DE69825817T2

DE69825817T2 - Elektrodentragvorrichtung bestehend aus mindestens einer Elektrode mit Überzug und System zum lesen

Info

Publication number: DE69825817T2
Application number: DE69825817T
Authority: DE
Inventors: Jean-Frederic Clerc
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1998-06-04
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2018-06-05
Also published as: FR2764386A1; US6144023A; FR2764386B1; EP0882979B1; EP0882979A1; JPH1131806A; DE69825817D1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektrodenträger mit wenigstens einer mit einer Abscheidung überzogenen Elektrode sowie ein System zum Ablesen dieses Trägers.
Die Erfindung findet Anwendung insbesondere bei der Herstellung von Sensoren oder anderen miniaturisierten empfindlichen Elementen, in denen Chips mit einer großen Anzahl Elektroden realisiert werden müssen.
Diese Elektroden müssen, um in dem Sensor oder empfindlichen Element an ihre spezifischen Funktionen angepasst zu sein, mit spezifischen Materialien überzogen werden.
Die Erfindung wird zum Beispiel bei der Herstellung von miniaturisierten Elementen wie etwa "Biochips" angewendet, die Chips sind, die einen auf einem Substrat realisierten elektrischen Schaltkreis wie etwa ein Elektrodenfeld umfassen sowie einen an der Oberfläche des Chips realisierten biologischen Teil.
In diesem Beispiel werden auf den Elektroden chemische Verbindungen abgeschieden, die mit den biologischen Produkten kompatibel sind.
Stand der Technik
Bekannt sind Elektrodenträger, die aus Silicium sind und aktive Elemente umfassen, die durch eine entsprechende Adressierung eine elektrochemische Abscheidung auf diesen Elektroden ermöglichen.
Zudem benutzen die zugeordneten Systeme, die ermöglichen, abzulesen was auf den Elektroden abgeschieden wurde, eine Lichtquelle, welche die Oberseite der Elektroden beleuchtet, und Lichtdetektionseinrichtungen, die den Elektroden gegenüberstehen und optischen Einrichtungen zugeordnet sind.
All dies ist in den 1 bis 3 der beigefügten Zeichnungen schematisch dargestellt.
Man sieht in der 1 ein Substrat 2, zum Beispiel aus Silicium.
Die Oberseite dieses Substrats 2 wird durch das Pfropfen von Sonden-Molekülen funktionell gemacht.
Zudem wird diese Oberfläche selektiv funktionell gemacht durch selektive Adressierung einer unter einer Vielzahl unabhängiger Elektroden E1, E2, E3 und E4 ausgewählten Elektrode, zum Beispiel der Elektrode E2, während die anderen Elektroden nicht ausgewählt werden.
Die Adressierung einer Elektrode entspricht dem Anlegen einer Spannung an diese Letztere, die sich von der Bezugsspannung eines nicht dargestellten Bads unterscheidet, in dem die Sonden-Moleküle verdünnt werden.
Diese sich von der Bezugsspannung unterscheidende Spannung muss ausreichend hoch sein, um entweder ein Metallisierungsphänomen (im Falle einer Verwendung leitfähiger Polymere des Typs Polypyrrol oder Polyanilin, die Träger von Sonden-Molekülen sind), oder einen irreversiblen Ladungstransfer (im Falle einer kovalenten Pfropfungsreaktion) zu verursachen.
Diese Adressierung erhält man, indem man auf der Oberfläche des Substrats 2, wo sich die Elektroden befinden, eine Steuerschaltung 4 realisiert.
In dem Beispiel der 1 ist diese Steuerschaltung 4 ein Demultiplexer, der über elektrische Leitungen 6 und 8 Daten hoher Wertigkeit und Daten niedriger Wertigkeit empfängt und der die vier unabhängigen Elektroden E1, E2, E3 und E4 jeweils durch vier Transistoren T1, T2, T3 und T4 steuert.
Man sieht in der 1 auch eine Leitung 9, die ermöglicht, an die Sourcen der Ausgangstransistoren des Demultiplexers 4 eine Spannung V anzulegen.
Diese Spannung V dient der Polung der dank dieses Demultiplexers 4 selektierten Elektroden.
Das Ablesen der Elektroden oder noch genauer dessen, was auf ihnen abgeschieden ist, erfolgt auf optischem Wege

• entweder indem man ein optisches System wie das in der 2 dargestellte benutzt,
• oder indem man auf dem Substrat 2 Photodetektoren integriert, wie schematisch in der 3 dargestellt.

In der 2 sieht man das Substrat 2 schematisch und partiell im Querschnitt sowie nur zwei der Elektroden E1 bis E4, zum Beispiel die Elektrode E1 und die Elektrode E2.
Diese Elektroden E1 bis E4 tragen alle Sonden-Moleküle 10.
Nach dem Realisierungsschritt der elektrochemischen Abscheidungen wird der Träger mit den Elektroden mit einem Analyten überzogen, der Target-Moleküle enthält, die auf einige der Sonden-Moleküle hybridisiert werden können.
Das Ablesen der Hybridisierung wird dann entweder direkt in Präsenz des Analyten realisiert oder nach Eliminierung dieses Letzteren, wie in den in den 2 und 3 dargestellten Beispielen.
So sind einige dieser Sonden-Moleküle, zum Beispiel die der Elektrode E2, mit ADN-Zweigen 12 hybridisiert, während die anderen es nicht sind.
Diese ADN-Zweige 12 sind durch ein fluoreszierendes Markierungsprodukt markiert, so dass diese markierten Zweige, wenn sie mit einem Licht der Wellenlänge λ1 beleuchtet werden, das aus einer nicht dargestellten Lichtquelle stammt, ein Licht abstrahlen, das eine andere Wellenlänge λ2 hat.
Eine Linse 14, versehen mit einem optischen Filter 16, der fähig ist, das Licht der Wellenlänge λ1 aufzuhalten und das Licht der Wellenlänge λ2 durchzulassen, ist über der Oberfläche des Substrats 2 angeordnet, den Elektroden gegenüberstehend.
Detektionseinrichtungen 18, die zum Beispiel Ladungskopplungsvorrichtungen umfassen, sind über der Linse 14 angeordnet, wobei diese Linse 14 also zwischen den Detektionseinrichtungen 18 und der Oberfläche des Substrats 2 enthalten ist.
Diese Detektionseinrichtungen 18 ermöglichen, das Licht der Wellenlänge λ2 zu detektieren, das auf die Ladungskopplungsvorrichtungen fokussiert ist.
Bei der in der 3 schematisch und partiell dargestellten Variante werden auf die Wellenlänge λ2 zentrierte Photodetektoren 20 verwendet, die in das Substrat 2 integriert sind, jeweils in der Nähe der Elektroden.
Wie man weiter oben gesehen hat, ist das Hauptproblem der in den 1 bis 3 schematisch dargestellten Systeme ein Kostenproblem, nämlich:

– der Kosten des auf dem Silicium realisierten "Biochips", und
– der Kosten der Detektion entweder mittels eines optischen Systems (2) oder mittels integrierter Detektoren (3).

Außerdem wird das Ablesen im Falle einer Ablesung in Präsenz des Analyten durch die Präsenz des Analyten gestört.
Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, diese oben genannten Nachteile zu beseitigen, indem sie vorschlägt, ein Substrat und Elektroden zu verwenden, die durchlässig sind für das zur Anregung der markierten ADN-Zweige bestimmte Licht und/oder das durch diese Letzteren abgestrahlte Licht.
Zum Beispiel kann die Lichtquelle, die dieses Licht emittiert, sich unter dem Substrat befinden, so dass die Detektionseinrichtungen ausreichend nahe bei den Elektroden angeordnet werden können und das optische System (Linse plus Filter) nicht mehr benötigt wird.
Noch genauer hat die Erfindung einen Elektrodenträger zum Gegenstand, wobei dieser Träger ein Substrat und auf diesem Substrat ausgebildete Elektroden umfasst und wenigstens eine dieser Elektroden dazu bestimmt ist, mit einem Überzug beschichtet zu werden, der fähig ist, Target-Moleküle zu erkennen und einzufangen, die empfindlich sind für ein erstes Licht und fähig sind, ein sich von dem ersten Licht unterscheidendes zweites Licht zu emittieren, wenn sie durch dieses erste Licht angeregt werden, wobei dieser Träger dadurch gekennzeichnet ist, dass das Substrat und die Elektroden für wenigstens eines der Lichter, dem ersten und/oder zweiten, durchlässig sind.
Das Substrat und die Elektroden sind für das erste Licht durchlässig, wenn die Quelle des ersten Lichts sich unter dem Träger befindet, und sie müssen für das zweite Licht durchlässig sein, wenn dessen Detektionseinrichtungen sich unter dem Träger befinden.
Um die zur Beleuchtung der Target-Moleküle und zur Detektion des durch diese abgestrahlten Lichts nötigen optischen Elemente zu vereinfachen, ist es vorteilhaft, die Quelle und die Detektionseinrichtungen auf beiden Seiten des Trägers anzuordnen.
Die Wahl der verschiedenen möglichen Anordnungen hängt von den Anwendungen des Trägers ab.
In dem Sonderfall, wo das Ablesen in Präsenz des die Target-Moleküle enthaltenden Analyten stattfindet, befinden sich Die Detektionseinrichtungen – um eine Verschlechterung des durch die Target-Moleküle emittierten Signals aufgrund der Präsenz des Analyten zu vermeiden (zum Beispiel Absorption/Defokussierung)-, vorteilhafterweise auf der Rückseite des Trägers.
Um den Analyten in dem Träger zurückzuhalten, bildet dieser zum Beispiel eine Schale, die eventuell durch ein Plättchen verschlossen wird, das durchlässig ist für das Licht der Quelle, wenn diese sich auf der Vorderseite des Trägers befindet.
Dank der Erfindung werden also die Kosten des Trägers reduziert und das Ablesesystem dieses Trägers wird in Bezug auf den Stand der Technik vereinfacht.
Vorzugsweise, zur weiteren Reduzierung der Kosten des Trägers, ist das Substrat aus Glas.
In das Substrat können elektronische Einrichtungen integriert werden.
Nach einer speziellen Realisierungsart des erfindungsgemäßen Trägers umfassen diese elektronischen Einrichtungen eine Adressierschaltung, die in das Substrat integriert ist und dazu dient, die Elektroden zu steuern, entweder um eine selektive elektrochemische Abscheidung durchzuführen oder um das Hybridisierungssphänomen zu steuern.
Diese elektronischen Einrichtungen können auch Heizeinrichtungen umfassen.
Anstatt dieser Adressierschaltung – oder zusätzlich zu ihr – kann der erfindungsgemäße Träger auch eine Multiplex-Schaltung umfassen, die in das Substrat integriert ist und dazu dient, an die Elektroden adressierte Signale zu multiplexen.
Vorzugsweise sind die Adressierschaltung und/oder die Multiplexschaltung aus amorphem Silicium.
Dies trägt dazu bei, die Kosten des Trägers zu reduzieren.
Nach einer ersten speziellen Realisierungsart der Erfindung umfassen die zwischen den Elektroden enthaltenen Zonen zusätzliche Einrichtungen, die das erste Licht nicht durchlassen.
Nach einer zweiten speziellen Realisierungsart der Erfindung umfassen die zwischen den Elektroden enthaltenen Zonen zusätzliche Einrichtungen zur Kontrolle des elektrischen Potentials in der Nähe bzw. Umgebung der Elektroden.
Die zusätzlichen Einrichtungen umfassen vorzugsweise elektrisch leitfähige Elemente, undurchlässig für das erste Licht, die in den zwischen den Elektroden enthaltenen Zonen angeordnet und von diesen Elektroden isoliert sind.
Als Variante können die zusätzlichen Einrichtungen elektrisch isolierende, für das erste Licht undurchlässige Elemente umfassen, angeordnet in den zwischen den Elektroden enthaltenen Zonen.
Nach einer speziellen Realisierungsart der Erfindung umfasst der Träger eine Schale, die ein Elektrolyt aufnehmen kann, das Target-Moleküle enthält.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein System zum Ablesen des erfindungsgemäßen Elektrodenträgers, wobei dieses Ablesesystem umfasst:

– eine Lichtquelle, fähig das erste Licht zu emittieren, um die Target-Moleküle anzuregen, und
– Einrichtungen zur Detektion des zweiten Lichts.

Nach einer speziellen Realisierungsart des erfindungsgemäßen Systems bilden die Elektroden eine Matrix und die Detektionseinrichtungen umfassen eine Matrix von Detektoren des zweiten Lichts.
Diese Detektoren können mit einem Filter (68) ausgestattet sein, der das erste Licht absorbiert oder reflektiert und das zweite Licht durchlässt.
Die Teilung der Detektorenmatrix kann gleich der Teilung der Elektrodenmarix oder kleiner als die Teilung der Elektrodenmatrix sein.
Die Detektionseinrichtungen können den Elektroden direkt und ausreichend nahe gegenüberstehen, um auf optische Fokussiereinrichtungen zwischen den Elektroden und den Detektionseinrichtungen verzichten zu können.
Als Variante sind die Detektionseinrichtungen in das Substrat integriert oder befinden sich unter dem Substrat.
Die Quelle des ersten Lichts kann sich unter dem Substrat befinden.
Die Detektionseinrichtungen können Detektoren des zweiten Lichts und Fokussiereinrichtungen dieses Lichts auf diese Detektoren umfassen, wobei diese Fokussiereinrichtungen zwischen diesen Detektoren und den Elektroden angeordnet sind.
Diese Fokussiereinrichtungen können zum Beispiel ein Mikrolinsengitter und/oder ein Diaphragmengitter umfassen, die vorzugsweise auf dem Träger angeordnet sind.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich durch die Lektüre der nur erläuternden und keinesfalls einschränkenden Beschreibung von Realisierungsbeispielen, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
die 1, schon beschrieben, ist eine schematische perspektivische Ansicht eines bekannten Elektrodenträgers,
die 2, schon beschrieben, ist eine schematische Schnittansicht eines bekannten, einem bekannten Elektroden-Ablesesystem zugeordneten Elektrodenträgers,
die 3, schon beschrieben, ist eine schematische Schnittansicht einer bekannten Variante des Ablesesystems der 2,
die 4 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer speziellen Realisierungsart des erfindungsgemäßen Elektrodenträgers,
die 5 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Elektrodenträgers,
die 6 ist eine schematische Querschnittansicht des Trägers der 5,
die 7 zeigt schematisch eine Adressierungsart der Elektroden eines erfindungsgemäßen Trägers,
die 8 zeigt schematisch eine elektrochemische Abscheidung auf Elektroden eines erfindungsgemäßen Trägers,
die 9 zeigt schematisch eine elektrochemische Abscheidung auf Elektroden eines anderen erfindungsgemäßen Trägers,
die 10 zeigt schematisch eine elektrochemische Abscheidung auf Elektroden eines weiteren erfindungsgemäßen Trägers,
die 11 ist eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Ablesesystems,
die 12 und 13 sind schematische Schnittansichten anderer erfindungsgemäßer Ablesesysteme, und
die 14 ist eine schematische Querschnittansicht eines anderen erfindungsgemäßen Trägers.
Detaillierte Darstellung spezieller Realisierungsarten
Der erfindungsgemäße Elektrodenträger, der in der 4 schematisch in der Perspektive dargestellt ist, umfasst ein Glassubstrat 22 und eine Matrix von Elektroden 24, ausgebildet auf der Oberfläche dieses Substrats 22.
Jede der Elektroden 24 ist mit einer elektrochemischen Abscheidung überzogen, gebildet durch Sonden-Moleküle, einfacher "Sonden" genannt.
Diese Sonden sind fähig, Target-Moleküle, die für ein Licht der Wellenlänge λ1 empfindlich sind, zu erkennen und einzufangen.
(Man versteht unter "Licht der Wellenlänge λ" ein λ einschließendes Spektralfenster).
Alle Elektroden 24 tragen an ihrer Oberfläche Sonden 26 und einige dieser Sonden haben Target-Moleküle 27 eingefangen, während andere keine eingefangen haben.
Wenn die Sonden dem Licht der Wellenlänge λ1 ausgesetzt sind, emittieren diejenigen – und nur diejenigen – die Target-Moleküle eingefangen haben, ein Licht der Wellenlänge λ2, das anders ist als das Licht der Wellenlänge λ1 und das man detektieren kann, wie man in der Folge sehen wird.
Erfindungskonform ist das Substrat 22 aus Glas, so dass es durchlässig ist für das Licht der Wellenlänge λ1, und alle Elektroden 24 sind aus einem elektrisch leitfähigen und für dieses Licht der Wellenlänge λ1 durchlässigen Material.
In dem Beispiel der 4 umfasst der Elektrodenträger nach der Erfindung auch elektronische Einrichtungen 28, die in das Glassubstrat 22 auf der Seite integriert sind, wo sich die Elektroden 24 befinden.
Diese elektronischen Einrichtungen sind zum Beispiel aus amorphem Silicium.
Zudem umfassen diese elektronischen Einrichtungen eine Adressierschaltung der Elektroden, die dazu dient, den Elektrodenfunktionalisierungsschritt, das heißt die Pfropfung der Sonden, zu ermöglichen.
Diese Adressierschaltung kann eine Multiplexschaltung umfassen, je nach Komplexität der Elektrodenmatrix.
Der erfindungsgemäße Elektrodenträger, in der 5 schematisch perspektivisch dargestellt, unterscheidet sich von dem der 4 durch die Tatsache, dass er zudem elektrisch isolierende Elemente 30 umfasst, die in den Zonen der Oberfläche des Substrats 22 ausgebildet sind, die zwischen den Elektroden 24 enthalten sind.
Auf diesen isolierenden Elementen 30 sind jeweils metallische Schichten 32 ausgebildet, die undurchlässig sind für das Licht der Wellenlänge λ1.
Die metallischen Schichten 32 ermöglichen, das elektrische Potential in der Nähe bzw. Umgebung der Elektroden 24 zu kontrollieren.
Sie können eine oder zwei Gegenelektroden bilden.
Sie bilden auch eine optische Abdeckung der nichtempfindlichen Teile des Elektrodenträgers. Eine solche optische Abdeckung ermöglicht vorteilhaft, den Rauschabstand beim optischen Ablesen der Matrix zu verbessern.
Die 6 ist eine schematische Querschnittansicht des Elektrodenträgers der 5.
Bei einer Realisierungsvariante sind die isolierenden Elemente 30 auf dem Substrat 22 ausgebildet.
Diese Elemente sind dann vorteilhaft aus einem für das Licht der Wellenlänge λ1 undurchlässigen Material, um ebenfalls eine optische Abdeckung zu bilden.
In der Folge wird eine Methode des Adressierens während der elektrochemischen Abscheidung auf Elektroden nach Art derer erläutert, die in den 4 und 5 dargestellt sind.
In der 7 sieht man eine Matrix aus sechs Elektroden.
Diese Elektroden sind in der ersten Zeile der Matrix mit E11, E12 und E13 bezeichnet und in der zweiten Zeile mit E21, E22 und E23.
Man sieht in der 7 auch eine elektronische Steuerschaltung 34 dieser Elektroden.
Diese elektronische Steuerschaltung umfasst ein Schieberegister 36 sowie ein weiteres Schieberegister 38.
Dieses Register 38 ist mit einem parallelen Transferregister des "Latch"-Typs 39 verbunden, kombiniert mit einer Verstärkerstufe der Verstärkung 1 des Puffer-Typs 37, wobei das durch die Stufe 37, das Register 38 und das Register 39 gebildete Ganze das Bezugszeichen 40 trägt.
Jede Elektrode Eij ist mit einem Transistor Tij verbunden, wobei der Index i einen der Werte 1 oder 2 annimmt und der Index j einen der Werte 1, 2 oder 3.
Die beiden Register 36 und 38 werden durch einen Taktgeber 42 gesteuert.
Das Register 36 umfasst zwei Ausgänge, fähig – der eine ein Signal S1 und der andere ein Signal S2 – jeweils in eine der beiden Zeilen der Matrix einzuspeisen, über ihnen zugeordnete Transistoren.
Noch genauer sind die Transistoren Tij Feldeffekttransistoren.
Der Drain jedes Transistors ist mit der entsprechenden Elektrode verbunden.
Die Gates der mit der zweiten Zeile der Matrix verbundenen Transistoren sind alle mit dem zweiten Ausgang des Registers 36 verbunden, um das Signal S2 zu empfangen.
Die Sourcen der beiden mit der zweiten Spalte der Elektrodenmatrix verbundenen Transistoren sind alle beide mit einem zweiten Ausgang der Verstärkerstufe 37 verbunden, damit man an sie eine weitere kontrollierte, mit V2 bezeichnete Spannung anlegen kann, die sich eventuell von V1 unterscheidet.
Die Sourcen der beiden mit der dritten Spalte der Elektrodenmatrix verbundenen Transistoren sind alle beide mit einem dritten Ausgang der Verstärkerstufe 37 verbunden, damit man an sie eine weitere kontrollierte, mit V3 bezeichnete Spannung anlegen kann, die sich eventuell von V1 und von V2 unterscheidet.
In der 7 repräsentieren Vcc und Vdd die Versorgungsspannungen der Register 36 und 38.
So kann man die Elektroden sequentiell adressieren, Zeile für Zeile, indem man die Matrixstruktur dieser Elektroden benutzt, wie dies bei den TFT-Matrizen gemacht wird, die der Anzeige dienen.
Jede der Spannungen V1, V2 und V3 kann Werte annehmen, die entweder niedriger sind als die charakteristische Spannungsschwelle Vs der selektiven Funktionalisierung (Elektrode nicht selektiert) oder höher als diese Spannungsschwelle (Elektrode selektiert).
Der Ladungstransfer findet nur statt, wenn die Selektionssignale S1, S2 größer sind als der Schwellenwert der Transistoren, was eine Bedingung ist, um die Transistoren leitend zu machen (Zustand "on").
Zum Beispiel wird der Transistor T11 nicht selektiert, wenn V1 niedriger ist als die Schwellenspannung Vs, obwohl das Signal S1 "on" ist, und es findet dann keine Abscheidung auf der entsprechenden Elektrode statt.
Der Transistor T11 wird ebenfalls dann nicht selektiert, wenn V1 höher ist als die Spannung Vs, aber S1 "off" ist, das heißt niedriger als die Schwelle des Transistors.
In dem Fall, wo S1 "on" ist und V1 höher ist als Vs, findet die Abscheidung auf der dem Transistor T11 zugeordneten Elektrode E11 statt.
Diese Selektionsart, gut bekannt auf dem Gebiet der Anzeige, kommt auch hier zu Anwendung, um die Elektroden selektiv funktionell zu machen, die auf der Oberfläche eines Substrats – wie des Substrats 22 der 4 bis 6 – ausgebildet sind, um einen "Biochip" zu bilden.
In der Folge wird die Realisierung der Signale S1, S2, V1, V2 und V3 beschrieben.
Die Realisierung dieser Signale kennt man von den Anzeigegeräten.
Die Resultate S1 und S2 resultieren aus den Schieberegister 36 der 4.
Die Spannungssignale V1, V2 und V3 stammen von den Spannungen Vcc und Vdd mit Hilfe der Einheit 40, wobei während des Umschaltens des Schieberegister 36 und des parallelen Transferregisters 39 simultan ein Informationstransfer stattfindet.
Diese Funktionen sind realisierbar:

– entweder durch eine externe Elektronik (lösbare Verbindungen an den Elektroden)
– oder durch Realisierung von elektronischen Schaltungen aus amorphem Silicium an der

Oberfläche des Glassubstrats 22, das die Elektroden trägt (das Herstellungsverfahren entspricht dann dem der Transistoren, die der Elektrodenmatrix zugeordnet sind).
Festzustellen ist, dass die Schaltfrequenz der elektronischen Schaltungen niedrig sein kann (ungefähr einige kHz) und folglich kompatibel sein kann mit der elektronischen Mobilität in dem amorphen Silicium.
Das oben erwähnte Herstellungsverfahren ermöglicht, Glasplatten mit einer Dicke von ungefähr 500 μm und 500 mm Seitenlänge industriell zu behandeln, wobei die Herstellungskosten niedriger sind als die Herstellungskosten der Elektrodenträger nach dem Stand der Technik.
In der Folge werden die Abscheidungsarten erläutert.
In der 8 sieht man einen Elektrodenträger, der das Glassubstrat 22 und die Elektroden 24 umfasst.
Dieser Elektrodenträger ist eingetaucht in eine Bad 44 in einem Behälter 46, zum Beispiel ein Polypyrrol-Bad.
Den Elektroden gegenüber befindet sich eine Gegenelektrode 48, ebenfalls eingetaucht in das Bad 44.
Man kann auch eine mit 50 bezeichnete Bezugselektrode verwenden, die man ebenfalls in dem Bad anbringt.
Die Elektroden 24 sowie die Elektrode 48 und die Elektrode 50 sind mit einem Potentiostat 52 verbunden; zur Realisierung der selektiven Abscheidungen auf den Elektroden 24.
Die 9 zeigt schematisch die Möglichkeit, die Gegenelektrode auf dem Substrat 22 zum Beispiel in Form einer Vielzahl kleiner Elektroden 54 zu realisieren, die den Elektroden 24 zugeordnet sind.
In diesem Fall sind die Elektroden 54 metallische Schichten, jeweils ausgebildet auf isolierenden Schichten 56, die ihrerseits in der Nähe bzw. Umgebung der Elektroden 24 ausgebildet sind, wie man in der 9 sieht.
Während der Abscheidung erfolgt ein Ladungstransfer von jeder Elektrode 24 zu der zugeordneten Elektrode 54.
Die 10 zeigt schematisch die Möglichkeit, als Gegenelektrode die Gesamtheit der metallischen Schichten zu benutzen, von denen in der Beschreibung der 5 und 6 die Rede ist.
Es handelt sich dann um eine vereinfachte Abscheidungsart, die ermöglicht, das Volumen des Bades zu begrenzen.
Man sieht in dieser 10 die auf dem Substrat 22 ausgebildeten Elektroden 24 sowie die jeweils auf den isolierenden Schichten 30 ausgebildeten metallischen Schichten 32.
In dem Beispiel der 10 gibt es keine Bezugselektrode.
Festzustellen ist, dass die Verwendung einer Bezugselektrode um so vorteilhafter ist, je größer das Bad ist.
In der 10 ist das Bad mit 58 bezeichnet.
Anschließend wird das Ablesen des Elektrodenträgers der 4 erläutert.
Das Ablesen des Elektrodenträgers wird mit Hilfe der 11 beschrieben, die einen Querschnitt des Glassubstrats 22 darstellt, das die Elektroden 24 trägt, die jeweils Sonden-Molekülen 26 zugeordnet sind, von denen einige ein mit 27 bezeichnetes Target-Molekül tragen, während die anderen keines tragen.
Das Ablesesystem, das ermöglicht, den Träger der Elektroden 24 abzulesen, umfasst eine Lichtquelle 60, die dazu dient, das Licht mit der Wellenlänge λ1 abzustrahlen.
Diese Quelle 60 befindet sich unter dem Glassubstrat 22, wie man in der 11 sieht.
Die Sonden-Moleküle, die markiert sind oder – noch genauer – die ein markiertes Target-Molekül tragen und die dieses Licht der Wellenlänge λ1 empfangen, emittieren ihrerseits ein Licht der Wellenlänge λ2.
Das Ablesesystem umfasst auch Detektionseinrichtungen 62 des Lichts der Wellenlänge λ2.
Diese Detektionseinrichtungen 62 umfassen eine Matrix aus Photodetektoren 64 des CCD-Typs.
Diese Matrix aus Photodetektoren 64 ist auf einem geeigneten Substrat 66 ausgebildet.
Die Detektionseinrichtungen 62 umfassen auch einen selektiven Filter 68, vor den CCD-Detektoren und folglich zwischen den Detektoren und den Elektroden 24 angeordnet, wie man in der 11 sieht.
Da die Beleuchtung von der Rückseite des Substrats 22 erfolgt, kann man die Detektionseinrichtungen 62 so nahe bei den Sonden-Molekülen anordnen, dass man keine optischen Fokussiereinrichtungen zwischen den Elektroden und der Photodetektorenmatrix benötigt.
Anstatt einer CCD-Detektorenmatrix könnte man Photonendetektionsmatrix des CMOS-Typs verwenden.
Die Teilung der Matrix der Photodetektoren 64 kann gleich der Teilung der Matrix der Elektroden 24 sein.
Den selektiven Filter 68 realisiert man zum Beispiel mittels dünner Schichten (zum Beispiel mittels Multischichten aus Silicium-, Titanoxid, deren Brechzahlen sich voneinander unterscheiden).
Der selektive Filter 68 lässt das Licht der Wellenlänge λ2 durch und absorbiert oder reflektiert das Licht der Wellenlänge λ1.
Die Verwendung der für Licht der Wellenlänge λ1 undurchlässigen Schichten 30 oder 32 entspricht einer vorteilhaften Realisierung der vorliegenden Erfindung, denn dank dieser undurchlässigen Schichten gibt es weniger Störlicht als bei den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik.
Als Variante kann die Teilung der Photodetektoren kleiner sein als die Teilung der Elektroden (und folglich als die Teilung der Sonden-Moleküle-Gruppen), was ermöglicht, eine genaue Positionierung dieser Photodetektoren in Bezug auf die Sonden-Moleküle zu vermeiden.
Die 12 zeigt schematisch die Möglichkeit, die Photodetektorenmatrix in dem Glassubstrat zu realisieren, in Höhe der Elektroden.
Man sieht in der 12 dieses Glassubstrat 22, versehen mit der Matrix von Elektroden 24.
Die hier mit 70 bezeichneten Photodetektoren sind in das Glassubstrat 22 integriert.
Man sieht wieder die auf die Elektroden 24 gepfropften Sonden-Moleküle 26, von denen einige ein markiertes Target-Molekül tragen.
Die 13 zeigt schematisch eine Variante der Erfindung.
In dem Fall der 13 ist das Substrat 22 durchlässig für das Licht der Wellenlänge λ2.
Die Quelle 60 befindet sich über dem Substrat 22, den Elektroden 24 gegenüber.
Die Detektionseinrichtungen 62 der 11 werden auch in dem Fall der 13 verwendet, sind aber unter dem Substrat 22 angeordnet, so dass die Matrix der Photodetektoren 64 das Licht der Wellenlänge λ2 empfängt.
In dem Fall der 13 umfassen diese Detektionseinrichtungen 62 außerdem Fokussiereinrichtungen 80, die zwischen den Photodetektoren und den Elektroden 24 angeordnet und dazu vorgesehen sind, das Licht der Wellenlänge λ2 auf die Photodetektoren zu fokussieren.
Diese Fokussiereinrichtungen können ein Mikrolinsengitter oder ein Diaphragmengitter oder beides umfassen, wobei diese Mikrolinsen und/oder diese Mikrodiaphragmen auf der Rückseite des Substrats ausgebildet sind.
Bei den in den 4 bis 13 schematisch dargestellten Beispielen der Erfindung wurde davon ausgegangen, dass das Ablesen der Hybridisierung der Target-Moleküle auf den Sonden-Molekülen nach der Eliminierung des die Target-Moleküle enthaltenden Analyten stattfindet.
Die 14 zeigt schematisch die Möglichkeit, dieses Ablesen in Präsenz des Analyten zu realisieren.
Man sieht, dass das Substrat 22 dann eine Schale 82 bildet, die den die Target-Moleküle enthaltenden Analyten enthält und auf deren Boden sich die Elektroden 24 befinden.
Das Substrat kann durch ein einziges Bauelement gebildet werden (Fall der 14), oder durch mehrere Bauelemente, die nach dem Zusammenbau die Schale 82 bilden.

Claims

Elektrodenträger, wobei dieser Träger ein Substrat (22) und auf diesem Substrat ausgebildete Elektroden (24) umfasst und wenigstens eine dieser Elektroden dazu bestimmt ist, mit einem Überzug beschichtet zu werden, der fähig ist, Target-Moleküle zu erkennen und einzufangen, die empfindlich sind für ein erstes Licht und fähig sind, ein sich von dem ersten Licht unterscheidendes zweites Licht zu emittieren, wenn sie, die Target-Moleküle, durch dieses erste Licht angeregt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat und die Elektrode für wenigstens eines der beiden Lichter durchlässig sind.
Träger nach Anspruch 1, bei dem das Substrat aus Glas ist.
Träger nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem elektronische Einrichtungen (28) in das Substrat integriert sind.
Träger nach Anspruch 3, bei dem diese elektronischen Einrichtungen (28) eine Adressierschaltung umfassen, die in das Substrat integriert ist und dazu dient, die Elektroden zu steuern.
Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der außerdem eine Multiplexschaltung umfasst, die in das Substrat (22) integriert ist und dazu dient, die an die Elektroden (24) adressierten Signale zu multiplexen.
Träger nach einem der Ansprüche 4 und 5, bei dem die Schaltung aus amorphem Silicium ist.
Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die zwischen den Elektroden (24) enthaltenen Zonen zusätzliche Sperreinrichtungen (32) für das erste Licht umfassen.
Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die zwischen den Elektroden (24) enthaltenen Zonen zusätzliche Sperreinrichtungen (32) zur Steuerung des elektrischen Potentials in der Nähe bzw. Umgebung der Elektroden umfassen.
Träger nach einem der Ansprüche 7 und 8, bei dem die zusätzlichen Einrichtungen leitfähige elektrische Elemente (32) umfassen, undurchlässig für das erste Licht und angeordnet in den zwischen den Elektroden enthaltenen Zonen und elektrisch von diesen Elektroden isoliert.
Träger nach Anspruch 7, bei dem die zusätzlichen Einrichtungen elektrisch isolierende Elemente umfassen, undurchlässig für das erste Licht und angeordnet in den zwischen den Elektroden enthaltenen Zonen.
Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Träger eine Schale umfasst, die ein Analyt aufnehmen kann, das Target-Moleküle enthält.
System zum Lesen des Trägers nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei dieses Lesesystem umfasst: – eine Lichtquelle (60), fähig das erste Licht zu emittieren, um die Target-Moleküle anzuregen, und – Einrichtungen (62) zur Detektion des zweiten Lichts.
System nach Anspruch 12, bei dem die Elektroden (24) eine Matrix bilden und die Detektionseinrichtungen eine Matrix von Detektoren (64, 70) des zweiten Lichts umfassen.
System nach Anspruch 13, bei dem diese Detektoren mit einem Filter (68) ausgestattet sind, der das erste Licht absorbiert oder reflektiert und das zweite Licht durchlässt.
System nach Anspruch 13, bei dem die Teilung der Matrix der Fotodetektoren (64) gleich der Teilung der Matrix der Elektroden (24) ist.
System nach Anspruch 13, bei dem die Teilung der Fotodetektorenmatrix kleiner ist als die Teilung der Elektrodenmatrix.
System nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem die Detektionseinrichtungen (62) den Elektroden direkt und ausreichend nahe gegenüberstehen, um die Verwendung von optischen Fokussiereinrichtungen zwischen den Elektroden und den Detektionseinrichtungen zu vermeiden.
System nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem die Detektionseinrichtungen in das Substrat (22) integriert sind.
System nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem die Detektionseinrichtungen (62) sich unter dem Substrat befinden.
System nach einem der Ansprüche 12 bis 19, bei dem die Lichtquelle (60) sich unter dem Substrat (22) befindet.
System nach Anspruch 19, bei dem die Detektionseinrichtungen (62) Detektoren (64) des zweiten Lichts und Fokussiereinrichtungen (80) dieses Lichts auf diese Detektoren umfassen, wobei diese Fokussiereinrichtungen zwischen diesen Detektoren und den Elektroden angeordnet sind.