Zeichnungen näher erläutert. In den Darstellungen sind funktionell gleiche Abschnitte mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
  • Beispiel 1
  • Die 1 ist eine schematische Schnittansicht zur Erläuterung eines Beispiels für einen elektrischen Feldeffekttransistor (FET) für die erfindungsgemäße Erfassung von Genen.
  • Bei dem vorliegenden Aufbau befindet sich auf der Oberfläche der Gate-Isolierung 2 eines FET 1 mit isoliertem Gate eine immobilisierte Prüf-Nukleinsäure 3. Für die Prüf-Nukleinsäure wird ein Oligonukleotid, cDNS oder ein in der Mitte verzweigtes DNS-Fragment verwendet, das jeweils im allgemeinen aus 300 Nukleotiden oder weniger zusammengesetzt ist und das unter geeigneten Bedingen mit dem zu erfassenden Target-Gen hybridisiert. Im Fall eines Oligonukleotids wird vorzugsweise ein Nukleinsäurefragment mit einer Länge von 80 Basen oder weniger verwendet. Für die Gate-Isolierung wird ein Material wie Siliziumdioxid (SiO2), Siliziumnitrid (SiN), Aluminiumoxid (Al2O3) oder Tantaloxid (Ta2O5) allein oder in Kombination verwendet. Um die Eigenschaften des Transistors zu verbessern, wird im allgemeinen eine Zweilagenstruktur mit Siliziumnitrid (SiN), Aluminiumoxid (Al2O3) oder Tantaloxid (Ta2O5) auf Siliziumdioxid (SiO2) verwendet.
  • Um die Prüf-Nukleinsäure auf der Oberfläche des Isolators zu immobilisieren, wird eines der Enden der Prüf-Nukleinsäure chemisch so modifiziert, daß es eine Aminogruppe (NH2-Gruppe), eine Thiolgruppe (SH-Gruppe), Biotin oder dergleichen enthält. Wenn eine Prüf-Nukleinsäure verwendet wird, die chemisch so modifiziert ist, daß sie eine Aminogruppe enthält, wird die Oberfläche des Isolators mit einer Chemikalie wie Aminopropylethoxysilan oder Polylysin modifiziert, um eine Aminogruppe auf die Oberfläche der Isolierschicht aufzubringen. Diese Gruppe läßt man dann mit Glutaraldehyd oder Phenylendiisocyanat (PDC) reagieren, um die Prüf-Nukleinsäure, die chemisch so modifiziert ist, daß sie die Amonigruppe enthält, auf der Oberfläche des Isolators zu immobilisieren. Wenn eine Prüf-Nukleinsäure, die chemisch so modifiziert ist, daß sie eine Thiolgruppe enthält, auf der Oberfläche des Isolators immobilisiert wird, wird auf den Isolator eine dünne Goldschicht aufgebracht und die Prüf-Nukleinsäure durch Ausnutzen der Affinität zwischen der Thiolgruppe und Gold immobilisiert. Wenn eine Prüf-Nukleinsäure immobilisiert wird, die chemisch so modifiziert ist, daß sie Biotin enthält, wird auf die Oberfläche des Isolators Streptoavidin aufgebracht und die Prüf-Nukleinsäure durch Ausnutzen der Affinität zwischen dem Biotin und dem Streptoavidin auf der Oberfläche der Gate-Isolierung immobilisiert. Zum Zeitpunkt der Immobilisierung wird eine die Nukleinsäure enthaltende Lösung nur über dem FET-Kanal auf die Oberfläche der Gate-Isolierung aufgetropft oder aufgebracht, um die Prüf-Nukleinsäure nur auf der Gate-Isolierung des Kanalabschnitts zu immobilisieren.
  • Durch das Ausbilden eines festen Trägers auf der Oberfläche der Gate-Isolierung des FET kann die Prüf-Nukleinsäure auf indirekte Weise auf oder im festen Träger immobilisiert werden. Als Material für den festen Träger kann Agarose, Polyacrylamid, Polyhydroxyethlyl-Methacrylat (pHEMA) und dergleichen verwendet werden. Der feste Träger kann chemisch so modifiziert werden, daß er eine Aminogruppe oder Streptoavidin enthält, und wie oben kann die Prüf-Nukleinsäure dadurch immobilisiert werden, daß Glutaraldehyd oder PDC verwendet wird oder die Affinität zu Biotin auf dem festen Träger ausgenutzt wird. Auf diese Weise kann die Prüf-Nukleinsäure mittels des festen Trägers auch indirekt auf der Gate-Isolierung des FET ausgebildet werden.
  • Wenn zusammen mit dem zu erfassenden Target-Gen in einer Probe eine Anzahl von Genen vorhanden ist und wenn eine Prüf-Nukleinsäure mit einer Basensequenz, die zu dem Target-Gen komplementär ist, auf der Gate-Isolierung des FET zur Generfassung immobilisiert ist, hybridisieren das Target-Gen und die Prüf-Nukleinsäure unter den geeigneten Bedingungen miteinander und bilden einen Komplex aus dem Target-Gen und der Prüf-Nukleinsäure. Bei einem geeigneten pH-Wert der Pufferlösung für die Reaktion sind die Nukleinsäuren negativ geladen. Die Ausbildung eines Komplexes durch die Hybridisierung verursacht dann eine Änderung der elektrischen Ladungsdichte in der Umgebung der Gate-Isolierung des FET, wodurch sich das Oberflächenpotential der Gate-Isolierung ändert. Diese Änderung entspricht einer Änderung der Gatespannung des FET, mit der Folge eine Änderung der Leitfähigkeit des Kanals. Die Bildung des Komplexes, das heißt das Vorhandensein des Target-Gens, kann daher als eine Änderung des zwischen der Source 4 und dem Drain 5 fließenden Drainstromes erfaßt werden.
  • Beispiel 2
  • Die 2 ist ein Konstruktionsbeispiel zur Darstellung eines Gen-Testsystems mit dem Feldeffekttransistor zur Erfassung von Genen (Gen-FET) der 1.
  • Dieses Gen-Testsystem weist zusätzlich zu dem Gen-FET 1 der 1 einen Bezugs-FET 6 auf. Zwischen dem Gen-FET und dem Bezugs-FET erfolgt eine differentielle Messung. Die Prüf-Nukleinsäure 3 mit einer Basensequenz, die zu dem Target-Gen in einer Probe komplementär ist, ist auf der Oberfläche der Gate-Isolierung des Gen-FET 1 immobilisiert. Auf der Oberfläche des Gate-Isolators des Bezugs-FET 6 befindet sich eine immobilisierte Prüf-Nukleinsäure 7 mit einer Basensequenz, die nicht zu der Basensequenz des Target-Gens komplementär ist.
  • Mit einer differentiellen Messung können die Veränderungen der Ausgangssignale, die durch eine Hybridisierung des Target-Gens mit der Prüf-Nukleinsäure bewirkt werden, genau erfaßt werden, da Ausgangssignaländerungen durch Änderungen in der Umgebungstemperatur und durch Licht bei unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften der FETs oder durch Verschieben der Ausgangsspannungen aufgrund einer nichtspezifischen Adsorption von geladenen Teilchen in der Probe auf der Gate-Isolierung kompensiert werden. Da der Gen-FET und der Bezugs-FET die gleichen elektrischen Eigenschaften haben sollen, werden dazu zwei FETs verwendet, die auf dem gleichen Substrat integriert sind.
  • Um das Oberflächenpotential des Gen-FET und das des Bezugs-FET stabil messen zu können, wird eine Bezugselektrode 8 verwendet, die bei der Potentialmessung als Referenz dient. Eine herkömmliche Bezugselektrode ist eine Silber-Silberchloridelektrode oder eine Kalomelelektrode, die in eine interne Lösung eingetaucht ist, damit die Elektrode eine bestimmte Zusammensetzung und Konzentration aufweist. Die Elektrode ist so aufgebaut, daß die interne Lösung und eine Probenlösung miteinander über eine Flüssigkeitsverbindung in Kontakt kommen, die von einer Salzbrücke oder einem porösen Material gebildet wird. Das Oberflächenpotential des Gen-FET 1 und das des Bezugs-FET 6 werden mit ihren jeweiligen Ansteuerschaltungen 9 gemessen. Beide Ausgangssignale werden über die Differentialmeßschaltung 10 in eine Signalverarbeitungsschaltung 11 eingegeben. Wenn eine Anzahl von Gen-FETs integriert ist, um gleichzeitig eine Anzahl von Genen zu messen, kann ein gemeinsamer Bezugs-FET verwendet werden, um die differentiellen Messungen zwischen den verschiedenen Gen-FETs und dem gemeinsamen Bezugs-FET durchzuführen.
  • Beispiel 3
  • Die 3 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Meßsystems des erfindungsgemäßen DNS-Mikroarrays in Verbindung mit einem Interkalator. Bei dem gezeigten Beispiel eines DNS-Mikroarrays sind drei Gen-FETs 12 bis 14 integriert. Der erste FET 12 wird als Gen-FET zum Erfassen eines ersten Target-Gens verwendet, der zweite FET 13 wird als Gen-FET zum Erfassen eines zweiten Target-Gens verwendet und der dritte FET 14 als Bezugs-FET. Auf den Gate-Isolierungen des ersten und des zweiten FETs befinden sich immobilisierte Prüf-Nukleinsäuren mit Basensequenzen, die zum ersten bzw. zweiten Gen komplementär sind. Auf der Oberfläche der Gate-Isolierung des Bezugs-FET befindet sich eine immobilisierte Prüf-Nukleinsäure mit einer Basensequenz, die nicht zu den ersten und zweiten Genen komplementär ist.
  • Die 3 zeigt den Zustand, in dem eine Probenlösung, die nur das erste Gen enthält, auf das integrierte DNS-Mikroarray aufgebracht und mit dem Target-Gen hybridisiert wird, gefolgt von einer Reaktion mit einem Interkalator. Das erste Gen hybridisiert nur mit der Prüf-Nukleinsäure auf dem ersten FET 12, um einen Doppelstrang auszubilden. Der Interkalator 15 reagiert nur mit einer doppelsträngigen Nukleinsäure und nicht mit einsträngigen Nukleinsäuren. Da der Interkalator 15 elektrisch geladen ist, ändert sich die elektrische Oberflächenladungsdichte des ersten Gen-FET 12, die eine Änderung im Ausgangssignal des FET bewirkt. Da sich die elektrische Oberflächenladungsdichte des zweiten Gen-FET 13 und des Bezugs-FET 14 nicht ändert, ändern sich auch deren Ausgangssignale nicht. Eine differentielle Messung zwischen dem ersten Gen-FET 12 und dem Bezugs-FET 14 und eine differentielle Messung zwischen dem zweiten Gen-FET 13 und dem Bezugs-FET 14 ergibt daher nur eine Änderung im Ausgangssignal des ersten, wodurch das erste Target-Gen erfaßt wird. Alternativ führt eine Messung des Ausgangssignalverhältnisses zwischen dem ersten Gen-FET 12 und dem Bezugs-FET 14 und eine Messung des Ausgangssignalverhältnisses zwischen dem zweiten Gen-FET 13 und dem Bezugs-FET 14 zu einer Erfassung des Target-Gens aufgrund der Änderung im Ausgangssignalverhältnis des ersteren. Ein Vergleich der Ausgangssignale einer Anzahl von FETs ermöglicht daher die Erfassung von Target-Genen. Der Interkalator kann Ethidiumbromid, Hoechst 33258 und dergleichen sein.
  • Im folgenden wird ein spezielles Beispiel erläutert. Es ist bekannt, daß es in mit Alkohol-Dehydrogenase in Verbindung stehenden Genen einen einfachen Nukleotid-Polymorphismus (SNP) gibt. Es werden eine erste und eine zweite Prüf-Nukleinsäure mit jeweils einer Länge von 17 Basen synthetisiert, wobei die Base an der SNP-Position zwischen 8 gemeinsamen Basen liegt. Die Basensequenzen dieser Proben sind wie folgt:
    Erste Prüf-Nukleinsäure: 5'-CATACACTAAAGTGAAA-3'
    Zweite Prüf-Nukleinsäure: 5'-CATACACTGAAGTGAAA-3'
  • Die neunte Stelle vom 5'-Ende ist die Stelle des SNP. In der ersten Prüf-Nukleinsäure befindet sich an der SNP-Stelle die Base A, während sich bei der zweiten Prüf-Nukleinsäure an dieser Stelle die Basis G befindet. Die erste und die zweite Prüf-Nukleinsäure werden auf dem ersten bzw. dem zweiten Gate der FETs immobilisiert. Eine Prüf-Nukleinsäure, deren Basensequenz sich von der der ersten und der zweiten Prüf-Nukleinsäure unterscheidet, zum Beispiel eine Prüf-Nukleinsäure mit 17 Basen, die nur aus A bestehen, wird auf das Gate des Bezugs-FET aufgebracht. Alternativ kann auch keine Prüf-Nukleinsäure auf das Gate des Bezugs-FET aufgebracht werden. Die 5'-Enden der obigen Prüf-Nukleinsäuren sind so modifiziert, daß sie jeweils Aminogruppen enthalten. Die Gate-Isolierschicht der FETs besteht bei dem vorliegenden Beispiel aus Siliziumnitrid, und die Oberfläche des Siliziumnitrids wurde mittels γ-Aminopropyltriethoxysilan modifiziert, um eine Aminogruppe einzubringen. Die Aminogruppe der Prüf-Nukleinsäure und die des Siliziumnitrids reagieren mit einem bifunktionalen Reagens wie Glutaraldehyd, so daß die Prüf-Nukleinsäure durch die Ausbildung einer Schiff-Basenbindung auf der Oberfläche des Siliziumnitrids immobilisiert wird.
  • Aus den weißen Blutkörperchen des Blutes wurde das menschliche Genom extrahiert. Ein Bereich mit einer Länge von 100 Basen, der die SNP-Stelle enthielt, wurde verstärkt, um als die zu untersuchende Probe zu dienen. Die Probe wurde auf den ersten und den zweiten Gen-FET sowie auf den Bezugs-FET aufgebracht, gefolgt von einer Hybridisierung für 8 Stunden bei 45 Grad C. Nach der Hybridisierung wurden die FETs mit einer Pufferlösung gewaschen, um die Teile der Probe zu entfernen, die nicht reagiert hatten, woraufhin Ethidiumbromid als Interkalator aufgebracht wurde. Es erfolgte eine erste Messung durch Aufbringen der Pufferlösung auf den ersten und den zweiten Gen-FET sowie den Bezugs-FET, wobei die Ausgangsspannung jedes dieser FETs, das differentielle Ausgangssignal zwischen dem ersten Gen-FET und dem Bezugs-FET sowie das differentielle Ausgangssignal zwischen dem zweiten Gen-FET und dem Bezugs-FET gemessen wurden. Nach diesen Messungen wurde die Probe wieder aufgebracht, hybridisiert und abgewaschen, gefolgt von einem Aufbringen des Interkalators, woraufhin die Ausgangsspannungen der einzelnen FETs, das differentielle Ausgangssignal zwischen dem ersten Gen-FET und dem Bezugs-FET und das differentielle Ausgangssignal zwischen dem zweiten Gen-FET und dem Bezugs-FET gemessen wurden. Es wurden die Änderungen in der Ausgangsspannung vor und nach dem Aufbringen der Probe und des Interkalators gemessen.
  • Bei einer Probe mit einer Basensequenz, die der ersten Prüf-Nukleinsäure entsprach (Normal), betrug das differentielle Ausgangssignal zwischen dem ersten Gen-FET und dem Bezugs-FET 5,0 mV. Das differentielle Ausgangssignal zwischen dem zweiten Gen-FET und dem Bezugs-FET betrug dabei 0,5 mV, ein signifikanter Unterschied. Es ist am besten, wenn gleichzeitig eine Reihe von Messungen durchgeführt wird. Aufeinanderfolgende Messungen sind auch möglich, wenn sie in der gleichen Testzeitperiode erfolgen. Bei einer anderen Probe mit einer Basensequenz, die der zweiten Prüf-Nukleinsäure entsprach (Mutant), betrug das differentielle Ausgangssignal zwischen dem ersten Gen-FET und dem Bezugs-FET 0,3 mV. Das differentielle Ausgangssignal zwischen dem zweiten Fen-FET und dem Bezugs-FET betrug dabei 4,0 mV, wiederum ein signifikanter Unterschied. In einer weiteren Probe, deren Basensequenz halb und halb der ersten und der zweiten Prüf-Nukleinsäure entsprach (Hetero), betrug das differentielle Ausgangssignal zwischen dem ersten Gen-FET und dem Bezugs-FET 2,3 mV, während das differentielle Ausgangssignal zwischen dem zweiten Gen-FET und dem Bezugs-FET 2,0 mV betrug und damit etwa ein Verhältnis von eins zu eins zwischen Normal und Mutant zeigte. Die SNP-Analyse der vorliegenden Erfindung ermöglicht damit die Unterscheidung der drei Proben arten Normal/Normal vom Homo-Typ, Mutant/Mutant vom Homo-Typ und Normal/Mutant vom Hetero-Typ. Wenn ein Interkalator verwendet wird, ist es nicht erforderlich, die DNS-Probe durch chemisches Verbinden mit einer Markierungsverbindung zu markieren.
  • Wenn die Erfassung wie in der 2 gezeigt nur mit der in der Target-DNS vorhandenen Ladung allein und ohne Verwendung eines Interkalators erfolgte, betrug das differentielle Ausgangssignal zwischen dem Gen-FET und dem Bezugs-FET bei der Messung der Normal/Normal-Probe oder der Mutant/Mutant-Probe vom Homo-Typ 2,2 mV. Der Interkalator erhöhte damit die Empfindlichkeit um das doppelte.
  • Beispiel 4
  • Die 4 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Meßsystems des erfindungsgemäßen DNS-Mikroarrays in Verbindung mit einem Markierungsmolekül. Bei dem gezeigten Beispiel eines DNS-Mikroarrays sind drei Gen-FETs 12 bis 14 integriert. Der erste FET 12 wird als Gen-FET zum Erfassen eines ersten Target-Gens verwendet, der zweite FET 13 wird als Gen-FET zum Erfassen eines zweiten Target-Gens verwendet und der dritte FET 14 als Bezugs-FET. Auf den Gate-Isolierungen des ersten und des zweiten FETs befinden sich immobilisierte Prüf-Nukleinsäuren mit Basensequenzen, die zum ersten bzw. zweiten Gen komplementär sind. Auf der Oberfläche der Gate-Isolierung des Bezugs-FET befindet sich eine immobilisierte Prüf-Nukleinsäure mit einer Basensequenz, die nicht zu den Basensequenzen des ersten und zweiten Gens komplementär ist.
  • Die 4 zeigt den Zustand, in dem eine Probenlösung, die nur das erste Gen enthält, auf das integrierte DNS-Mikroarray aufgebracht und mit dem Target-Gen hybridisiert wird. Das erste Gen hybridisiert nur mit der Prüf-Nukleinsäure auf dem ersten FET, um einen Doppelstrang auszubilden. Das erste Gen ist mit einem Molekül 16 markiert, das mit einem geladenen Molekül oder einem Ion einen Komplex bildet. Aufgrund der spezifischen Hybridisierung ändert sich die elektrische Ladungsdichte auf der Oberfläche der Gate-Isolierung. Da sich die elektrische Oberflächenladungsdichte des zweiten Gen-FET und die des Bezugs-FET nicht ändert, ändern sich auch deren Ausgangssignale nicht. Eine differentielle Messung zwischen dem ersten Gen-FET und dem Bezugs-FET und zwischen dem zweiten Gen-FET und dem Bezugs-FET führt daher durch die Änderung nur des Ausgangssignals des ersteren zu einer Erfassung des ersten Target-Gens.
  • Das Molekül (der Ligand) zur Bildung eines Komplexes mit dem Ion kann Valinomycin, Nonactin, Monactin, Bis(Kronenether), ein Calixaren-Derivativ, ein nichtzyklisches Polyether-Derivativ, ein quaternäres Ammoniumsalz und dergleichen sein. Wenn das Target-Gen zum Beispiel mit Bis(12-Krone-4) markiert wird, kann die Eigenschaft des Bis(12-Krone-4) ausgenutzt werden, mit Natriumionen selektiv einen Komplex auszubilden. Das heißt, daß das markierte Target-Gen mit der Prüf-Nukleinsäure auf der Gate-Isolierung hybridisiert wird und dann eine Pufferlösung mit Natriumionen auf das DNS-Mikroarray aufgebracht wird, um eine selektive Komplexbildung zwischen dem Bis(12-Krone-4) und den Natriumionen herbeizuführen, die eine lokale Änderung in der elektri schen Ladungsdichte auf der Oberfläche der Gate-Isolierung bewirkt. Diese Änderung wird mit dem FET erfaßt.
  • Das vorliegende Beispiel betraf die SNP-Analyse, die im folgenden erläutert wird. Unter Verwendung des Alkohol-Dehydrogenase-Gens des Beispiels 3 wurden die beiden unten dargestellten Prüf-Nukleinsäuren auf der Gate-Isolierung des ersten bzw. des zweiten Gen-FETs immobilisiert.
    Erste Prüf-Nukleinsäure (Normal): 5'-CATACACTAAAGTGAAA-3'
    Zweite Prüf-Nukleinsäure (Mutant): 5'-CATACACTGAAGTGAAA-3'
  • Eine Prüf-Nukleinsäure, deren Sequenz sich von der der ersten und der zweiten Prüf-Nukleinsäure unterscheidet, zum Beispiel eine Prüf-Nukleinsäure mit einer Länge von 17 Basen, die nur aus A bestehen, wird auf das Gate des Bezugs-FET aufgebracht. Aus den weißen Blutkörperchen des Blutes wurde eine DNS-Probe extrahiert und ein Bereich mit einer Länge von 100 Basen, der die SNP-Stelle enthielt, wurde verstärkt. Die normale DNS und die Mutant-DNS wurden mit Bis(Kronenether) bzw. Valinomycin markiert.
  • Die Probe mit der normalen DNS wurde auf den ersten und den zweiten Gen-FET und den Bezugs-FET aufgebracht, gefolgt von einer Hybridisierung für 8 Stunden bei 45 Grad C. Nach der Hybridisierung wurden die FETs mit einer Pufferlösung gewaschen, um die Teile der Probe zu entfernen, die nicht reagiert hatten, und es wurde eine wässrige Lösung mit 50 mM NaCl aufgebracht, gefolgt von den Messungen der Ausgangspannung am ersten und zweiten Gen-FET und am Bezugs-FET, dem differentiellen Ausgangssignal zwischen dem ersten Gen-FET und dem Bezugs-FET und zwischen dem zweiten Gen-FET und dem Bezugs-FET. Das differentielle Ausgangssignal zwischen dem ersten Gen-FET und dem Bezugs-FET betrug 4,0 mV, während das differentielle Ausgangssignal zwischen dem zweiten Gen-FET und dem Bezugs-FET 0,2 mV betrug. Nach diesen Messungen wurde eine wässrige Lösung von 50 mM KCL aufgebracht, und es wurden wieder die Ausgangssignale gemessen, wobei das differentielle Ausgangssignal zwischen dem ersten Gen-FET und dem Bezugs-FET nun 0,1 mV betrug und das differentielle Ausgangssignal zwischen dem zweiten Gen-FET und dem Bezugs-FET 0,3 mV. Es hat sich damit bestätigt, daß die normale DNS in der Probe nur mit der ersten Prüf-Nukleinsäure hybridisierte und nur der erste Gen-FET selektiv darauf reagierte.
  • Auf eine ähnliche Weise wurde eine Probe mit der Mutant-DNS gemessen. Wenn eine Lösung mit 50 mM NaCl aufgebracht wurde, betrug das differentielle Ausgangssignal zwischen dem ersten Gen-FET und dem Bezugs-FET 0,1 mV, während das differentielle Ausgangssignal zwischen dem zweiten Gen-FET und dem Bezugs-FET 0,2 mV betrug. Nach dem Aufbringen einer Lösung mit 50 mM KCl betrug das differentielle Ausgangssignal zwischen dem ersten Gen-FET und dem Bezugs-FET 0,1 mV, während das differentielle Ausgangssignal zwischen dem zweiten Gen-FET und dem Bezugs-FET 5,0 mV betrug. Es hat sich damit bestätigt, daß die Mutant-DNS in der Probe nur mit der zweiten Prüf-Nukleinsäure hybridisierte und nur der zweite Gen-FET selektiv darauf reagierte. Bei einer anderen Probe, die halb und halb normale und Mutant-DNS (Hetero) enthielt, betrug nach dem Aufbringen einer wässrigen Lösung von 50 mM NaCl das differentielle Ausgangssignal zwischen dem ersten Gen-FET und dem Bezugs-FET 2,3 mV, während das differentielle Ausgangssignal zwischen dem zweiten Gen-FET und dem Bezugs-FET 0,1 mV betrug. Nach dem Aufbringen einer Lösung mit 50 mM KCl betrug das differentielle Ausgangssignal zwischen dem ersten Gen-FET und dem Bezugs-FET 0,1 mV, während das differentielle Ausgangssignal zwischen dem zweiten Gen-FET und dem Bezugs-FET 2,5 mV betrug. Das Verhältnis zwischen Normal und Mutant lag damit bei etwa eins zu eins.
  • Die SNP-Analyse der vorliegenden Erfindung ermöglicht somit die Unterscheidung der drei Probenarten Normal/Normal vom Homo-Typ, Mutant/Mutant vom Homo Typ und Normal/Mutant vom Hetero-Typ. Bei dem vorliegenden Beispiel umfassen die Prozesse der SNP-Analyse zwei selektive Prozesse von chemischen Reaktionen, der Hybridisierung und der Ion-Ligand-Komplexbildung. Die SNP-Analyse kann daher mit hoher Genauigkeit erfolgen.
  • Neben der SNP-Analyse ist es auch möglich, durch Immobilisieren vieler Arten von Prüf-Nukleinsäuren auf den Gates von FETs eine Expressionsanalyse auszuführen und eine Target-Probe und die Bezugsprobe mit Valinomycin bzw. Bis(Kronenether) zu markieren.
  • Beispiel 5
  • Die 5 zeigt ein Beispiel des Prozesses zur Herstellung des DNS-Mikroarrays mit Feldeffekttransistoren vom Dünnfilm-Gate-Typ zur Erfassung von Genen nach der vorliegenden Erfindung. Zuerst wird wie in der 5(a) gezeigt durch eine chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung auf einem Glassubstrat 17 ein dünne Polysiliziumschicht 19 vom p-Typ ausgebildet. Die Dicke der dünnen Polysiliziumschicht liegt vorzugsweise im Bereich von 10 bis 10.000 nm, sie betrug im vorliegenden Beispiel 1000 nm. Dann erfolgen wie in 5(b) gezeigt das Ausbilden von Mustern und eine Oxidation der Polysiliziumschicht. Das Ausbilden von Mustern erfolgt in einem photolithographischen Prozeß durch Aufbringen eines Fotolacks, Bestrahlung durch eine Photomaske, Entwickeln des Fotolacks und Trockenätzen oder Naßätzen mit einer Mischlösung aus Flußsäure und Salpetersäure, um in der Siliziumschicht Ausbildungsbereiche 19 auszubilden. Die Siliziumschicht wird dann thermisch bei 900 Grad C in einer Sauerstoffatmosphäre oxidiert, um auf der Oberfläche der dünnen Polysiliziumschicht 19 eine Siliziumdioxidschicht 44 auszubilden.
  • Dann erfolgen wie in der 5(c) gezeigt ein Ätzen der Oxidschicht und ein Ausbilden von Dotierbereichen. Die Siliziumdioxidschicht wird auf den Dotierbereichen mit einem photolithographischen Prozeß durch Aufbringen eines Fotolacks, Bestrahlung durch eine Photomaske, Entwickeln des Fotolacks und nachfolgendes Trockenätzen oder Naßätzen mit einer Mischlösung aus Flußsäure und Ammoniumfluorid entfernt. Durch Implantieren von As+- oder P+-Ionen werden in der dünnen p-Typ-Polysiliziumschicht 19 n-Typ- Bereiche ausgebildet, um pn-Übergänge 20 zu erzeugen. Dann wird die Siliziumschicht in den Dotierbereichen bei 900 Grad C in einer Sauerstoffatmosphäre thermisch oxidiert, um dort auf der Oberfläche eine Siliziumdioxidschicht 44 auszubilden.
  • Nun werden wie in der 5(d) gezeigt metallische Leiterbahnen für Elektroden aufgebracht. Dazu wird die Siliziumdioxidschicht in einem photolithographischen Prozeß durch Aufbringen eines Fotolacks, Bestrahlung durch eine Photomaske, Entwickeln des Fotolacks und nachfolgendes Trockenätzen oder Naßätzen mit einer Mischlösung aus Flußsäure und Ammoniumfluorid entfernt, um Elektroden-Kontaktlöcher zu erhalten. Mittels Aufdampfen wird eine dünne Aluminiumschicht aufgebracht. In einem photolithographischen Prozeß mit Aufbringen eines Fotolacks, Bestrahlen durch eine Photomaske, Entwickeln des Fotolacks und nachfolgendem Naßätzen mit Phosphorsäure wird durch die Ausbildung von Mustern eine Aluminiumverdrahtung 25 ausgebildet, die einen Kontakt mit der externen Schaltung ermöglicht. Nach dem Ausheizen in einer Wasserstoffatmosphäre werden die Source- und Drain-Bereiche 21 der FETs, ein Heizelement 22 und ein Temperatursensor 23 ausgebildet. Der Bereich zwischen den Source- und Drain-Bereichen dient als Kanal 24 der FETs.
  • Schließlich werden wie in der 5(e) gezeigt DNS-Proben immobilisiert. Die Prüf-Nukleinsäuren 3 werden an den Stellen der zweiten Oberfläche 26 (der der Oberfläche mit der ausgebildeten Siliziumschicht gegenüberliegenden Oberfläche) des Glassubstrats 17 immobilisiert, die den Kanälen der FETs entsprechen, um Gen-FETs zu erhalten. Um bei den Messungen eine hohe Genauigkeit zu erreichen, werden vorzugsweise wenigstens die Gen-FETs, der Bezugs-FET, das Heizelement und der Temperatursensor im gleichen Siliziumschicht-Ausbildungsbereich 19 integriert.
  • Auf der Oberfläche des isolierenden Glassubstrats 17 werden auf die Flächen, auf denen die Prüf-Nukleinsäuren 3 ausgebildet sind, Lösungen aufgebracht. Die Lösungen können daher mit den Verdrahtungen und den Signalleitungen für elektronische Vorrichtungen wie Transistoren in Kontakt kommen und Kurzschlüsse hervorrufen, mit der Folge einer Fehlfunktion. Bei der vorliegenden Erfindung ist die Verdrahtung 25 auf der Oberfläche ausgebildet, die der Oberfläche gegenüberliegt, mit der die Lösungen in Kontakt kommen und auf denen sich die Prüf-Nukleinsäuren 3 befinden, und es ist vorgesehen, die Signalleitungen auf dieser gegenüberliegenden Oberfläche anzuschließen. Es gibt daher kein Problem mit Fehlfunktionen durch Kontakt mit einer Lösung, und es wird ein Meßsystem erhalten, das eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
  • Die 6 ist eine Aufsicht auf ein Beispiel eines DNS-Mikroarrays, das auf diese Weise hergestellt wurde. Bei dem Mikroarray dieses Beispiels sind auf dem isolierenden Substrat 17 144 einzelne Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche 19 ausgebildet. Die Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche 19 haben jeweils eine Größe von 500 μm im Quadrat. In der 7 ist eine vergrößerte Ansicht der Rückseite eines Siliziumschicht-Ausbildungsbereichs 19 dargestellt. In jedem der Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche 19 wurde eine Anzahl von pn-Übergängen 20 ausgebildet. Wenn die Siliziumschicht vom p-Typ ist, wer den n-Typ-Dotierbereiche ausgebildet, und wenn die Siliziumschicht vom n-Typ ist, werden p-Typ-Dotierbereiche ausgebildet. Diese Dotierbereiche ergeben die Source- und Drain-Bereiche 21 der FETs, das Heizelement 22 und den Temperatursensor 23. Jeder Dotierbereich ist über die elektrische Verdrahtung 25 mit der externen Ansteuerschaltung verbunden.
  • Bei dem vorliegenden Beispiel sind wie in der 7 gezeigt in den Siliziumschicht-Ausbildungsbereichen 19 jeweils zwei FETs ausgebildet, wobei der eine FET der Gen-FET ist und der andere FET der Bezugs-FET. Die Steuerung des Heizelements 22 mit dem Ausgangssignal des Temperatursensors 23 ermöglicht die Einstellung der Temperatur der einzelnen Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche 19 auf den gewünschten Wert. Entsprechend sind Prüf-Nukleinsäuren mit vergleichbaren Schmelztemperaturen (Tms) an den Gen-FETs des gleichen Siliziumschicht-Ausbildungsbereichs 19 immobilisiert, während Prüf-Nukleinsäuren mit verschiedenen Tms in verschiedenen Siliziumschicht-Ausbildungsbereichen 19 immobilisiert sind, so daß sich eine Generfassung mit hoher Genauigkeit ergibt. Bei Änderungen in der Temperatur ändern sich zwar auch die Eigenschaften der FETs, die differentielle Messung zwischen dem Gen-FET und dem Bezugs-FET ermöglicht jedoch die Kompensation von Änderungen im Ausgangssignal der einzelnen FETs aufgrund von Temperaturänderungen.
  • In der 8 ist eine perspektivische Ansicht der Rückseite des DNS-Arrays der 6 gezeigt. Die elektrischen Anschlüsse 25 sind auf der Rückseite ausgebildet, während die Prüf-Nukleinsäuren auf der anderen Seite immobilisiert sind.
  • Beispiel 6
  • Anhand der 9 und 10 wird ein weiteres Beispiel der vorliegenden Erfindung erläutert. Die 9 ist eine Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes DNS-Mikroarray mit Abstrahlrippen und die 10 eine perspektivische Ansicht der Rückseite des DNS-Mikroarrays.
  • Auf die gleiche Weise wie in der 5 wird auf der ersten Oberfläche 18 des isolierenden Substrats 17 eine Siliziumschicht ausgebildet, und die nicht benötigten Bereiche der Siliziumschicht werden durch Photolithographie und Ätzen entfernt, so daß eine Anzahl von getrennten Siliziumschicht-Ausbildungsbereichen 19 entsteht. Die Dicke der Siliziumschicht liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 10 μm, sie betrug bei dem vorliegenden Beispiel ein μm. Wie im Beispiel 5 sind in jedem der Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche 19 der Gen-FET, der Bezugs-FET, ein Heizelement und ein Temperatursensor ausgebildet.
  • Bei dem vorliegenden Beispiel sind in einem Gittermuster derart Abstrahlrippen 27 auf der Siliziumschicht ausgebildet, daß sie jeden der Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche 19 umgeben. Der Zweck davon ist, die Hybridisierung und das Waschen jeweils entsprechend der Tms der auf dem Gen-FET befindlichen Prüf-Nukleinsäure bei der optimalen Temperatur für die Reaktion auszuführen und die Genauigkeit der Temperatursteuerung für jeden der Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche 19 zu erhöhen. Die Abstrahlrippen 27 weisen eine gute thermische Leitfähigkeit auf, da sie aus einer Siliziumschicht bestehen, sie können die in den benachbarten Siliziumschicht-Ausbildungsbereichen 19 erzeugte Wärme wirkungsvoll abstrahlen und so die Auswirkungen auf die benachbarten Siliziumschicht-Ausbildungsbereichen 19 verringern, so daß die Temperatur der einzelnen Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche 19 unabhängig gesteuert werden kann. Bei dem vorliegenden Beispiel beträgt die Größe der Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche 19 jeweils 1 Quadratmillimeter, der Abstand zwischen dem Siliziumschicht-Ausbildungsbereich 19 und der Abstrahlrippe 27 ist 0,5 mm und die Breite jeder Abstrahlrippe auch 0,5 mm. Mit diesem Aufbau kann die Temperatur der einzelnen Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche 19 von der Raumtemperatur bis 95 Grad C mit einer Genauigkeit von einem Grad C kontrolliert werden.
  • Die 10 ist eine perspektivische Ansicht der Rückseite des obigen Chips. Da die Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche und die Abstrahlrippen durch Naßätzen ausgebildet werden, sind ihre Querschnitte dreieckig bzw. trapezförmig. Rechteckige Querschnittformen für die Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche und die Abstrahlrippen ergeben sich zum Beispiel bei einem reaktiven Ionenätzen.
  • Beispiel 7
  • Die 11 ist eine Schnittansicht eines Beispiels eines Gen-FET-Chips vom Dünnfilm-Gate-Typ bei der vorliegenden Erfindung.
  • Der Dünnfilm-Gate-Gen-FET-Chip des vorliegenden Beispiels hat einen Aufbau, bei dem das Glassubstrat in den Gate-Bereichen der Gen-FETs und der Bezugs-FETs in dem DNS-Mikroarray des Beispiels 5 dünner ist. Die Dicke des Glassubstrats liegt in den Dünnfilm-Gatebereichen 28 vorzugsweise im Bereich von 0,01 bis 1 μm, sie betrug bei dem vorliegenden Beispiel 0,1 μm. Durch diesen Aufbau steigt der Durchgriff der FETs an, und Änderungen der elektrischen Ladung an den Gates werden mit hoher Empfindlichkeit erfaßt. Statt nur den Gate-Bereich der FETs dünner auszubilden, ist es auch möglich, das ganze Glassubstrat im Siliziumschicht-Ausbildungsbereich dünner auszugestalten, wobei die dadurch entstehende Vertiefung als Reaktionszelle verwendet werden kann.
  • Beispiel 8
  • Die 12 ist eine Schnittansicht eines weiteren Beispiels eines Gen-FET-Chips vom Dünnfilm-Gate-Typ bei der vorliegenden Erfindung.
  • Die Beispiele 5, 6 und 7 sind so aufgebaut, daß die Prüf-Nukleinsäuren 3 auf der Glasfläche aufgebracht werden, die den Siliziumschicht-Ausbildungsbereichen 19 gegenüberliegt. Bei dem vorliegenden Beispiel befinden sich dagegen die immobilisierten Prüf-Nukleinsäuren 3 auf einer zweiten Isolierschicht 29, die auf einer oxidierten Siliziumschicht ausgebildet wird, d.h. auf der isolierenden Schicht 2, die auf den Siliziumschicht-Ausbildungsbereichen 19 ausgebildet ist. Das Material für die zweite Isolierschicht 29 kann Siliziumnitrid, Aluminiumoxid oder Tantaloxid sein. Bei diesem Beispiel läßt sich die Dicke der isolierenden Gate-Schicht der FETs genau steuern, so daß die Erfassung von Änderungen in der elektrischen Ladung auf einem Gate durch Erhöhen des Durchgriffs der FETs mit hoher Empfindlichkeit erfolgen kann.
  • Beispiel 9
  • Die 13 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines Beispiels für ein Meßsystem mit dem Gen-FET-Chip vom Dünnfilm-Gate-Typ bei der vorliegenden Erfindung.
  • Der DNS-Mikroarraychip mit wenigstens dem Gen-FET und dem Bezugs-FET ist in einer Flußzelle 30 angeordnet, die mit einem Flußkanal 31 verbunden ist. Über ein Ventil 34 fließen eine Hybridisierungslösung 32 und eine Waschlösung 33 in den Flußkanal 31. Diese Lösungen können durch Betreiben einer Pumpe 35 in die Flußzelle 30 eingeführt werden. Mit einem Dispenser 36 werden eine Probe und ein Interkalator an das Ventil 34 abgegeben und dann in die Flußzelle 30 eingeführt, um mit dem Gen-FET und dem Bezugs-FET zu reagieren. Nach der Reaktion wird die verbrauchte Lösung von der Pumpe 35 in einen Flasche 37 für flüssigen Abfall befördert. Die Ausgangssignale des Gen-FET und des Bezugs-FET nach der Reaktion werden in einer Signalverarbeitungsschaltung 38 verarbeitet.
  • In der 14 ist der Aufbau der Flußzelle 30 gezeigt. Auf einer gedruckten Leiterplatte 39 ist in der Flußzelle 30 ein Gen-FET-Chip 40 angeordnet, der über Leitungen 41 mit der gedruckten Leiterplatte 39 verbunden ist. Auf der gedruckten Leiterplatte 39 sind Anschlußstifte 42 angeordnet, die mit der Signalverarbeitungsschaltung 38 verbunden sind. Durch den Flußkanal 31 wird eine Probenlösung 43 zu dem Gen-FET-Chip 40 gebracht. Damit die Probenlösung 43 nicht mit den Leitungen 41 in Kontakt kommt, die als Signalleitungen dienen, wird der Leitungsabschnitt durch eine Schutzkappe 44 geschützt. Als Material für die Schutzkappe 44 kommt Acryl, Polypropylen, Polycarbonat und dergleichen in Betracht.
  • Die 15 ist eine auseinandergezogene Ansicht der Flußzelle 30. Der Hauptkörper der Flußzelle 30 ist mit einem Loch von einem Millimeter Durchmesser versehen, das als Flußkanal 31 dient, durch den eine Probe und ein Reagens zu der Oberfläche des Gen-FET-Chips (DNS-Mikroarrays) 40 geleitet werden. Der Einlaß- und der Auslaßabschnitt des Flußkanals 31 sind jeweils mit einem Innengewinde 45 versehen, in das eine Schraube 47 mit einem durchgeführten Rohr 46 geschraubt wird, um einen Anschluß an den externen Flußweg herzustellen. Die Oberfläche des Endabschnitts des Rohrs 46 ist abgeflacht, und wenn die Schraube eingeschraubt wird, dient der flache Abschnitt als Abdichtung 48, die ein Austreten von Flüssigkeit verhindert.
  • Bei dem Meßsystem mit dem Gen-FET und dem vorliegenden Aufbau wird ein Flußsystem für die Messung verwendet, so daß eine Anzahl von Proben fortlaufend und automatisch behandelt werden kann, was für einen hohen Durchsatz von Vorteil ist. Wenn der im Beispiel 3 beschriebene Interkalator verwendet wird, umfaßt die Messung die folgenden Schritte:
    • (1) Einführen einer Waschlösung in die Flußzelle.
    • (2) Einführen einer Hybridisierungslösung in die Flußzelle (Ersetzen der Waschlösung).
    • (3) Einstellen der Temperatur der einzelnen Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche auf die optimale Temperatur für die Prüf-Nukleinsäure.
    • (4) Messung der Ausgangssignale des Gen-FET und des Bezugs-FET und Berechnen der Differenz.
    • (5) Abgabe einer Probe an das Ventil mit nachfolgendem Einführen in die Flußzelle mit der Hybridisierungslösung.
    • (6) Hybridisierung in der Flußzelle.
    • (7) Einführen einer Pufferlösung in die Flußzelle, um die Teile der Probe zu entfernen, die nicht reagiert haben.
    • (8) Einführen einer Interkalatorlösung in die Flußzelle und Reaktion.
    • (9) Einführen einer Pufferlösung in die Flußzelle, um die Teile des Interkalators zu entfernen, die nicht reagiert haben.
    • (10) Messung der Ausgangssignale des Gen-FET und des Bezugs-FET und Berechnen der Differenz.
    • (11) Einstellen der Temperatur der einzelnen Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche auf 95 Grad C.
    • (12) Einführen einer Waschlösung, um die Flußzelle innen auszuwaschen.
    • (13) Zurück zu (1).
  • Diese Abfolge für die Messung ist in der 16 gezeigt. Die Probe und der Interkalator werden eingeführt und es wird gespült, gefolgt von einer Messung der Ausgangsspannung der FETs. Dann wird durch Erhöhen der Temperatur der Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche auf 95 Grad C die hybridisierte doppelsträngige DNS in einsträngige DNS dissoziiert, und die dissoziierte DNS wird zusammen mit dem Interkalator, der in die doppelsträngige DNS eingeführt wurde, durch die Waschlösung entfernt. Auf diese Weise verbleibt nur die Prüf-Nukleinsäure auf dem Gate des FET, wodurch zum Ausgangszustand zurückgekehrt werden und die nächste Messung erfolgen kann.
  • Wenn unter Verwendung von Molekülen (Liganden) zur Ausbildung von Komplexen mit Ionen wie im Beispiel 4 beschrieben eine SNP analysiert werden soll, umfaßt die Messung die folgenden Schritte:
    • (1) Einführen einer Waschlösung in die Flußzelle.
    • (2) Einführen einer Hybridisierungslösung in die Flußzelle (Ersetzen der Waschlösung).
    • (3) Einstellen der Temperatur der einzelnen Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche auf die optimale Temperatur für die Prüf-Nukleinsäure.
    • (4) Messung der Ausgangssignale des Gen-FET und des Bezugs-FET und Berechnen der Differenz.
    • (5) Abgabe einer Probe an das Ventil mit nachfolgendem Einführen in die Flußzelle mit der Hybridisierungslösung.
    • (6) Hybridisierung in der Flußzelle.
    • (7) Einführen einer Pufferlösung in die Flußzelle, um die Teile der Probe zu entfernen, die nicht reagiert haben.
    • (8) Einführen einer Lösung mit 50 mM NaCl in die Flußzelle und Reaktion.
    • (9) Messen der Ausgangssignale des Gen-FET und des Bezugs-FET und Berechnen der Differenz.
    • (10) Einführen einer Lösung mit 50 mM KCl in die Flußzelle und Reaktion.
    • (11) Messung der Ausgangssignale des Gen-FET und des Bezugs-FET und Berechnen der Differenz.
  • Feststellen von Normal/Normal, Mutant/Mutant oder Normal/Mutant anhand der Informationen für die Prüf-Nukleinsäure für jeden FET und der differentiellen Ausgangssignale für NaCl und KCl.
    • (12) Einführen einer Pufferlösung, um die KCl-Lösung zu entfernen.
    • (13) Einstellen der Temperatur der einzelnen Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche auf 95 Grad C.
    • (14) Einführen einer Waschlösung, um die Flußzelle innen auszuwaschen.
    • (15) Zurück zu (1).
  • INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
  • Die vorliegende Erfindung umfaßt ein DNS-Mikroarraysystem mit immobilisierten Prüf-Nukleinsäuren auf der Oberfläche der Gate-Isolierung von FETs, die auf der Oberfläche der Gate-Isolierung der FETs mit einem Target-Gen hybridisiert werden, wobei eine Änderung der elektrischen Oberflächenladungsdichte mittels des Feldeffekts erfaßt wird. Das DNS-Mikroarray ermöglicht eine potentiometrische Erfassung von Änderungen im elektrischen Oberflächenpotential mit einem großen Signal-Rausch-Verhältnis und kann durch Einführen eines Interkalators oder von Markierungs-Nukleinsäuren mit Molekülen zur Ausbildung von Komplexen mit geladenen Teilchen wie Ionen ausgeführt werden, um die Änderungen in der elektrischen Oberflächenladungsdichte gegenüber den Ladungen der Nukleinsäuren allein zu verstärken. Das erfindungsgemäße DNS-Mikroarray erfordert keine aufwendiges Laser-Erfassungssystem und kein kompliziertes optisches Erfassungssystem, da das Oberflächenpotential im Gleichgewichtszustand durch Immobilisieren der Prüf-Nukleinsäuren auf einem isolierenden Substrat erfaßt wird, was sich vom amperometrischen Erfassungssystem unterscheidet. Es gibt daher auch keine Probleme mit einer Korrosion des Substrats, einer Gasentwicklung und mit instabilen Signalwerten aufgrund von Störungen durch Oxidations-Reduktions-Substanzen. Es ist so eine ausgezeichnet stabile und sehr genaue Erfassung von Genen möglich.
  • SEQUENZLISTE
    Figure 00200001

Claims (16)

  1. Potentiometrisches DNS-Mikroarray mit einem im wesentlichen ebenen Isolator (17, 29), einer auf einer ersten Oberfläche des Isolators ausgebildeten Siliziumschicht (19), einem in der Siliziumschicht ausgebildeten Feldeffekttransistor (1, 6, 12, 13, 14) mit isoliertem Gate, und mit einer Bezugselektrode (8), wobei auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Isolators (17, 29) direkt oder über einen Träger eine einsträngige oder verzweigte Prüf-Nukleinsäure (3, 7) immobilisiert ist.
  2. Potentiometrisches DNS-Mikroarray mit einem im wesentlichen planaren Isolator (17, 29), einer auf einer ersten Oberfläche des Isolators ausgebildeten Siliziumschicht (19), und mit einer Anzahl von in der Siliziumschicht ausgebildeten Feldeffekttransistoren (1, 6, 12, 13, 14) mit isoliertem Gate, wobei auf einer der ersten Oberfläche gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des Isolators (17, 20) in Entsprechung zu den Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren (1, 6, 12, 13, 14) mit isoliertem Gate direkt oder über einen Träger verschiedene Arten einsträngiger oder verzweigter Prüf-Nukleinsäuren (3, 7) immobilisiert sind.
  3. DNS-Mikroarray nach Anspruch 2, wobei die Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate einen ersten (1) und einen zweiten (6) Feldeffekttransistor beinhalten, die Prüf-Nukleinsäuren eine Prüf-Nukleinsäure (3), die eine zu einem Abschnitt einer zu erfassenden Target-Nukleinsäure komplementäre Basensequenz aufweist und auf der zweiten Oberfläche in Entsprechung zu dem Gate des ersten Feldeffekttransistors (1) mit isoliertem Gate immobilisiert ist, und eine Prüf-Nukleinsäure (7) enthalten, die eine zu keinem Abschnitt der zu erfassenden Target-Nukleinsäure komplementäre Basensequenz aufweist und auf der zweiten Oberfläche in Entsprechung zu dem Gate des zweiten Feldeffekttransistors (6) mit isoliertem Gate immobilisiert ist, und wobei eine Schaltung (9 bis 11, 38) zum Erfassen und Vergleichen der Ausgangssignale des ersten und des zweiten Feldeffekttransistors (1, 6) vorgesehen ist.
  4. Verfahren zur Analyse von Nukleinsäuren mit den Schritten Aufbringen einer Probenlösung mit mindestens einer Art Nukleinsäure auf die zweite Oberfläche eines DNS-Mikroarrays nach Anspruch 1 oder 2 und Hybridisieren mit den einsträngigen oder verzweigten Prüf-Nukleinsäuren; Aufbringen einer Waschlösung (33) auf die zweite Oberfläche, um Nukleinsäuren, die nicht reagiert haben, davon zu entfernen; Aufbringen einer Interkalatorlösung auf die zweite Oberfläche, um mit den doppelsträngig gewordenen Nukleinsäuren zu reagieren; Aufbringen einer Waschlösung auf die zweite Oberfläche, um Interkalator, der nicht reagiert hat, davon zu entfernen; und Aufbringen eines Puffers auf die zweite Oberfläche, um die Ausgangssignale der Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate zu messen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, mit den weiteren Schritten Dissoziieren der mit den einsträngigen Prüf-Nukleinsäuren oder den verzweigten Prüf-Nukleinsäuren hybridisierten Nukleinsäuren durch Erwärmen der zweiten Oberfläche; und Aufbringen einer Waschlösung auf die zweite Oberfläche, um die Nukleinsäuren und den Interkalator, die von den einsträngigen Prüf-Nukleinsäuren oder den verzweigten Prüf-Nukleinsäuren dissoziiert sind, zu entfernen; und nachfolgende Wiederholung der Analyse.
  6. Verfahren zur Analyse von Nukleinsäuren mit den Schritten Aufbringen einer Probenlösung mit Nukleinsäurefragmenten, die mit einem Molekül markiert sind, das geladene Teilchen aufnehmen kann, auf die zweite Oberfläche eines DNS-Mikroarrays nach Anspruch 1 oder 2, um sie einer Hybridisierung mit den einsträngigen Prüf-Nukleinsäuren oder den verzweigten Prüf-Nukleinsäuren zu unterwerfen; Aufbringen einer Waschlösung (33) auf die zweite Oberfläche, um Nukleinsäurefragmente, die nicht reagiert haben, davon zu entfernen; Aufbringen einer ein Ion enthaltenden Lösung zur Bildung eines Komplexes mit dem Markierungsmolekül auf die zweite Oberfläche, um mit dem Markierungsmolekül auf den gebildeten doppelsträngigen Nukleinsäuren zu reagieren und zwischen dem Ion und dem Markierungsmolekül einen Komplex zu bilden; und Messen der Ausgangssignale der Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Molekül, das geladene Teilchen aufnehmen kann, ein Molekül ist, das selektiv mit einem monovalenten oder bivalenten Kation oder Anion einen Komplex bildet.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei verschiedene Arten von Molekülen, die geladene Teilchen aufnehmen können, entsprechenderweise zur Markierung verschiedener Nukleinsäurefragmente verwendet werden und die den jeweiligen Molekülen entsprechenden geladenen Teilchen (Ionen) auf die zweite Oberfläche aufgebracht werden, um gleichzeitig oder nacheinander Messungen mehrerer Arten von Genen oder genetischer Polymorphismen zu erlauben.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, mit den weiteren Schritten Erwärmen der zweiten Oberfläche, um die mit den einsträngigen Prüf-Nukleinsäuren oder den verzweigten Prüf-Nukleinsäuren hybridisierten Nukleinsäurefragmente zu dissoziieren; und Aufbringen einer Waschlösung (33) auf die zweite Oberfläche, um die von den einsträngigen Prüf-Nukleinsäuren oder den verzweigten Prüf-Nukleinsäuren dissoziierten Nukleinsäurefragmente zu entfernen, und nachfolgendes Wiederholen der Analyse.
  10. Verfahren zur Herstellung eines DNS-Mikroarrays nach Anspruch 1 oder 2, mit den Schritten Ausbilden einer Siliziumschicht (19) auf der ersten Oberfläche des isolierenden Substrats (17); Aufteilen der Siliziumschicht in mehrere Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche (19) durch Bildung von Mustern in der Siliziumschicht; Ausbilden mehrerer pn-Übergänge (20), die als die Source- und Drain-Bereiche (21) der Feldeffekttransistoren dienen, in jedem der Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche; Ausführen einer Verdrahtung (25) für die Source- und Drain-Bereiche, wobei der Bereich zwischen den Source- und Drain-Bereichen als Kanal (24) dient; und Immobilisieren der Prüf-Nukleinsäuren (3, 7) direkt oder über einen Träger an den den Kanälen der Feldeffekttransistoren entsprechenden Orten auf der zweiten Oberfläche, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, auf der die Siliziumschicht auf dem isolierenden Substrat ausgebildet ist.
  11. Verfahren zur Herstellung eines DNS-Mikroarrays nach Anspruch 1 oder 2 mit den Schritten Ausbilden einer Siliziumschicht (19) auf einer Oberfläche eines isolierenden Substrats (17); Aufteilen der Siliziumschicht in mehrere Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche (19) durch Bildung von Mustern in der Siliziumschicht; Ausbilden mehrerer pn-Übergänge (20), die als die Source- und Drain-Bereiche (21) der Feldeffekttransisoren dienen, in jedem der Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche; Ausführen einer Verdrahtung (25) für die Source- und Drain-Bereiche, wobei der Bereich zwischen den Source- und Drain-Bereichen als Kanal (24) dient; Ausbilden einer Isolierschicht (18, 29) auf der Oberfläche, auf der die Verdrahtung ausgeführt wurde; und Immobilisieren von Prüf-Nukleinsäuren (3, 7) direkt oder über einen Träger an den Orten, die den Kanälen der Feldeffekttransistoren entsprechen, auf der zweiten Oberfläche der Isolierschicht gegenüber der ersten Oberfläche der Isolierschicht, die der Siliziumschicht zugewandt ist.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei in jedem der Siliziumschicht-Ausbildungsbereiche pn-Übergänge (20) ausgebildet werden, die als Heizelement (22) und als Temperatursensor (23) dienen.
  13. DNS-Mikroarray nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der im wesentlichen ebene Isolator ein isolierendes Substrat (17) ist.
  14. DNS-Mikroarray nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der im wesentlichen ebene Isolator eine isolierende Schicht (29) ist, die auf der Siliziumschicht (19) ausgebildet ist, die auf einem isolierenden Substrat ausgebildet ist.
  15. DNS-Mikroarray nach Anspruch 13, wobei der im wesentlichen ebene Isolator (17) an den Orten, die den Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren (1, 6, 12, 13, 14) mit isoliertem Gate entsprechen, dünnere vertiefte Bereiche (28) aufweist.
  16. DNS-Mikroarray nach Anspruch 13, wobei die Dicke des im wesentlichen ebenen Isolators im Bereich von 0,01 bis 1 μm liegt.
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