WO2001075152A2 - Sensor for detecting macromolecular biopolymers, sensor arrangement, method for detecting macromolecular biopolymers and a method for producing a sensor for detecting macromolecular biopolymers - Google Patents

Sensor for detecting macromolecular biopolymers, sensor arrangement, method for detecting macromolecular biopolymers and a method for producing a sensor for detecting macromolecular biopolymers Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a sensor, a sensor arrangement and a method for detecting macromolecular biopolymers and a method for producing a sensor for detecting macromolecular biopolymers.
  • Such a sensor such a sensor arrangement and such methods are known from [1].
  • the sensor 200 has two electrodes 201, 202 made of gold, which are embedded in an insulator layer 203 made of insulator material. Electrode connections 204, 205 are connected to the electrodes 201, 202, to which the electrical potential applied to the electrode 201, 202 can be supplied. The electrodes 201, 202 are arranged as planar electrodes. DNA probe molecules 206 are immobilized on each electrode 201, 202 (cf. FIG. 2a). The immobilization takes place according to the so-called gold-sulfur coupling.
  • the analyte to be examined for example an electrolyte 207, is applied to the electrodes 201, 202.
  • the electrolyte 207 contains DNA strands 208 with a sequence that is complementary to the sequence of the DNA probe molecules 206, these DNA strands 208 are hybridized by the DNA probe molecules 206 (cf. FIG. 2b).
  • Hybridization of a DNA probe molecule 206 and a DNA strand 208 only takes place if the sequences of the respective DNA probe molecule 206 and the corresponding DNA strand 208 are complementary to one another. If not If so, no hybridization takes place. Thus, a DNA probe molecule of a given sequence is only able to bind, ie hybridize, a specific one, namely the DNA strand with a complementary sequence.
  • the value of the impedance between the electrodes 201 and 202 changes, as can be seen from FIG. 2b.
  • This changed impedance is brought about by applying an AC voltage with an amplitude of approximately 50 mV to the electrode connections 204, 205 and the resulting current by means of a connected measuring device (not shown).
  • the capacitive component of the impedance between the electrodes 201, 202 decreases. This is due to the fact that both the DNA probe molecules 206 and the DNA strands 208, which may hybridize with the DNA probe molecules 206, do not are conductive and thus clearly shield the respective electrodes 201, 202 to a certain extent electrically.
  • Interdigital electrode 300 results.
  • the dimension of the electrodes and the distances between the electrodes are of the order of the length of the molecules to be detected, i.e. of DNA strands 208 or below, for example in the range of 200 nm and below.
  • a further procedure for examining the electrolyte with regard to the existence of a DNA strand with a predetermined sequence is known from [2].
  • the DNA strands are labeled with the desired sequence and their existence is determined on the basis of the reflective properties of the labeled molecules. For this, light becomes visible Wavelength range is radiated onto the electrolyte and the light reflected by the electrolyte, in particular by the labeled DNA strand to be detected, is detected. On the basis of the reflection behavior, ie in particular on the basis of the detected, reflected light rays, it is determined whether the DNA strand to be detected is contained in the electrolyte with the correspondingly predetermined sequence or not.
  • This procedure is very complex, since a very precise knowledge of the reflection behavior of the corresponding DNA strand is required and it is also necessary to label the DNA strands before starting the method. Furthermore, a very precise adjustment of the detection means for detecting the reflected light rays is necessary so that the reflected light rays can be detected at all.
  • affinity chromatography cf. [3]
  • immobilized small molecules in particular ligands of high specificity and affinity, in order to generate peptides and proteins, e.g. Enzymes to bind specifically in the analyte.
  • the invention is therefore based on the problem of detecting macromolecular biopolymers in a simple, inexpensive and robust manner.
  • a sensor for detecting macromolecular biopolymers has a first layer with a detection means for He ⁇ take on electromagnetic waves.
  • the first layer and a second layer arranged on the first layer, which is preferably deposited on the first layer, can have semiconductor materials.
  • the first layer is a silicon wafer and the second layer is a layer of silicon oxide.
  • the first layer or the second rail can have the following materials:
  • the detection means is in particular set up such that electromagnetic waves can be detected.
  • the detection means can, for example, be an optical detection means with which electromagnetic waves can be detected optically.
  • a very simple and inexpensive option for the detection means is a photodiode, preferably a pn photodiode, with which light impinging on the pn photodiode, i.e. Light waves (light rays) in a wavelength range of visible light can be detected.
  • a trench is etched in such a way that at least part of the trench is located above the detection means in such a way that the electrical waves that pass through and through the trench are in front.
  • the detection means can be detected.
  • At least one side wall of the trench has a holding area for holding molecules, macromolecular organic polymeric ⁇ can bind.
  • the detection means clearly detects and evaluates light that was sent into the trench and that passes through the trench to the bottom thereof.
  • the electrolyte which is introduced into the trench has the macromolecular biopolymers to be detected which can be bound by the molecules applied to the holding area, these macromolecular biopolymers bind to the molecules applied to the holding area.
  • the light waves are at least partially absorbed by the macromolecular biopolymers and the same no longer occurs
  • Light amount to the photodiode is compared with the state where the trench is not filled mers with the bound macromolecular biopolymers ⁇ .
  • This changed permeability of the light through the trench results in a change in the electrical signals detected by the detection means.
  • This change can be used to describe the two states, namely the first state that there are no macromolecular biopolymers in the electrolyte that can be bound by the molecules on the holding area in the trench and the second state that macromolecular biopolymers in the electrolyte are present, which accumulate in the trench, ie bind with the molecules on the holding area.
  • macromolecular biopolymers are understood to mean biological polymers, such as, for example, proteins, peptides or else DNA strands.
  • a molecule on the holding area differs depending on the application, for example in the case that the macromolecular biopolymers to be detected are proteins or peptides, a corresponding ligand that can bind the respective protein or peptide or in the case of a DNA strand to be detected with a desired one Sequence a DNA probe molecule with the corresponding complementary sequence.
  • the holding area for holding DNA probe molecules can be arranged on one side wall, on several or on all side walls of the trench and on the bottom of the trench.
  • the holding area can be formed, for example, by epoxy, hydroxyl, amine or acetoxy residues, which can be immobilized in accordance with known methods to hold DNA probe molecules or also molecules to hold other macromolecular biopolymers.
  • the holding area can have, for example, glass (SiO 2 ).
  • the holding area can be provided, for example, with a coating material with epoxy, hydroxyl, amine or acetoxy residues, which can be used to probe the DNA . Immobilize nmolecules or ligands that are able to specifically bind further macromolecular biopolymers on the surface of the holding area.
  • the holding area can also be formed by a holding layer, which preferably has gold, so that the known gold-sulfur coupling makes it possible to bind the probe molecules to the gold layer as the holding layer.
  • the trench is preferably dimensioned such that the side walls of the trench are arranged at a distance from one another which corresponds to the length of one, preferably at least the length of two macromolecular biopolymers, so that the macromolecular biopolymers can bind to the corresponding molecules on the holding area.
  • S A sensor array for detecting macromolecular Biopo ⁇ lymeren comprises the sensor described above, as well as a wave-len-generating unit, such as a light source, with which an electromagnetic wave can be generated.
  • the wave generation unit is preferably arranged in such a way that the generated electromagnetic waves can be guided into the trench and at least partially hit the detection means, in particular the photodiode.
  • an electromagnetic wave is emitted into a trench of a sensor and the electromagnetic wave is detected by a detection means arranged below the trench.
  • a detection means arranged below the trench.
  • probe molecules for example DNA probe molecules.
  • the method can also be used to perform a quantitative analysis and not just a qualitative one.
  • the change in the signal detected by the detection means is a measure of how many, and not only whether or not, macro-molecular biopolymers were bound in the trench. According to this development, it is determined depending on the detected electromagnetic wave how many macromolecular biopolymers are in the trench.
  • the invention can e.g. be used in the context of the examination of blood, generally in the context of areas of application in which a quantitative analysis of the analyte is also required.
  • a first layer is provided with a detection means with which electromagnetic waves are detected. can be grasped.
  • a second layer is formed on the first layer and a trench is formed over the detection means in the second layer in such a way that electromagnetic waves which are guided into the trench can be detected by the detection means.
  • a holding area for holding molecules that can bind macromolecular biopolymers is formed in the trench.
  • the variants and refinements of the invention described above relate to the sensor, the sensor arrangement, the method for detecting macromolecular biopolymers and the method for producing the sensor.
  • the invention enables a very simple and therefore cost-effective and robust detection of macromolecular biopolymers, which can be located in an electrolyte, for example.
  • the method is no longer based on the exploitation of the reflection behavior of the hybridized labeled DNA strands as in the prior art. This makes the process more robust, i.e. less susceptible to interference since no arrangement of an optical detection means depending on the reflected rays with the corresponding inaccuracy caused by the scattering of the light waves has to be taken into account.
  • a direct measurement of the wave incidence in the trench is clearly carried out using the detection means.
  • FIGS. 1 a and 1 b show a sensor arrangement according to an exemplary embodiment of the invention in a state in which macromolecular biopolymers to be detected are bound in the trench (FIG. 1 a) or are not bound (FIG. 1 b);
  • FIGS. 2a and 2b show a sketch of two planar electrodes, by means of which the existence of DNA strands to be detected in an electrolyte (FIG. 2a) or their non-existence (FIG. 2b) can be verified;
  • FIGS. 4a to 4-f cross-sectional views of a sensor with which the individual process steps for its manufacture are shown according to an embodiment of the invention.
  • Fig. Lb shows a sensor arrangement 100 with a light source 101 and a sensor 102.
  • the sensor 102 has a silicon wafer 103 as the first layer with a pn photodiode 104 as the detection means. Furthermore, evaluation transistors (not shown) are provided as evaluation means for evaluating the electrical signals generated by the photodiode 104.
  • the evaluation means is also referred to below as evaluation logic.
  • a silicon oxide layer 105 is arranged as a second layer above the first layer 103.
  • a trench 106 is etched into the second layer 105 such that the trench 106 is at least partially arranged above the photodiode 104.
  • ERSATZBL ⁇ T (REGEL26)
  • the G dig 106 is sufficiently deep, 107 that is the bottom of the G Rabens 106 is located at a distance 108 from the surface 109 of the photodiode 104, which is sufficient that incident into the trench 106 light beams 110 generated by the light source 101 , can be at least partially detected by the photodiode 104.
  • Holding areas are applied to the side walls 111, 112 of the trench 106 and / or the bottom 107 of the trench 106, in accordance with the exemplary embodiment as a holding layer 113 made of gold.
  • the holding areas can be made of silicon oxide and can be formed with a coating which has epoxy, hyrdoxyl, amine or acetoxy residues.
  • alkoxysilane derivatives can be used, such as
  • the holding layer 113 or the holding areas are at least partially immobilized and DNA probe molecules 114 are applied to the immobilized areas.
  • the DNA probe molecules 114 have a sequence that is complementary to the sequence of the DNA strand to be detected.
  • S ollen o ⁇ er peptides are detected as macromolecular biopolymers proteins, in particular as ligands on the holding portions molecules are provided which can specifically bind the proteins or peptides to be detected.
  • Low-molecular enzyme agonists or enzyme antagonists pharmaceuticals, sugars or antibodies or any molecule which has the ability to specifically bind proteins or peptides are suitable as ligands.
  • An electrolyte 115 to be examined is applied to the sensor 102.
  • Fig.la shows the case in which there is no DNA strand in the electrolyte 115 with a sequence complementary to the sequence of the DNA probe molecules 114 located in the trench 106.
  • a characteristic quantity of light is detected by the photodiode 104 and stored by an evaluation logic (not shown) as a characteristic first electrical signal value for such a state.
  • FIG. 1b shows the case where there are m DNA strand 116 in the electrolyte 115 with a sequence complementary to the sequence of the DNA probe molecules 114 located in the trench 106 and this DNA strand 116 binds to the DNA probe molecules 114, ie hybridize with DNA probe molecules 114.
  • the second electrical signal is compared with the stored first electrical signal and on the basis of this comparison result, the evaluation logic determines whether the DNA contains 115 DNA strands with the sequence to be determined or not.
  • the first electrical signal was stored as a reference signal by the photodiode 104 when it was irradiated with light rays 110, then a permanent or periodic measurement of the incident light rays in the trench 106 becomes a second one which changes with respect to the reference signal electrical signal determined and thereby concluded the existence or non-existence of the DNA strands searched sequence.
  • FIGS. A to 4-f A method for producing the sensor 102 is explained in more detail below, as shown in FIGS. A to 4-f.
  • the starting point is the silicon wafer 103 with the pn photodiode 104.
  • the silicon oxide layer 105 is located on the silicon wafer 103 (cf. FIG. A).
  • a photoresist is applied over the oxide layer 105 with the exception of a predetermined area.
  • the silicon oxide of the silicon oxide layer 105 is etched to a depth of approximately 100 nm and the photoresist is subsequently removed again, so that a step 401 is formed.
  • the step 401 is optional and is used in the event that a plurality of adjacent trenches is formed to prevent
  • ERSATZBLA ⁇ (REGEL26) is changed, that at the end of the process G formed in the trench further old Anlagen not electrically connects.
  • gold can be removed above step 401, so that DNA molecules can no longer bind there, for example hybridize.
  • the specified range is therefore the range in which no more DNA molecules can hybridize.
  • stage 401 is not required for the chip to function itself. It can also be omitted. However, it is advantageous if the immobilization of the DNA probe molecules takes place by means of electrical fields.
  • a first barrier and adhesive layer 402 made of titanium tungsten TiW, alternatively made of platinum tungsten PtW, with a thickness of 50 nm is deposited.
  • the first barrier and adhesive layer 402 and the silicon oxide 105 are etched using photolithography and a wet etching process or a dry etching process, so that the trench 106 is formed with a depth of approximately 1000 nm.
  • the width of the trench 106 is designed such that at least on both rare walls 111, 112 of the trench 106 the respective macromolecular biopolymers to be detected, in particular the DNA strand with the sequence m of the trench that is complementary to the DNA probe molecules 113 106 can hybridize.
  • a trench width of at least 102 nm results for DNA strands of a length of 150 nucleotides, for example in the event that both trench walls are covered with DNA probe molecules should be seen.
  • the trench width for DN A probe molecules of the size specified above is at least 51 nm.
  • the dimensioning of the trench is not only determined by the length of the DNA strands.
  • the wavelength of the electromagnetic radiation used should also be taken into account. If the width of the trench is significantly smaller than the wavelength of the radiated electromagnetic radiation, e.g. of the incident light, the light intensity at the bottom of the trench is weakened by optical diffraction effects, which must be taken into account accordingly in the measurement process.
  • the trench width is the width of the trench at the end of the process.
  • the adhesive layer 403 and the gold layer 406 are still deposited in the trench.
  • the relationship between the desired length of the DNA probe molecules, the trench width and the number of the trench walls that are to be provided with DNA probe molecules can be expressed as follows:
  • B is the trench width in nm
  • N the number of linearly arranged nucleotides that make up a respective strand.
  • a second barrier and adhesive layer 403 made of TiW or PtW is deposited in a further step and has a thickness of 50 nm (cf. FIG. 4c).
  • the second barrier and adhesive layer 403 is then etched, at least in the region of the bottom 107 of the trench 106, in such a way that spacers 404, 405 made of titanium tungsten TiW or platinum tungsten PtW remain on the side walls 111, 112 of the trench 106.
  • a so-called electroplating with gold takes place, i.e. a thin gold layer 406 is applied to at least the side walls of the trench 106 (cf. FIG. 4d).
  • the trench 106 and the surface of the structure formed up to that point are filled with photoresist 407.
  • the photoresist 407, the gold layer 406 and part of the second barrier and adhesive layer 403 are then removed by means of a chemical-mechanical polishing process (cf. FIG. 4f).
  • the remaining photoresist 406 is then removed from the trench 106.
  • the DNA probe molecules are applied in the immobilized areas.
  • any number of trenches 106 arranged next to one another with different diameters, ie with different distances between the side walls 111, 112 from each other can be provided in a sensor arrangement.
  • the corresponding trenches 106 have different DNA probe molecules, generally different probe molecules, it is possible with a sensor arrangement to detect a large number of different DNA strands with different sequences by means of only one sensor arrangement.
  • the width of the trench 106 is usually not critical to the stability of the detection of the macromolecular biopolymers.
  • stage 401 which is why the corresponding process steps can be omitted in this case.

Abstract

The invention relates to a sensor that is provided with a first layer having a detection means for detecting electromagnetic waves and a second layer comprising a trench which is arranged over the detection means in such a way that electromagnetic waves can be detected using the detection means. At least one side wall of the trench is provided with a holding area for holding molecules that can bind macromolecular biopolymers.

Description

Beschreibung description
Sensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren, Sensoranordnung, Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren und Verfahren zum Herstellen eines Sensors zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren S ensor for detecting macromolecular biopolymers, sensor assembly method for detecting macromolecular biopolymers and methods of making a sensor for detecting macromolecular biopolymers
Die Erfindung betrifft einen Sensor, eine Sensoranordnung sowie ein Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopoly- eren sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Sensors zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren.The invention relates to a sensor, a sensor arrangement and a method for detecting macromolecular biopolymers and a method for producing a sensor for detecting macromolecular biopolymers.
Ein solcher Sensor, eine solche Sensorancrdnung sowie solche Verfahren sind aus [1] bekannt.Such a sensor, such a sensor arrangement and such methods are known from [1].
Fig.2a und Fig.2b zeigen einen solchen Sensor, wie er in [1] beschrieben ist. Der Sensor 200 weist zwei Elektroden 201, 202 aus Gold auf, die in einer Isolatorschicht 203 aus Isola- tormaterial eingebettet sind. An die Elektroden 201, 202 sind Elektroden-Anschlüsse 204, 205 angeschlossen, an denen das an der Elektrode 201, 202 anliegende elektrische Potential zugeführt werden kann. Die Elektroden 201, 202 sind als Planare- lektroden angeordnet. Auf jeder Elektrode 201, 202 sind DNA- Sondenmoleküle 206 immobilisiert (vgl. Fig.2a) . Die Immobili- sierung erfolgt gemäß der sogenannten Gold-Schwefel-Kopplung. Auf den Elektroden 201, 202 ist das zu untersuchende Analyt, beispielsweise ein Elektrolyt 207, aufgebracht.2a and 2b show such a sensor as described in [1]. The sensor 200 has two electrodes 201, 202 made of gold, which are embedded in an insulator layer 203 made of insulator material. Electrode connections 204, 205 are connected to the electrodes 201, 202, to which the electrical potential applied to the electrode 201, 202 can be supplied. The electrodes 201, 202 are arranged as planar electrodes. DNA probe molecules 206 are immobilized on each electrode 201, 202 (cf. FIG. 2a). The immobilization takes place according to the so-called gold-sulfur coupling. The analyte to be examined, for example an electrolyte 207, is applied to the electrodes 201, 202.
Sind in dem Elektrolyt 207 DNA-Stränge 208 mit einer Sequenz enthalten, die zu der Sequenz der DNA-Sondenmoleküle 206 komplementär ist, so werden diese DNA-Stränge 208 von den DNA- Sondenmolekülen 206 hybridisiert (vgl. Fig.2b) .If the electrolyte 207 contains DNA strands 208 with a sequence that is complementary to the sequence of the DNA probe molecules 206, these DNA strands 208 are hybridized by the DNA probe molecules 206 (cf. FIG. 2b).
Eine Hybridisierung eines DNA-Sondenmoieküls 206 und eines DNA-Strangs 208 findet nur dann statt, wenn die Sequenzen des jeweiligen DNA-Sondenmoleküls 206 und des entsprechenden DNA- Strangs 208 zueinander komplementär sind. Ist dies nicht der Fall, so findet keine Hybridisierung statt. Somit ist ein DNA-Sondenmolekül einer vorgegebenen Sequenz jeweils nur in der Lage einen bestimmten, nämlich den DNA-Strang mit jeweils komplementärer Sequenz zu binden, d.h. zu hybridisieren.Hybridization of a DNA probe molecule 206 and a DNA strand 208 only takes place if the sequences of the respective DNA probe molecule 206 and the corresponding DNA strand 208 are complementary to one another. If not If so, no hybridization takes place. Thus, a DNA probe molecule of a given sequence is only able to bind, ie hybridize, a specific one, namely the DNA strand with a complementary sequence.
Findet eine Hybridisierung statt, so verändert sich, wie aus Fig.2b ersichtlich, die der Wert der Impedanz zwischen den Elektroden 201 und 202. Diese veränderte Impedanz wird durch Anlegen einer Wechselspannung mit einer Amplitude von unge- fähr 50 mV an die Elektroden-Anschlüsse 204, 205 und dem dadurch resultierenden Strom mittels eines angeschlossenen Messgeräts (nicht dargestellt) bestimmt.If a hybridization takes place, the value of the impedance between the electrodes 201 and 202 changes, as can be seen from FIG. 2b. This changed impedance is brought about by applying an AC voltage with an amplitude of approximately 50 mV to the electrode connections 204, 205 and the resulting current by means of a connected measuring device (not shown).
Im Falle einer Hybridisierung verringert sich der kapazitive Anteil der Impedanz zwischen den Elektroden 201, 202. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sowohl die DNA-Sondenmoleküle 206 als auch die DNA-Stränge 208, die eventuell mit den DNA- Sondenmolekülen 206 hybridisieren, nicht-leitend sind und somit anschaulich die jeweilige Elektrode 201, 202 in gewissem Maße elektrisch abschirmen.In the case of hybridization, the capacitive component of the impedance between the electrodes 201, 202 decreases. This is due to the fact that both the DNA probe molecules 206 and the DNA strands 208, which may hybridize with the DNA probe molecules 206, do not are conductive and thus clearly shield the respective electrodes 201, 202 to a certain extent electrically.
Zur Verbesserung der Messgenauigkeit ist es aus [4] bekannt, eine Vielzahl von Elektrodenpaaren 201, 202 zu verwenden und diese parallel zu schalten, wobei diese anschaulich miteinan- der verzahnt angeordnet sind, so dass sich eine sogenannteTo improve the measuring accuracy, it is known from [4] to use a large number of electrode pairs 201, 202 and to connect them in parallel, these being clearly interlocked with one another, so that a so-called
Interdigitalelektrode 300 ergibt. Die Abmessung der Elektroden und der Abstände zwischen den Elektroden liegen in der Größenordnung der Länge der zu detektierenden Moleküle, d.h. der DNA-Stränge 208 oder darunter, beispielsweise im Bereich von 200 nm und darunter.Interdigital electrode 300 results. The dimension of the electrodes and the distances between the electrodes are of the order of the length of the molecules to be detected, i.e. of DNA strands 208 or below, for example in the range of 200 nm and below.
Aus [2] ist eine weitere Vorgehensweise zum Untersuchen des Elektrolyt hinsichtlich der Existenz eines DNA-Strangs mit vorgegebener Sequenz bekannt. Bei dieser Vσrgehensweise wer- den die DNA-Stränge mit der gewünschten Sequenz markiert und aufgrund der Reflexionseigenschaften der markierten Moleküle wird deren Existenz bestimmt. Hierzu wird Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich auf das Elektrolyt gestrahlt und das von dem Elektrolyt, insbesondere von dem nachzuweisenden markierten DNA-Strang, reflektierte Licht wird erfasst. Aufgrund des Reflexionsverhaltens, d.h. insbesondere aufgrund der erfass- ten, reflektierten Lichtstrahlen wird bestimmt, ob der nachzuweisende DNA-Strang mit der entsprechend vorgegebenen Sequenz in dem Elektrolyt enthalten ist oder nicht.A further procedure for examining the electrolyte with regard to the existence of a DNA strand with a predetermined sequence is known from [2]. In this procedure, the DNA strands are labeled with the desired sequence and their existence is determined on the basis of the reflective properties of the labeled molecules. For this, light becomes visible Wavelength range is radiated onto the electrolyte and the light reflected by the electrolyte, in particular by the labeled DNA strand to be detected, is detected. On the basis of the reflection behavior, ie in particular on the basis of the detected, reflected light rays, it is determined whether the DNA strand to be detected is contained in the electrolyte with the correspondingly predetermined sequence or not.
Diese Vorgehensweise ist sehr aufwendig, da eine sehr genau Kenntnis über das Reflexionsverhalten des entsprechenden DNA- Strangs erforderlich ist und weiterhin eine Markierung der DNA-Stränge vor Beginn des Verfahrens notwendig ist. Weiterhin ist eine sehr genaue Justierung des Erfassungsmittels zum Erfassen der reflektierten Lichtstrahlen erforderlich, damit die reflektierten Lichtstrahlen überhaupt erfasst werden können.This procedure is very complex, since a very precise knowledge of the reflection behavior of the corresponding DNA strand is required and it is also necessary to label the DNA strands before starting the method. Furthermore, a very precise adjustment of the detection means for detecting the reflected light rays is necessary so that the reflected light rays can be detected at all.
Somit ist diese Vorgehensweise teuer, kompliziert sowie gegen Störeinflüsse sehr empfindlich, wodurch das Messergebnis sehr leicht verfälscht werden kann.This procedure is therefore expensive, complicated and very sensitive to interference, which means that the measurement result can easily be falsified.
Ferner ist es aus der Affinitätschromatographie (vgl. [3]) bekannt, immobilisierte niedermolekulare Moleküle, insbesondere Liganden hoher Spezifität und Affinität, zu verwenden, um Peptide und Proteine, z.B. Enzyme, im Analyt spezifisch zu binden.Furthermore, it is known from affinity chromatography (cf. [3]) to use immobilized small molecules, in particular ligands of high specificity and affinity, in order to generate peptides and proteins, e.g. Enzymes to bind specifically in the analyte.
Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde, makromolekulare Biopolymere auf einfache, kostengünstige und robuste Weise zu erfassen.The invention is therefore based on the problem of detecting macromolecular biopolymers in a simple, inexpensive and robust manner.
Das Problem wird durch den Sensor, die Sensoranordnung, das Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren sowie durch das Verfahren zum Herstellen eines Sensors zum Er- fassen von makromolekularen Biopolymeren mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Ein Sensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren weist eine erste Schicht mit einem Erfassungsmittel zum Er¬ fassen elektromagnetischer Wellen auf.The problem is solved by the sensor, the sensor arrangement, the method for detecting macromolecular biopolymers and by the method for producing a sensor for detecting macromolecular biopolymers with the features according to the independent patent claims. A sensor for detecting macromolecular biopolymers has a first layer with a detection means for He ¬ take on electromagnetic waves.
Die erste Schicht sowie eine auf der ersten Schicht angeordnete zweite Schicht, die vorzugsweise auf der ersten Schicht abgeschieden ist, kann Halbleitermatenalien aufweisen. So ist beispielsweise die erste Schicht ein Siliziumwafer und die zweite Schicht eine Schicht aus Siliziumoxid.The first layer and a second layer arranged on the first layer, which is preferably deposited on the first layer, can have semiconductor materials. For example, the first layer is a silicon wafer and the second layer is a layer of silicon oxide.
Alternativ können die erste Schicht bzw. die zweite Schient folgende Materialien aufweisen:Alternatively, the first layer or the second rail can have the following materials:
• Kupferoxid,• copper oxide,
• Aluminiumoxid, • Zinkoxid.• aluminum oxide, • zinc oxide.
Das Erfassungsmittel ist insbesondere derart eingerichtet, dass elektromagnetische Wellen erfasst werden können.The detection means is in particular set up such that electromagnetic waves can be detected.
Das Erfassungsmittel kann beispielsweise ein optisches Erfassungsmittel sein, mit dem elektromagnetische Wellen optisch erfasst werden können.The detection means can, for example, be an optical detection means with which electromagnetic waves can be detected optically.
Eine sehr einfache und kostengünstig herstellbare Möglichkeit für das Erfassungsmittel stellt eine Fotodiode dar, vorzugsweise eine pn-Fotodiode, mit der auf die pn-Fotodiode auftreffendes Licht, d.h. Lichtwellen (Lichtstrahlen) m einem Wellenlangenbereich des sichtbaren Lichts, erfasst werden können.A very simple and inexpensive option for the detection means is a photodiode, preferably a pn photodiode, with which light impinging on the pn photodiode, i.e. Light waves (light rays) in a wavelength range of visible light can be detected.
In der zweiten Schicht ist ein Graben beispielsweise derart geatzt, dass sich zumindest ein Teil des Grabens über dem Erfassungsmittel befindet m einer Weise, dass die elektπscnen Wellen, die m und durch den Graben hindurch gelangen, vor. dem Erfassungsmittel erfasst werden können. Zumindest eine Seitenwand des Grabens weist einen Haltebereich zum Halten von Molekülen auf, die makromolekulare Bio¬ polymere binden können.In the second layer, for example, a trench is etched in such a way that at least part of the trench is located above the detection means in such a way that the electrical waves that pass through and through the trench are in front. the detection means can be detected. At least one side wall of the trench has a holding area for holding molecules, macromolecular organic polymeric ¬ can bind.
Auf diese Weise wird anschaulich von dem Erfassungsmittel Licht erfasst und ausgewertet, das in den Graben gesendet wurde und das durch den Graben bis auf dessen Boden hindurchtritt.In this way, the detection means clearly detects and evaluates light that was sent into the trench and that passes through the trench to the bottom thereof.
Sind auf dem Haltebereich Moleküle aufgebracht, mit denen makromolekulare Biopolymere gebunden werden können, so ist es ohne weiteres möglich, auf einfache und robuste Weise die Existenz makromolekularer Biopolymere nachzuweisen.If molecules are attached to the holding area with which macromolecular biopolymers can be bound, it is readily possible to prove the existence of macromolecular biopolymers in a simple and robust manner.
Dies erfolgt beispielsweise, indem von einer Lichtquelle elektromagnetische Wellen, vorzugsweise Lichtwellen, in den Graben gesendet werden in einer Weise, dass zumindest ein Teil der Lichtwellen auf das Erfassungsmittel trifft, wenn sich in dem Graben entweder kein Material oder ein Elektrolyt befindet, das die makromolekularen Biopolymere, die durch den Sensor zu erfassen sind, nicht aufweist.This is done, for example, by sending electromagnetic waves, preferably light waves, into the trench from a light source in such a way that at least some of the light waves hit the detection means if there is either no material or an electrolyte in the trench that contains the macromolecular Does not have biopolymers that can be detected by the sensor.
Weist das Elektrolyt, das in den Graben eingebracht wird, jedoch die nachzuweisenden makromolekularen Biopolymere auf, die von dem auf dem Haltebereich aufgebrachten Moleküle gebunden werden können, so binden diese makromolekularen Biopolymere an die auf dem Haltbereich aufgebrachten Moleküle.However, if the electrolyte which is introduced into the trench has the macromolecular biopolymers to be detected which can be bound by the molecules applied to the holding area, these macromolecular biopolymers bind to the molecules applied to the holding area.
Durch dieses Binden wird der Graben anschaulich mit Material "gefüllt", nämlich mit den makromolekularen Biopolymeren, das die in den Graben gestrahlten elektromagnetischen Wellen absorbiert bzw. blockiert.This binding clearly "fills" the trench with material, namely with the macromolecular biopolymers, which absorbs or blocks the electromagnetic waves radiated into the trench.
Insbesondere bei Verwenden einer Lichtquelle, die Lichtwellen im Längenbereich des sichtbaren Lichts ausstrahlt, werden die Lichtwellen von den makromolekularen Biopolymeren zumindest teilweise absorbiert und es gelangt nicht mehr die gleiche Lichtmenge zu der Fotodiode verglichen mit dem Zustand, wenn der Graben nicht mit den gebundenen makromolekularen Biopoly¬ meren gefüllt ist.Especially when using a light source that emits light waves in the length range of visible light, the light waves are at least partially absorbed by the macromolecular biopolymers and the same no longer occurs Light amount to the photodiode is compared with the state where the trench is not filled mers with the bound macromolecular biopolymers ¬.
Diese veränderte Durchlässigkeit des Lichts durch den Graben hat eine Veränderung der von dem Erfassungsmittel erfassten elektrischen Signale zur Folge. Diese Veränderung kann verwendet werden, um die zwei Zustände, nämlich den ersten Zustand, dass keine makromolekularen Biopolymere in dem Elek- trolyt vorhanden sind, die von den Molekülen auf dem Haltebereich in dem Graben gebunden werden können und den zweiten Zustand, dass makromolekulare Biopolymere in dem Elektrolyt vorhanden sind, die sich in dem Graben anlagern, d.h. mit den Molekülen auf dem Haltebereich binden, zu unterscheiden.This changed permeability of the light through the trench results in a change in the electrical signals detected by the detection means. This change can be used to describe the two states, namely the first state that there are no macromolecular biopolymers in the electrolyte that can be bound by the molecules on the holding area in the trench and the second state that macromolecular biopolymers in the electrolyte are present, which accumulate in the trench, ie bind with the molecules on the holding area.
Unter makromolekularen Biopolymeren sind im Rahmen der Erfindung biologische Polymere, wie beispielsweise Proteine, Pep- tide oder auch DNA-Stränge zu verstehen.In the context of the invention, macromolecular biopolymers are understood to mean biological polymers, such as, for example, proteins, peptides or else DNA strands.
Ein Molekül auf dem Haltebereich ist je nach Anwendung unterschiedlich, beispielsweise in dem Fall, dass die zu erfassenden makromolekularen Biopolymere Proteine oder Peptide sind, ein entsprechender Ligand, der das jeweilige Protein oder Peptid binden kann oder im Fall eines nachzuweisenden DNA- Strangs mit einer gewünschten Sequenz ein DNA-Sondenmolekül mit der entsprechenden komplementären Sequenz.A molecule on the holding area differs depending on the application, for example in the case that the macromolecular biopolymers to be detected are proteins or peptides, a corresponding ligand that can bind the respective protein or peptide or in the case of a DNA strand to be detected with a desired one Sequence a DNA probe molecule with the corresponding complementary sequence.
Der Haltebereich zum Halten von DNA-Sondenmolekülen kann auf einer Seitenwand, auf mehreren oder auf allen Seitenwänden des Grabens sowie auf dem Boden des Grabens angeordnet sein.The holding area for holding DNA probe molecules can be arranged on one side wall, on several or on all side walls of the trench and on the bottom of the trench.
Es ist darauf hinzuweisen, dass lediglich erforderlich ist, dass durch entsprechende Anlagerung, d.h. durch entsprechendes Binden der nachzuweisenden makromolekularen Biopolymere in dem Graben, d.h. auf den Haltebereichen mit den Sondenmolekülen, eine, insbesondere optische, Erfassung deren Existenz ermöglicht sein uss. So ist insbesondere bei Existenz des Haltebereichs auf dem Boden des Grabens vorzusehen, dass noch eine ausreichende Menge elektromagnetischer Wellen, insbesondere eine ausrei- chende Lichtmenge zu dem Erfassungsmittel hindurchdringen kann und erfasst werden kann, so dass eine Unterscheidung der Zustände einer Existenz und einer fehlenden Existenz makromo¬ lekularer Biopolymere in dem Graben möglich ist.It should be pointed out that it is only necessary that an appropriate, that is to say by appropriate binding of the macromolecular biopolymers to be detected in the trench, that is to say on the holding areas with the probe molecules, enables, in particular optical, detection of their existence. In the event of the holding area on the bottom of the trench, in particular, it should be provided that a sufficient amount of electromagnetic waves, in particular a sufficient amount of light, can penetrate and be detected by the detection means, so that a distinction can be made between the states of existence and those that are missing existence makromo ¬ lekularer biopolymers in the trench is possible.
Der Haltebereich kann beispielsweise durch Epoxid- Hydroxyl-, Amin-, oder Acetoxyreste gebildet werden, die gemäß bekannten Verfahren immobilisiert werden können zur Aufnahme von DNA- Sondenmolekülen oder auch von Molekülen zum Halten weiterer makromolekularer Biopolymere. Der Haltebereich kann bei- spielsweise Glas (Si02) aufweisen.The holding area can be formed, for example, by epoxy, hydroxyl, amine or acetoxy residues, which can be immobilized in accordance with known methods to hold DNA probe molecules or also molecules to hold other macromolecular biopolymers. The holding area can have, for example, glass (SiO 2 ).
Der Haltebereich kann beispielsweise mit einem Beschichtungs- material mit Epoxid-, Hydroxyl-, Amin-, oder Acetoxyresten versehen werden, die dazu verwendet werden können, um DNA- Sonde.nmoleküle oder auch Liganden, die imstande sind, weitere makromolekulare Biopolymere spezifisch zu binden, auf der Oberfläche des Haltebereichs zu immobilisieren.The holding area can be provided, for example, with a coating material with epoxy, hydroxyl, amine or acetoxy residues, which can be used to probe the DNA . Immobilize nmolecules or ligands that are able to specifically bind further macromolecular biopolymers on the surface of the holding area.
Der Haltebereich kann ferner durch eine Halteschicht gebildet werden, die vorzugsweise Gold aufweist, so dass mittels der bekannten Gold-Schwefel-Kopplung ein Binden der Sondenmoleküle auf der Goldschicht als Halteschicht möglich wird.The holding area can also be formed by a holding layer, which preferably has gold, so that the known gold-sulfur coupling makes it possible to bind the probe molecules to the gold layer as the holding layer.
Der Graben ist vorzugsweise derart dimensioniert, dass die Seitenwände des Grabens mindestens in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der der Länge eines, vorzugsweise mindestens der Länge zweier makromolekularer Biopolymere entspricht, so dass sich die makromolekularen Biopolymere auf dem Haltebereich mit den entsprechenden Molekülen binden kön- nen, im Falle des Erfassens von einem DNA-Strang mit vorgegebener Sequenz in einer Weise, dass die DNA-Stränge mit den DNA-Sondenmolekülen in dem Graben hybridisieren können. Eine Sensoranordnung zum Erfassen von makromolekularen Biopo¬ lymeren weist den oben beschriebenen Sensor sowie eine Wel- len-Erzeugungseinheit, beispielsweise eine Lichtquelle, auf, mit der eine elektromagnetische Welle erzeugbar ist. Die Wellen-Erzeugungseinheit ist vorzugsweise derart angeordnet, dass die erzeugten elektromagnetischen Wellen in den Graben geführt werden können und zumindest teilweise auf das Erfas- sungsmittel treffen, insbesondere auf die Fotodiode.The trench is preferably dimensioned such that the side walls of the trench are arranged at a distance from one another which corresponds to the length of one, preferably at least the length of two macromolecular biopolymers, so that the macromolecular biopolymers can bind to the corresponding molecules on the holding area. nen, in the case of detection of a DNA strand with a predetermined sequence in such a way that the DNA strands can hybridize with the DNA probe molecules in the trench. S A sensor array for detecting macromolecular Biopo ¬ lymeren comprises the sensor described above, as well as a wave-len-generating unit, such as a light source, with which an electromagnetic wave can be generated. The wave generation unit is preferably arranged in such a way that the generated electromagnetic waves can be guided into the trench and at least partially hit the detection means, in particular the photodiode.
Bei einem Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren wird eine elektromagnetische Welle in einen Graben eines Sensors ausgestrahlt und die elektromagnetische Welle wird von einem unterhalb des Grabens angeordneten Erfassungs- mittel erfasst. Abhängig von der erfassten elektromagnetischen Welle wird bestimmt, ob sich makromolekulare Biopolymere in dem Graben befinden, die mit Sondenmolekülen, beispielsweise DNA-Sondenmolekülen, gebunden wurden.In a method for detecting macromolecular biopolymers, an electromagnetic wave is emitted into a trench of a sensor and the electromagnetic wave is detected by a detection means arranged below the trench. Depending on the detected electromagnetic wave, it is determined whether there are macromolecular biopolymers in the trench that have been bound with probe molecules, for example DNA probe molecules.
Das Verfahren kann ferner dazu eingesetzt werden, auch eine quantitative Analyse durchzuführen und nicht lediglich eine qualitative. In anderen Worten bedeutet dies, dass die Veränderung des von dem Erfassungsmittel erfassten Signals ein Maß dafür ist, wie viele, und nicht nur ob oder ob nicht, makro- molekulare Biopolymere in dem Graben gebunden wurden. Somit wird gemäß dieser Weiterbildung abhängig von der erfassten elektromagnetischen Welle bestimmt, wie viele makromolekulare Biopolymere sich in dem Graben befinden.The method can also be used to perform a quantitative analysis and not just a qualitative one. In other words, the change in the signal detected by the detection means is a measure of how many, and not only whether or not, macro-molecular biopolymers were bound in the trench. According to this development, it is determined depending on the detected electromagnetic wave how many macromolecular biopolymers are in the trench.
Auf diese Weise kann die Erfindung z.B. im Rahmen der Untersuchung von Blut eingesetzt werden, allgemein im Rahmen von Einsatzgebieten, in denen auch eine quantitative Analyse des Analyts erforderlich ist.In this way the invention can e.g. be used in the context of the examination of blood, generally in the context of areas of application in which a quantitative analysis of the analyte is also required.
Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Sensors zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren wird eine erste Schicht mit einem Erfassungsmittel, mit dem elektromagnetische Wellen er- fasst werden können, gebildet. Auf der ersten Schicht wird eine zweite Schicht gebildet und in der zweiten Schicht wird ein Graben über dem Erfassungsmittel derart gebildet, dass von dem Erfassungs ittel elektromagnetische Wellen, die in den Graben geführt werden, erfassbar sind. In dem Graben wird ein Haltebereich zum Halten von Molekülen gebildet, die makromolekulare Biopolymere binden können.In a method for producing a sensor for detecting macromolecular biopolymers, a first layer is provided with a detection means with which electromagnetic waves are detected. can be grasped. A second layer is formed on the first layer and a trench is formed over the detection means in the second layer in such a way that electromagnetic waves which are guided into the trench can be detected by the detection means. A holding area for holding molecules that can bind macromolecular biopolymers is formed in the trench.
Die oben beschriebenen Varianten und Ausgestaltungen der Er- findung betreffen sowohl den Sensor, die Sensoranordnung, das Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren und das Verfahren zum Herstellen des Sensors.The variants and refinements of the invention described above relate to the sensor, the sensor arrangement, the method for detecting macromolecular biopolymers and the method for producing the sensor.
Durch die Erfindung wird ein sehr einfaches und somit kosten- günstig realisierbares und robustes Erfassen makromolekularer Biopolymere, die sich beispielsweise in einem Elektrolyt befinden können, möglich.The invention enables a very simple and therefore cost-effective and robust detection of macromolecular biopolymers, which can be located in an electrolyte, for example.
Das Verfahren basiert nicht mehr auf dem Ausnutzen des Refle- xionsverhaltens der hybridisierten markierten DNA-Strängen wie gemäß dem Stand der Technik. Damit ist das Verfahren robuster, d.h. störungsunanfälliger, da keine Anordnung eines optischen Erfassungsmittels abhängig von den reflektierten Strahlen mit der entsprechenden Ungenauigkeit, hervorgerufen durch die Streuung der Lichtwellen, berücksichtigt werden muss.The method is no longer based on the exploitation of the reflection behavior of the hybridized labeled DNA strands as in the prior art. This makes the process more robust, i.e. less susceptible to interference since no arrangement of an optical detection means depending on the reflected rays with the corresponding inaccuracy caused by the scattering of the light waves has to be taken into account.
Anschaulich erfolgt eine direkte Messung des Wellen-Einfalls in den Graben mittels des Erfassungsmittels .A direct measurement of the wave incidence in the trench is clearly carried out using the detection means.
Auch eine Markierung der makromolekularen Biopolymere zu Beginn des Verfahrens zum Erfassen der makromolekularen Biopolymere ist nicht mehr erforderlich.It is also no longer necessary to mark the macromolecular biopolymers at the start of the method for detecting the macromolecular biopolymers.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im weiteren näher erläutert. Es zeigenEmbodiments of the invention are shown in the figures and are explained in more detail below. Show it
Figuren la und lb eine Sensoranordnung gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel der Erfindung in einem Zustand, in dem zu erfassende makromolekulare Biopolymere in dem Graben gebunden sind (Figur la) bzw. nicht gebunden sind (Figur lb) ;FIGS. 1 a and 1 b show a sensor arrangement according to an exemplary embodiment of the invention in a state in which macromolecular biopolymers to be detected are bound in the trench (FIG. 1 a) or are not bound (FIG. 1 b);
Figuren 2a und 2b eine Skizze zweier Planarelektroden, mi - tels derer die Existenz zu erfassender DNA-Stränge in einem Elektrolyt (Figur 2a) bzw. deren Nicht-Existenz (Figur 2b) nachgewiesen werden können;FIGS. 2a and 2b show a sketch of two planar electrodes, by means of which the existence of DNA strands to be detected in an electrolyte (FIG. 2a) or their non-existence (FIG. 2b) can be verified;
Figur 3 Interdigitalelektroden gemäß dem Stand der Technik;Figure 3 interdigital electrodes according to the prior art;
Figuren 4a bis 4-f Querschnittsansichten eines Sensors, mit dem die einzelnen Verf hrensschritte zu dessen Herstellung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt sind.Figures 4a to 4-f cross-sectional views of a sensor with which the individual process steps for its manufacture are shown according to an embodiment of the invention.
Fig.lb zeigt eine Sensoranordnung 100 mit einer Lichtquelle 101 sowie einem Sensor 102.Fig. Lb shows a sensor arrangement 100 with a light source 101 and a sensor 102.
Der Sensor 102 weist einen Siliziumwafer 103 als erste Schicht mit einer pn-Fotodiode 104 als Erfassungsmittel auf. Weiterhin sind außerdem Auswerte-Transistoren (nicht dargestellt) als Auswertemittel zum Auswerten der von der Fotodiode 104 erzeugten elektrischen Signale vorgesehen. Das Auswertemittel wird im weiteren auch als Auswertelogik bezeichnet.The sensor 102 has a silicon wafer 103 as the first layer with a pn photodiode 104 as the detection means. Furthermore, evaluation transistors (not shown) are provided as evaluation means for evaluating the electrical signals generated by the photodiode 104. The evaluation means is also referred to below as evaluation logic.
Eine Ξiliziumoxidschicht 105 ist als zweite Schicht oberhalb der ersten Schicht 103 angeordnet. In die zweite Schicht 105 ist ein Graben 106 geätzt derart, dass der Graben 106 zu in- dest teilweise über der Fotodiode 104 angeordnet ist.A silicon oxide layer 105 is arranged as a second layer above the first layer 103. A trench 106 is etched into the second layer 105 such that the trench 106 is at least partially arranged above the photodiode 104.
ERSATZBLÄΪT(REGEL26) Der Graben 106 ist ausreichend tief, d.h. der Boden 107 des Grabens 106 ist in einem Abstand 108 von der Oberfläche 109 der Fotodiode 104 angeordnet, der ausreichend ist, dass in den Graben 106 einfallende Lichtstrahlen 110, die von der Lichtquelle 101 erzeugt werden, zumindest teilweise von der Fotodiode 104 erfasst werden können.ERSATZBLÄΪT (REGEL26) The G dig 106 is sufficiently deep, 107 that is the bottom of the G Rabens 106 is located at a distance 108 from the surface 109 of the photodiode 104, which is sufficient that incident into the trench 106 light beams 110 generated by the light source 101 , can be at least partially detected by the photodiode 104.
An den Seitenwänden 111, 112 des Grabens 106 und/oder dem Boden 107 des Grabens 106 sind Haltebereiche, gemäß dem Ausfüh- rungsbeispiel als Halteschicht 113 aus Gold aufgebracht.Holding areas are applied to the side walls 111, 112 of the trench 106 and / or the bottom 107 of the trench 106, in accordance with the exemplary embodiment as a holding layer 113 made of gold.
Alternativ können die Haltebereiche aus Siliziumoxid sein, und mit einer Beschichtung gebildet werden, die Epoxid-, Hyrdoxyl-, Amin-, oder Acetoxyreste aufweist.Alternatively, the holding areas can be made of silicon oxide and can be formed with a coating which has epoxy, hyrdoxyl, amine or acetoxy residues.
Beispielsweise können bekannte Alkoxysilanderivate verwendet werden wieFor example, known alkoxysilane derivatives can be used, such as
• 3-Glycidoxypropylmethyloxysilan,3-glycidoxypropylmethyloxysilane,
• 3-Acetoxypropyltrimethoxysilan, • 3-Aminopropyltriethoxysilan,3-acetoxypropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane,
• 4- (Hydroxybutyramido)propyltriethoxysilan,4- (hydroxybutyramido) propyltriethoxysilane,
• 3-N,N-bis (2-hydroxyethyl) aminopropyltriethoxysilan, oder andere artverwandte Matεrialen, die imstande sind, mit ihrem einen Ende eine kovalente Bindung mit der Oberfläche des Si- liziumoxids einzugehen und mit ihrem anderen Ende dem zu immobilisierenden Sondenmolekül eine chemisch reaktive Gruppe wie einen Epoxy-, Acetoxy-, Amin- oder Hydroxylrest zur Reaktion anzubieten. Reagiert ein zu immobilisierendes Sondenmolekül mit einer solchen aktivierten Gruppe, so wird es über das gewählte Material als eine Art kovalenter Linker auf der Oberfläche der Beschichtung auf der Elektrode immobilisiert.• 3-N, N-bis (2-hydroxyethyl) aminopropyltriethoxysilane, or other related materials which are able to form a covalent bond with the surface of the silicon oxide at one end and chemically at the other end of the probe molecule to be immobilized Offer reactive group such as an epoxy, acetoxy, amine or hydroxyl radical for the reaction. If a probe molecule to be immobilized reacts with such an activated group, it is immobilized on the surface of the coating on the electrode via the selected material as a kind of covalent linker.
Zumindest teilweise ist die Halteschicht 113 bzw. sind die Haltebereiche immobilisiert und auf den immobilisierten Be- reichen sind DNA-Sondenmoleküle 114 aufgebracht. Die DNA- Sondenmoleküle 114 weisen eine Sequenz auf, die komplementär ist zu der Sequenz des zu erfassenden DNA-Strangs. Sollen als makromolekulare Biopolymere Proteine oαer Peptide nachgewiesen werden, so sind auf den Haltebereichen Moleküle, insbesondere Liganden vorgesehen, die die nachzuweisenden Proteine oder Peptide spezifisch binden können.The holding layer 113 or the holding areas are at least partially immobilized and DNA probe molecules 114 are applied to the immobilized areas. The DNA probe molecules 114 have a sequence that is complementary to the sequence of the DNA strand to be detected. S ollen oαer peptides are detected as macromolecular biopolymers proteins, in particular as ligands on the holding portions molecules are provided which can specifically bind the proteins or peptides to be detected.
Als Liganden kommen niedermolekulare Enzymagonisten oder En- zymantagonisten, Pharmazeutika, Zucker oder Antikörper oder irgendein Molekül m Betracht, das die Fähigkeit besitzt, Proteine oder Peptide spezifisch zu binden.Low-molecular enzyme agonists or enzyme antagonists, pharmaceuticals, sugars or antibodies or any molecule which has the ability to specifically bind proteins or peptides are suitable as ligands.
Ein zu untersuchendes Elektrolyt 115 wird auf den Sensor 102 aufgebracht .An electrolyte 115 to be examined is applied to the sensor 102.
Fig.la zeigt den Fall, dass in dem Elektrolyt 115 kein DNA- Strang mit zu der Sequenz der sich m dem Graben 106 befindenden DNA-Sondenmolekulen 114 komplementärer Sequenz vorhanden sind.Fig.la shows the case in which there is no DNA strand in the electrolyte 115 with a sequence complementary to the sequence of the DNA probe molecules 114 located in the trench 106.
In diesem Zustand wird eine charakteristische Lichtmenge von der Fotodiode 104 erfasst und von einer nicht dargestellten Auswertelogik als charakteristischer erster elektrischer Signalwert für einen solchen Zustand gespeichert.In this state, a characteristic quantity of light is detected by the photodiode 104 and stored by an evaluation logic (not shown) as a characteristic first electrical signal value for such a state.
Fig.lb zeigt den Fall, dass m dem Elektrolyt 115 DNA-Strange 116 mit zu der Sequenz der m dem Graben 106 sich befindenden DNA-Sondenmolekulen 114 komplementärer Sequenz vorhanden sind und diese DNA-Strange 116 sich an die DNA-Sondenmolekule 114 binden, d.h. mit den DNA-Sondenmolekulen 114 hybridisieren.FIG. 1b shows the case where there are m DNA strand 116 in the electrolyte 115 with a sequence complementary to the sequence of the DNA probe molecules 114 located in the trench 106 and this DNA strand 116 binds to the DNA probe molecules 114, ie hybridize with DNA probe molecules 114.
Wie Fig.lb zu entnehmen ist, gelangt aufgrund der Absorption der Lichtstrahlen 110 durch die hybridisierten DNA-Strange 116 erheblich weniger, im Extremfall sogar gar kein Licht mehr zu der Fotodiode 104, so dass von der Fotodiode 104 ein zweites elektrisches Signal der Auswertelogik zugeführt wird, das einen wesentlich geringeren Lichteinfall bis gar keinen Lichteinfall der Lichtstrahlen 110 in den Graben 106 auf die Fotodiode 104 repräsentiert.As can be seen from FIG. 1b, due to the absorption of the light beams 110 by the hybridized DNA strand 116, considerably less, in the extreme case no light at all, reaches the photodiode 104, so that a second electrical signal is fed from the photodiode 104 to the evaluation logic will have a much lower incidence of light or none at all Light incidence of the light rays 110 in the trench 106 represents the photodiode 104.
Das zweite elektrische Signal wird mit dem gespeicherten er- sten elektrischen Signal verglichen und aufgrund dieses Ver- gleichsergebnisses wird von der Auswertelogik bestimmt, ob in dem Elektrolyt 115 DNA-Stränge mit der zu ermittelnden Sequenz enthalten sind oder nicht.The second electrical signal is compared with the stored first electrical signal and on the basis of this comparison result, the evaluation logic determines whether the DNA contains 115 DNA strands with the sequence to be determined or not.
Ist nämlich zu Beginn der Untersuchung des Elektrolyts 115 das erste elektrische Signal als Referenzsignal von- der Fotodiode 104 bei deren Bestrahlung mit Lichtstrahlen 110 gespeichert worden, so wird bei dauerhafter oder periodischer Messung der einfallenden Lichtstrahlen in den Graben 106 ein sich gegenüber dem Referenzsignal veränderndes zweites elektrisches Signal ermittelt und dadurch auf die Existenz oder Nicht-Existenz der DNA-Stränge gesuchter Sequenz geschlossen.If, at the beginning of the examination of the electrolyte 115, the first electrical signal was stored as a reference signal by the photodiode 104 when it was irradiated with light rays 110, then a permanent or periodic measurement of the incident light rays in the trench 106 becomes a second one which changes with respect to the reference signal electrical signal determined and thereby concluded the existence or non-existence of the DNA strands searched sequence.
Im weiteren wird ein Verfahren zum Herstellen des Sensors 102 näher erläutert, wie in den Fig. a bis Fig.4-f dargestellt .A method for producing the sensor 102 is explained in more detail below, as shown in FIGS. A to 4-f.
Ausgegangen wird von dem Siliziumwafer 103 mit der pn- Fotodiode 104. Auf dem Siliziumwafer 103 befindet sich die Siliziumoxidschicht 105 (vgl. Fig. a).The starting point is the silicon wafer 103 with the pn photodiode 104. The silicon oxide layer 105 is located on the silicon wafer 103 (cf. FIG. A).
In einem weiteren Schritt wird mittels Auftragen eines Fotolacks über der Oxidschicht 105 mit Ausnahme eines vorgegebenen Bereichs aufgetragen.In a further step, a photoresist is applied over the oxide layer 105 with the exception of a predetermined area.
In einem weiteren Schritt wird das Siliziumoxid der Siliziumoxidschicht 105 geätzt bis zu einer Tiefe von ungefähr 100 nm und der Fotoresist wird anschließend wieder entfernt, so dass eine Stufe 401 gebildet wird..In a further step, the silicon oxide of the silicon oxide layer 105 is etched to a depth of approximately 100 nm and the photoresist is subsequently removed again, so that a step 401 is formed.
Die Stufe 401 ist optional und dient für den Fall, dass eine Vielzahl benachbarter Gräben gebildet wird dazu, dass verhin-The step 401 is optional and is used in the event that a plurality of adjacent trenches is formed to prevent
ERSATZBLAπ(REGEL26) dert wird, dass zu Prozessende die im weiteren gebildete Goldschicht die Graben nicht elektrisch verbindet.ERSATZBLAπ (REGEL26) is changed, that at the end of the process G formed in the trench further oldschicht not electrically connects.
Zudem kann oberhalb der Stufe 401 Gold entfernt werden, so dass dort keine DNA-Molekule mehr binden, beispielsweise hybridisieren können. Der vorgegebenen Bereich ist somit derjenige Bereicn, m dem keine DNA-Molekule mehr hybridisieren können.In addition, gold can be removed above step 401, so that DNA molecules can no longer bind there, for example hybridize. The specified range is therefore the range in which no more DNA molecules can hybridize.
Es ist anzumerken, dass die Stufe 401 nicht für das Funktionieren des Chips selbst erforderlich ist. Sie kann auch weggelassen werden. Sie ist jedoch vorteilhaft, wenn die Immobilisierung der DNA-Sondenmolekule mittels elektrischer Felder erfolg .Note that stage 401 is not required for the chip to function itself. It can also be omitted. However, it is advantageous if the immobilization of the DNA probe molecules takes place by means of electrical fields.
In einem weiteren Schritt wird eine erste Barriere- und Haftschicht 402 aus Titanwolfram TiW, alternativ aus Platinwolfram PtW abgeschieden der Dicke 50 nm.In a further step, a first barrier and adhesive layer 402 made of titanium tungsten TiW, alternatively made of platinum tungsten PtW, with a thickness of 50 nm is deposited.
In einem weiteren Schritt werden unter Einsatz von Fotolitho- graphie und eines Nassatzverfahrens oder eines Trockenatzverfahrens die erste Barriere- und Haftschicht 402 sowie das Si- liziumoxid 105 geatzt, so αass der Graben 106 mit einer Tiefe von ungefähr 1000 nm entsteht.In a further step, the first barrier and adhesive layer 402 and the silicon oxide 105 are etched using photolithography and a wet etching process or a dry etching process, so that the trench 106 is formed with a depth of approximately 1000 nm.
Die Breite des Grabens 106 ist gemäß diesem Ausfuhrungsbei- spiel derart ausgelegt, dass zumindest an beiden Seltenwanden 111, 112 des Grabens 106 die jeweiligen zu erfassenden makromolekularen Biopolymere, insbesondere die DNA-Strange mit der zu den DNA-Sondenmolekulen 113 komplementären Sequenz m dem Graben 106 hybridisieren können.According to this exemplary embodiment, the width of the trench 106 is designed such that at least on both rare walls 111, 112 of the trench 106 the respective macromolecular biopolymers to be detected, in particular the DNA strand with the sequence m of the trench that is complementary to the DNA probe molecules 113 106 can hybridize.
Aus den be annten DNA-Dimensionen, vor allem dem Abstand von 0,34 nm zwischen Nukleotiden n und n + 1 im DNA-Strang, er- gibt sich beispielsweise für DNA-Strange von einer Lange von 150 Nukleotide eine Grabenbreite von mindestens 102 nm für den Fall, dass beide Grabenwande mit DNA-Sondenmolekulen ver- sehen werden sollen. Für den Fall, dass nur eine Grabenwand mit DNA-Sondenmolekülen versehen werden soll, beträgt für DNA-Sondenmoleküle der oben angegebenen Größe die Grabenbreite von mindestens 51 nm.From the known DNA dimensions, especially the distance of 0.34 nm between nucleotides n and n + 1 in the DNA strand, a trench width of at least 102 nm results for DNA strands of a length of 150 nucleotides, for example in the event that both trench walls are covered with DNA probe molecules should be seen. In the event that only one trench wall is to be provided with DNA probe molecules, the trench width for DN A probe molecules of the size specified above is at least 51 nm.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die Dimensionie- rung des Grabens nicht nur durch die Länge der DNA-Stränge bestimmt ist. Es sollte auch die Wellenlänge der verwendeten elektromagnetischen Strahlung berücksichtigt werden. Falls die Breite des Grabens wesentlich kleiner ist als die Wellenlänge der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung, z.B. des eingestrahlten Lichts, wird durch optische Beugungseffekte die Lichtintensität am Boden des Grabens abgeschwächt, was im Rahmen des Messverfahrens entsprechend zu berücksichtigen ist.In this context it should be noted that the dimensioning of the trench is not only determined by the length of the DNA strands. The wavelength of the electromagnetic radiation used should also be taken into account. If the width of the trench is significantly smaller than the wavelength of the radiated electromagnetic radiation, e.g. of the incident light, the light intensity at the bottom of the trench is weakened by optical diffraction effects, which must be taken into account accordingly in the measurement process.
Weiterhin ist anzumerken, dass die Grabenbreite die Breite des Grabens zu Prozessende ist. Bei der Strukturierung ist zu beachten, dass noch die Haftschicht 403 und die Goldschicht 406 in dem Graben abgeschieden werden.It should also be noted that the trench width is the width of the trench at the end of the process. When structuring, it should be noted that the adhesive layer 403 and the gold layer 406 are still deposited in the trench.
Allgemein lässt sich das Verhältnis zwischen der gewünschten Länge der DNA-Sondenmoleküle, der Grabenbreite und der Anzahl der Grabenwände, die mit DNA-Sondenmolekülen versehen werden sollen, wie folgt ausdrücken:In general, the relationship between the desired length of the DNA probe molecules, the trench width and the number of the trench walls that are to be provided with DNA probe molecules can be expressed as follows:
B = W (0,34N) + Dicke der Haftschichten in nm.B = W (0.34N) + thickness of the adhesive layers in nm.
Hier ist B die Grabenbreite in nm, W die Anzahl der Graben- wände (für W = 1, 2), die mit DNA-Sondenmolekülen versehen werden sollen, und N die Anzahl der linear angeordneten Nu- kleotide, die einen jeweiligen Strang ausmachen.Here B is the trench width in nm, W the number of trench walls (for W = 1, 2) to be provided with DNA probe molecules, and N the number of linearly arranged nucleotides that make up a respective strand.
Nach Entfernen des Fotoresist wird in einem weiteren Schritt eine zweite Barriere- und Haftschicht 403 aus TiW oder PtW abgeschieden der Dicke 50 nm (vgl. Fig.4c). Anschließend wird die zweite Barriere- und Haftschicht 403 zumindest im Bereich des Bodens 107 des Grabens 106 geätzt in einer Weise, dass Spacer 404, 405 aus Titanwolfram TiW bzw. Platinwolfram PtW an den Seitenwänden 111, 112 des Grabens 106 bestehen bleiben.After removing the photoresist, a second barrier and adhesive layer 403 made of TiW or PtW is deposited in a further step and has a thickness of 50 nm (cf. FIG. 4c). The second barrier and adhesive layer 403 is then etched, at least in the region of the bottom 107 of the trench 106, in such a way that spacers 404, 405 made of titanium tungsten TiW or platinum tungsten PtW remain on the side walls 111, 112 of the trench 106.
In einem weiteren Schritt erfolgt ein sogenanntes Electropla- ting mit Gold, d.h. es wird eine dünne Goldschicht 406 zu in- dest an den Seitenwänden des Grabens 106 aufgebracht (vgl. Fig.4d) .In a further step, a so-called electroplating with gold takes place, i.e. a thin gold layer 406 is applied to at least the side walls of the trench 106 (cf. FIG. 4d).
Wie Fig.4e zu entnehmen ist, wird der Graben 106 sowie die Oberfläche der sich bis dahin gebildeten Struktur mit Fotore- sist 407 gefüllt. Anschließend wird mittels eines chemisch- mechanischen Polierverfahrens der Fotoresist 407, die Goldschicht 406 sowie ein Teil der zweiten Barriere- und Haftschicht 403 entfernt (vgl. Fig.4f) .As can be seen in FIG. 4e, the trench 106 and the surface of the structure formed up to that point are filled with photoresist 407. The photoresist 407, the gold layer 406 and part of the second barrier and adhesive layer 403 are then removed by means of a chemical-mechanical polishing process (cf. FIG. 4f).
Anschließend wird das restliche Fotoresist 406 aus dem Graben 106 entfernt.The remaining photoresist 406 is then removed from the trench 106.
Somit befindet sich an den Seitenwänden 111, 112 des Grabens 106 eine Goldschicht 406, die in einem letzten Schritt in vorgegebenen Teilbereichen oder in dem gesamten Bereich mobilisiert wird.There is thus a gold layer 406 on the side walls 111, 112 of the trench 106, which in a last step is mobilized in predetermined partial areas or in the entire area.
In den immobilisierten Bereichen werden die DNA- Sondenmoleküle aufgebracht.The DNA probe molecules are applied in the immobilized areas.
Im weiteren werden einige Alternativen zu dem oben dargestellten Ausführungsbeispiel erläutert:Some alternatives to the exemplary embodiment shown above are explained below:
Es ist darauf hinzuweisen, dass eine beliebige Anzahl nebeneinander angeordneter Gräben 106 mit unterschiedlichen Durchmessern, d.h. mit unterschiedlichen Abständen der Seitenwände 111, 112 voneinander, in einer Sensoranordnung vorgesehen sein können.It should be pointed out that any number of trenches 106 arranged next to one another with different diameters, ie with different distances between the side walls 111, 112 from each other can be provided in a sensor arrangement.
Weisen die entsprechenden Gräben 106 unterschiedliche DNA- Sondenmoleküle, allgemein unterschiedliche Sondenmoleküle auf, so ist es mit einer Sensoranordnung möglich, eine Vielzahl unterschiedlicher DNA-Stränge mit unterschiedlichen Sequenzen mittels nur einer Sensoranordnung zu erfassen.If the corresponding trenches 106 have different DNA probe molecules, generally different probe molecules, it is possible with a sensor arrangement to detect a large number of different DNA strands with different sequences by means of only one sensor arrangement.
Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass die Breite des Grabens 106 üblicherweise nicht entscheidend ist hinsichtlich der Stabilität des Erfassens der makromolekularen Biopolymere.It should also be noted that the width of the trench 106 is usually not critical to the stability of the detection of the macromolecular biopolymers.
Wie oben erläutert worden ist, ist es in einer alternativen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, den Sensor ohneAs has been explained above, it is provided in an alternative embodiment of the invention, the sensor without
Stufe 401 vorzusehen, weshalb in diesem Fall die entsprechenden Verfahrensschritte weggelassen werden können. To provide stage 401, which is why the corresponding process steps can be omitted in this case.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:The following publications are cited in this document:
[1] R. Hintsche et al . , Microbiosensors Using Electrodes Made in Si-Technology, Frontiers in Biosensorics, Fundamental Aspects, edited by F. W. Scheller et al . , Dirk Hauser Verlag, Basel, S. 267 - 283, 1997[1] R. Hintsche et al. , Microbiosensors Using Electrodes Made in Si-Technology, Frontiers in Biosensorics, Fundamental Aspects, edited by F. W. Scheller et al. , Dirk Hauser Verlag, Basel, pp. 267-283, 1997
[2] N.L. Thompson, B.C. Lagerholm, Total Internal Reflection Fluoresence: Applications in Cellular Biophysics, Current Opinion in Biotechnology, Vol. 8, S. 58 - 64, 1997[2] N.L. Thompson, B.C. Lagerholm, Total Internal Reflection Fluoresence: Applications in Cellular Biophysics, Current Opinion in Biotechnology, Vol. 8, pp. 58-64, 1997
[3] P. Cuatrecasas, Affinity Chromatography, Annual Revision Bioche , Vol. 40, Ξ. 259 - 278, 1971[3] P. Cuatrecasas, Affinity Chromatography, Annual Revision Bioche, Vol. 40, Ξ. 259-278, 1971
[4] P. van Gerwen, Nanoscaled Interdigitated Electrode Arrays for Biochemical Sensors, IEEE, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, S.907 - 910, 16. - 19. Juni 1997 [4] P. van Gerwen, Nanoscaled Interdigitated Electrode Arrays for Biochemical Sensors, IEEE, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, pp. 907-910, June 16-19, 1997

Claims

Patentansprüche claims
1. Sensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren, mit1. Sensor for detecting macromolecular biopolymers, with
• einer ersten Schicht mit einem Erfassungsmittel zum Er- fassen elektromagnetischer Wellen,A first layer with a detection means for detecting electromagnetic waves,
• einer zweiten Schicht, die auf der ersten Schicht ange¬ ordnet ist,• a second layer which is arranged on the first-layer ¬,
• einem Graben in der zweiten Schicht,A trench in the second layer,
• wobei der Graben derart über dem Erfassungsmittel ange- ordnet ist, dass elektromagnetische Wellen, die in den• The trench is arranged above the detection means in such a way that electromagnetic waves that enter the
Graben gelangen, von dem Erfassungsmittel erfasst werden können, undDitch, from which detection means can be detected, and
• wobei zumindest eine Seitenwand des Grabens einen Haltebereich zum Halten von Molekülen aufweist, die makromole- kulare Biopolymere binden können.• At least one side wall of the trench has a holding area for holding molecules that can bind macromolecular biopolymers.
2. Sensor nach Anspruch 1 , bei dem auf dem Haltebereich Moleküle aufgebracht sind, mit denen makromolekulare Biopolymere gebunden werden können.2. Sensor according to claim 1, in which molecules are applied to the holding area with which macromolecular biopolymers can be bound.
3. Sensor nach Anspruch 1, bei dem die zumindest eine Seitenwand des Grabens einen Haltebereich zum Halten von Molekülen aufweist, mit denen Peptide oder Proteine gebunden werden können.3. Sensor according to claim 1, wherein the at least one side wall of the trench has a holding area for holding molecules with which peptides or proteins can be bound.
4. Sensor nach Anspruch 3, bei dem auf dem Haltebereich Moleküle aufgebracht sind, mit denen Peptide oder Proteine gebunden werden können.4. Sensor according to claim 3, in which molecules are applied to the holding area, with which peptides or proteins can be bound.
5. Sensor nach Anspruch 1, bei dem die zumindest eine Seitenwand des Grabens einen Haltebereich zum Halten von DNA-Sondenmolekulen aufweist.5. The sensor of claim 1, wherein the at least one side wall of the trench has a holding area for holding DNA probe molecules.
6. Sensor nach Ansprucn 5, bei dem auf dem Haltebereich DNA-Sondenmolekule aufgebracht sind. 6. Sensor according to Claim 5, in which DNA probe molecules are applied to the holding area.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem zumindest eine der Schichten Halbleitermaterial auf¬ weist.7. Sensor according to any one of claims 1 to 6, b ei which has at least one of the layers of semiconductor material on ¬.
8. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Haltebereich eine Halteschicht ist.8. Sensor according to one of claims 1 to 7, wherein the holding area is a holding layer.
9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Erfassungsmittel ein optisches Erfassungsmittεl ist.9. Sensor according to one of claims 1 to 8, in which the detection means is an optical detection means.
10. Sensor nach Anspruch 9, bei dem das Erfassungsmittel eine Fotodiode ist.10. Sensor according to claim 9, wherein the detection means is a photodiode.
11. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem der Haltebereich zumindest eines der folgenden Materialien aufweist:11. Sensor according to one of claims 1 to 10, wherein the holding area comprises at least one of the following materials:
Hydroxylreste, Epoxidreste, • AminresteHydroxyl residues, epoxy residues, • amine residues
Acetoxyreste Gold.Acetoxy residues gold.
12. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem der Haltebereich an allen Seitenwänden des Grabens vorgesehen ist.12. Sensor according to one of claims 1 to 11, wherein the holding area is provided on all side walls of the trench.
13. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei dem der Haltebereich auf dem Boden des Grabens vorgesehen ist derart, dass die elektromagnetischen Wellen von dem Er- fassungsmittel noch erfasst werden können.13. Sensor according to one of claims 1 to 12, wherein the holding area is provided on the bottom of the trench in such a way that the electromagnetic waves can still be detected by the detection means.
14. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Seitenwände des Grabens zumindest in einem Ab- stand voneinander angeordnet sind, der der Länge eines makromolekularen Biopolymers entspricht, so dass sich die makromo- lekularen Biopolymere zumindest auf einem Haltebereich mit den entsprechenden Molekülen binden können.14. Sensor according to one of claims 1 to 13, in which the side walls of the trench are arranged at least at a distance from one another which corresponds to the length of a macromolecular biopolymer, so that the macromolecular can bind molecular biopolymers at least on a holding area with the corresponding molecules.
15. Sensor nach Anspruch 14, bei dem die Seitenwande des Grabens zumindest in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der der Lange eines DNA- Strangs entspricht, so dass die DNA-Strange einer vorgegebenen DNA-Sequenz zumindest auf einem Haltebereich mit entsprechenden DNA-Sondenmolekulen hybridisieren können.15. Sensor according to claim 14, wherein the side walls of the trench are arranged at least at a distance from one another which corresponds to the length of a DNA strand, so that the DNA strand of a predetermined DNA sequence at least on a holding area with corresponding DNA probe molecules can hybridize.
16. Sensor nach Anspruch 14 oder 15, bei dem die Seitenwande des Grabens zumindest m einem Abstand voneinander angeordnet sind, der der zweifachen Lange eines makromolekularen Biopolymers entspricht, so dass sich die makromolekularen Biopolymere auf Haltebereichen mindestens zweier Seitenwande mit den entsprechenden Molekülen binden können.16. Sensor according to claim 14 or 15, in which the side walls of the trench are arranged at least m from each other a distance which corresponds to twice the length of a macromolecular biopolymer, so that the macromolecular biopolymers can bind to holding regions of at least two side walls with the corresponding molecules.
17. Sensor nach Anspruch 16, bei dem die Seitenwande des Grabens zumindest in einem Abstand voneinander angeordnet sind, der der zweifachen Lange eines DNA-Strangs entspricht, so dass sich die DNA-Strange einer vorgegebenen DNA-Sequenz auf Haltebereichen mindestens zweier Seitenwande mit entsprechenden DNA-Sondenmolekulen hy- bridisieren können.17. The sensor of claim 16, wherein the side walls of the trench are arranged at least at a distance from each other that corresponds to twice the length of a DNA strand, so that the DNA strand of a predetermined DNA sequence on holding areas of at least two side walls with corresponding Can hybridize DNA probe molecules.
18. Sensoranordnung zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren, mit einem Sensor, der aufweist: • eine erste Schicht, die ein Erfassungsmittel zum Erfassen elektromagnetischer Wellen aufweist,18. Sensor arrangement for detecting macromolecular biopolymers, with a sensor which has: a first layer which has a detection means for detecting electromagnetic waves,
• eine zweite Schicht, die auf der ersten Schicht angeord¬A second layer which is arranged on the first layer
• einen Graben m der zweiten Schicht, • wobei der Graben derart über dem Erfassungsmittel angeordnet ist, dass elektromagnetische Wellen, die m den Graben gelangen, von dem Erfassungsmittel erfasst werden können,• a trench m of the second layer, • the trench being arranged above the detection means in such a way that electromagnetic waves that m the Ditch, from which detection means can be captured,
• wobei zumindest eine Ξeitenwand des Grabens einen Halte¬ bereich zum Halten von makromolekularen Polymeren auf- weist, und einer Wellen-Erzeugungseinheit, mit der eine elektromagnetische Welle erzeugbar ist, die in den Graben führbar ist.• wherein at least one of the trench up Ξeitenwand has a holding portion for holding ¬ from macromolecular polymers, and a wave generating unit with which an electromagnetic wave can be generated, which can be guided into the trench.
19. Sensoranordnung nach Anspruch 18, bei dem die Wellen-Erzeugungseinheit eine Leuchtdiode ist.19. Sensor arrangement according to claim 18, wherein the wave generating unit is a light emitting diode.
20. Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren,20. Method for the detection of macromolecular biopolymers,
• bei dem eine elektromagnetische Welle in einen Graben eines Sensors ausgestrahlt wird, • bei dem die elektromagnetische Welle von einem unterhalb des Grabens angeordneten Erfassungsmittel erfasst wird,In which an electromagnetic wave is emitted into a trench of a sensor, in which the electromagnetic wave is detected by a detection means arranged underneath the trench,
• bei dem abhängig von der erfassten Welle bestimmt wird, ob sich makromolekulare Biopolymere in dem Graben befinden.• in which, depending on the detected wave, it is determined whether there are macromolecular biopolymers in the trench.
21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem abhängig von der erfassten Welle bestimmt wird wie viele makromolekulare Biopolymere sich in dem Graben befinden.21. The method according to claim 20, in which, depending on the detected wave, it is determined how many macromolecular biopolymers are in the trench.
22. Verfahren zum Herstellen eines Sensors zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren,22. A method for producing a sensor for detecting macromolecular biopolymers,
• bei dem eine erste Schicht mit einem Erfassungsmittel, mit dem elektromagnetische Wellen erfasst werden können, gebildet wird,In which a first layer is formed with a detection means with which electromagnetic waves can be detected,
• bei dem auf der ersten Schicht eine zweite Schicht gebildet wird,In which a second layer is formed on the first layer,
• bei dem in der zweiten Schicht ein Graben über dem Erfassungsmittel gebildet wird derart, dass von dem Erfas- sungsmittel elektromagnetische Wellen, die in den Graben geführt werden, erfassbar sind, bei dem in dem Graben ein Haltebereich zum Halten von Molekülen gebildet wird, die makromolekulare Biopolymere binden können. In which a trench is formed in the second layer above the detection means such that electromagnetic waves which are guided into the trench can be detected by the detection means, in which a holding area is formed in the trench for holding molecules which can bind macromolecular biopolymers.
PCT/DE2001/001245 2000-03-30 2001-03-29 Sensor for detecting macromolecular biopolymers, sensor arrangement, method for detecting macromolecular biopolymers and a method for producing a sensor for detecting macromolecular biopolymers WO2001075152A2 (en)

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DE10015821A DE10015821A1 (en) 2000-03-30 2000-03-30 New sensor, useful for detecting biopolymers, particularly protein or nucleic acid, comprises measuring changes in optical signal from trench coated with immobilized capture molecules
DE10015821.8 2000-03-30

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