EP1337842A2 - Messanordnung zum nachweis einer ein- oder mehrdimensionalen verteilung einer chemischen oder biochemischen komponente - Google Patents

Messanordnung zum nachweis einer ein- oder mehrdimensionalen verteilung einer chemischen oder biochemischen komponente

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Publication number
EP1337842A2
EP1337842A2 EP01988860A EP01988860A EP1337842A2 EP 1337842 A2 EP1337842 A2 EP 1337842A2 EP 01988860 A EP01988860 A EP 01988860A EP 01988860 A EP01988860 A EP 01988860A EP 1337842 A2 EP1337842 A2 EP 1337842A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
photosensitive
contact
measuring arrangement
layer
electrode
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01988860A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Josef SCHÖNING
Arshak Poghossian
Hans LÜTH
Tatsuo Yoshinobu
Hiroshi Iwasaki
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungszentrum Juelich GmbH
Original Assignee
Forschungszentrum Juelich GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Juelich GmbH filed Critical Forschungszentrum Juelich GmbH
Publication of EP1337842A2 publication Critical patent/EP1337842A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/002—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating the work function voltage

Definitions

  • the invention relates to a measuring arrangement for the detection of a chemical or biological component, in particular for the one- or multi-dimensional distribution of the component to be detected.
  • a disadvantage of such arrangements is that with a two-dimensional local resolution, a large number of leads, bond pads and external leads are required, which on the one hand limits the real local resolution and on the other hand makes the downstream electronics enormous complicated. For example, multipotentiostats for such electrode arrays are still not commercially available today. The active sensor area thus remains limited by the number of electrodes.
  • Japanese patent application JP 07335956 (Optical scanning two-dimensional sensor, 1995) describes an optical sensor with which two-dimensional scanning of a surface is possible.
  • This sensor consists of a transparent first electrode and a photoconductive (photon-conductive) layer which is in contact with the surface of this electrode and which only experiences a change in conductivity in the area which is illuminated.
  • the sensor comprises a functionalized layer, which is located on the photoconductive layer, and a second electrode, which is located away from the functionalized layer.
  • the sensor arrangement of this amperometric measuring arrangement consists of inseiform metal electrodes in the form of metallic areas on the top of the photoconductive layer.
  • the individual electrodes in-shaped metal electrodes
  • the sensor area is not limited by the number of electrodes. The individual electrodes are addressed via the scanned light or laser beam.
  • the photoconductive layer disadvantageously has a certain conductivity even in the dark (dark current). This means that the current is not only in the illuminated, but also in the unlit
  • the local resolution is also limited by the fact that the ratio of the illuminated area to the total sensor area must be greater than the ratio of the conductivities in the illuminated and dark state.
  • Another disadvantage is the relatively slow switchover time in the millisecond range, which is often not sufficient, especially for fast chemical reactions, for example for applications in electrophysiology.
  • the first electrode must be transparent to practice this measurement principle. This severely limits the selection of materials that can be used, especially when considering sensor technology-compatible embodiments of the sensor.
  • the electrodes proposed in the Japanese patent application are slightly smaller in diameter than the laser beam. This regularly limits the use of electrodes of different sizes and limits the use of lasers with different wavelengths.
  • the object of the invention is to provide a measuring arrangement for the detection of a chemical or biological component which enables a one- or two-dimensional distribution of the component to be detected and which does not have the disadvantages described in the prior art. Furthermore, it is an object of the invention to provide a corresponding measurement method for the detection of a one- or multi-dimensional distribution of a chemical or biological component.
  • the measuring arrangement according to claim 1 comprises a first electrode and a substrate which is in direct contact with the first electrode. Furthermore, the measuring arrangement comprises one or more photosensitive structures which are formed on or / and in the substrate. Each of these photosensitive structures comprises at least one photosensitive contact. In the event of light, the height of the potential barrier advantageously changes with this contact.
  • the measuring arrangement according to the invention further comprises a passivation layer for isolating the photosensitive structures and the substrate. A functionalized layer is in direct contact with the surface of the photosensitive structure.
  • Electrode has no direct contact with this functionalized layer.
  • the species to be detected or the analyte solution is located between the functionalized layer and the second electrode and is in contact with both at the same time.
  • the photosensitive structure consists of at least one photosensitive contact. Any contact in which the height of the contact barrier changes under the lighting can be used as a photosensitive contact.
  • the photosensitive contact can be used as a metal-semiconductor contact (e.g. Schottky barrier, Schottky diode), pn junction, pin diode, avalanche diode etc. or as a heterocontact (e.g. semiconductor semiconductor, ion conductor Semiconductors, metal oxide semiconductors, polymer Semiconductors, biomaterial semiconductors, cell semiconductors, etc.).
  • the functionalized layer also called transducer layer, contains a (bio) / chemically sensitive material (e.g. ion, immuno, enzyme, gas, liquid sensitive). It is in direct contact with the species to be detected.
  • the properties of the functionalized layer change, for example, ions or bio-elements. It can consist of one or more layers, such as. B. metal layers or electrodes, membrane-covered layers, enzyme-covered layers, which are usually used in chemical and biosensor technology.
  • the surface or upper layer of the photosensitive structures can advantageously also be formed as a functionalized layer.
  • the passivation layer isolating the photosensitive structures comprises materials as are known as passivation materials from the prior art. These include in particular polyimides, epoxy resins, Si0 2 , Si 3 N 4 or Al 2 0 3 .
  • Si, GaAs or InSb are particularly suitable as materials for the substrate.
  • a counter and / or reference electrode immersed in a liquid is used as a suitable second electrode.
  • the surface or the upper one Layer of the photosensitive structure used simultaneously as a functionalized layer.
  • the sensor or the measuring arrangement can advantageously be manufactured entirely using silicon or thin-film technology.
  • the measuring arrangement according to the invention has the following advantages over the prior art: an improved signal-to-noise ratio and thus a better detection sensitivity due to the lower dark current;
  • the external illumination of the sensor can take place from all sides, with the minimal local one when illuminated from above. Resolution can be achieved by the transducer layer or electrode geometry and / or by the contact geometry to less than 1 ⁇ xvi 2 ;
  • the deposited functionalized layers or electrodes can also be subsequently changed in their properties by means of galvanic modification (for example, a spatially resolved galvanic deposition of materials or a realization of multi-sensor arrays is also possible);
  • the arrangement can also be used as an actuator, for example for generating ions or gases.
  • the method according to the invention for one- or two-dimensional detection of an analyte substance according to claim 6 is carried out with a measuring arrangement.
  • This includes photosensitive contacts in contact with a functionalized layer, the properties of which change on contact with the analyte substance.
  • the method includes the step of changing the potential barrier in the photosensitive contact when a photosensitive contact is illuminated.
  • a voltage (reverse voltage) is applied between two electrodes, the photosensitive contact being in the blocked region.
  • the level of the potential barrier in the photosensitive contact then changes. This has a direct change in the current in the illuminated
  • the change in the current can be detected as a measure of the analyte substance to be detected.
  • a one- or multi-dimensional distribution of the species to be detected is advantageously achieved if the Substrate surface is illuminated and scanned in a targeted and defined manner under illumination. This can be done in a more suitable manner by means of a punctiform light beam or also suitably by means of a laser beam.
  • a further application of the measuring arrangement according to the invention can also be used advantageously for spatially resolved deposition of metal.
  • the blocking function of the photosensitive contacts is used in a suitable manner to enable current flow and thus metallic deposition at defined points (eg illuminated points).
  • Figure 1 illustrates the structure of an arrangement as it can be used to measure different substances to be detected in an analyte.
  • the measuring arrangement consists of a first electrode 1, a substrate 2, which is in direct contact with the first electrode 1 or is itself designed as an electrode.
  • the passivation continues to function as the electrical insulation of 1 and / or 2.
  • the functionalized layer (transducer layer) 5 is on the one hand in direct contact with 3 and on the other hand in direct contact with the species to be detected 6.
  • the second electrode or electrode arrangement 7 is located away from 5, but in direct contact with 6
  • a voltage reverse voltage
  • the height of the potential barrier in the photosensitive contact 3 then changes. This then results in a direct change in the current only in the illuminated area through the chemical or biochemical reaction at the interface to the transducer layer 5.
  • a one-dimensional or multidimensional distribution of the species 6 to be detected can be achieved if the surface of the arrangement is scanned in a targeted and defined manner under illumination.
  • the materials that can be used for the different layers are listed in the description above.
  • FIG. 2 corresponds to the arrangement from FIG. 1.
  • the photosensitive structure or surface 3 instead of the transducer layer 5 additionally present in FIG. 1, the photosensitive structure or surface 3 itself is designed as a transducer layer 5.
  • the materials used for this transducer layer 5 correspond to those listed in Example 1.
  • FIG. 3 corresponds in structure to the arrangement from FIG. 1, one or more pn junctions 8 being located on or in the substrate 2 as the photosensitive structure 3.

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Abstract

Bei der erfindungsgemässen Messanordnung zum ein- oder zweidimensionalen Nachweis von chemischen oder biologischen Komponenten (Analyten) wird ein photosensitiver Kontakt auf einer Halbleiterschichtstruktur aufgebracht und die Anderung der Potentialbarriere des Kontakts bei Beleuchtung als Funktionsprinzip ausgenutzt. Damit werden alle die zum Stand der Technik aufgeführten Nachteile regelmässig umgangen, wobei dennoch mittels eines Sensors die zweidimensionale Ortsauflösung der nachzuweisenden Analytsubstanz gewährleistet ist.

Description

B e s c h r e i b u n g
Meßanordnung zum Nachweis einer ein- oder mehrdimensionalen Verteilung einer chemischen oder biochemischen Komponente
Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zum Nachweis einer chemischen oder biologischen Komponente, insbesondere für die ein- oder mehrdimensionale Verteilung der nachzuweisenden Komponente.
Stand der Technik
Viele chemische und biochemische Sensoren existieren für den selektiven Nachweis von unterschiedlichen Spezies in Lösungen. Konventionelle chemische und bioche- mische Sensoren und Analysemethoden ermöglichen nachteilig immer nur die Bestimmung der Gesamtionenkon- zentration in einer Probe. Eine gezielte mehrdimensionale Auflösung der nachzuweisenden Komponente mit einem Sensor ist in der Regel nicht möglich. Dies wäre jedoch für eine Vielzahl von Anwendungen, wie z. B. für lokale chemische und elektrochemische Reaktionen, die Untersuchung von Diffusionsprozessen, die Stimulation und das Monitoring von elektrischen Zellaktivitäten etc., von hohem Interesse.
Von Meyer et al . (Chemical and biochemical sensor array for two-dimensional imaging of analyte distributions, Sensors and Actuators B, Vol. 18-19 (1994), p. 229-234) wurde ein monolithisches Sensorarray für den zweidimen- sionalen Nachweis einer AnalytVerteilung in einer
Lösung entwickelt. Dieses besteht aus einer 20 x 20 Arrayanordnung, in welcher die Sensoren individuell adressiert werden können. Jeder Sensor besteht aus einer Arbeitselektrode, der Ausleseelektronik und der Sensorkontrolleinheit. Die individuelle Adressierung jedes einzelnen Chips erfolgt über ein Register. Die örtliche Auflösung der Messung ist durch die Dichte der Elektroden auf der Oberfläche vorgegeben.
Nachteilig bei solchen Anordnungen ist allerdings, daß bei einer zweidimensionalen örtlichen Auflösung eine hohe Anzahl von Zuleitungen, Bondpads und externe Leitungen erforderlich sind, was einerseits die reale örtliche Auflösung beschränkt und andererseits die nachgeschaltete Elektronik immens kompliziert macht. Bei- spielsweise sind heutzutage Multipotentiostaten für solche Elektrodenarrays immer noch nicht kommerziell erhältlich. Die aktive Sensorfläche .bleibt somit durch die Anzahl der Elektroden begrenzt .
In der japanischen Patentanmeldung JP 07335956 (Optical scanning two-di ensional sensor, 1995) wird ein optischer Sensor beschrieben, mit dem ein zweidi ensionales Scannen einer Oberfläche möglich ist. Dieser Sensor besteht aus einer lichtdurchlässigen ersten Elektrode und einer photoleitfähigen (Photonen leitenden) Schicht, welche in Kontakt mit der Oberfläche dieser Elektrode steht, und die nur eine Leitfähigkeitsänderung in dem Bereich erfährt, der beleuchtet wird. Weiterhin umfaßt der Sensor eine funktionalisierte Schicht, die sich auf der photoleitfähigen Schicht befindet, sowie eine zweite Elektrode, die sich entfernt von der funktionali- sierten Schicht befindet. Bei Anlegen einer Spannung zwischen den beiden Elektroden und dem zusätzlichen Vorhandensein einer nachzuweisenden Spezies zwischen der funktionalisierten Schicht und der zweiten Elektrode ändert sich die Leitfähigkeit in der photoleitfähi- gen Schicht exakt in dem von außen beleuchteten Be- reich, so daß die nachzuweisende Komponente ortsaufgelöst gemessen werden kann. Die Sensoranordnung dieser amperometrischen Meßanordnung besteht aus inseiförmigen Metallelektroden in Form von metallischen Bereichen auf der Oberseite der photoleitfähigen Schicht. Bei der ge- wählten Anordnung haben die einzelnen Elektroden (in- selförmige Metallelektroden) keine äußeren elektrischen Kontakte und Verbindungen und die Sensorfläche ist nicht limitiert durch die Anzahl der Elektroden. Die Adressierung der einzelnen Elektroden erfolgt über den gescannten Licht- bzw. Laserstrahl.
Die photoleitfähige Schicht weist nachteilig auch im Falle der Dunkelheit eine bestimmte Leitfähigkeit auf (Dunkelstrom) . Dies bedeutet, daß der Strom nicht nur in der beleuchteten, sondern auch in unbeleuchteten
Arealen der Sensoroberfläche fließen kann, was wiederum ein erhöhtes Hintergrundrauschen und eine schlechtere Nachweisempfindlichkeit zur Folge hat. Auch wird die örtliche Auflösung dadurch begrenzt, daß das Verhältnis der beleuchteten Fläche zur Gesamtsensorfläche größer sein muß als das Verhältnis der Leitfähigkeiten im beleuchteten und dunklen Zustand.
Einen weiteren Nachteil stellt die relativ langsame Um- schaltzeit im Bereich von Millisekunden dar, die gerade für schnelle chemische Reaktionen, beispielsweise für Anwendungen in der Elektrophysiologie, häufig nicht ausreichend ist. Dadurch sind die zweidimensionalen Scanprozesse, d. h. die Aufnahme unterschiedlicher Meßpunkte, zeitlich limitiert. Zur Ausübung dieses Meßprinzips muss die erste Elektrode transparent sein. Dies schränkt die Auswahl an verwendbaren Materialien stark ein, insbesondere wenn man Siliziumtechnologie- kompatible Ausführungsformen des Sensors in Betracht zieht .
Die in der japanischen Patentanmeldung vorgeschlagenen Elektroden sind im Durchmesser etwas kleiner sind als der Laserstrahl. Dies schränkt regelmäßig den Einsatz unterschiedlich dimensionierter Elektroden ein und limitiert die Verwendung von Lasern mit unterschiedlicher Wellenlänge .
Aufgabe und Lösung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßanordnung für den Nachweis einer chemischen oder biologischen Komponente zu schaffen, die eine ein- oder zweidimensionale Ver- teilung der nachzuweisenden Komponente ermöglicht und die beim Stand der Technik geschilderten Nachteile nicht aufweist. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechendes Meßverfahren zum Nachweis einer ein- oder mehrdimensionalen Verteilung einer chemischen oder biologischen Komponente zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Meßanordnung gemäß Hauptanspruch sowie durch ein Verfahren gemäß Nebenanspruch. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen. Gegenstand der Erfindung
Die Messanordnung nach Anspruch 1 umfaßt eine erste Elektrode und ein Substrat, das in direktem Kontakt mit der ersten Elektrode steht. Weiterhin umfaßt die Meßanordnung eine oder mehrere photosensitive Strukturen, die auf oder/und in dem Substrat ausgebildet sind. Jede dieser photosensitiven Strukturen umfaßt mindestens einen photosensitiven Kontakt. Bei Lichteinfall ändert sich bei diesem Kontakt vorteilhaft die Höhe der Potentialbarriere. Die erfindungsgemäße Meßanordnung umfaßt weiter eine Passivierungsschicht zur Isolierung der photosensitiven Strukturen und des Substrats. Direkt im Kontakt mit der Oberfläche der photosensitiven Struktur steht eine funktionalisierte Schicht. Eine zweite
Elektrode hat keinen direkten Kontakt zu dieser funkti- onalisierten Schicht.
Die nachzuweisende Spezies bzw. die Analytlösung befin- det sich zwischen der funktionalisierten Schicht und der zweiten Elektrode und ist gleichzeitig in Kontakt mit beiden.
Die photosensitive Struktur besteht aus mindestens einem photosensitiven Kontakt. Als photosensitiver Kontakt kann jeder Kontakt angewendet werden, in dem sich die Höhe der Kontaktbarriere unter der Beleuchtung ändert. Der photosensitive Kontakt kann als Metall- Halbleiter-Kontakt (z. B. Schottky-Barriere, Schottky- Diode), p-n-Übergang, p-i-n-Diode, Lawinen-Diode etc. oder als Heterokontakt (z. B. Halbleiter-Halbleiter, Ionenleiter-Halbleiter, Metalloxid-Halbleiter, Polymer- Halbleiter, Biomaterial-Halbleiter, Zellen-Halbleiter etc.) ausgelegt sein.
Die funktionalisierte Schicht, auch Transducerschicht genannt, enthält ein (bio) /chemisch sensitives Material (z. B. ionen- , immuno-, enzym- , gas-, flüssigkeitssensitiv) . Sie ist in unmittelbarem Kontakt mit der nachzuweisenden Spezies. Die Eigenschaften der funktionali- sierten Schicht ändern beispielsweise Ionen oder Bio- elemente. Sie kann aus einer oder mehreren Schichten bestehen, wie z. B. Metallschichten bzw. -elektroden, membranbedeckte Schichten, enzymbedeckte Schichten, die üblicherweise in der Chemo- und Biosensorik Verwendung finden. Vorteilhaft kann die Oberfläche oder obere Schicht der photosensitiven Strukturen gleichzeitig als funktionalisierte Schicht ausgebildet sein.
Die die photosensitiven Strukturen isolierende Passi- vierungsschicht umfaßt Materialien, wie sie als Passi- vierungsmaterialien aus dem Stand der Technik bekannt sind. Dazu gehören insbesondere Polyimide, Epoxydharze, Si02, Si3N4 oder auch Al203.
Als Materialien für das Substrat sind insbesondere Si, GaAs oder auch InSb geeignet .
Als geeignete zweite Elektrode wird beispielsweise eine in eine Flüssigkeit getauchte Gegen- und/oder Referenzelektrode eingesetzt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßanordnung wird die Oberfläche bzw. die obere Schicht der photosensitiven Struktur gleichzeitig als funktionalisierte Schicht eingesetzt.
Der Sensor bzw. die Meßanordnung kann vorteilhaft voll- ständig in Silizium- bzw. Dünnschichttechnologie hergestellt werden.
Die erfindungsgemäße Meßanordnung weist folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf: - ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis und damit eine bessere Nachweisempfindlichkeit aufgrund des niedrigeren DunkelStroms ;
- ein schnellerer Nachweis des Analyten ist möglich, da typische Umschaltzeiten solcher photosensitiven Kontaktanordnungen im Bereich von Nanosekunden liegen;
- die externe Beleuchtung des Sensors kann von allen Seiten erfolgen, wobei bei einer Beleuchtung von oben die minimale örtliche. Auflösung durch die Transducerschicht- bzw. Elektrodengeometrie und/oder durch die Kontaktgeometrie auf kleiner 1 μxvi2 realisiert werden kann;
- man kann die abgeschiedenen funktionalisierten Schichten bzw. Elektroden auch nachträglich in ihren Eigenschaften durch galvanische Modifikation verändern (damit ist z. B. auch eine ortsaufgelöste galvanische Deposition von Materialien bzw. eine Realisierung von Multisensorarrays möglich) ;
- aufgrund des Meßprinzips ist eine Kombination von amperometrischen und voltametrischen Verfahren möglich; - die Anordnung kann auch als Aktuator verwendet werden, beispielsweise zur Generierung von Ionen bzw. Gasen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum ein- oder zweidimen- sionalen Nachweis einer AnalytSubstanz nach Anspruch 6 wird mit einer Meßanordnung durchgeführt . Diese umfaßt photosensitive Kontakte im Kontakt mit einer funktiona- lisierten Schicht, dessen Eigenschaft sich bei Kontakt mit der Analytsubstanz verändert.
Das Verfahren beinhaltet dabei den Schritt, daß bei Beleuchtung eines photosensitiven Kontaktes die Potentialbarriere in dem photosensitiven Kontakt verändert wird.
Bei dem Verfahren zum ein- oder zweidimensionalen Nachweis einer Analytsubstanz wird eine Spannung (Sperrspannung) zwischen zwei Elektroden angelegt, wobei der photosensitive Kontakt sich im Sperrbereich befindet .
Im Falle einer vorhandenen nachzuweisenden Substanz und unter der Voraussetzung, daß der photosensitive Kontakt beleuchtet wird, ändert sich dann die Höhe der Potentialbarriere in dem photosensitiven Kontakt . Dies hat eine direkte Änderung des Stroms in den beleuchteten
Bereichen zur Folge, hervorgerufen durch die chemische bzw. biochemische Reaktion am Interface hin zur funkti- onalisierten Schicht. Die Änderung des Stroms kann als Maß für die nachzuweisende Analytsubstanz detektiert werden.
Vorteilhaft wird eine ein- oder mehrdimensionale Verteilung der nachzuweisenden Spezies erzielt, wenn die Substratoberfläche unter Beleuchtung gezielt und definiert beleuchtet bzw. abgescannt wird. Das kann in geeigneterer Weise durch einen punktförmigen Lichtstrahl oder auch geeignet durch einen Laserstrahl erfolgen.
Eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Meßanordnung kann auch vorteilhaft für eine ortsaufgelöste Abscheidung von Metall eingesetzt werden. Bei diesem galvanischen Verfahren wird die Sperrfunktion der photo- sensitiven Kontakte in geeigneter Weise dazu genutzt, an definierten Stellen (z. B. beleuchteten Stellen) einen Stromfluß und damit eine metallische Abscheidung zu ermöglichen. Anstelle der Analytsubstanz würde sich dazu eine geeignete Metallionen umfassende Lösung zwi- sehen der funktionalisierten Schicht und der ersten Elektrode befinden.
Ausführungsbeispiele und Figuren Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend mit Hilfe der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.
Figur 1 verdeutlicht den Aufbau einer Anordnung, wie sie zur Messung verschiedener nachzuweisender Substanzen in einem Analyten eingesetzt werden kann. Die Meßanordnung besteht aus einer ersten Elektrode 1, einem Substrat 2, welches in direktem Kontakt mit der ersten Elektrode 1 steht oder selbst als eine Elektrode ausge- bildet ist. Darauf befinden sich eine oder mehrere photosensitive Strukturen 3, die gegeneinander über eine Passivierung 4 getrennt sind. Die Passivierung hat weiterhin die Funktion der elektrischen Isolierung von 1 und/oder 2. Die funktionalisierte Schicht (Transducer- schicht) 5 befindet sich einerseits in direktem Kontakt zu 3 und andererseits in unmittelbarem Kontakt zur nachzuweisenden Spezies 6. Die zweite Elektrode oder Elektrodenanordnung 7 befindet sich entfernt von 5, aber in unmittelbarem Kontakt zu 6. Eine Spannung (Sperrspannung) wird zwischen den beiden Elektroden 1 und 7 angelegt, wobei der photosensitive Kontakt 3 sich im Sperrbereich befindet. Im Falle einer vorhandenen nachzuweisenden Substanz 6 und unter der Voraussetzung, daß der photosensitive Kontakt 3 beleuchtet wird, ändert sich dann die Höhe der Potentialbarriere in dem photosensitiven Kontakt 3. Dies hat dann eine direkte Änderung des Stroms nur in dem beleuchteten Bereich zur Folge, hervorgerufen durch die chemische bzw. biochemische Reaktion am Interface hin zur Transducerschicht 5. Eine ein- oder mehrdimensionale Verteilung der nachzuweisenden Spezies 6 kann erzielt werden, wenn unter Beleuchtung gezielt und definiert die Oberfläche der An- Ordnung abgescannt wird. Die für die unterschiedlichen Schichten verwendbaren Materialien sind in der obigen Beschreibung aufgeführt .
Die Figur 2 entspricht im Aufbau der Anordnung aus der Figur 1. In dieser Anordnung ist anstelle der in Figur 1 zusätzlich vorhandenen Transducerschicht 5 die photosensitive Struktur bzw. Oberfläche 3 selbst als Transducerschicht 5 ausgebildet. Die für diese Transducerschicht 5 eingesetzten Materialien entsprechen den in Beispiel 1 aufgeführten. Figur 3 entspricht im Aufbau der Anordnung aus Figur 1, wobei sich als photosensitive Struktur 3 ein oder mehrere p-n-Übergänge 8 auf oder im Substrat 2 befinden.
Bei der Erfindung werden alle die zum Stand der Technik aufgeführten Nachteile regelmäßig umgangen, wobei dennoch mittels eines Sensors die zweidimensionale Ortsauflösung der nachzuweisenden Analytsubstanz gewährleistet ist. Im Gegensatz zu der vorgenannten japani- sehen Patentschrift JP 07335956, bei der die Änderung der Photoleitfähigkeit als Meßgröße dient, wird in der vorliegenden Erfindung ein photosensitiver Kontakt auf einer Halbleiterschichtstruktur aufgebracht und die Änderung der Potentialbarriere des Kontakts bei Beleuch- tung als Funktionsprinzip ausgenutzt.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Meßanordnung zum Nachweis einer Analytsubstanz, umfassend eine erste Elektrode, ein Substrat, das in direktem Kontakt mit der ersten Elektrode steht, mehrere photosensitive Strukturen, die auf oder/und in dem Substrat ausgebildet sind, wobei jede dieser photosensitiven Strukturen mindestens einen photosensitiven Kontakt aufweist, - eine die photosensitiven Strukturen isolierende
Passivierungsschicht, eine funktionalisierte Schicht, die in direktem Kontakt mit der Oberfläche der photosensitiven Struktur steht - sowie eine zweite Elektrode.
2. Meßanordnung nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche oder die obere Schicht der pho- tosensitiven Struktur gleichzeitig die funktionalisierte Schicht darstellt.
3. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere photosensitive Kontakte auf einer Halbleiterschicht angeordnet sind.
4. Meßanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein oder mehrere p-n- Übergänge als photosensitive Strukturen.
5. Verfahren zum ein- oder zweidimensionalen Nachweis einer Analytsubstanz mit einer Meßanordnung, umfassend photosensitive Kontakte und eine funktionalisierte Schicht, deren Eigenschaften sich bei Kontakt mit der Analytsubstanz verändern, mit dem Schritt:
- bei Beleuchtung eines photosensitiven Kontaktes wird die Potentialbarriere in diesem photosensitiven Kontakt verändert.
6. Verfahren nach -vorhergehendem Anspruch, wobei die Beleuchtung einzelner photosensitiver Kontakte punktuell mit Hilfe eines Lasers erfolgt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 6, bei dem die photosensitiven Kontakte der
Meßanordnung mit einem Lichtstrahl abgescannt werden.
EP01988860A 2000-10-24 2001-10-23 Messanordnung zum nachweis einer ein- oder mehrdimensionalen verteilung einer chemischen oder biochemischen komponente Withdrawn EP1337842A2 (de)

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Inventor name: LUETH, HANS

Inventor name: SCHOENING, MICHAEL, JOSEF

Inventor name: POGHOSSIAN, ARSHAK

Inventor name: YOSHINOBU, TATSUO

Inventor name: IWASAKI, HIROSHI

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