DE60318313T2

DE60318313T2 - Verfahren und einrichtung zur hochempfindlichen detektion der anwesenheit von dna und weitere sonden

Info

Publication number: DE60318313T2
Application number: DE60318313T
Authority: DE
Inventors: Denis Flandre; Luis Moreno MX-45180 Zapopan HAGELSIEB; Remi Pampin; David Bourgeois; Jose Remacle; Pierre-Emmannuel Lobert
Original assignee: Universite Catholique de Louvain UCL
Current assignee: Universite Catholique de Louvain UCL
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2008-12-11
Anticipated expiration: 2023-06-25
Also published as: AU2003243843A1; WO2004001403A1; EP1516174A1; US20050227373A1; US7943394B2; EP1376111A1; DE60318313D1; EP1516174B1; ATE382147T1

Description

Technischer Bereich der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Abtasten einer molekularen Spezies oder Substanz, die an eine Bindungsstelle gebunden sind, insbesondere mittels leitender Etiketten. Insbesondere betrifft sie Vorrichtungen und Verfahren zur kapazitiven Erfassung eines Bindens biologischer Moleküle an ein Mikroarray oder einen Biochip.
Hintergrund der Erfindung
Die Einführung von Mikroarrays oder DNA-Chips bzw. Biochips revolutioniert die Analyse von DNA (Desoxyribonukleinsäure), RNA (Ribonukleinsäure), Proteinsäuren, anderen Molekülen, wie beispielsweise Herbizide und Pestizide, oder andere Mikro- oder Nanamaterialien, zum Beispiel Mikroträger wie Kügelchen. Anwendungen sind zum Beispiel menschliche Genotypisierung (zum Beispiel in Krankenhäusern oder durch individuelle Ärzte oder Krankenschwestern), bakteriologisches Screening, biologische und pharmakologische Forschung.
Biochips, die auch Biosensor-Chips genannt werden, biologische Mikrochips, Genchips oder DNA-Chips bestehen in ihrer einfachsten Form aus einem Substrat, auf welchem eine große Anzahl von unterschiedlichen Sonden- bzw. Sensormolekülen auf genau festgelegten Bereichen angebracht sind, an welche sich zu analysierende Moleküle oder Molekülfragmente anbinden können, wenn sie übereinstimmen. Der Grad einer Übereinstimmung, der erforderlich ist, um ein positives Resultat zu erhalten, kann durch die Strenge der Bindung gesteuert werden, das heißt, in welchem Maße Bedingungen angewendet werden, die nur perfekte Übereinstimmungen oder teilweise Übereinstimmungen bewirken. Zum Beispiel kann sich ein Fragment eines DNA-Moleküls an ein eindeutig komplementäres DAN-(c-DNA-)Molekularfragment binden. Das Auftreten einer Bindungsreaktion kann erfasst werden, zum Beispiel unter Verwendung fluoreszierender Marker, welche an die zu analysierenden Moleküle gekoppelt sind. Dieses schafft die Fähigkeit zur Analyse kleiner Mengen entweder einer kleinen Zahl oder einer großen Zahl von unterschiedlichen Molekülen oder Molekülfragmenten gleichzeitig. Ein Biochip kann Proben für 100 oder auch 1000 oder mehr unterschiedliche Molekülfragmenten aufnehmen. Die Technik kann auf Mikro- und Nanomaterialien erweitert werden, wie zum Beispiel Kügelchen, indem relevante Moleküle an die Kügelchen angebracht werden.
Es wird vorausgesagt und gewünscht, dass Biochips ein Massenprodukt werden. Technologie antreibende Anwendungen sind zum Beispiel ein kostengünstiges Verfahren zur Schnelldiagnose unabhängig von dem Testumfeld, das heißt, nicht nur in Krankenhäusern und spezialisieren Laboratorien, sondern auch in außerhalb gelegenen Orten, wie beispielsweise in Arztpraxen, Unfallaufnahmen und für die Prävention oder Überwachung von terroristischen Aktivitäten, und zur Reduzierung der Gesamtkosten, die mit Krankheit einhergehen.
Es gibt eine große Vielfalt von bekannten Verfahren, welche die Gesamtreaktion von Hybridisierung aller DNA-Stränge auf einem Bereich des Biochips gleichzeitig durch eine Veränderung des elektrochemischen Zustands des Testsystems oder durch eine Veränderung einer Permittivität bzw. Dielektrizitätskonstante des DNA-Mediums messen. Einige dieser bekannten Verfahren messen eine Eigenschaft zurückzuführend auf die hybridisierte DNA selbst, und einige zurückzuführend auf spezifische Hybridisierungsmarker oder -etiketten.
Ein Verfahren zum elektronischen Erfassen eines Bindens von Probenmolekülen an Sondenmoleküle ist in WO 00/72018 beschrieben worden. Punkte bzw. Tüpfel mit einer Punktgröße von zumindest 100 μm, welche Millionen von komplementären Einfang-DNA-Einzelsträngen (komplementär zu einer Ziel-DNA) beinhalten, sind an einem Objektträger befestigt. Nach der DNA-Sondenhybridisierung durch den Ziel-DNA-Strang, wird die hybridisierte DNA mit Nanokugeln aus Gold markiert, um welche herum Silber (Ag) in der Gegenwart von Hydrochinon abgeschieden bzw. ausgefällt wird. Die Silberausfällungen werden durch optische Mittel als eine Veränderung von Reflexivität oder Transmissionsgrad eines jeden Punktes erfasst. Die externe optische Erfassung eines spezifischen opaken Etiketts, wie zum Beispiel Silber, ist durch die Auflösung kostengünstiger Scanner beschränkt: Die Punkte müssen größer als 100 μm sein. Die Etiketten müssen zumindest größer als 600 nm sein, um mit dem sichtbaren Spektrum, welches von den Scanner verwendet wird, erfassbar zu sein. Die Erfassung ist bei dem Punktmaßstab global, und die Empfindlichkeit, das heißt der Bereich der erfassten Grauwertskala überschreitet kaum 1:100.
Park et al. beschreiben in dem Artikel „Array-based electrical detection of DNA with nanoparticle grobes", Science, 22 February 2002, vol. 295, p. 1503–1506, einen Punkt von DNA-Einzelsträngen, welche auf einen SiO2-Layer (welcher auf thermische Weise auf Si gezüchtet worden ist) zwischen zwei dünnen, freiliegenden Goldelektroden, die mit einer Lücke von 20 μm beabstandet sind, aufgepfropft sind. Nach der DNA-Sondenhybridisierung durch den Ziel-DNA-Strang wird die hybridisierte DNA mit Nanokugeln aus Gold markiert, um welche herum Silber (Ag) in der Gegenwart von Hydrochinon abgeschieden wird. Der elektrische Widerstand der Ag-Abscheidungen bzw. -Ausfällungen (das heißt die Realteile seiner Impedanz) wird gemessen, indem ein DC- bzw. Gleichstrom zwischen den beiden Elektroden aufgebracht und die resultierende Spannungsdifferenz im Punktmaßstab erneut gemessen wird. Um die Messung durchführen zu können, muss ein Anwender zumindest so lange warten, bis sich eine Silberbrücke zwischen den beiden Elektroden bildet. Um geringe Mengen von DNA zu erfassen bzw. nachzuweisen, ist es notwendig, eine lange Zeit, zum Beispiel 35 Minuten, zu warten, um der Silberabscheidung Zeit für ein ausreichendes Wachstum zur Herstellung eines leitenden Pfades zu geben. Abscheidung von Silber wird jedoch auch von den freiliegenden Goldelektroden ausgelöst, so dass es, wenn sich die Brücke schließlich gebildet hat, nicht sicher ist, ob dieses daran liegt, weil sich Silber an einer oder einer Vielzahl von goldenen Nanokügelchen abgeschieden hat, oder ob sich ein Kurzschluss zwischen den Elektroden gerade durch Silberabscheidung an den Elektroden gebildet hat. Diese Vorgänge führen zu der Möglichkeit falscher positiver Ablesungen. Die Leitfähigkeitsmessung hängt auch von dem Kontaktwiderstand der Goldelektroden zur Silberschicht ab, welcher weder gut bekannt, noch sehr stabil oder reproduktiv ist. Mit dieser bekannten Technik und einer sehr langen Prozesszeit kann ein qualitativer Nachweis ungenau sein, und eine Kalibrierung vor einer Messung ist unmöglich, das heißt, es ist nicht möglich auf einen definitiven positiven Level zu kalibrieren. In der Tat ist der negative Ergebnislevel ist der äquivalente Widerstand zwischen den Elektroden, wenn keine Silberbrücke vorhanden ist, welcher fast unendlich vor einer Silberabscheidung sein kann, und es dauert einige Minuten (zum Beispiel 5) von Silberabscheidung in Hydrochinon, um den ersten Kurzschlusspfad zwischen den weit auseinander stehenden Elektroden zu erhalten. Der Widerstand nimmt deshalb um einige Größenordnungen auf einen Wert ab, dessen absoluter Wert schwierig zu interpretieren ist, wobei eine hybridisierte DNA-Quantifizierung schwierig gemacht wird. Weiterhin dauert es einige Minuten (zum Beispiel 20), um den Widerstand weiter zu reduzieren, zum Beispiel um drei oder mehr Größenordnungen. Der resultierende gesamte Bereich einer Stromvariation kann 6 Größenordnungen von keinem Silber bis zu voller Silberabscheidung betragen, aber der wirksame Bereich von einem ersten Kurzschlusspfad bis zu einem vollständigen Kurzschluss ist viel geringer. Dies kann einen guten Stör- bzw. Rauschabstand für eine Indikation von Hybridisierung schaffen, aber ein Ableiten weiterer Informationen von der Kurvenform oder von den absoluten Widerstandswerten ist schwierig.
US-5922537 beschreibt einen Nanopartikel-Biosensor basierend auf Etikettieren einer Messprobe bzw. eines Analyten in einer Probe mit Reporter-Partikeln, für welche submikroskopische Partikel gleichförmiger Abmessung benutzt werden. Derartige Reporter-Partikel erhöhen die Empfindlichkeit und Genauigkeit und schaffen eine Vielfältigkeit von Probentechniken zur Bestimmung eines in der Probe vorhandenen Analyten. Die Partikel können dielektrische, paramagnetische und/oder phosphoreszierende Eigenschaften aufweisen, um jeweils mit kapazitiven, magnetischen oder Phosphoreszenz-Abtastsystemen verwendbar zu sein.
WO 97/21094 veröffentlicht ein Verfahren zum Identifizieren von molekularen Strukturen innerhalb einer Probenlösung. Sonden werden immobilisiert beim Isolieren von Kanalbereichen. Zu erfassender Analyt in einer Probenlösung wird an die Sonden gebunden. Ein Nachweis des Vorhandenseins des Analyten basiert auf der Überlagerung eines elektrischen Feldes zwischen Elektroden mit dem Analyten. Dies erfolgt durch Aufbringen eines elektrischen Signals zwischen Elektroden derart, dass sich ein elektrisches Feld aufbaut, woraus sich elektrische Feldlinien ergeben. Wenn ein Analyt vorhanden ist, gebunden an die Sonden, wird er das elektrische Feld verändern. Diese Änderung kann durch Messung zum Beispiel der Kapazität zwischen den Elektroden quantifiziert werden. Der beschriebene Sensor weist einen Isolationslayer bzw. eine Isolationsschicht mit einer Vielzahl von beabstandeten Kanälen darin auf, welche im Wesentlichen die gleiche Richtung besitzen. Die Kanäle mit submikroskopischen Richtungen weisen einen Boden und zumindest zwei gegenüber liegende Seitenwände längs der Richtung auf. Eine Metallbeschichtung wird auf eine der zwei gegenüber liegenden Seitenwände von im Wesentlichen jedem Kanal und auf der Isolationsschicht zwischen diesen Kanälen aufgebracht, wodurch eine Einrichtung mit der Probenlösung innerhalb und zwischen den Kanälen gebildet wird. Die Sonden zur Bindung molekularer Strukturen werden auf diesen Sensor aufgebracht, entweder auf den isolierenden Teil der Kanäle oder auf die Oberfläche der Elektroden, oder auf beide. Mittel zum Aufbringen einer Spannung auf die Metallbeschichtungen sind vorgesehen, wie auch Mittel zur Messung der Impedanz zwischen den Elektroden.
WO 99/07879 offenbart ein elektrochemisches Reportersystem zum Nachweis analytischer Immunoassay- und molekularbiologischer Vorgänge. Reaktionsprodukte, die an elektrochemisch aktive Moleküle gekoppelt sind, werden erfasst und/oder quantisiert, indem Amperiometrie in Verbindung mit einem Silizium-Mikrochip verwendet wird, welcher ein dicht beabstandetes kammartiges ineinandergreifendes Array von Edelmetallelektroden besitzt.
US-2001/053522 beschreibt einen elektrochemischen Nachweis komplementärer DNA-Fragmente, und JP-62019767 offenbart Fluoreszenzmessungen.
WO 99/08105 offenbart Techniken und Systeme zum Analytnachweis, welche kostengünstig sind, einfach herzustellen sind, schnelle Antworten liefern und genaue Unterscheidungen zwischen unterschiedlichen Analyten und unterschiedlichen Konzentrationen des gleichen Analyten erzeugen. Die Analyten können unter anderen Folgendes aufweisen: Gerüche, Geschmäcker, Dämpfe, Düfte, Gase, Flüssigkeiten und Chemikalien. Insbesondere offenbart dieses Dokument Verfahren zum Auslesen von Sensorarrays.
JP-2002/174611 beschreibt eine Messung einer zu messenden Substanz, indem ein Etikett benutzt wird, das eine in Lipid bzw. Fett lösliche Substanz mit einem hohen Widerstand aufweist und dazu fähig ist, dem Lipid eine Ionenleitfähigkeit zu erteilen. Dieses Etikett wird an die zu messende Substanz gebunden. Wenn das etikettierte Teil der etikettierten gemessenen Substanz in einen Lipid-dünnen Film adsorbiert ist, wird der Widerstand zur Erteilung der Ionenleitfähigkeit an den Lipid-dünnen Film reduziert, und diese Widerstandsverringerung wird erfasst, um die zu messende Substanz zu messen.
Idealerweise sollten die Messelektroden und -elektroniken in einem einzelnen, kleinen Gerät untergebracht sein, das heißt auf einem Chip einer integrierten Schaltung. Für eine Widerstandsmessung ist die Verwendung von Edelmetallen, beispielsweise Gold (Au) oder Platin (Pt), für die Elektroden erforderlich, da sie in biologischen Prozessen nicht abgebaut werden bzw. sich nicht verschlechtern. Diese Werkstoffe sind jedoch kaum mit konventioneller Herstellung von integrierten Schaltungen kompatibel. Eine Zahl von Barrieren muss zwischen dem Metall und dem Halbleitermaterial vorgesehen werden, auf welchem der Abtaster hergestellt wird, um zu vermeiden, dass das Metall in das Halbleitermaterial hineindiffundiert und so zu Kontamination und Verschlechterung der aktiven Einrichtungen in den Halbleiterschaltungen führen. Weiterhin muss die Verarbeitung des Halbleiterchips und die Aufbringung des Edelmetalls in separaten Reinräumen erfolgen (um eine Kreuzkontamination zwischen den Prozessen zu vermeiden), was die Herstellung derartiger Abtaster- bzw. Detektorchips komplexer und teuer macht.
Eine hauptsächliche Einschränkung in Bezug auf die Verwendung hybridisierter DNA allein (keine Etiketten oder Marker zur Unterstützung) betrifft die Empfindlichkeit, da die Verfahren im Allgemeinen nur eine Änderung eines Faktors von 100% als Maximum zwischen einer Einzelstrang-DNA-Sonde (im Fall keiner Hybridisierung) oder einer hybridisierten DNA (das heißt nur zwei Stränge anstelle von einem) nachweisen können. Der Nachweis von Änderungen der Permittivität zwischen zwei Elektroden auf Grund von DNA-Bindung allein ist ebenfalls durch die Empfindlichkeit eingegrenzt, welche kaum mehr als ein paar Zehntelprozent beträgt.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Vorhandenseins bzw. der Präsenz von Zielmolekülen oder -materialien, insbesondere biologische Zielmoleküle und -materialien, so schnell wie möglich und vorzugsweise sobald eine sehr geringe Menge an Zielmolekülen oder -material vorliegt, bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Vorhandenseins von Zielmolekülen oder -materialien, insbesondere biologische Zielmoleküle und -materialien, mit einer großen Empfindlichkeit von ungefähr 1:1000000 bereitzustellen.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Quantifizierung der Messung des Vorhandenseins von Zielmolekülen oder -materialien, insbesondere biologische Zielmoleküle und -materialien, zu schaffen.
Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die erforderliche Zeit zur Messung des Vorhandenseins von Zielmolekülen oder -materialien, insbesondere biologische Zielmoleküle und -materialien, zu schaffen und somit die Brauchbarkeit zu verbessern oder Kosten zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der überraschenden Tatsache, dass eine Widerstandsmesstechnik, bei welcher ein chemisch gebildete Metallbrücke zu messen ist, nicht so vorteilhaft ist, da das was gemessen wird im Allgemeinen der Abschnitt der Brücke mit dem höchsten Widerstand ist (ein lokaler Punkt, in welchem die Metallbrücke den kleinsten Querschnitt aufweist). Dieser Widerstandswert betrifft nur den Weg, den die Metallbrücke bildet, und liefert keine feste quantitative Angabe über die Menge vorhandenen Zielmaterials.
Die obigen Aufgaben werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung gelöst:
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur kapazitiven Erfassung der Präsenz einer Zielprobe auf einem Substrat, welches die folgenden Schritte aufweist:

– Binden einer Zielprobe an selektive Bindungsstellen auf dem Substrat, wobei die Zielprobe direkt oder indirekt mit Etiketten markiert ist und infolgedessen eine markierte Zielprobe bildet, und
– Abtasten der Präsenz von an eine Bindungsstelle gebundenen Etiketten, um dadurch die Präsenz der Zielprobe zu bestimmen. Die Etiketten sind leitende Etiketten und der Abtastschritt wird durch nicht ohmsch kontaktierende, kapazitive Erfassung der Präsenz der leitenden Etiketten durch Messen einer Veränderung der Kapazität zwischen einem Satz an mindestens zwei Elektroden nach dem Binden der markierten Zielprobe an das Substrat ausgeführt.

Vor dem Bindungsschritt kann ein Schritt zum Messen der vorläufigen Kapazität ausgeführt werden. Die vorläufige Kapazität kann mit der während dem Abtastschritt gemessenen Kapazität verglichen werden. Die Kapazität kann als Funktion einer Frequenz gemessen werden, um einen repräsentativen Wert einer elektrischen Widerstandseigenschaft des leitenden Etiketts zu erhalten. Es kann auch eine Gesamtimpedanz gemessen werden, und der Realteil der Gesamtimpedanz kann zusätzlich zu dem kapazitiven Teil benutzt werden, um mehr Informationen zu erlangen.
Die Etiketten können vor oder während dem Abtastschritt gebildet oder vergrößert werden, zum Beispiel durch Metall, insbesondere Silberausfällung.
Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiterhin einen Schritt zur optischen Erfassung der Präsenz des Etiketts und/oder einen Schritt zur magnetischer Erfassung der Präsenz des Etiketts und/oder einen Schritt zur Erfassung radioaktiver Emissionen von dem Etikett aufweisen. Das Etikett kann magnetisierbar oder magnetisch sein, oder es kann ein externes magnetisches Feld abschirmen.
Die vorliegende Erfindung schafft auch eine kapazitive Sensorvorrichtung zum Bestimmen der Präsenz einer Zielprobe. Etiketten werden mit der Zielprobe direkt oder indirekt gekoppelt. Die kapazitive Sensorvorrichtung weist ein Substrat, welches eine Zielprobe selektiv binden kann oder an demselben eine Bindungsstelle angebracht hat, welche eine Zielprobe selektiv binden kann, ein kapazitives Sensorelement und eine Abtastschaltung zum Bestimmen der Präsenz einer an das Substrat oder an die Bindungsstelle gebundenen Zielprobe durch das Anlegen von elektrischen Signalen an ein kapazitives Sensorelement auf. Die mit der Zielprobe koppelbaren Etiketten sind leitende Etiketten. Das kapazitive Sensorelement weist einen Satz von mindestens zwei Elektroden mit nichtleitenden Oberflächen in einem Bereich auf, welcher mit der Bindungsstelle assoziiert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung sind die Elektroden aus einem Nichtedelmetall hergestellt, von welchem Aluminium nur ein Beispiel ist. Die nichtleitenden Oberflächen können durch Passivierung, Oxidation, Nitrierung oder durch Abscheiden eine isolierenden Substanz, zum Beispiel Lackfarbe oder ähnliche Beschichtung, gebildet werden. Wenn das Metall Aluminium ist, kann das Isoliermaterial Aluminiumoxid sein.
Vorzugsweise ändert sich der Wert der Zwischenkapazität der Elektroden beim Erfassen der Präsenz von leitenden Etiketten, zumindest wenn an die Zielprobe gekoppelt. Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung kann der Satz an Elektroden eine Anordnung von parallelen Fingern sein, welche paarweise einzeln adressiert werden können. Der Satz an Elektroden kann ein Satz von ineinandergreifende Elektroden mit parallelen Fingern sein, wobei alle Finger welche zu einer Elektrode zugehörig sind, kurzgeschlossen werden. Der Satz an Elektroden kann eine Anordnung von gekreuzten Fingern sein, deren Schnittstellen paarweise individuell adressiert werden können. Der Satz an Elektroden kann eine Matrix von Spitzenelektroden sein.
Gemäß einer weiteren Ausführung kann eine dritte Elektrode von dem Satz an mindestens zwei Elektroden isoliert vorgesehen sein, welche die Messung eines zweiten Satzes an kapazitiven Werten ermöglicht. Das Substrat kann einen Halbleiterlayer aufweisen.
Die Präsenz eines leitenden Etiketts kann ein Gate einer MOS- oder EEPROM-ähnlichen Struktur erzeugen, welche im Halbleiter unter den Bindungsprüfstellen eingebettet ist.
Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung ist der Abstand zwischen den Elektroden auf ein mit der Größe eines einzelnen Etiketts vergleichbares Maß verringert. Der Abstand zwischen zwei Elektroden kann 5 μm oder weniger, vorzugsweise 2 μm oder weniger, betragen.
Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann zudem eine Komparatoreinheit aufweisen, wobei die Ausgänge des ersten und zweiten kapazitiven Abtastelements oder der ersten und zweiten Gruppe an kapazitiven Abtastelementen der Komparatoreinheit zugeführt werden.
Eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiterhin einen optischen Detektor zum Bestimmen der Präsenz der Zielprobe aufweisen. Sie kann auch einen magnetischen Sensor oder radioaktiven Detektor, wie beispielsweise einen Geigerzähler, zum Bestimmen der Präsenz der Zielprobe aufweisen.
Der Begriff „Mikroarray" oder „Biochip" betrifft erzeugte Arrays auf einer oder mehreren planaren Oberflächen, welche eine Vielzahl von diskreten Reaktions- oder Inkubationsfeldern bilden, die durch ihre Lokalisation identifizierbar sind, zum Beispiel wie durch geometrische Koordinaten auf den Array festgelegt ist. Derartige Arrays bzw. Anordnungen sind zum Gebrauch in Prüfeinrichtungen bzw. Assays zur Bewertung spezifischer Bindungseigenschaften zwischen Gliedern spezifischer Bindungspaare geeignet. Diese Arrays können adressierbare Arrays sein.
Diese und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, welche auf beispielhafte Weise die Prinzipien der Erfindung illustrieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1A, 1B und 1C zeigen Details eines Substrats, welches mit Bindungsstellen geeignet zur selektiven Bindung von Zielproben versehen ist, und wobei leitende Etiketten auf unterschiedliche Weise direkt oder indirekt an die Zielprobe angebunden sind.
2 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines (eines Teils einer) einer kapazitiven Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Ausführung eines Sensorvorrichtungs-IC.
4 ist eine schematische Draufsicht eines (eines Teils einer) kapazitiven Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
5 ist eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung von gekreuzten Fingern, deren Schnittstellen individuell durch Paare adressiert werden können, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
6 ist eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung von parallelen Fingern, die individuell durch Paare adressiert werden können, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine schematische Draufsicht von ineinandergreifenden Fingern, die individuell durch Paare adressiert werden können, gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt einen äquivalenten elektrischen Schaltplan einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung im Fall keiner DNA-Bindung.
9 zeigt einen äquivalenten elektrischen Schaltplan einer Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nach einer DNA-Hybridisierung.
10 ist ein vertikaler Querschnitt einer weiteren Ausführung eines Detektors bzw. Abtasters gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher eine dritte Elektrode unterhalb eines nichtleitenden Layers vorgesehen ist.
11 ist ein vertikaler Querschnitt einer weiteren Ausführung eines Detektors bzw. Abtasters gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher eine dritte Elektrode unterhalb eines Substrats vorgesehen ist.
12 zeigt die Abmessungsvariablen von Sensor und Fingern von ineinandergreifenden Elektroden, wobei die Abmessungen zur Erläuterung der Experimente benutzt werden.
13 ist eine schematische Ansicht eines ineinandergreifenden Sensors mit Zugriffsleitungen und Kontaktpads in einer Vier-Punkt-Architektur.
14 ist ein Graph der Kapazität von 3 geöffneten Sensorvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung als Funktion einer Frequenz.
15A, 15B und 15C sind Graphen, welche die Kapazität von Sensorvorrichtungen in Funktion der Frequenz zeigen; in 15A ist die Länge der Sensorvorrichtung 2 μm, und die Ergebnisse sind nach 2 Minuten 30 Sekunden einer Hybridisierung dargestellt; in 15B beträgt die Länge der Sensorvorrichtung 6 μm, und die Ergebnisse sind nach 2'30'' einer Hybridisierung gezeigt; und in 15C ist die Länge der Sensorvorrichtung 4 μm, und die Ergebnisse sind nach 2 Minuten 30 Sekunden einer Hybridisierung (Proben 1 und 3) und nach 2 Minuten einer Hybridisierung (Proben 5 und 6) dargestellt.
Beschreibung illustrativer Beispiele
Die vorliegende Erfindung wird in Bezug auf besondere Ausführungen und mit Bezugnahme auf bestimmte Zeichnungen beschrieben, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, sondern nur durch die Ansprüche. Die erläuterten Zeichnungen sind nur schematisch und nicht einschränkend. In den Zeichnungen kann aus illustrativen Gründen die Größe einiger der Elemente übertrieben und nicht maßstäblich gezeichnet sein. Die vorliegenden Erfindung wird hauptsächlich mit Bezug auf Nachweis von Ziel-DNA-Sequenzen beschrieben, aber die vorliegende Erfindung weist eine breitere Anwendung als nur DNA-Nachweis.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum Messen der Präsenz von Zielsubstanzen, wie zum Beispiel Zielmoleküle oder -materialien, insbesondere biologische Zielmoleküle und -materialien, welches einen quantifizierten Nachweis der Präsenz von Zielsubstanz auf einem Substrat gestattet. In einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist das Verfahren die folgenden Schritte auf: Binden einer Zielprobe an selektive Bindungsstellen auf dem Substrat, wobei die Zielprobe direkt oder indirekt mit Etiketten etikettiert wird; und Ausführen eines kapazitiven Abtastens der Präsenz der angebundenen leitenden Etiketten. Die Kapazitätsmessung wird vorzugsweise zwischen isolierten Elektroden ausgeführt.
Die Etiketten können in einem Aspekt leitende Etiketten sein. Die leitenden Etiketten können zum Beispiel ein Metall aufweisen, das heißt ein goldenes Nanokügelchen oder Mikrokügelchen, auf welchem eine leitende Substanz, beispielsweise ein Metall, abgeschieden oder ausgefällt wird, zum Beispiel Silber, ein Halbleiter (zum Beispiel Kohlenstoff-Nanoröhren oder -Polymer), oder die Etiketten können ein leitendes Molekül, eine magnetische oder ferromagnetische Komponente, eine bei einigen spezifischen Wellenlängen opake Substanz, oder irgendein Material, dessen physische Präsenz die zwischen zwei Elektroden gemessene Kapazität verändern kann, zum Beispiel durch Variieren des wirksamen Isolationsabstands zwischen oder des wirksamen Isolationsbereiches zwischen den Elektroden. Die Etiketten können auch irgendein Material sein, welches eine Generierung eines leitenden Etiketts gestattet, zum Beispiel ein Molekül, welches Silberabscheidung bzw. -ablagerung initiieren kann. Vorzugsweise werden die Etiketten in Echtzeit ohne Störung der Bindung der Zielsubstanz gebunden.
Mit den vorhandenen Lithografieverfahren, die von der Halbleiterfertigung her bekannt sind, können Elektroden einer Sensorvorrichtung eine Weite von 2 bis 1 μm aufweisen und 2 μm bis 1 μm auseinander angeordnet werden. In diesem Fall haben die leitenden Etiketten vorzugsweise einen Durchmesser von zumindest 400 bis 800 nm (das heißt zwischen 30% und 80%, vorzugsweise ungefähr zumindest 10% des Abstands zwischen zwei benachbarten Elektroden). Wenn die Etiketten kleiner als diese Größe oder nichtleitend sind, werden die Etiketten vorzugsweise auf leitende Etiketten von ungefähr der Abmessung, zum Beispiel durch Silberausfällung, vergrößert, damit eine einzelne gebundene Zielsubstanz abtastbar bzw. nachweisbar ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung muss ein einzelnes Korn nur bis auf eine Größe zwischen 400 nm und 1,5 μm erweitert werden, vorzugsweise auf eine Größe zwischen 600 nm und 800 nm, damit ein Nachweis eines einzelnen Korns ermöglicht wird.
Die Kapazitätsänderung während eines Bindens der etikettierten Zielmoleküle und/oder während nachfolgender Metallabscheidung kann kontinuierlich oder intermittierend gemessen werden. Da die Elektroden eine nichtleitende Oberfläche besitzen, fließt kein Gleichstrom (DC) und nur ein sehr geringer Wechselstrom (AC), und somit wird diese Lösung durch die Messung nicht beeinflusst.
Wie in 1A, 1B und 1C dargestellt ist, ist ein Substrat 7 selbst dazu fähig, selektiv eine Zielprobe 11 in einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zu binden. Geeignete Materialien zur selektiven Bindung von Zielproben 11 ohne Erfordernis zusätzlicher Materialien können gefunden werden in: „Diagnostic Biosensor Polymers", A. M. Usmani et al., Am. Chem. Soc. 1994. Das Substrat 7 kann auch mit Bindungsstellen 9, beispielsweise Bindungsmolekülen oder Antikörpern, versehen sein, welche eine Zielprobe 11 selektiv binden, wie zum Beispiel eine Zielmolekülspezies oder ein Antigen. Jedes biologische Molekül, welches an eine Matrix gekoppelt werden kann, ist von potenzieller Verwendung in dieser Anwendung. Es ist für den Fachmann verständlich, dass eine spezifische Substanz an einer Bindungsstelle benutzt werden kann, um eine Zielsubstanz nachzuweisen oder umgekehrt, das heißt, dass die Zielsubstanz an der Bindungsstelle verwendet werden kann, um Bindungssubstanzen zu binden, in diesem Fall tauschen die beiden Substanzen ihre Rollen. Beispiele des Zielmoleküls oder des Bindungsmoleküls sind:

– Nukleotidsequenzen: DNA, RNA doppelt- oder einsträngig oder DNA-RNA-Hybride, mit oder ohne Modifikationen, angebracht als solche an einer Matrix oder über ein Spacer-Molekül angebracht.
– Proteine oder Peptide wie auch andere komplexe Strukturen, die aus Aminosäuren gebildet sind, zum Beispiel Antikörper, DNA oder RNA bindende Proteine.
– Weitere biologische Moleküle wie zum Beispiel Zellmembranen, welche Rezeptoren oder isolierte Membranrezeptoren aufweisen können.
– Kleine Moleküle, wie beispielsweise Inhibitoren, Liganden, Pharmazeutika, Toxine, Herbizide, Pestizide, gebunden als solche an eine Matrix oder über ein Spacer-Molekül angebracht.

Die auf dem Gitter platzierten Stücke werden höchstwahrscheinlich Bibliotheken von Verbindungen sein, wie zum Beispiel Peptid-/Proteinbibliotheken, Oligonukleotidbibliotheken, Inhibitorbibliotheken.
Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten zur Anbindung von Etiketten 15 an die Zielprobe 11, Beispiele davon sind in 1A, 1B und 1C dargestellt.
In 1A ist eine mit einem oder mehr Etiketten, zum Beispiel leitende Etiketten 15, etikettierte Sensorsubstanz 13 dazu fähig, sich selektiv an eine Zielsubstanz 11 zu binden, wenn diese selektiv an die Bindungs- oder Einfangsubstanz 9 gebunden ist. Wenn zum Beispiel die Zielsubstanz 11 ein Protein ist, kann ein mit einem leitenden Etikett 15 etikettierter und zu einem ersten Epitop auf dem Protein spezifischer Antikörper als Etikettkombination 13, 15 benutzt werden. Ein zweiter zu einem unterschiedlichen Epitop spezifischer Antikörper kann für das Bindungsmolekül 9 verwendet werden. Sowohl monoklonale als auch polyklonale Antikörper können benutzt werden. Wie in 1A gezeigt ist, sind leitende Etiketten 15 indirekt an die Zielprobe 11 gebunden.
In 1B sind die Zielprobenmoleküle 11 direkt mit zum Beispiel leitenden Etiketten 15 etikettiert. Die leitenden Etiketten können auf die Zielmoleküle mittels eines Spacer-Moleküls aufgebracht sein, zum Beispiel an ein biotinisiertes DNA-Zielmolekül angebracht.
In 1C ist Zielprobe 11 mit ersten Etiketten 12 etikettiert. Eine solche etikettierte Zielprobe 11 (zum Beispiel biotinisierte DNA) ist selektiv an Bindungsstellen 9 gebunden. Ein Beispiel eines leitend etikettierten Sensormoleküls 13 weist einen Abtastmittel, zum Beispiel Streptadivin, auf, das mit einem leitenden Etikett 15 etikettiert ist. Das Abtastmittel kann sich selektiv an das Biotin-Etikett 12 an der Zielprobe 11 binden. In diesem Fall sind die Etiketten, zum Beispiel leitenden Etiketten 15, wiederum indirekt an die Zielprobe 11 gebunden.
Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung wird ein Abtasten durch kapazitives Messen zwischen Elektrodenpaaren ausgeführt, wobei der sensitive Bereich jeder Elektrode mit einer elektrisch isolierenden Schicht isoliert ist, zum Beispiel passiviert mit einer isolierenden Oberfläche, zum Beispiel ist die Elektrode aus Aluminium und ist anodisiert oder oxidiert, oder mit einem Isolationsmaterial, wie zum Beispiel Farbe oder Lack, beschichtet. Die komplexe Impedanz wird durch diese Isolationsschicht und Umgebungsmaterialien (Flüssigkeit oder Luft) gemessen.
Auf Grund der Isolationsschicht ist ein wirksamer Schutz gegen chemische Angriffe geschaffen, die während einer Trägerpräparation und einem DNA-Revealing auftreten. Anforderungen für den Passivierungslayer sind die folgenden: chemische und mechanische Robustheit, chemische Stabilität und hohe Dielektrizitätskonstante zur Erhöhung der Abtastdynamik und -empfindlichkeit. Weiterhin sind Elektrodenanordnung und -formation wie auch die Passivierung davon vorzugsweise leicht in einen Standard-IC-Halbleiterprozess einzuführen, zum Beispiel in einen CMOS-Prozess.
Die Elektroden können zum Beispiel aus Metall hergestellt sein, welches kein Edelmetall ist, wie beispielsweise Aluminium oder Kupfer oder jedes andere leitende Material, das mit Herstellung integrierter Schaltungen kompatibel ist, insbesondere ein solches, welches kein Edelmetall ist. Die Isolationsschicht kann eine oxidierte oder anodisierte Schicht davon oder die separate Abscheidung einer Isolationsschicht sein. Die Isolationsschicht sollte vorzugsweise eine gute elektrische Stärke aufweisen, welche eine geringe Dicke und eine hohe Dielektrizitätskonstante ermöglicht. Vorzugsweise wird ein elektrochemischer oder plasmaunterstützter Prozess (Anodisieren) zur Züchtung eines Schutzfilms aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) auf Aluminiumelektroden benutzt. Solche Elektroden mit einer dielektrisch beschichteten oder passivierten Oberfläche sind weitaus kompatibler mit konventionellen Prozessen für integrierte Schaltungen als die Elektroden aus dem Stand der Technik, die auf freiliegenden Edelmetallen wie Gold oder Platin basieren.
Ein Weg zur Herstellung der Vorrichtungen kann zum Beispiel der folgende sein. Zuerst wird ein Substrat 20 (2) bereitgestellt, zum Beispiel ein Bulk-<100>-Siliziumwafer mit niedriger Dotierungskonzentration (zum Beispiel Bor 1 × 10¹⁵ cm^–3). In Ausführungen der vorliegenden Erfindung kann der Begriff „Substrat" jedes zugrunde liegende Material oder Materialien einschließen, die verwendet werden können, oder auf denen eine Vorrichtung, eine Schaltung oder eine Epitaxieschicht gebildet werden kann. In anderen alternativen Ausführungen kann dieses „Substrat" ein Halbleitersubstrat, wie zum Beispiel ein dotiertes Silizium-, ein Galliumarsenid-(GaAs), ein Galliumarsenidphosphid-(GaAsP), ein Germanium-(Ge) oder ein Silizium-Germanium-(SiGe)Substrat einschließen. Das „Substrat" kann zum Beispiel eine Isolationsschicht bzw. einen Isolationslayer, wie beispielsweise ein SiO₂ oder ein Si₃N₄ zusätzlich zu einem Halbleitersubstratabschnitt aufweisen. So schließt der Begriff Substrat auch Substrate aus Silizium auf Isolator (SOI), Silizium auf Glas, Silizium auf Saphir (SOS) mit ein. Der Begriff „Substrat" wird somit benutzt, um im Allgemeinen die Elemente für Layer bzw. Schichten zu definieren, welcher einem Layer oder Abschnitten von Interessen zugrunde liegen. Das „Substrat" kann auch jede andere Basis sein, auf welcher ein Layer gebildet wird, zum Beispiel ein Glas- oder Metalllayer. Im Folgenden wird ein Prozessvorgang hauptsächlich mit Bezug auf Siliziumbearbeitung beschrieben, aber dem Fachmann ist bekannt, dass die vorliegende Erfindung basierend auf anderen Halbleiterwerkstoffsystemen implementierbar ist. Der Fachmann kann geeignete Materialien als Äquivalente der oben beschriebenen dielektrischen und leitenden Materialien auswählen.
Auf dem Substrat 20 wird ein Isolationslayer 22 vorgesehen, zum Beispiel werden 400 nm aus Siliziumoxid bei thermischer Oxidation in nasser Atmosphäre gezüchtet, wobei die gewünschten Isolations- und Oberflächeneigenschaften geschaffen werden, um ein gutes DNA-Einzelstrangbonding (Si-OH-Terminals) zu ermöglichen. Vorzugsweise wird dieser Isolationslayer aus einem Werkstoff mit einer niedrigen k-Zahl hergestellt. Idealerweise wird der Isolationslayer eine Befestigung der Moleküle gestatten, an welche sich die Zielprobe bindet. Ein Material mit niedriger k-Zahl kann poröses Siliziumdioxid sein. Dann werden die Elektroden 24, 26 (metallische Bereiche) hergestellt, zum Beispiel unter Verwendung eines Aluminium-Lift-Off-Prozesses, welcher der beste ist, um die Oberfläche des Isolationslayers 22 zu schützen. Schließlich werden die Elektroden 24, 26 vor der Möglichkeit einer chemischen Ätzung während einer DNA-Anbringung oder Beschädigung während einer Handhabung von einen Passivierungslayer geschützt. Der Passivierungslayer kann zum Beispiel durch Anodisieren oder durch Oxidieren des zugrunde liegenden Materials gebildet werden. Alternativ können weitere Isolationslayer gebildet werden, zum Beispiel Lacke oder Farben oder ein Oxidlayer oder ein Nitridlayer. Zum Beispiel im Fall der oben erwähnten Aluminiumelektroden können diese Elektroden unter Verwendung eines elektrochemischen Prozesses anodisiert werden, um zum Beispiel ein 100 nm dickes Aluminiumoxid zu bilden. Schließlich können die Rückseiten der Wafer (es ist nicht in allen Fällen erforderlich) endbearbeitet werden, wobei so die Rückstände von Siliziumoxid eliminiert und Aluminium für den Kontakt zugefügt wird, um die Messung der MOS-Kapazität zu ermöglichen.
Die Verwendung eines Silizium-auf-Isolator-(SOI-)Wafers mit Dünnfilmeinrichtungen bietet eine Entkopplung der Verarbeitung einer integrierten Schaltung 30 zur Steuerung der Messung (auf einer Seite des Wafers) von der Bildung der Abtastelektroden 24, 26 (auf der anderen Seite des Wafers nach Mikro-Materialbearbeitung eines Hohlraums 32 in dem zugrunde liegenden Siliziumsubstrat 34), wie in 3 illustriert ist. Hauptsächliche Vorteile einer solchen Lösung bestehen darin, dass die Bearbeitung des IC 30 vollständig separat von der Testbereichsoberfläche und den Elektroden 24, 26 ausgeführt werden kann. Der Chip 30 kann an Kontaktpads 36 extern kontaktiert werden, ohne die biologischen Testbereiche zu stören (zum Beispiel durch Flip-Chip-Packaging). Die Testbereichsoberfläche zur DNA-Bindung kann ebenes thermales oder poröses Siliziumdioxid oder ein anderer Isolationslayer (allgemeiner) 38 mit herausragenden Bindungseigenschaften sein (was weniger leicht auf der IC-Seite des Chips zu erreichen ist). Eine Bindung von Molekülen an Siliziumoxid und poröses Siliziumoxid wird in „Genomic fingerprinting using oligonecleotide arrays", von Kenneth L. Beattle, in „DNA-Markers", ed. G. Caetano-Anolies und P. M. Gresshof, Wiley-VCH, 1998, beschrieben. Der mikro-maschinell erstellte Hohlraum 32 kann von einem anderen Substrat (zum Beispiel Glas, Silizium – nicht in 3 dargestellt) mit Reaktionskammern und anderen Mikrofluidvorrichtungen zur Bildung einer Lab-On-A-Chip-Lösung verschlossen werden.
Alle die hierin oben angegebenen Prozesse und Materialien für die Herstellung der Vorrichtungen, außer für Anodisierung, werden bei einer CMOS-Technologie üblicherweise benutzt, wobei die Vorrichtung damit kompatibel gemacht wird und die Kosten niedrig sind.
Ein Weg zur Kostenreduktion kann darin bestehen, einen Dünnfilmtransistor-(TFT)MOS-Prozess (das heißt Polysiliziumtransistoren auf Glas, wie solche bei der Herstellung von Flachdisplays benutzt werden, deren Leistungsfähigkeit kompatibel mit den zu entwickelnden Schaltungen ist, aber welche größere Chipabmessungen bei geringeren Kosten ermöglicht) zu benutzen.
Ein vertikaler Querschnitt eines Abtasters gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 2 dargestellt. Die Elektroden 24, 26 können zum Beispiel ineinandergreifende Elektroden sein, eine Anordnung von parallelen Fingern, welcher paarweise adressierbar ist, eine Matrix von Spitzenelektroden, welche individuell in Paaren adressiert werden können, oder ein Array von gekreuzten Fingern sein, deren Schnittstellen individuell adressierbar sind.
Eine Draufsicht eines Arrays von ineinandergreifenden Elektroden 40, 42 mit parallelen Fingern 43, 44, 45, 46 ist in 4 gezeigt. Alle Finger 43, 45 bzw. 44, 46 zu einer Elektrode 40 bzw. 42 gehörend sind kurzgeschlossen. Mit der vorliegenden Erfindung können die ineinandergreifenden Elektroden 40, 42 so angeordnet werden, dass sie den gesamten Punktbereich abdecken. In diesem Fall werden mehrfache Kontaktpunkte zwischen den Elektroden 40, 42 und leitenden Etiketten 48 erlangt und simultan gemessen.
Eine Draufsicht auf ein Array von gekreuzten Fingern 50, 51, 52, 54, 55, 56, deren Schnittstellen durch Paare individuell adressiert werden können, ist in 5 dargestellt. In diesem Fall wird ein Eingabetestsignal auf eine Einzelleitung 50, 51, 52 aufgebracht, welche durch einen Y-Dekoder 58 ausgewählt ist, und das Ausgabesignal wird entweder auf allen X-Leitungen 54, 55, 56 gleichzeitig durch spezielle Interfaceschaltungen (nicht dargestellt) oder auf einer X-Leitung oder einer Anzahl von X-Leitungen sequenziell ausgelesen, wobei die X-Leitungen durch einen Ausgabe-X-Multiplexer 59 ausgewählt werden. Dieser Ausführung ist komplexer herzustellen als die Ausführung nach 4, da zwei Level von Metall erforderlich sind wie auch integrierte Matrixdekoder, Auswähler und Lese-Interfaceschaltungen. Ein Vorteil besteht darin, dass das Auslesen schließlich digitalartig ausführbar ist, das heißt, es kann geprüft werden, ob ein Etikett 48 auf jedem Bereich vorhanden ist, und die Anzahl von Etiketten 48 kann gezählt werden, um die Hybridisierung zu quantifizieren. Zudem kann ein möglicherweise beschädigter Teil der Matrix ermittelt und vor einer Hybridisierung ausgeschieden werden.
6 ist eine schematische Draufsicht auf eine Anordnung von parallelen Fingern 60, 61, 62, 63, welche durch Paare mittels einer Auswahleinrichtung 64 adressierbar sind. Dies ist eine Zwischenlösung der Ausführungen nach 4 und 5. Lange Leitungen werden wie in 4 benutzt, sie werden jedoch nicht an beiden Enden kurzgeschlossen, sondern sie werden durch Paare mittels eines Leitungswählers 64 adressiert. Ein Leitungswähler 64 kann an einem Ende (wie in 6) oder an beiden (wie in 7) vorhanden sein. Diese Ausführung erfordert nur einen einzigen Level von Metall, im Gegensatz zu der Ausführung nach 5, aber noch kann ein fehlerhafter Teil des Arrays ausgeschieden werden.
Ein Vorteil dieser Art von Abtastanordnungen ist der, dass eine Art von „gleitender Messung" ausgeführt werden kann: bei niedrigen Niveaus von Hybridisierung und Etikettierung kann die Messung zwischen dicht beabstandeten Elektroden erfolgen, wohingegen bei hohen Niveaus von Hybridisierung weiter beabstandete Elektrodenpaare ausgewählt werden können, um eine Sättigung der Messung zu vermeiden.
Es ist anzumerken, dass die Matrixanordnung nach 5 durch spezielle Wähler zur Kombination von zwei Fingerstrukturen wie in 6 konfiguriert werden kann, eine in jeder Leitungsrichtung X oder Y, mit Punktmessungen bei jeder X- oder Y-Lage.
Es ist auch möglich, die Kontaktelektrodenpunkte der Leitungen X und Y zu individualisieren, das heißt, jeden von ihnen von der Zwischenverbindungsleitung selbst zu isolieren, indem auf jeden Punkt der Matrix zugegriffen werden kann, zum Beispiel durch ein Array von MOS-Transistoren, deren Gates von auf Zwischenverbindungsleitungen aufgebrachte Signale gesteuert werden.
Die ineinandergreifenden Strukturen wie in 4 und 6-7 sind einfache, kostengünstige und wirkungsvolle Einrichtungen zur Erlangung einer kapazitätsartigen Abtastung. Zur Maximierung der Empfindlichkeit liegt die Größe der Elektrodenfinger (Breite + Abstand < 5 μm) vorzugsweise in der gleichen Größenordnung wie die Breite der aktiven Silberschicht, die bei Silberausfällung erhalten wird, zum Beispiel initiiert durch Nanokügelchen aus Gold, wobei resultierende Silberdomänen ungefähr 0,5–1 μm im Durchmesser sind. Die Größe von zu prüfenden Silberdomänen wird vorzugsweise klein gehalten, so dass keine lange Entwicklungszeit erforderlich ist. Die Elektroden können zum Beispiel auf Glas oder Si realisiert werden. In dem Fall von Si, sind die Elektroden 24, 26 zur Vermeidung eines direkten Stromflusses durch das Bulk-Substrat 20 von dem dotierten Siliziumsubstrat 20 durch einen Siliziumdioxidlayer 22 isoliert. Die Stärke dieses Oxids (zum Beispiel 400 nm thermales nasses Oxid) wird so hoch wie möglich gewählt, um Bulkeffekte zu minimieren, aber noch kompatibel mit einer kurzen Prozesszeit.
Auf Grund dieser Trägerstruktur weist die in dem Fall von keiner DNA-Bindung gemessenen Kapazität nur die parasitäre Kapazität des Trägers (Cboard) und den Beitrag des Fluids, zum Beispiel Luft oder Flüssigkeit, das die Finger umgibt, auf. (Die Zeichnung 8 zeigt auch den kleinen Widerstand Rel der Finger, aber dieser kann üblicherweise ignoriert werden).
Nach der DNA-Hybridisierung und zum Beispiel Silberetikettenausfällung wird die Passivierungskapazität Cel in dem äquivalenten Schaltkreis (9) in Betracht gezogen, welche mittels des leitenden etikettierten Layers (Rlayer Widerstand) parallel mit der parasitären Kapazität verbunden ist.
Simuliert durch ein RC-Serienblockschaltbild stellt das obige Modell eine Frequenzabhängigkeit mit drei deutlichen Bereichen dar:

– bei niedrigen Frequenzen dominiert die Impedanz von Cel den Layerwiderstand und die global gemessene Kapazität ist die Summe der Hälfte der Passivierungskapazität und der parasitären Kapazität;
– bei hohen Frequenzen fließt der größte Teil des Stroms in die parasitäre Kapazität mit niedriger Impedanz, und die gemessenen Werte stabilisieren sich bei Cboard;
– um eine Zwischenfrequenz herum wird die Gesamtimpedanz hauptsächlich resistiv (Silberlayerwiderstand).

Da die Zwischenfrequenz eine Funktion des Layerwiderstands ist, kann eine Frequenzabtastung mit sehr hohe Empfindlichkeit in Betracht kommen (Impedanz- oder Kapazitätsspektroskopie).
Vor der Ausfällung der metallischen Etiketten ist Rlayer unendlich. Mit Ausfällungen reduziert die physikalische Präsenz der Etiketten Rlayer gemäß der Dichte der Etiketten und daher gemäß dem Niveau der Hybridisierung.
Ein Abtaster gemäß der vorliegenden Erfindung misst nicht eine Änderung eines elektrischen Parameters auf Grund einer Änderung der dielektrischen Eigenschaften hybridisierter DNA allein. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein leitendes Etikett eingeführt, dessen Präsenz die Kapazität des Mediums zwischen den Elektroden beeinflusst. Oder, mit anderen Worten, die Kapazitätsänderung wird nicht von einer Änderung einer Permittivität des Mediums zwischen den Elektroden diktiert, sondern durch eine Änderung der physikalischen Dimension oder Separation zwischen den Elektroden bewirkt durch die Bildung eines leitenden Teils.
Der Kapazitätsabtaster ist auf die Miniaturisierung der vorgeschlagenen Testbereiche gut angepasst. Der Abstand zwischen zwei Elektroden ist auf eine Abmessung verringert, welcher mit der Größe eines einzelnen leitenden oder metallischen Etiketts (zum Beispiel 0,5 μm bis 1 μm in dem Fall von Silberausfällung, möglicherweise kleiner in anderen Fällen) vergleichbar ist. Die Kapazitätsmessung kann mit jeder geeigneten Technik ausgeführt werden, zum Beispiel Aufbringen einer sinusförmigen Spannung im eingeschwungenen Zustand und Messen von Strom und Spannung, oder Aufbringen einer Stufenspannungsfunktion und Messen der dynamischen Antwort. In einer bevorzugten Ausführung wird ein spezifisches Signal auf eine Elektrode aufgebracht, und das resultierende Signal wird an der anderen Elektrode eines Paares überwacht. Der Vorteil von eng beabstandeten Elektroden besteht darin, dass die Hybridisierung und Etikettierung eines einzelnen DNA-Strangs mit einem leitenden Etikett ausreichend ist, um eine Änderung im Kapazitätswert zwischen den Elektroden zu registrieren.
Gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung, wie in 10 und 11 gezeigt ist, kann eine dritte Elektrode 80 unter den beiden vorherigen Elektroden 24, 26 eingebaut und von diesen isoliert werden. In diesem Fall kann die zwischen der ersten Elektrode 24 und der zweiten Elektrode 26 ausgeführte Kapazitätsmessung durch eine Kapazitätsmessung ergänzt werden, welche zwischen der dritten darunter liegenden Elektrode 80 und einer Elektrode aus der ersten Elektrode 24 oder der zweiten Elektrode 26 oder beiden im Kurzschluss ausgeführt wird. Wiederum wird sich der zwischen erster und zweiter Elektrode 24, 26 und dritter Elektrode 80 gemessene Kapazitätswert durch die Präsenz des leitenden Etiketts 48 erheblich ändern, welche sich zu der wirksamen Fläche des Kondensators addiert. Wenn keine Etiketten 48 vorhanden sind, ist der wirksame Kopplungsbereich auf die ausgelegten Elektrodenüberlappungen begrenzt. Wenn Etiketten 48 vorhanden sind, addieren sich ihre Bereiche zu der Überlappung hinzu. Um die Diskriminierung zu erhöhen kann der Isolationslayer 22 zwischen der dritten Elektrode 80 und den oberen Elektroden (erste Elektrode 24 und zweite Elektrode 26) dicker unter der ersten und zweiten Elektrode 24, 26 (woraus sich eine kleiner Kapazität ergibt) und dünner unter den Etiketten 48 (woraus sich eine größere Kapazität ergibt) ausgelegt werden.
Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung kann eine Kapazität zwischen zwei Elektroden einer kapazitiven Sensorvorrichtung als eine Funktion einer Frequenz gemessen werden. Das Ergebnis zeigt drei Zonen:

– bei niedrigen Frequenzen ein kapazitives Verhalten mit einem hohen Wert in Bezug auf die Dicke des Dielektrikums, welches oben auf den Elektroden liegt;
– bei Zwischenfrequenzen ein resistives Verhalten, dessen Wert sich auf den Widerstand des leitenden Layers bezieht;
– bei hohen Frequenzen ein kapazitives Verhalten, dessen niedriger Wert zu dem anfänglich kalibrierten Wert (das heißt ohne Etikett) korrespondiert.

Eine vollständige Frequenzantwort erbringt deshalb viel mehr Informationen über die Etikettendichte als die reine DC-Kapazitätsmessung.
Gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung ist eine Multisensortechnik implementiert (es ist anzumerken, dass dies auch schon der Fall mit den drei Elektroden der 10–11 ist, welche die Messung von zwei kapazitiven Signalen ermöglichen), bei welcher unterschiedliche Signale aus den gleichen Testbereichen unter Verwendung von zumindest einer ergänzenden Anregung ausgelesen werden können, und wobei ein Auslesen gleich nach der kapazitiven Messung erfolgt. Die unterschiedlichen Ausgabesignale können korreliert werden, um Störungen zu unterdrücken und um die Gesamtempfindlichkeit zu vergrößern.
Eine einzelne Struktur, wie zum Beispiel ein MOS-Transistor oder auch ein einfacher diffundierter Widerstand, der in dem Substrat 20 von 11 oder in dem Layer 30 von 3 angeordnet ist, kann ein Vielzwecksensor zur Erlangung unterschiedlicher Signale von der gleichen etikettierten DNA werden, wenn er unterschiedlichen Anregungen ausgesetzt wird, wenn die Etiketten zumindest zwei der drei folgenden Eigenschaften aufweisen:

– Wenn die Etiketten leitend sind, können sie ein wirksames Gate oben auf dem Gatedielektrikum bilden, welche elektrisch an die oberen Elektroden 1 oder 2 (11) gekoppelt werden kann, wodurch eine Änderung der Leitfähigkeit der darunter liegenden Halbleitervorrichtung erfolgt.
– Wenn die Etiketten magnetisch sind, wird sich ein Hall-Effekt in dem Halbleiter entwickeln und eine wirksame Leitfähigkeit wird ebenfalls beeinflusst. Wenn im Gegensatz dazu die Etiketten eine wirksame Abschirmung gegen ein externes magnetisches Feld schaffen, könnte seine Abwesenheit abgetastet werden, wenn die DNA hybridisiert und etikettiert ist.
– Wenn die Etiketten opak sind, wird Licht in der Halbleitervorrichtung Überschussträger generieren, wenn einen DNA nicht hybridisiert ist, wobei sich so die Leitfähigkeit ändert. Zum Beispiel können CMOS-kompatible Fotodetektoren benutzt werden, welche durch Siliziumoxid bedeckt sind, auf welchem DNA immobilisiert werden kann. Nanopartikel aus Gold und Silberausfällung kann verwendet werden, um einen dichten opaken Layer zum Revealing der hybridisierten DNA zu bekommen. Messungen werden vor und nach einer DNA-Hybridisierung ausgeführt, oder besser gegen einen Referenz-Fotodetektor desselben Chips, welcher niemals einer DNA-Hybridisierung oder Etikettierung unterzogen wird, mit exakt dem gleichen Lichtaussetzungsbedingungen. Die Differenz von gemessenen Fotoströmen ist direkt mit der Opakheit des Silberlayers und somit der DNA-Hybridisierung verbunden.
– Wenn die Etiketten radioaktiv sind, kann die Präsenz der Etiketten durch Messung radioaktiver Emissionen unter Verwendung eines Geigerzählers oder Exponieren eines sensitiven Films, beispielsweise ein fotografischer Film, in die emittierte Strahlung. Nach Entwicklung des Films kann die Lokalisation der Etiketten bestimmt werden.

Bei einer Abtasttechnik gemäß der vorliegenden Erfindung kann basierend auf leitenden Etiketten, welche die Kapazität zwischen zwei Elektroden ändern, eine Zahl von Messwandlerschaltkreisen implementiert werden, um die Kapazitätsvariationsinformation in eine Spannung oder einen Strom umzuwandeln, welche einfacher zu verarbeiten sind:

– Ein Basisschaltkreis weist eine aktive Operationsverstärker-Inverterkonfiguration mit einem Eingangskondensator und einem Rückkopplungskondensator auf (von denen einer die zu prüfende Kapazität und der andere ein fester Kapazitätswert ist), bei welchem die Ausgangsspannung durch die Eingangsspannung multipliziert mit dem Verhältnis der Eingangskapazität zu der Rückkopplungskapazität gegeben ist. In diesem Fall würde ein derartiger Schaltkreis höchstwahrscheinlich als ein Reihen- oder Spaltendetektor an dem Ende von zum Beispiel jeder Leitung der XY-Matrix nach 5 mit einem Multiplexer für einen Satz von Leitungen benutzt werden. Diese Lösung ist maximal, wenn der feste Kapazitätswert gemäß dem Niveau der Hybridisierung gewählt werden kann (das heißt nahe einem Wert gleich demjenigen der unbekannten Kapazität) oder wenn die Eingangsspannung in ähnlicher Weise angepasst werden kann.
– Ein weiterer Basisschaltkreis weist eine fest Stromquelle auf, die den unbekannten Kondensator während einer vorgegebenen Zeit auflädt, und eine Rückstellvorrichtung, welche den Kondensator periodisch entlädt, wobei die Ausgangsspannung des Kondensators am Ende der Ladeperiode eine Funktion des festen Vorspannungsstroms ist. Er kann unter Verwendung eines Pixelverstärker für jede individuellen Testbereiche wie in einer APS-Schaltung einer CMOS-Kamera ausgelesen werden. Es ist dann möglich, den Ladestrom oder die Ladeperiode an das Niveau der Hybridisierung so anzupassen (das heißt den Wert der Kapazität), dass die Auflösung erhöht wird. Doppeltes Sampling, korreliertes doppeltes Sampling und andere Techniken können ebenfalls implementiert werden, um den Einfluss auf Grund von Störungen, Offsets etc. zu unterdrücken.
– Ein dritter Schaltkreis ist ähnlich einer DRAM-Architektur, das heißt, jeder Testbereich kann durch einen Schalter mit einer Busleitung verbunden werden. Wenn der Schalter aktiviert ist, kann die Testbereichskapazität eingeschrieben oder ausgelesen werden. Der Unterschied zu einem DRAM ist der, dass hier die Kapazität keinen konstanten festen Wert besitzt. Dies kann jedoch durch Überwachung des Niveaus des Signals gemessen werden, welches der Busleitung zum Lesen oder Schreiben der Zelle zugeführt wird. In diesem Fall können Stromabtasttechniken am wirksamsten sein.
– Eine Anzahl von Testbereichskapazitäten können als eine Bank von seriellen oder parallelen Kapazitäten angeordnet werden, welche gleichzeitig wie in ADC-Techniken zur Bestimmung von mit Schwellenwerten zu vergleichenden Signalen adressiert werden, direkt ein binäres Wort zu generieren, welches das analoge Signal repräsentiert. Bei ADCs ist das Eingangssignal unbekannt und die Kapazitäten sind konstant; hier würde ein unbekanntes Signal unbekannten Kapazitäten zugeführt.

Es ist zu beachten, dass die obigen Messwandlerschaltkreise kompatibel mit Folgendem sind: der Erfassung bei hoher Geschwindigkeit vieler aufeinander folgender Messungen während der Evolution der Reaktionen, Liefern von zeitvariierenden Signalen, welche dann durch adäquate Algorithmen zur Erweiterung der Störunterdrückung und somit der Empfindlichkeit und der Spezifität der Abtastung verarbeitet werden können.
Außerdem wird die Leistungsfähigkeit aller dieser Ausleseschaltungen in der oben erwähnten SOI-Technologie signifikant besser als in jedem vergleichbaren anderen CMOS-Prozess.
Beispiel
Materialien und Prozesse
P-dotierte Standard-Siliziumwafer wurden benutzt, um die Chips gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen. Um die Elektroden von dem Substrat zu isolieren und die parasitären Bulkeffekte zu senken, wurde ein 400 nm starkes nasses Oxid (SiO₂) gezüchtet – in der Tat zeigten vorhergehende Experimente, dass diese Art von Material die Bindung von DNA an den Träger vergrößert. Die Wachstumstemperatur und -zeit des SiO₂ waren jeweils 1000°C und 1 h 16 min. Um ein reines nasses Oxid zu garantieren, wurde eine kurze Verzögerung von nur ungefähr 1 Minute zwischen einer Öffnung von Sauerstoff- und Wasserstoffventilen gelassen.
Die Elektroden wurden mit reinem Aluminium mittels eines Lift-Off-Prozesses erstellt. Dies wurde einem Ätzverfahren vorgezogen, da vorhergehende Tests eine unspezifische Silberausfällung auf einem 240 nm dicken Siliziumoxid in dem zweiten Fall nach Abscheidung und Plasmaätzen von 1 μm von {Al + 2% Si} zeigten. Bei dem Lift-Off-Prozess wurde eine Aluminiumstärke von 500 nm benutzt, und Salpetersäure wurde für das Fotoresistätzen verwendet.
Auf der Rückseite wurden die Chips auch mit reinem Aluminium (300 nm dick) beschichtet, um einen guten elektrischen Kontakt zu dem Bulk sicherzustellen.
Schließlich wurde ein elektrolytisches Anodisierverfahren verwendet, um die Chips zu passivieren, was die Herstellung von Kathoden mit sich brachte. Zum Beispiel besteht eine Kathode aus einem einfachen Wafer, der mit Aluminium auf beiden Seiten bedeckt ist (500 nm und 300 nm jeweils vorn und hinten).
Mit Bezug auf den Anodisierungsprozess wurde ein Elektrolyt wie hiernach angegeben benutzt:

– Lösungsmittel Glykolethylen (OH-CH2-CH2-OH): 1 Liter
– Borsäure (H3BO3): 237 g
– Ammoniumhydroxid, konz. 30% (NH4OH): 89,5 ml

Die Wafer, welche die zu oxidierenden Chips beinhalten wurden parallel vor den Kathoden mit einer Lücke von 3 cm angeordnet. Die Betriebsstromdichte wurde auf 1 mA/cm² festgesetzt, und eine maximale Spannung von 73 V wurde gewählt, um ein 100 nm starkes Aluminiumoxid zu erhalten. Die Verbindung der Wafer mit dem externen positiven Schlitz des Generators wurde mittels eines Clips realisiert, welcher auf einem Gesamtversorgungspad nahe der Kollektorlamelle aufgebracht wurde. Alle Chips sind daran angeschlossen (1).
Die Sensoren
Die Notationen der ineinandergreifenden Elektrodenabmessungen erscheinen in 12. Die Höhe der Finger ist hFing = 500 nm.
Die Gesamtgröße eines Sensors ist Lc = 1 = 400 μm (Durchmesser eines Roboterpunktplots), und alle getesteten Sensoren hatten gleiche Fingerbreiten und -abstände: Wel = Wsp.
3 charakteristische Längen der Sensoren waren: L = 2 μm, 4 μm und 6 μm. Dies korrespondiert zu Fingerbreiten und -lücke Wel = Wsp = jeweils 1 μm, 2 μm und 3 μm.
Die getesteten Biochips waren 1 cm lang und 2 mm groß. Drei Sensoren wurden auf einem Chip an einem Ende platziert und mit den Bonding-Pads auf dem anderen verbunden. Da die Messung ein Vierpunktverfahren verwendete, gab es zwei Leitungen und zwei Verbindungspads pro Elektrode, wie in 13 gezeigt ist – das heißt 4 Leitungen und Pads pro Sensor oder 12 einen gesamten Chip.
Die langen Verbindungsleitungen waren 30 μm groß und die Pads hatten Abmessungen von 200 × 200 μm². Alle diese zusätzlichen Bereiche waren auch passiviert.
Messungen und Ergebnisse
Zur Durchführung der Messungen wurde ein RLC-Meter HP4275A mit eingebauten RC-Serien Extraction Mode benutzt. Der Testaufbau arbeitete mit einem 4-Sonden-Verfahren zur Eliminierung der parasitären Elemente der Verbindungsleitungen, welches gut an die 4 Bonding-Pads der Biosensoren gemäß der vorliegenden Erfindung angepasst ist. Die Versuche wurden in der Dunkelheit eines metallischen Käfigs durchgeführt; die externen Schlitze des Käfigs waren an die Eingänge/Ausgänge des HP-RLC-Meters mittels einfacher 50 Ω Koaxialkabel angeschlossen und ungefähr 1 Meter lang.
Die Spannungsamplitude des Oszillators (0 bis Spitze), benutzt von dem HP-RLC-Meter zur Eingabe des Abtaststroms, wurde auf V_OSC = 100 mV eingestellt, um die Präzision zu maximieren, während die parasitären Bulkeffekte abgesenkt wurden, was als eine Modulation der Verarmungs-/Inversionslayer unter den Elektroden erscheint.
Die Präsenz von DNA wurde nach einem Revealing mit Nanopartikeln aus Gold und Silberverstärkung nachgewiesen. Silberausfällung über den Elektroden baute eine metallische Brücke entweder teilweise oder vollständig zwischen den metallischen Fingern, wobei auch ein Zugriff auf die Kapazität des Passivierungslayers gegeben wurde. Tests wurden mit 2 DNA-Konzentrationen (+ Zeugen für falsches Auslesen) und 2 Verstärkungszeiten durchgeführt.
Als ein Kalibrierverfahren wurden zuerst 3 Messungen auf den „geöffneten" Strukturen vervollständigt, wobei keine ineinandergreifende Finger vorhanden waren, das heißt, welche nur die Zugriffsleitungen und Bonding-Pads enthielten. Der Durchschnitt dieser 3 Kurven gab eine Kalibrierungsreferenz (gestrichelte Linie in 14). Mit diesem Verfahren wurde dann die parasitäre Kapazität langer Leitungen, von Bonding-Pads und Zugriffskabeln von allen Ergebnissen vor einer Auswertung subtrahiert. 14 illustriert die erhaltenen Kalibrierresultate.
Um die Ergebnisse von keiner vorhandenen DNA zu vollständiger Silberausfällung zu vergleichen erfolgte die gleiche Art von Messungen auch in Luft bei jedem Sensortyp – L = {2, 4, 6} μm jedesmal unter Verwendung von 3 Proben. Auch ein Durchschnitt dieser 3 Kurven bildet eine erste Referenz pro Sensor (gestrichelte Linien in den Graphen, 15).
Es ist anzumerken, dass das Bulkpotenzial auf Vb = 0 V während aller Versuche beibehalten wurde, indem es direkt an die Abschirmung des HP4275A angeschlossen wurde.
Eine Gesamtzahl von 6 Biochips wurde Silber ausgesetzt. Die folgende Tabelle fasst die benutzten DNA-Konzentrationen und die Aussetzungszeiten zu Silber zusammen. Die Kontrollproben waren Proben, welche nicht mit DNA hybridisiert waren, aber irgendwie in die Silber-Revealing-Lösung zur Steuerung des Hintergrundrauschens des Experimentes gebracht wurden.

Chip-Probe Nr. 1 2 3 4 5 6

DNA-Konzentration (nMol) 0 (Kontrolle) 0,2 20 0 (Kontrolle) 0,2 20

Silber Revealing Zeit 2 min 30 sec 2 min

Korn-Auftreten Kristalle Kugeln
Für eine Enthüllungszeit von 2 min 30 sec (15A, 15B und 15C Proben 1 und 3) erfassen die Sensoren mit L = 2 μm und 6 μm eine signifikante Verschiebung der Kapazität zwischen 1 und 10 pF für Konzentrationen von 0; 0,2 und 20 nMol. Die bei keiner vorhandenen DNA gemessene Kapazität (Probe 1) liegt nahe am Durchschnitt der 3 Sensoren in Luft, und ist klein in allen Fällen. Wenn die DNA-Dichte hoch ist (Probe 3), geben alle Sensoren den gleichen Wert für die Kapazität (≈ 8 pF, siehe 15A, 15B, 15C). Es ist festzuhalten, dass dieser maximale Kapazitätswert theoretisch höher sein kann (≈ 30 pF), aber der DNA-Punkt bzw. Spot bedeckte nicht den gesamten Bereiche der Sensoren.
Mit Bezug auf Empfindlichkeit bieten kleine Strukturen – mit L = 2 μm – eine höhere Diskriminierung zwischen den drei Konzentrationen. Dies kann gerechtfertigt sein durch die Tatsache, dass kleine Finger einen dünneren Layer über der Oberfläche scannen und eine kleinere Menge von Silberkörnern zwischen ihnen erfassen können.
Auf 4 μm – Strukturen gibt es keine vollständigen Ergebnisse für ein 2 min 30 sec Revealing, aber es wurde zumindest verifiziert, dass die erlangte höhere Kapazität die gleiche ist. 15C illustriert die Tatsache, dass eine kurze Revealing-Zeit von 2 Minuten nicht ausreichend ist, um eine signifikante Modifikation der Kapazität zu erfassen (Proben 5 und 6).
Die vorliegende Erfindung zeigt einen oder mehrere der folgenden Vorteile. Die Verwendung von Etiketten, viel größer als die ursprünglichen Ziele, lässt die Vorrichtung und das Verfahren von den Herstellungseinschränkungen verbunden mit den Nano-Dimensionen der Zielmoleküle selbst, beispielsweise DNA, und gestattet die Verwendung einer weniger fortgeschrittenen Prozesstechnologie mit folgenden geringeren Kosten. Die Etiketten ändern die physikalische Natur der Zielnachbarschaft, und die durch diese Änderung bewirkte Interferenz der geometrischen Lücken, welche die Elektroden trennen, beeinflusst die Kapazität.
Die Verwendung von Etiketten mit einer zweiten Eigenschaft zusätzlich zur Leitfähigkeit, zum Beispiel ein opaker Zustand, ermöglicht eine Untersuchung durch komplementäre Abtastverfahren, wie beispielsweise optische Abtastverfahren und Vorrichtungen. In Übereinstimmung mit Ausführungen der vorliegenden Erfindung können verschiedene Arten von Abtastprinzipien angewendet werden (zum Beispiel elektrisch + Pixel + optisch).
Gegenseitige Beeinflussung zwischen den Etiketten und den Elektroden innerhalb des Abtastbereiches ist gesichert, zum Beispiel Selbstausfällung von Silber auf reinem Metall zum Beispiel wird vermieden.
Die Verfahren und Vorrichtungen der vorliegenden Erfindung sind CMOS- und biokompatibel, zum Beispiel keine Verwendung von Edelmetallen wie Gold, aber eher die Verwendung eines Metalls wie zum Beispiel Aluminium. Dies wird erreicht durch die Elektroden von Sensoren in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, welche vollständig isoliert von der Lösung und folglich biokompatibel sind. Zum Beispiel wird ein dielektrisches Passivierungsmaterial benutzt, welches einen Bindungslayer wie auch einen Abtastparameter bilden kann und die Elektroden vor jedweden parasitischen chemischen Reaktionen schützt.
Eine Verwendung passivierter Elektroden mit keinem ohmschen Kontakt zu den biologischen Proben erleichtert den Nachweis von leitenden Etiketten durch kapazitive Kopplung (da es einen kleinen oder keinen Effekt parasitischen Kontaktwiderstands, elektrolytischen Widerstands gibt). Die Sensoren der vorliegenden Erfindung stellen auch adressierbare Pixelarrays bereit.

Claims

Verfahren zur kapazitiven Erfassung der Präsenz einer Zielprobe (11) auf einem Substrat (7), welches die folgenden Schritte aufweist: – Binden einer Zielprobe (11) an selektive Bindungsstellen (9) auf dem Substrat (7), wobei die Zielprobe (11) direkt oder indirekt mit Etiketten markiert ist und infolgedessen eine markierte Zielprobe bildet, – Abtasten der Präsenz von an eine Bindungsstelle (9) gebundenen Etiketten, um dadurch die Präsenz der Zielprobe (11) zu bestimmen, dadurch gekennzeichnet, dass die Zielprobe (11) mit leitenden Etiketten (15) markiert ist und der Abtastschritt durch die nicht ohmsch kontaktierende, kapazitive Erfassung der Präsenz von leitenden Etiketten (15) durch das Messen einer Veränderung der Kapazität zwischen einem Satz an mindestens zwei Elektroden (24, 26) nach dem Binden der markierten Zielprobe an das Substrat (7) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, welches vor dem Bindungsschritt zudem einen Schritt zum Messen der vorläufigen Kapazität aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, welches zudem einen Schritt zum Vergleichen der vorläufigen Kapazität mit der während dem Abtastschritt gemessenen Kapazität aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Etiketten (15) vor oder während dem Abtastschritt gebildet oder vergrößert bzw. erweitert werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Etiketten (15) durch eine Silberfällung eines Metalls gebildet oder erweitert werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kapazität als Häufigkeitsfunktion zum Erhalten eines Wertes gemessen wird, welcher für eine elektrische Widerstandseigenschaft des leitenden Etikettes (15) repräsentativ ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Gesamtimpedanz gemessen wird und der Realteil der Gesamtimpedanz zusätzlich zum kapazitiven Teil verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches zudem einen Schritt zur optischen Erfassung der Präsenz des Etiketts (15) aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, welches zudem einen Schritt zur Erfassung magnetischer oder radioaktiver Emissionen der Präsenz des Etiketts (15) aufweist.
Kapazitive Sensorvorrichtung zum Bestimmen der Präsenz einer Zielprobe (11), wobei die kapazitive Sensorvorrichtung Etiketten (15), welche mit der Zielprobe (11) direkt oder indirekt koppelbar sind, wobei ein Substrat (7) eine Zielprobe (11) an einer Bindungsstelle (9) selektiv binden kann oder an demselben eine Bindungsstelle (9) angebracht hat, welche eine Zielprobe (11) selektiv binden kann, ein kapazitives Sensorelement (24, 26) und eine Abtastschaltung (30) zum Bestimmen der Präsenz einer an die Bindungsstelle (9) gebundenen Zielprobe (11) durch das Anlegen von elektrischen Signalen an das kapazitive Sensorelement (24, 26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Zielprobe koppelbaren Etiketten leitende Etiketten (15; 48) sind und das kapazitive Sensorelement einen Satz an mindestens zwei Elektroden (24, 26) mit nichtleitenden Oberflächen in einem Bereich aufweist, welcher mit der Bindungsstelle assoziiert wird.
Kapazitive Sensorvorrichtung nach Anspruch 10, wobei sich der Wert der Zwischenkapazität der Elektroden (24, 26) beim Erfassen der Präsenz von leitenden Etiketten (48), zumindest wenn an die Zielprobe gekoppelt, verändert.
Kapazitive Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei der Satz an Elektroden eine Anordnung von parallelen Fingern (60, 61, 62, 63) ist, welche paarweise einzeln adressiert werden können
Kapazitive Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei der Satz an Elektroden ineinandergreifende Elektroden (40, 42) mit parallelen Fingern (43, 44, 45, 46) ist und alle Finger (43, 45; 44, 46), welche zu einer Elektrode (40; 42) zugehörig sind, kurzgeschlossen werden.
Kapazitive Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei der Satz an Elektroden eine Anordnung von gekreuzten Fingern (50, 51, 52, 54, 55, 56) ist, deren Schnittstellen paarweise einzeln adressiert werden können.
Kapazitive Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei der Satz an Elektroden eine Matrix aus Spitzenelektroden ist.
Kapazitive Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei eine dritte Elektrode (80) von dem Satz an mindestens zwei Elektroden isoliert vorgesehen ist, welche die Messung eines zweiten Satzes an kapazitiven Werten ermöglicht.
Kapazitive Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, wobei die Präsenz des leitenden Etiketts (48) ein Gate einer MOS- oder EEPROM-ähnlichen Struktur erzeugt, welche im Halbleiter unter den Bindungsprüfstellen eingebettet ist.
Kapazitive Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, wobei der Abstand zwischen den Elektroden (24, 26) auf ein mit der Größe eines einzelnen Etiketts (48) vergleichbares Maß verringert wird.
Kapazitive Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, welche zudem eine Komparatoreinheit aufweist, wobei die Ausgänge des ersten und zweiten kapazitiven Abtastelements (24, 26) oder der ersten und zweiten Gruppe an kapazitiven Abtastelementen der Komparatoreinheit zugeführt werden.
Kapazitive Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 19, welche zudem einen optischen Detektor zum Bestimmen der Präsenz der Zielprobe (11) aufweist.
Kapazitive Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 10, welche zudem einen Sensor für magnetische oder radioaktive Emissionen zum Bestimmen der Präsenz der Zielprobe (11) aufweist.
Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 21, wobei die Elektroden (24, 26) aus einem Metall bestehen.
Kapazitiver Sensor nach Anspruch 22, wobei das Metall ein Nichtedelmetall ist.
Kapazitiver Sensor nach einem der Ansprüche 10 bis 23, wobei die nichtleitenden Oberflächen eine Oxidschicht, eine Nitridschicht, eine Farbe oder ein Lack sind.