WO2003079003A2 - Method for capturing macromolecular biopolymers by means of a field effect transistor, biosensor and circuit arrangement comprising a biosensor and an evaluation circuit coupled thereto - Google Patents

Method for capturing macromolecular biopolymers by means of a field effect transistor, biosensor and circuit arrangement comprising a biosensor and an evaluation circuit coupled thereto Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for detecting macromolecular biopolymers by means of a field effect transistor, a biosensor and a circuit arrangement with a biosensor and an evaluation circuit coupled therewith.
  • Optical methods are mostly used today for examining, for example, the expression pattern of a cell using nucleic acids or generally for detecting nucleic acids.
  • small amounts of different single-stranded nucleic acid molecules serving as capture molecules are preferably immobilized in a punctiform manner in an ordered grid (array) of, for example, some 10, 100 or 1000 points (dots) on a surface, for example made of glass, plastic, gold or other materials (see for example [1], [2]).
  • An analyte ie a liquid to be examined
  • nucleic acids labeled with a fluorescent dye is then transferred pumped this surface.
  • nucleic acids with capture molecules complementary to them can form double-stranded hybrid molecules on the surface of the support.
  • Proteins can also be detected using optical detection methods which are based on the immobilization of a capture molecule on a surface of a support made of glass, plastic, silicon dioxide or metal.
  • markings that emit an optical signal such as a fluorescence signal are detected with the aid of an excitation unit such as a laser and an external detection unit for the emitted radiation (cf. e.g. [3], [4]).
  • Biosensors based on passive semiconductor chips i.e. Sensors that do not have integrated circuit elements require large-area detection elements in order to be able to guarantee a certain degree of sensitivity and dynamics.
  • the omission of on-chip signal preprocessing with the help of integrated circuits e.g. based on a CMOS process reduces the manufacturing costs of such biosensors compared to active semiconductor chips. In principle, however, such sensors cannot be used.
  • This type of immobilization can take place, for example, if the immobilization agent is a plastic material that is used for the production of microtiter plates (for example polypropylene or
  • Fluoroalkylnaphthalinbis id (n-semiconductors, [19]), while the side facing the sensor consists of an N-amino acid-substituted naphthalene bisimide.
  • the dielectric can be inorganic in nature, such as silicon dioxide, silicon nitride, or an organic dielectric, such as Polyvinyl alcohol, which can be used as passivation of the transistor as described above.
  • organic dielectric such as Polyvinyl alcohol, which can be used as passivation of the transistor as described above.
  • all connections that can be deposited or processed above the channel region material can be used for the modification. It goes without saying that neither the deposition nor the structuring of this material may damage the underlying layers and materials of the transistor.
  • Detection signal not on a current measurement or the like rests, i.e. no electrically conductive connection between the detection unit and analyte (electrolyte), in particular the capture molecules, their reaction partners or possibly additional markers, is necessary.
  • analyte electrophilyte
  • this further layer is a metal such as gold. This embodiment is advantageous if, on the one hand, a galvanic separation between the analyte (a sample to be examined) is desired, the biochemical reaction to be examined on another
  • the transistor of the biosensor is a folded (polymer) transistor shown in FIG. 8, which provides an order of magnitude of the electrical parameters to be evaluated that is optimal for measurement and circuit technology.
  • folding is understood to mean that several individual transistors are connected in parallel, so that their electrical modeling can be considered as a single overall transistor with a very large width.
  • the drain and source areas are used on both sides of their longitudinal edges, which leads to an area-efficient implementation of such components.
  • the biosensor has a plurality of transistors, which are preferably arranged in a regular arrangement, an array, on the (common) carrier or embedded therein.
  • any material on which the various units of the sensor can be permanently applied can be used as the carrier material for the biosensor.
  • suitable carrier materials are insulators such as paper, plastic films, ceramics or glass, and also metal coated with an insulator or metal coated with plastic.
  • carrier materials made from suitable organic polymer materials are common dielectric synthetic plastics such as epoxy resins, polyalkylenes such as polyethylene or polypropylene resins,
  • Polyesters polystyrenes, substituted polystyrenes such as poly-o-hydroxystyrene, polyvinyl compounds such as polyvinyl alcohols or polyvinyl carbazoles, polyurethanes, polyimides, polybenzoxazoles, polythiazoles, polyethers, polyether ketones, polyacrylates, polyterephthalates, polyethylene naphthalates or polycarbonates of all types.
  • biodegradable polymers are also suitable, such as poly-degradable polymers , The surface properties of such a polymer material or glass support can easily be changed, so that hydrophilic or hydrophobic surfaces are created. This is desirable for many biochemical sensors.
  • These can be made up of the 20 amino acids usually found in proteins, but can also contain naturally occurring amino acids or e.g. be modified by sugar residues (oligosaccharides) or contain post-translational modifications. Furthermore, complexes from several different macromolecular biopolymers can also be detected, for example complexes from nucleic acids and proteins.
  • proteins or peptides are to be detected as macromolecular biopolymers with the biosensor, ligands which can specifically bind the proteins or peptides to be detected are preferably used as capture molecules.
  • the capture molecules / ligands are preferably linked to the detection area by covalent bonds.
  • Low-molecular enzyme agonists or enzyme antagonists, pharmaceuticals, sugars or antibodies or other suitable molecules which have the ability to specifically bind proteins or peptides are suitable as ligands for proteins and peptides.
  • DNA molecules nucleic acids or oligonucleotides of a given nucleotide sequence are detected with the biosensor described here, they are preferably detected in single-stranded form, i.e. if necessary, they are converted into single strands before the detection by denaturing as explained above.
  • DNA probe molecules with a sequence complementary to the single-stranded region are then preferably used as capture molecules.
  • the DNA probe molecules can in turn
  • oligonucleotides or longer nucleotide sequences as long as they do not form any of the intermolecular structures that prevent hybridization of the probe molecule with the nucleic acid to be detected.
  • DNA-binding proteins or agents as the capture molecule.
  • any evaluation circuit that can be coupled to the sensor or a transistor of the sensor and that can further process a signal received by the sensor, e.g. compares the result of the first electrical measurement with that of the second electrical measurement and thus records macromolecular biopolymers.
  • the evaluation circuit has at least one component with a semiconducting layer with an organic material.
  • Such a diode can have, for example, a layer with an n- or p-semiconducting organic material or both a layer made of an n-conducting and a layer of a p-conducting organic semiconductor material (see [20, 21]).
  • a layer with an n- or p-semiconducting organic material or both a layer made of an n-conducting and a layer of a p-conducting organic semiconductor material (see [20, 21]).
  • Suitable n-semiconducting organic materials are based, for example, on electron-poor aromatic compounds.
  • Resistors or capacitors with organic semiconducting materials can e.g. be constructed analogously to the resistors or capacitors described in FIG. 4 or FIG. 6 of [21].
  • these passive components are manufactured using inkjet techniques. In general, however, these can also be produced by standard lithography and metallization.
  • the at least one component of the evaluation circuit is a transistor.
  • This transistor is preferably a "polymer transistor" as described above and can be used in the biosensor and method of the invention.
  • the circuit arrangement has a multiplicity of biosensors.
  • a circuit arrangement is particularly preferred in which one or more of the biosensors with the associated coupled evaluation circuit are applied to a common carrier.
  • Figures 4a to 4c a symbolic representation of the field effect transistor according to the invention (Fig.4a) and two different electrical equivalent circuit diagrams (Fig.4b, Fig.4c);
  • Figure 5 shows an evaluation circuit of the invention
  • Figure 6 shows an evaluation circuit of the biosensor of the invention according to a second embodiment of the
  • Figure 8 shows an embodiment of the biosensor, which is based on a folded polymer transistor.
  • Fig.l shows various configurations of a field effect transistor 100 which can be used in the invention.
  • a carrier 101 e.g. consists of polyethylene naphthalate
  • a gate region 102 which consists of nickel.
  • a layer 103 made of a dielectric material such as silicon dioxide, which separates the gate region 102 from the first source / drain region 104 and the second source / drain region 105, which are made of palladium.
  • a layer 106 made of pentacene as a semiconducting organic material.
  • the layer 106 forms the body region of the transistor 100.
  • the body region 106 can also be formed from a layer of inert polymeric matrix material in which inorganic semiconducting particles are embedded.
  • a functional layer 107 e.g. consists of octadecyltrichlorosilane molecules can be generated as follows.
  • the pentacene layer is then functionalized with a short oxygen plasma treatment (1 to 2 seconds).
  • the functionalization is preferably completed by a rinsing step with deionized water, but the normal air humidity is also sufficient for the functionalization).
  • the reaction is then carried out with silane-functionalized oligonucleotides to remove the capture molecules (see, for example, FIG. 2, for example 206). to dock.
  • silane-functionalized oligonucleotides to remove the capture molecules (see, for example, FIG. 2, for example 206). to dock.
  • silane-functionalized oligonucleotides to remove the capture molecules (see, for example, FIG. 2, for example 206). to dock.
  • less reactive alkoxysilanes are also suitable.
  • other coupling methods such as amide, ester or glycosidic bonds, ionic or complexing bonds can also be used.
  • layer 107 can also consist of a gold layer which enables coupling via the gold-sulfur bond.
  • 107 may also include a dielectric.
  • the field effect transistor 100 initially has a layer 106 of semiconducting organic material on the carrier 101. This layer 106 forming the body region of transistor 100 has e.g. Tetracene on.
  • the transistor 100 also has a first and a second source / drain region 104, 105 made of platinum. A layer 103 is located above the source / drain regions 104, 105 or the body region 106
  • the gate area 102 also has a layer 108 of gold, which forms the detection area, on which either macromolecular biopolymers to be detected or capture molecules are immobilized. Alternatively, the gate area can be formed directly and completely from gold. The gate area then also directly represents the detection area.
  • the field effect transistor 100 according to FIG. 1g to Fig.li basically has the same structure as the transistor according to Fig.la to Fig.lc. However, there is an additional layer 108 in the transistor 100 according to FIGS. which can be used as an additional electrode for immobilizing biopolymers if, for example, the body area is not to be functionalized directly to form an immobilization unit.
  • the field effect transistors according to Fig.l with the layer with semiconducting organic material or the layer with the polymeric matrix material, in which inorganic semiconducting particles are embedded, can be produced with the method described in [12].
  • the deposition of the source / drain regions 104, 105 takes place before the deposition of the semiconducting layer 106 in the embodiments according to FIGS. 1c, 1c and Fig. Le, while in the embodiments according to FIGS. 1b, 1d and 1d If the semiconducting layer 106 is applied in front of the source / drain regions 104, 105.
  • the transistor 300 has a carrier 301, which consists of polyethylene naphthalate, a gate region 302 made of nickel, and a dielectric layer 303 made of silicon dioxide arranged thereover. Furthermore, the transistor 300 has a first source / drain region 304 and a second source / drain region 305 made of platinum as well as a layer 306 made of pentazen between the source / drain regions 304, 305 as a semiconducting organic material. Layer 306 forms the body region of transistor 300 and is at the same time modified by, as described above with reference to FIG.
  • Layer 306 has one Pot or tub shape to facilitate the absorption of liquid analytes.
  • first oligonucleotide molecules 307 (FIG. 3a) and second ones
  • Pyrimidine bases thymine (T) or cytosine (C) can in each case complement sequences of the DNA strands complementary to the sequences of the probe molecules in the usual manner, i.e. hybridize by base pairing via hydrogen bonds between A and T or between C and G.
  • T thymine
  • C cytosine
  • RNA molecules for example uridine (U)
  • U uridine
  • Fig.3c and Fig.3d show the transistor at the time when an analyte (not shown) with the detection area, i.e. here layer 306, the transistor, is brought into contact.
  • the analyte contains DNA molecules 309 which have a predetermined first nucleotide sequence which is complementary to the sequence of the first DNA capture molecules
  • the DNA molecules 309 complementary to the first DNA probe molecules 307 hybridize with the first DNA probe molecules 306, which are applied to the detection region of the semiconducting layer (the body region) 306.
  • the conditions under which the hybridization is carried out are (stringent) selected so that only the Hybridize sequences of DNA strands with the specific (perfectly) complementary sequence. Therefore, the DNA molecules 309 complementary to the first DNA probe molecules do not hybridize with the second DNA probe molecules 308.
  • a first electrical measurement is carried out with the transistor 300.
  • the current flowing through the transistor is measured.
  • the molecules immobilized during hybrid formation modulate an electric field which acts on the body region of the transistor and which thus influences the channel current of the field-effect transistor.
  • the current through the transistor is a direct measure of the amount of charge immobilized on the detection area 306.
  • a second electrical measurement is therefore carried out after contacting the analyte, in which the transistor current is determined.
  • the comparison of the two electrical measurements is used to detect the nucleic acid molecules. If the difference determined in the comparison exceeds a (predetermined) threshold value, it is concluded from this that DNA molecules 309 were present in the sample that are (perfectly) complementary to the capture molecules 307, and possibly in what concentration (cf. .3e). If there is a difference below the threshold value, it is concluded that no DNA molecules were present. This is the case with the example here in that the statement can be made that there were no DNA molecules that were among the given ones
  • Hybridization conditions are complementary to the capture molecules 308. This classification according to the threshold value can also be carried out in the other methods disclosed here.
  • the reaction can be detected.
  • the hybridization or, in general, the complex formation between the two binding partners changes the gate capacitance or - as described here primarily by way of example - the substrate steepness (this term is borrowed from the MOS transistor) or the substrate penetration and thus the transfer characteristic of the transistor. This change in the transfer characteristic is used here to detect complex formation and biopolymers.
  • Another way to operate the sensor of the invention is continuously, for example during contacting the analyte with the sensor surface or also during an optional washing step after the measurement. Changes to the sensor surface can then be tracked transiently.
  • mismatch i.e. to determine a hybridization between not perfectly complementary nucleic acids
  • the complementarity influences the properties of the field effect transistor, and thus e.g. influences the current flow through the transistor (cf. [10]).
  • FIGS. 4 a to 4 c show a symbol 400 for the field effect transistor 100 according to the invention with the following four connections (see FIG. 4 a):
  • a first source / drain region 401 A first source / drain region 401,
  • 4b and 4c show two different electrical equivalent circuit diagrams for the field effect transistor 100 according to the invention shown in FIG.
  • Field effect transistor 411 and a second field effect transistor 412 which have different properties in their electrical parameters, such as for example, their threshold voltage, their steepness, etc., can be approximated sufficiently well and can thus be replaced in the equivalent circuit.
  • This equivalent circuit assumes that the gate connection and the body connection each control a transistor independently of one another.
  • the second electrical equivalent circuit diagram 420 shown in FIG. 4c is more suitable for describing the electrical behavior, since in this case it is assumed that the control effect of the control electrodes, i.e. of the gate connection 403 and the body connection 404 extends to the entire volume of the body material.
  • a MOS voltage acts on a MOS field-effect transistor 421, which results from the weighted sum of the electrical voltages present at the gate connection 403 and at the body connection 404, these voltages possibly also adding an additive surcharge are provided in order to be able to take into account different work functions and similar effects, as is described, for example, for deriving the threshold voltage in conventional MOS field-effect transistors in [10]. For this reason, the second electrical
  • Equivalent circuit 420 has an adder 422 coupled with its output to the gate connection of the MOS field-effect transistor 421, the first input of which is coupled to the body connection 404 via a first amplifier element 423 and a first voltage source 424 and the second
  • connection is coupled via a second amplifier element 425 and a second voltage source 426 to the gate terminal 403. Evaluation circuits for evaluating the signal provided by the biosensor are described below.
  • FIG 5 shows an evaluation circuit 500 of the biosensor according to the invention based on a polymer transistor according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • the transistor 400 according to the invention is
  • FIG. 5 shows the electrical occurring in the analyte at the body connection 404
  • the first source / drain connection 401 is coupled to the ground potential 502.
  • the gate voltage VG present at the gate connection 403 is provided via the symbolically represented gate voltage source 503.
  • the second source / drain region 402 is via a current measuring device 504 with which the current flowing through the transistor 400 is measured, i.e. the electrical flowing through the body region of transistor 400 from first source / drain region 401 to second source / drain region 402
  • FIG. 6 shows an evaluation circuit 600 according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • the change in the effective control voltage which is required for the transistor 400 to carry an electrical current of a predetermined current strength is measured.
  • this change may preferably occur at first source / drain region 401, i.e. can be tapped from the source node of transistor 400.
  • transistor 400 is operated as a source follower.
  • the voltage at the first source / drain region 401 is measured by means of a voltage measuring device 601 connected to the first source / drain region, a current source 603 being coupled to the first source / drain region 401.
  • the drain-to-source potential affects the current only slightly, or the influence of the gate-to-source potential is significantly greater than the influence of the drain-to-source potential for maintaining a constant current , if the transistor operating point is placed in the saturation range or the sub-threshold range.
  • FIG. 7 shows an evaluation circuit 700 according to a third exemplary embodiment of the invention.
  • the voltage at one of the control electrodes is measured, which is required for the transistor to carry an electrical current of a predetermined current.
  • a control circuit 701 which controls the gate voltage source 503 in such a way that the current measured by the current measuring device 504 and flowing through the transistor 400 is kept constant.
  • the electrical potential applied to the body connection 404 i.e. the electrical voltage VE provided by the analyte voltage source 501 is kept constant and the gate voltage is regulated accordingly.
  • the evaluation circuit according to the third exemplary embodiment has an electrical voltage acting on the transistor via the analyte, which is symbolized by the analyte voltage source 501 and which is coupled on the one hand to the ground potential 702 and on the other hand to the body connection 404.
  • the first source / drain region 401 is directly coupled to the ground potential. Furthermore, the gate connection 403 is coupled to the gate voltage source 503 and the gate voltage source 503 to the ground potential 702 via the control circuit.
  • the second source / drain region 402 is coupled via the current measuring device 504 to the drain voltage source 505, which in turn is coupled to the ground potential 702.
  • the transistor 412 controlled by the gate connection 403 is preferably “disconnected” by applying a suitable control voltage to the gate connection 403, ie switched into a state in which the second transistor 412 delivers such a small electric current that it does not make a significant contribution and thus has to be taken into account in the signal processing.
  • the electrical voltage at the gate connection 403 should be applied to the same electrical potential before and after the biochemical reaction that has taken place.
  • Polymer transistors can be easily manufactured with very different channel lengths and channel widths from a few ⁇ m and below to a few 100 ⁇ m. For this reason, the size of the reaction area can be chosen, for example, depending on the available sample volume or the required sensitivity.
  • the reaction area can consist of the entire active area of the transistor area or only part of this area.
  • a folded polymer transistor 800 (see FIG. 8) can also be used in order to provide an order of magnitude of the electrical parameters to be evaluated that is optimal for measurement technology and circuit technology.
  • the folding of the polymer transistor 800 leads to an overall transistor with a very large electrical width, it being noted that the relative change in the measured parameters, i. the relative sensitivity of the biosensor does not change.
  • the sensor surface has a pot-like or pan-like shape, i.e. has a compartment. This makes it easier to take up small sample volumes.
  • first oligonucleotide molecules 307 first oligonucleotide molecules (probe molecules) 308 second oligonucleotide molecules (probe molecules) 309 DNA molecules

Abstract

The invention relates to a biosensor comprising: a support; a gate region situated on said support; a first and a second source/drain region situated in said gate region and a body region positioned between the first and the second source/drain region, whereby the body region comprises an organic material; and a body connection located on the body region, which is configured in such a way that macromolecular biopolymers can be immobilised on said connection.

Description

Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren mittels eines Feldeffekt-Transistors , Biosensor und Schaltungsanordnung mit Biosensor und damit gekoppelter AuswerteschaltungMethod for detecting macromolecular biopolymers by means of a field effect transistor, biosensor and circuit arrangement with biosensor and evaluation circuit coupled to it
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren mittels eines Feldeffekt- Transistors, einen Biosensor sowie eine Schaltungsanordnung mit einem Biosensor und damit gekoppelter Auswerteschaltung.The invention relates to a method for detecting macromolecular biopolymers by means of a field effect transistor, a biosensor and a circuit arrangement with a biosensor and an evaluation circuit coupled therewith.
Das Wissen über die molekularen und biochemischen Grundlagen z.B. über die Entstehung von Krankheiten hat durch die Entschlüsselung des menschlichen Erbguts im Rahmen des Humanen Genom- ro ekts in den letzten Jahren sprunghaft zugenommen. Von Interesse sind zur Zeit hier insbesondere mit den Begriffen „Functional Genomics" bzw. „Proteomics" verbundene Verfahren, bei denen entweder z.B. die in einer Zelle vorhandenen oder zu einem bestimmten Zeitpunkt exprimierten Gene oder die entsprechenden Proteine untersucht und nachgewiesen werden.Knowledge of the molecular and biochemical basics e.g. decoding of human genes in the context of the human genome has increased dramatically in recent years. Of particular interest are currently methods associated with the terms "functional genomics" or "proteomics", in which either e.g. the genes present in a cell or expressed at a specific time or the corresponding proteins are examined and detected.
Für die Untersuchung z.B. des Expressionsmusters einer Zelle anhand von Nukleinsäuren oder allgemein zum Nachweis von Nukleinsäuren werden heute meistens optische Verfahren eingesetzt. Dazu werden vorzugsweise kleine Mengen an unterschiedlichen als Fängermoleküle dienenden einzelsträngigen Nukleinsäuremoleküle punktförmig in einem geordneten Raster (Array) von z.B. einige 10, 100 oder 1000 Punkten (Dots) auf einer Oberfläche beispielsweise aus Glas, Kunststoff, Gold oder auch anderen Materialien immobilisiert (siehe beispielsweise [1], [2]) . Anschließend wird ein Analyt (d.h. eine zu untersuchende Flüssigkeit) , der mit einem Fluoreszenzfarbstoff markierte Nukleinsäuren enthält, über diese Oberfläche gepumpt. Dabei können Nukleinsäuren mit zu ihnen komplementären Fängermolekülen doppelsträngige Hybridmoleküle an der Oberfläche des Trägers ausbilden. Nach Anregung der Fluoreszenz-Markierung mittels eines Lasers und nachfolgender Messung des optischen Fluoreszenzsignals wird aufgrund der erfassten, emittierten Lichtstrahlen bestimmt, ob ein nachzuweisender DNA-Strang mit der entsprechend vorgegebenen Sequenz in dem Analyten enthalten ist oder nicht .Optical methods are mostly used today for examining, for example, the expression pattern of a cell using nucleic acids or generally for detecting nucleic acids. For this purpose, small amounts of different single-stranded nucleic acid molecules serving as capture molecules are preferably immobilized in a punctiform manner in an ordered grid (array) of, for example, some 10, 100 or 1000 points (dots) on a surface, for example made of glass, plastic, gold or other materials (see for example [1], [2]). An analyte (ie a liquid to be examined) which contains nucleic acids labeled with a fluorescent dye is then transferred pumped this surface. In this case, nucleic acids with capture molecules complementary to them can form double-stranded hybrid molecules on the surface of the support. After excitation of the fluorescence marking by means of a laser and subsequent measurement of the optical fluorescence signal, it is determined on the basis of the detected, emitted light beams whether or not a DNA strand to be detected with the correspondingly predetermined sequence is contained in the analyte.
Proteine können ebenfalls mit optischen Erfassungsverfahren, die auf der Immobilisierung eines Fängermoleküls auf einer Oberfläche eines Trägers aus Glas, Plastik, Siliziumdioxid oder Metal beruhen, erfasst werden. Auch hierbei werden Markierungen, die ein optisches Signal wie ein Fluoreszenz- Signal aussenden, mit Hilfe einer Anregungseinheit wie einem Laser und einer externen Erfassungseinheit für die emittierte Strahlung erfasst (vgl. z.B. [3], [4]).Proteins can also be detected using optical detection methods which are based on the immobilization of a capture molecule on a surface of a support made of glass, plastic, silicon dioxide or metal. Here too, markings that emit an optical signal such as a fluorescence signal are detected with the aid of an excitation unit such as a laser and an external detection unit for the emitted radiation (cf. e.g. [3], [4]).
Diese optischen Verfahren sind in der Regel sehr aufwändig, da z.B. eine sehr genaue Justierung des Erfassungsmittels zum Erfassen der emittierten Lichtstrahlen erforderlich ist, damit diese Lichtstrahlen korrekt positionsspezifisch erfasst werden können. Ferner sind diese Verfahren auch deshalb nachteilig, weil die Fluoreszenzstrahlung durch externe Spektrometer oder CCD-Kameras nachgewiesen wird. Diese sind teuer und aufwändig im Betrieb.These optical processes are usually very complex, because e.g. a very precise adjustment of the detection means for detecting the emitted light beams is required so that these light beams can be correctly detected in a position-specific manner. These methods are also disadvantageous because the fluorescence radiation is detected by external spectrometers or CCD cameras. These are expensive and complex to operate.
Andere Vorschläge gehen dahin, makromolekulare Biopolymere an Oberflächen elektronisch durch Messung von durch Redox-aktive Markierungen hervorgerufenen Strömen oder durch Impedanzmessung nachzuweisen. Dadurch entfällt sowohl die aufwändige optische Anordnung (Laser, Scanner, Justiervorrichtungen) für das Auslesen der Träger-Oberflächen als auch das Nachbearbeiten der dabei entstehenden Fluoreszenzbilder der reaktiven Oberflächen. Man erhält statt dessen direkt ein elektronisches Signal, das graphisch dargestellt und weiterverarbeitet werden kann.Other proposals are to electronically detect macromolecular biopolymers on surfaces by measuring currents caused by redox-active markings or by measuring impedance. This eliminates the complex optical arrangement (laser, scanner, Adjustment devices) for reading out the carrier surfaces and reworking the resulting fluorescence images of the reactive surfaces. Instead, an electronic signal is obtained directly, which can be graphically displayed and further processed.
So ist z.B. aus [5] ein Verfahren zum Erfassen von oder DNA- Molekülen bekannt, bei dem zur Erfassung Biosensoren eingesetzt werden, die auf Elektrodenanordnungen beruhen.For example, from [5] a method for the detection of or DNA molecules is known, in which biosensors are used for the detection, which are based on electrode arrangements.
Fig.2a und Fig.2b zeigen einen solchen Sensor, wie er in [5] beschrieben ist. Der Sensor 200 weist zwei Elektroden 201, 202 aus Gold auf, die in einer Isolatorschicht 203 aus Isolatormaterial 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 Planarelektroden angeordnet. Auf jeder Elektrode 201, 202 sind DNA-Sondenmoleküle 206 immobilisiert (vgl. Fig.2a). Die Immobilisierung erfolgt gemäß der sogenannten Gold-Schwefel- Kopplung. Auf den Elektroden 201, 202 ist der zu untersuchende Analyt 207, aufgebracht. Der Analyt kann dabei beispielsweise eine elektrolytische Lösung verschiedener DNA- Moleküle sein.2a and 2b show such a sensor as described in [5]. 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 207 to be examined is applied to the electrodes 201, 202. The analyte can be, for example, an electrolytic solution of different DNA molecules.
Sind in dem Analyt 207 DNA-Stränge 208 mit einer Sequenz enthalten, die zu der Sequenz der DNA-Sondenmoleküle 206 komplementär ist, so hybridisieren diese DNA-Stränge 208 mit den DNA-Sondenmolekülen 206 (vgl. Fig.2b).If the analyte 207 contains DNA strands 208 with a sequence that is complementary to the sequence of the DNA probe molecules 206, these DNA strands 208 hybridize with the DNA probe molecules 206 (cf. FIG. 2b).
Eine Hybridisierung eines DNA-Sondenmoleküls 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. mit ihm zu hybridisieren .Hybridization of a DNA probe molecule 206 and a DNA strand 208 takes place only if the sequences of the respective DNA probe molecule 206 and the corresponding DNA Strands 208 are complementary to each other. If this is not the case, no hybridization takes place. Thus, a DNA probe molecule of a given sequence is only able to bind to a specific one, namely the DNA strand with a complementary sequence, ie to hybridize with it.
Findet eine Hybridisierung statt, so verändert sich, wie aus Fig.2b ersichtlich, neben anderen elektrischen Parametern auch die Kapazität zwischen den Elektroden. Diese Änderung der Kapazität kann als Messgröße für die Erfassung von DNA- Molekülen herangezogen werden.If hybridization takes place, the capacitance between the electrodes also changes, as can be seen from FIG. 2b, in addition to other electrical parameters. This change in capacity can be used as a measurement variable for the detection of DNA molecules.
Weiterhin sind Sensoren bekannt, bei denen ein Reduktions- /Oxidations-Recycling-Verfahren zum Erfassen makromolekularer Biopolymere verwendet wird (vgl. z.B. [6, 7] . Bei diesem Verfahren befindet sich beispielweise an den zu erfassenden Proteinen eine redoxaktive Markierung. Nach der Bindung der zu erfassenden Proteine an Fängermoleküle wird durch diese Markierung ein Zyklus aus Oxidation und Reduktion von geeigneten Molekülen ausgelöst, der zu einem für den Nachweis der Proteine verwendeten elektrischen Kreisstrom führt. Bei diesem Verfahren werden zur Erfassung dieses Kreisstromes Elektrodenanordnungen verwendet .Furthermore, sensors are known in which a reduction / oxidation-recycling method is used to record macromolecular biopolymers (cf., for example, [6, 7]. In this method, there is, for example, a redox-active label on the proteins to be recorded. After binding of the proteins to be detected on capture molecules, this marking triggers a cycle of oxidation and reduction of suitable molecules, which leads to an electrical circuit current used for the detection of the proteins. In this method, electrode arrangements are used to detect this circuit current.
Die für die vorstehenden elektronischen Verfahren eingesetzten Biosensoren basieren ferner auf Substraten/Chips, die aus anorganischen halbleitenden Materialien wie Silizium hergestellt werden. Dabei kann das halbleitende Material entweder als reines Trägermaterial für die Sensoren genutzt werden, oder es werden im Rahmen des Halbleiter-Herstellungsprozesses zusätzlich zu Erfassungseinheiten wie Elektroden integrierte Schaltungen z.B. mittels der CMOS-Technologie hergestellt. Die letztgenannte Sensorart kann man aufgrund der integrierten Schaltungen auch als aktive Sensoren bezeichnen. Diese Sensoren besitzen gegenüber passiv arbeitenden Sensoren den Vorteil, auch schwache Sensorsignale direkt On-Chip verstärken, be- und verarbeiten zu können. Damit kann z.B. ermöglicht werden, aktive Sensoren mit signifikant kleinerer Sensorfläche und/oder wesentlich höherer Empfindlichkeit und Störsicherheit gegenüber passiven Varianten herzustellen.The biosensors used for the above electronic methods are also based on substrates / chips which are made from inorganic semiconducting materials such as silicon. The semiconducting material can either be used as a pure carrier material for the sensors, or it can be integrated circuits in addition to detection units such as electrodes as part of the semiconductor manufacturing process eg manufactured using CMOS technology. The latter type of sensor can also be called active sensors due to the integrated circuits. Compared to passive sensors, these sensors have the advantage of being able to amplify, process and process even weak sensor signals directly on-chip. This makes it possible, for example, to manufacture active sensors with a significantly smaller sensor area and / or significantly higher sensitivity and immunity to interference than passive variants.
Allerdings sind zur Herstellung solcher aktiven Halbleiter- Sensoren teure CMOS-Prozesse erforderlich. Dies lässt sie ungeeignet für bestimmte biotechnologische und biochemische Anwendungen erscheinen, denn diese Anwendungen erfordern in der Regel einen Sensor, der nur einmal verwendet wird und somit preisgünstig sein sollte. Ein Grund für die nur einmalige Verwendung von Sensoren liegt darin, dass man dadurch mögliche chemische/biologische Querkontamination der genutzten Flächen von Versuch zu Versuch und daraus resultierende falsche Ergebnisse ausschließen will.However, expensive CMOS processes are required to manufacture such active semiconductor sensors. This makes them seem unsuitable for certain biotechnological and biochemical applications, because these applications usually require a sensor that is used only once and should therefore be inexpensive. One reason for the only one-time use of sensors is that one wants to rule out possible chemical / biological cross-contamination of the used areas from trial to trial and the resulting incorrect results.
Biosensoren auf Basis passiver Halbleiter-Chips, d.h. Sensoren, die keine integrierten Schaltungselemente aufweisen, erfordern großflächige Erfassungselemente, um ein bestimmtes Maß an Empfindlichkeit und Dynamik garantieren zu können. Der Verzicht auf On-Chip-Signalvorverarbeitung mit Hilfe integrierter Schaltungen z.B. auf Basis eines CMOS- Prozesses verringert zwar die Herstellungskosten solcher Biosensoren gegenüber aktiven Halbleiter-Chips . Allerdings können solche Sensoren grundsätzlich nicht dieBiosensors based on passive semiconductor chips, i.e. Sensors that do not have integrated circuit elements require large-area detection elements in order to be able to guarantee a certain degree of sensitivity and dynamics. The omission of on-chip signal preprocessing with the help of integrated circuits e.g. based on a CMOS process reduces the manufacturing costs of such biosensors compared to active semiconductor chips. In principle, however, such sensors cannot
Leistungsfähigkeit von Sensoren mit aktiven Chips erreichen. Ferner sind die Anforderungen an die für Betrieb und Auslesung erforderlichen externen Geräte größer, und die Störungsanfälligkeit durch eingestrahlte elektromagnetische Strahlung z.B. durch in der Nähe befindlicher Netzteile handelsüblicher elektronischer Geräte ist größer.Achieve the performance of sensors with active chips. Furthermore, the requirements for the external devices required for operation and reading are greater, and the The susceptibility to interference from radiated electromagnetic radiation, for example from nearby power supplies of commercially available electronic devices, is greater.
Eine andere Möglichkeit, die z.B. der sogenannte eSENSÖR von der Firma Motorola nutzt, besteht darin, auf Leiterplatten Goldelektroden aufzubringen. Über der Leiterplatte wird eine zur Oberfläche offene Mikrofluidik-Kammer angebracht, in die der Analyt gepumpt werden kann. Von den einzelnen Elektroden gehen elektrische Verbindungen isoliert zum Rand derAnother possibility, e.g. the so-called eSENSÖR from Motorola uses gold electrodes on printed circuit boards. A microfluidic chamber that is open to the surface and into which the analyte can be pumped is attached above the circuit board. Electrical connections go from the individual electrodes to the edge of the insulation
Leiterplatte, wo sich Kontakte befinden. Darüber kann die Verbindung zu einem separaten elektronischen Auslesegerät hergestellt werden [vgl. 8,9]. Durch aufwändige Verfahren bei der Präparation der Oberfläche und der biochemischen Markierung des Analyten kann erreicht werden, dass dasPCB where contacts are. The connection to a separate electronic reading device can be established [cf. 8,9]. Through elaborate processes in the preparation of the surface and the biochemical labeling of the analyte, it can be achieved that
Lesegerät einen Unterschied im Lesestrom zwischen solchen Elektroden feststellen kann, auf denen eine Reaktion stattgefunden hat und solchen, an deren Oberfläche keine Reaktion stattgefunden hat .Reader can detect a difference in the reading current between electrodes on which a reaction has taken place and those on the surface of which no reaction has taken place.
Das Prinzip des eSENSORs ist aufgrund der externen Anordnung der Messelektronik jedoch erstens wesentlich unempfindlicher und zweitens weniger robust gegenüber elektromagnetisch eingestrahlten Störungen als ein Sensor, bei dem eine SignalVerarbeitung in unmittelbarer räumlicher Nähe zumThe principle of the eSENSOR is due to the external arrangement of the measuring electronics, however, firstly much less sensitive and secondly less robust to electromagnetic interference than a sensor that processes signals in close proximity to the
Sensor stattfindet. Darüber hinaus müssen dieSensor takes place. In addition, the
Elektrodenflächen relativ groß sein, um ein messbares und vor allem vom Sensor ableitbares Signal zu erhalten.Electrode areas should be relatively large in order to obtain a measurable signal that can be derived from the sensor.
Nachteilig für passive Halbleiter-Sensoren und Sensoren gemäß dem eSENSOR-Prinzip ist ferner, dass mit der benötigten Fläche auch das für eine Messung und erfolgreiche Erfassung erforderliche Probenvolumen ansteigt. Bei nur kleinen verfügbaren Probenvolumina sind solche Sensoren daher nur schlecht, wenn überhaupt geeignet.Another disadvantage of passive semiconductor sensors and sensors based on the eSENSOR principle is that the sample volume required for measurement and successful detection also increases with the required area. With only small ones available sample volumes, such sensors are therefore poor, if at all suitable.
Des weiteren ist aus [10] ein selbstleitender (Depletion- Mode) FET bekannt, in dem die Gate-Elektrode entfernt wurde und der zur Erfassung von makromolekularen Biopolymeren wie Nukleinsäuren und Proteinen eingesetzt werden kann. Nachteilig an dem als Sensor eingesetzten FET ist, das ein aufwändiges Verfahren zu seiner Herstellung notwendig ist und das aufgrund des Fehlens der Gate-Elektrode keine Herstellung darüberliegender Ebenen (Metallisierung) möglich ist. Um solche Transistoren dennoch verdrahten zu können, uss die Ebene des Gate-Dielektrikums entweder nach erfolgter Metallisierung freigelegt werden. Diese Möglichkeit bedeutet hohen technischen Aufwand und damit erhöhte Kosten.Furthermore, a self-conducting (depletion mode) FET is known from [10], in which the gate electrode has been removed and which can be used for the detection of macromolecular biopolymers such as nucleic acids and proteins. A disadvantage of the FET used as a sensor is that a complex process is required for its production and that, owing to the lack of the gate electrode, it is not possible to produce layers above it (metallization). In order to be able to wire such transistors, the level of the gate dielectric must be exposed either after metallization has taken place. This possibility means high technical effort and thus increased costs.
Schließlich ist aus [11] ebenfalls ein FET mit entfernter Gate-Elektrode offenbart, bei dem Nanopartikel zur Ausbildung der FETs verwendet werden.Finally, [11] also discloses a FET with a removed gate electrode, in which nanoparticles are used to form the FETs.
[23] offenbart einen Messschaltkreis mit einem Biosensor unter Verwendung eines Ionen-sensitiven Feldeffekttransistors .[23] discloses a measuring circuit with a biosensor using an ion-sensitive field effect transistor.
[24] offenbart ein Verfahren zum Verbessern der[24] discloses a method for improving the
Leistungsfähigkeit von organischen Dünnschichttransistoren.Performance of organic thin film transistors.
[25] offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Biosensors mit planarisierter Fläche, welche die Gefahr des Einreißens von biologischen oder biochemischen Membranen verhindert. [26] offenbart ein Chlorid-freies Verfahren zum Herstellen von Alkylsilanen, geeignet für mikroelektronische Anwendungen .[25] discloses a method for producing a biosensor with a planarized surface, which prevents the risk of tearing of biological or biochemical membranes. [26] discloses a chloride-free process for the production of alkylsilanes, suitable for microelectronic applications.
[27] offenbart einen Ionensensor mit einem[27] discloses an ion sensor with a
Feldeffekttransistor, welcher Ionensensor dafür ausgelegt ist, eine Ionenkonzentration einer zu untersuchenden Probenflüssigkeit zu bestimmen.Field effect transistor, which ion sensor is designed to determine an ion concentration of a sample liquid to be examined.
[28] offenbart einen Gegenstand mit einem organischen Dünnschicht-Transistor .[28] discloses an object with an organic thin film transistor.
[29] offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten CMOS-Schaltung mit einem ISFET und mit einem Auswertungs-MISFET in Polysiliziumtechnologie .[29] discloses a method for producing an integrated CMOS circuit with an ISFET and with an evaluation MISFET in polysilicon technology.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein alternatives Verfahren sowie einen alternativen Sensor für die Erfassung von makromolekularen Biopolymeren bereitzustellen.The invention is based on the problem of providing an alternative method and an alternative sensor for the detection of macromolecular biopolymers.
Das Problem wird durch die Verfahren, den Biosensor zur Erfassung makromolekularer Biopolymere und die Schaltungsanordnung mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst .The problem is solved by the methods, the biosensor for detecting macromolecular biopolymers and the circuit arrangement with the features according to the independent claims.
Bei dem ersten der Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren wird ein Feldeffekt-Transistor verwendet, der einen Gatebereich, eine ersten Source/Drain- Bereich, einen zweiten Source/Drain-Bereich, einen Body- Bereich sowie einen Detektionsbereich aufweist. Dabei weist a) der Body-Bereich des Transistors ein organisches Material auf, b) ist der Detektionsbereich als Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren ausgestaltet, und c) bildet der Detektionsbereich eine Grenzfläche zum Bodybereich aus, wobei diese Grenzfläche derjenigen Grenzfläche gegenüberliegt, die der Bodybereich mit dem Gate-Dielektrikum ausbildet (vgl. Fig.la bis Fig.lc; Fig .3) .In the first of the methods for detecting macromolecular biopolymers, a field effect transistor is used which has a gate region, a first source / drain region, a second source / drain region, a body region and a detection region. Here, a) the body region of the transistor has an organic material, b) the detection region is a unit for immobilizing macromolecular biopolymers configured, and c) the detection area forms an interface to the body area, this interface lying opposite the interface that the body area forms with the gate dielectric (see FIG. 1 to FIG. 1c; FIG. 3).
Bei diesem Verfahren sind auf dem Detektionsbereich erste Moleküle immobilisiert. Dabei sind die ersten Moleküle zu erfassende makromolekulare Biopolymere oder Bindungsmoleküle, an welche die zu erfassenden makromolekularen Biopolymere binden können .With this method, first molecules are immobilized on the detection area. The first molecules to be detected are macromolecular biopolymers or binding molecules to which the macromolecular biopolymers to be detected can bind.
Bei dem zweiten Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren wird ebenfalls ein Feldeffekt-Transistor verwendet, der einen Gatebereich, einen ersten Source/Drain- Bereich, einen zweiten Source/Drain-Bereich, einen Body- Bereich sowie einen Detektionsbereich aufweist. Dabei weist ferner a) der Body-Bereich ein organisches Material auf und b) ist der Detektionsbereich ebenfalls als Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren ausgestaltet. Allerdings greift dieses Verfahren auf eine andere Transistorgeometrie zurück, denn im Unterschied zu dem ersten Verfahren bildet der Detektionsbereich eine Grenzfläche zum Gate-Bereich aus, wobei diese Grenzfläche derjenigen Grenzfläche gegenüberliegt, die der Gate-Bereich mit dem Gate-Dielektrikum ausbildet (vgl. Fig.ld bis Fig.lf) .In the second method for detecting macromolecular biopolymers, a field effect transistor is also used which has a gate region, a first source / drain region, a second source / drain region, a body region and a detection region. Furthermore, a) the body area has an organic material and b) the detection area is also designed as a unit for immobilizing macromolecular biopolymers. However, this method uses a different transistor geometry, because in contrast to the first method, the detection area forms an interface to the gate area, this interface lying opposite the interface that the gate area forms with the gate dielectric (cf. .ld to Fig.lf).
Wie beim ersten Verfahren sind auch bei dem zweiten Verfahren auf dem Detektionsbereich erste Moleküle immobilisiert, die zu erfassende makromolekulare Biopolymere oderAs in the first method, the second method also immobilizes first molecules in the detection area, the macromolecular biopolymers or
Bindungsmoleküle sind, an welche die zu erfassenden makromolekularen Biopolymere binden können. Bei beiden Verfahren wird (mindestens) eine erste elektrische Messung mit dem Transistor durchgeführt, und zwar nach der Immobilisierung der ersten Moleküle auf demBinding molecules are to which the macromolecular biopolymers to be detected can bind. In both methods (at least) a first electrical measurement is carried out with the transistor, specifically after the immobilization of the first molecules on the
Detektionsbereich. Dann wird der Detektionsbereich mit einer Probe, die zweite Moleküle enthalten kann, in Kontakt gebracht, wobei die zweiten Moleküle zu erfassende makromolekulare Biopolymere oder Bindungsmoleküle sind, an' die zu erfassenden makromolekularen Biopolymere binden können. Dadurch können sich Komplexe aus ersten und zweiten Molekülen ausbilden. Anschließend wird bei dem Verfahren (mindestens) eine zweite elektrische Messung mit dem Transistor durchgeführt, und die makromolekularen Biopolymere werden mittels eines Vergleichs des Ergebnisses der ersten elektrischen Messung mit dem der zweiten elektrischen Messung durch deren Auswirkung auf die Transistorcharakteristik erfasst .Detection range. The detection area is then brought into contact with a sample which can contain second molecules, the second molecules being macromolecular biopolymers or binding molecules which can bind to the macromolecular biopolymers to be detected. This allows complexes to be formed from first and second molecules. The method then (at least) carries out a second electrical measurement with the transistor, and the macromolecular biopolymers are recorded by comparing the result of the first electrical measurement with that of the second electrical measurement by their effect on the transistor characteristic.
Der Biosensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren weist einen Träger auf, einen auf dem Träger aufgebrachten Gatebereich, einen auf dem Gatebereich aufgebrachten ersten und zweiten Source/Drain-Bereich und einen zwischen dem ersten und zweiten Source/Drain-Bereich befindlichen Bodybereich und einem auf dem Bodybereich angeordneten Body- Anschluss. Dabei weist der Body-Bereich ein organisches Material auf. Der Body-Anschluss ist derart eingerichtet, dass darauf makromolekulare Biopolymere immobilisiert werden können.The biosensor for detecting macromolecular biopolymers has a carrier, a gate region applied to the carrier, first and second source / drain regions applied to the gate region and a body region located between the first and second source / drain regions and one on the Body area arranged body connection. The body area has an organic material. The body connector is set up in such a way that macromolecular biopolymers can be immobilized on it.
Die Schaltungsanordnung weist einen Biosensor und eine Auswerteschaltung auf, die mit dem Biosensor gekoppelt ist.The circuit arrangement has a biosensor and an evaluation circuit which is coupled to the biosensor.
Der Biosensor weist seinerseits einen Träger auf, einen auf dem Träger aufgebrachten Gatebereich, einen auf dem Gatebereich aufgebrachten ersten und zweiten Source/Drain- Bereich, einen zwischen dem ersten und zweiten Source/Drain- Bereich befindlichen Bodybereich, wobei der Body-Bereich ein organisches Material aufweist, sowie einen auf dem Bodybereich angeordneten Body-Anschluss , der derart eingerichtet ist, dass darauf makromolekulare Biopolymere immobilisiert werden können.The biosensor in turn has a carrier, a gate region applied to the carrier, a first and second source / drain applied to the gate region. Area, a body area located between the first and second source / drain area, the body area having an organic material, and a body connection arranged on the body area, which is set up in such a way that macromolecular biopolymers can be immobilized thereon.
Anschaulich ausgedrückt beruht das vorliegende Verfahren sowie der Biosensor der Erfindung zum großen Teil auf zwei Erkenntnissen. Die erste Erkenntnis ist, dass die Änderungen, die eine Komplexbildung zwischen einem makromolekularen Biopolymer und einem Bindungsmolekül, das eine (spezifische) Affinität für das makromolekulare Biopolymer aufweist, einen großen Einfluss auf die Charakteristiken eines Feldeffekt- Transistors wie die Transferkennlinie (Drainstrom gegenTo put it clearly, the present method and the biosensor of the invention are largely based on two findings. The first finding is that the changes that a complex formation between a macromolecular biopolymer and a binding molecule that has a (specific) affinity for the macromolecular biopolymer have a great influence on the characteristics of a field-effect transistor such as the transfer characteristic (drain current versus
Gatespannung) ausübt. Die zweite Erkenntnis ist, dass mit einem Feldeffekt-Transistor, der einen Gate-Bereich/eine Gate-Elektrode besitzt, ein „Vier-Terminal-Sensor" ausgebildet werden kann, bei dem ein vierter Anschluss, z.B. die dem Gate gegenüberliegende Oberseite des Bodybereichs, direkt zur Erfassung genutzt werden kann (vgl. Fig.3) . Dieser Anschluss kann als Body- oder Substratanschluss bezeichnet werden.Gate voltage). The second finding is that a "four-terminal sensor" can be formed with a field-effect transistor which has a gate region / a gate electrode, in which a fourth connection, for example the upper side of the body region opposite the gate , can be used directly for detection (see Fig. 3) This connection can be referred to as a body or substrate connection.
Die Verwendung einer Gate-Elektrode hat den Vorteil, dass dadurch eine eventuelle Drift des Bauteils in der Umgebung biologischer Medien auf einfache Weise nachträglich kompensiert werden bzw. der Sensortransistor mit einfachen Mitteln in einen für die Signalerfassung optimal sensitiven Arbeitspunkt gebracht werden kann. Dies ist bei Transistoren ohne Gate-Elektrode nicht möglich, da diese auf Grund der fehlenden Gate-Elektrode nicht steuerbar sind. Die Verwendung einer separat durch eine frei wählbare Spannung ansteuerbare Gate-Elektrode hat ferner den Vorteil, dass dadurch der Transistor in einen Arbeitspunkt gebracht werden kann, in welchem sich Änderungen der den Transistorstrom oder andere elektrische Transistorparameter bestimmenden Steuergrößen möglichst stark oder auch weniger stark auswirken. So kann durch die Wahl eines geeigneten Arbeitspunktes die Sensitivität des Transistors maximiert werden, was hilfreich ist, wenn sehr kleine Änderungen detektiert werden sollen. Andererseits kann eine geringere Sensitivität gewünscht sein, wenn Sensorsignale innerhalb eines sehr großen dynamischen Bereiches, so z.B. Änderungen über mehrere Größenordnungen, betrachtet werden sollen. Die Steuergröße ist dabei vorzugsweise die Änderung der Transistorparameter durch die biochemischen Vorgänge auf der Bodybereich.The use of a gate electrode has the advantage that any drift of the component in the environment of biological media can subsequently be compensated for in a simple manner, or the sensor transistor can be brought to an operating point that is optimally sensitive for signal detection by simple means. This is not possible with transistors without a gate electrode, since these cannot be controlled due to the missing gate electrode. The use of a gate electrode which can be controlled separately by means of a freely selectable voltage also has the advantage that the transistor can be brought to an operating point in which changes in the control variables which determine the transistor current or other electrical transistor parameters have a strong or less pronounced effect. By choosing a suitable operating point, the sensitivity of the transistor can be maximized, which is helpful if very small changes are to be detected. On the other hand, a lower sensitivity may be desired if sensor signals within a very large dynamic range, for example changes over several orders of magnitude, are to be considered. The control variable is preferably the change in the transistor parameters due to the biochemical processes on the body area.
Im vorliegenden Verfahren und dem Biosensor kann prinzipiell jeder Feldeffekt-Transistor eingesetzt werden, bei dem der Body-Bereich ein organisches Material aufweist. Unter dem Body-Bereich wird im Sinne der Erfindung derjenige Bereich verstanden, in dem sich der Kanal des Transistors ausbilden kann.In principle, any field-effect transistor in which the body region has an organic material can be used in the present method and the biosensor. In the context of the invention, the body region is understood to mean that region in which the channel of the transistor can form.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der hier offenbartenIn a preferred embodiment of those disclosed here
Verfahren bzw. des Biosensors wird ein Transistor verwendet, bei dem der Body-Bereich des Transistors von einer Schicht mit einem organischen halbleitenden Material gebildet wird. Vorzugsweise ist ein derartiger Transistor ein sogenannter organischer Dünnfilm-Transistor .A method or the biosensor uses a transistor in which the body region of the transistor is formed by a layer with an organic semiconducting material. Such a transistor is preferably a so-called organic thin-film transistor.
Diese hier bevorzugt eingesetzten Transistoren sind prinzipiell z.B. aus [12] bis [14] bekannt. Sie können zum einen Transistoren sein, bei denen lediglich eine Schicht mit halbleitenden organischen Material vorhanden ist, wie die z.B. in [12] und [13] beschriebenen. Bei diesen Transistoren ist auf einem geeigneten Träger zunächst ein metallischer Gatebereich oder eine Gate-Elektrode (z.B. aus Nickel) aufgebracht (vgl. Fig.l), über der sich eine Schicht aus einem Dielektrikum sowie die Bereiche für Source und Drain befinden. Das Dielektrikum kann dabei aus einem anorganischen Isolatormaterial wie Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid bestehen. Allerdings ist es auch möglich, die Schicht des Dielektrikums aus oder mit einem dielektrischen Kunststoffmaterial wie Polyvinylalkohol, Poly-4-hydroxystyrol oder Polyvinylidenfluorid auszubilden. Die Bereiche • (Elektroden) für Source und Drain können beispielsweise aus Palladium oder Platin hergestellt sein. Zwischen Source undThese transistors, which are preferably used here, are known in principle, for example, from [12] to [14]. You can go to can be a transistor in which there is only one layer with semiconducting organic material, such as that described, for example, in [12] and [13]. In the case of these transistors, a metallic gate region or a gate electrode (for example made of nickel) is first applied to a suitable carrier (see FIG. 1), over which there is a layer made of a dielectric and the regions for source and drain. The dielectric can consist of an inorganic insulator material such as silicon dioxide or silicon nitride. However, it is also possible to form the layer of the dielectric from or with a dielectric plastic material such as polyvinyl alcohol, poly-4-hydroxystyrene or polyvinylidene fluoride. The areas • (electrodes) for source and drain can be made of palladium or platinum, for example. Between source and
Drain befindet sich (als einzige organische elektrisch aktive Schicht) eine Schicht aus dem organischen Halbleiter Pentazen, die folglich den Body-Bereich des Transistors bildet. Gegebenenfalls kann über dieser halbleitenden Schicht eine Passivierungsschicht aus einem elektrisch isolierenden anorganischem Material wie Siliziumdioxid oder einem isolierenden Polymermaterial wie wiederum z.B. Polyvinylalkohol, Poly-4-hydroxystyrol oder Polyvinylidenfluorid ausgebildet sein.Drain is (as the only organic electrically active layer) a layer made of the organic semiconductor pentazen, which consequently forms the body region of the transistor. If necessary, a passivation layer made of an electrically insulating inorganic material such as silicon dioxide or an insulating polymer material such as again e.g. Polyvinyl alcohol, poly-4-hydroxystyrene or polyvinylidene fluoride.
Als organisches halbleitendes Material kann bei dem hier beschriebenen Transistor und Biosensor prinzipiell jedes organische Material eingesetzt werden, das elektrische Eigenschaften und Verhalten eines Halbleiter-Materials zeigt.In principle, any organic material that shows the electrical properties and behavior of a semiconductor material can be used as the organic semiconducting material in the transistor and biosensor described here.
Vorzugsweise wird das halbleitende organische Material aus der Gruppe ausgewählt, die aus Pentazen, Anthrazen, Tetrazen, Oligothiophen, Polythiophen, Polyanilin, Poly-p-phenylen, Poly-p-phenylvinylen, Polypyrrol, Phthalocyanin, Porphyrin und Derivaten davon besteht. Daraus wird ersichtlich, dass das halbleitende Material ein „molekulares System" wie Pentazen, Anthracen, Tetracen, Phthalocyanin, Porphyrin oder Oligothiophen sein kann oder ein „polymeres System" (eine oder mehrere Polymerverbindungen) wie z.B. Polythiophen, Polyanilin, Poly-p-phenylen, Poly-p-phenylvinylen, Polypyrrol sein kann .The semiconducting organic material is preferably selected from the group consisting of pentazene, anthracene, tetrazene, oligothiophene, polythiophene, polyaniline, poly-p-phenylene, Poly-p-phenylvinylene, polypyrrole, phthalocyanine, porphyrin and derivatives thereof. It can be seen from this that the semiconducting material can be a “molecular system” such as pentazene, anthracene, tetracene, phthalocyanine, porphyrin or oligothiophene or a “polymer system” (one or more polymer compounds) such as polythiophene, polyaniline, poly-p-phenylene , Poly-p-phenylvinylene, polypyrrole.
Ein weiteres Beispiel für ein in Monomerform vorliegendes Material sind die Fullerene wie C60 C70, C7S- (Buckminster) - Fullerene. Ein Beispiel für geeignete Derivate eines der oben genannten Materialien sind das zuvor schon genannte Poly (9, 9- dioctylfluoren-co-bithiophen) , Poly (3-alkyltiophene) wie Poly (3-hexylthiophen) oder Poly (3-octylthiophen) . EinAnother example of a material in monomer form are the fullerenes such as C 60 C 70 , C 7S - (Buckminster) fullerenes. An example of suitable derivatives of one of the above materials are the aforementioned poly (9, 9-dioctylfluorene-co-bithiophene), poly (3-alkyl tiophene) such as poly (3-hexylthiophene) or poly (3-octylthiophene). On
Beispiel für Oligothiophene sind Verbindungen mit 1 bis 10 Thiophen-Einheiten, vorzugsweise 6 Thiophen-Einheiten. Beispiele für halbleitende Phthalocyanine oder Porphyrine sind die entsprechenden (metallorganischen) Komplexe des Kupfers wie Kupferphthalocyanin oderExamples of oligothiophenes are compounds with 1 to 10 thiophene units, preferably 6 thiophene units. Examples of semiconducting phthalocyanines or porphyrins are the corresponding (organometallic) complexes of copper such as copper phthalocyanine or
Perfluorokupferphthalocyanin. Es ist im Sinne der Erfindung möglich, die halbleitenden organischen Materialien alleine, oder, falls gewünscht, auch als Mischungen aus mindestens zwei solcher Materialien einzusetzen.Perfluorokupferphthalocyanin. For the purposes of the invention, it is possible to use the semiconducting organic materials on their own or, if desired, as mixtures of at least two such materials.
Des weiteren können bei den Verfahren der Erfindung auch Feldeffekt-Transistoren eingesetzt werden, bei denen der Body-Bereich ein organisches inertes Polymermaterial als (elektrisches inertes) Matrixmaterial aufweist, in das anorganische halbleitende Partikel eingebettet sind. Auch diese Transistoren sind daher Polymer-Transistoren im Sinne der Erfindung . Bei der den Body-Bereich bildenden Schicht werden die Halbleiter-Eigenschaften folglich von anorganischen halbleitenden Materialien erfüllt. Dabei kann jedes bekannte anorganische halbleitende Material eingesetzt werden. Allerdings finden, unter anderem aus Kostengründen, vorzugsweise gängige Halbleitermaterialien wie Silizium, Siliziumcarbid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumnitrid, Indiumphosphid, Cadmiumselenid oder Mischungen davon Anwendung in der vorliegenden Erfindung. Ein besonders bevorzugtes Material ist polykristallines Silizium, das unter anderem als Abfall in der Herstellung von Silizium- Einkristallen beim Zonenschmelzen anfällt und das für die Verwendung als anorganisches Halbleitermaterial hier lediglich zerkleinert werden muss. Das Halbleitermaterial kann dotiert oder undotiert sein.Furthermore, field-effect transistors can also be used in the methods of the invention, in which the body region has an organic inert polymer material as (electrically inert) matrix material, in which inorganic semiconducting particles are embedded. These transistors are therefore also polymer transistors in the sense of the invention. In the layer forming the body region, the semiconductor properties are consequently fulfilled by inorganic semiconducting materials. Any known inorganic semiconducting material can be used. However, for reasons of cost, among others, common semiconductor materials such as silicon, silicon carbide, germanium, gallium arsenide, gallium nitride, indium phosphide, cadmium selenide or mixtures thereof are preferably used in the present invention. A particularly preferred material is polycrystalline silicon, which is generated, among other things, as waste in the production of silicon single crystals during zone melting and which only has to be comminuted here for use as an inorganic semiconductor material. The semiconductor material can be doped or undoped.
Die Partikelgröße des hier verwendeten anorganischen halbleitenden Materials beträgt im allgemeinen zwischen 100 μm und 1 nm, vorzugsweise zwischen 50 μm und 0,1 μm oder 0,05 μm. So können z.B. auch n- und p- leitfähige Nanopartikel, wie in [15] beschrieben, die in eine organische Matrix eingebettet sind, verwendet werden.The particle size of the inorganic semiconducting material used here is generally between 100 μm and 1 nm, preferably between 50 μm and 0.1 μm or 0.05 μm. For example, n- and p-conductive nanoparticles, as described in [15], which are embedded in an organic matrix, are also used.
Als elektrisch inertes organisches Matrixmaterial kann prinzipiell jedes der Polymermaterialien verwendet werden, die nachfolgend als Polymermaterialien zur Ausbildung des Gate-Dielektrikums bei Transistoren oder als Trägermaterial des Biosensor genannt werden.In principle, any of the polymer materials which are mentioned below as polymer materials for forming the gate dielectric in transistors or as a carrier material of the biosensor can be used as the electrically inert organic matrix material.
In einer weiteren Ausführungsfor des Transistors, dessen Body-Bereich von einer Schicht gebildet wird, bei der anorganische halbleitende Partikel in ein organisches Matrixmaterial eingebettet sind, kann diese Schicht ein unterstützendes halbleitendes organisches Material (als Matrixmaterial) enthalten. Dieses Material kann eines oder mehrere der oben genannten organischen halbleitenden Polymere wie Polythiophen, Polyanilin, Poly-p-phenylen und dgl . sein. Gleichfalls können auch monomere bzw. niedermolekulare, unterstützende (halbleitende) organische Additive wie Pentazen oder Oligothiophene (beispielsweise mit 1 bis 10 Thiophen-Einheiten, vorzugsweise 6 Thiophen-Einheiten) als derartiges organisches Material enthalten sein. Der Anteil solcher unterstützenden Polymere und Additive in der halbleitenden Schicht beträgt in der Regel ungefähr 0,5 bis 25 Vol.-%, vorzugsweise maximal 10 Vol.-%.In a further embodiment of the transistor, the body region of which is formed by a layer in which inorganic semiconducting particles are embedded in an organic matrix material, this layer can supporting semiconducting organic material (as matrix material). This material can be one or more of the above-mentioned organic semiconducting polymers such as polythiophene, polyaniline, poly-p-phenylene and the like. his. Likewise, monomeric or low molecular weight, supporting (semiconducting) organic additives such as pentazene or oligothiophenes (for example with 1 to 10 thiophene units, preferably 6 thiophene units) can also be present as such organic material. The proportion of such supporting polymers and additives in the semiconducting layer is generally about 0.5 to 25% by volume, preferably at most 10% by volume.
Die hier bevorzugt verwendeten Transistoren können auch vollständig aus organischen Materialien, vorzugsweise organischen Polymer- und Oligomer-Materialien gebildet werden .The transistors preferably used here can also be formed entirely from organic materials, preferably organic polymer and oligomer materials.
So können z.B. wie in [14] beschrieben, auf einem Träger Source-, Gate- und Drain-Bereich aus einem elektrisch leitenden Polymermaterial wie Poly (3 , 4-ethylenedioxythiophen, das mit Polystryolsulfonsäure (PEDOT/PSS) dotiert ist, aufgebracht sein. Der Bodybereich kann wiederum z.B. aus Pentazen oder einem Oligomermaterial wie Poly ( 9, 9- dioctylfluoren-co-bithiophen) (F8T2) hergestellt sein.For example, As described in [14], the source, gate and drain region made of an electrically conductive polymer material such as poly (3, 4-ethylenedioxythiophene, which is doped with polystyrene sulfonic acid (PEDOT / PSS), can be applied to a carrier. The body region can again, for example, from pentazene or an oligomer material such as poly (9, 9-dioctylfluorene-co-bithiophene) (F8T2).
Die Schicht des Gate-Dielektrikums sowohl solcher Transistoren als auch die der oben beschriebenen Transistoren, bei denen organische und anorganische Materialien kombiniert werden, kann aus einem dielektrischen organischen Polymermaterial bestehen. Beispiele für hier einsetzbare Polymermaterialien sind gängige dielektrische Kunststoffe wie Epoxidharze, Polyalkylene wie Polyethylen- oder Polypropylenharze, Polyvinylalkohole, Polystyrole, Polyurethane, Polyimide, Polybenzoxazole, Polythiazole, Polyether, Polyetherketone, Polyacrylate, Polyterephthalate, Polyethylennaphthalat , Polycarbonate aller Art und andere bekannte derartige Kunststoffe, wie sie beispielsweise in [16] beschrieben sind. Die verwendeten organischen Polymere können dabei vorzugsweise trockenbare und härtbare Materialien, vorzugsweise IR- und/oder UV-härtbare Polymere wie Polystyrole, Epoxidharze, Polyalkylene, Polyimide, Polybenzoxazole, Polyacrylate sein, da diese bei derThe layer of the gate dielectric of both such transistors and that of the transistors described above, in which organic and inorganic materials are combined, can consist of a dielectric organic polymer material. Examples of polymer materials that can be used here are common dielectric plastics such as epoxy resins, polyalkylenes such as polyethylene or polypropylene resins, polyvinyl alcohols, polystyrenes, polyurethanes, polyimides, polybenzoxazoles, polythiazoles, polyethers, polyether ketones, polyacrylates, polyterephthalates, polyethylene naphthalate, polycarbonates of all kinds and other known plastics of this type, as described, for example, in [16]. The organic polymers used can preferably be dryable and curable materials, preferably IR and / or UV-curable polymers such as polystyrenes, epoxy resins, polyalkylenes, polyimides, polybenzoxazoles, polyacrylates, since these are used in the
Herstellung der Transistoren einfach zu verarbeiten sind.Manufacturing the transistors are easy to process.
Die Verwendung von Transistoren, die zum Teil oder vollständig aus organischen Materialien bestehen und nachfolgend auch vereinfachend als Polymer-Transistoren bezeichnet werden, bietet mehrere Vorteile.The use of transistors, which consist partly or completely of organic materials and are also referred to hereinafter simply as polymer transistors, offers several advantages.
Erstens erlauben sie die Verwendung von zahlreichen mit biologischen Reaktionen kompatiblen Materialien wie Silber, welches für die Ausbildung einer Referenzelektrode auch chloriert werden kann (Ag/AgCl Elektrode) , oder Titan, TiN (das auch metallisch und ein relativ wichtiges Material ist) , Gold, Platin oder Iridium bzw. auch leitende oxidische Materialien, wie beispielsweise Indiumzinnoxid (ITO) , die mit den üblichen in der traditionellen Halbleiter-Fertigung eingesetzten Prozessen wie z.B. dem Herstellungsprozess von aktiven CMOS-Sensoren (Chips) zum Teil nicht oder kaum kompatibel sind. So ermöglicht die Verwendung der vorliegenden Polymer-Transistoren die Verwendung von Silber als Elektrodenmaterial, z.B. in Form eines Silberdrahts oder einer Silberelektrode (s.o.). Dieser kann zum einen direkt auf dem Trägermaterial aufgebracht oder in dieses integriert sein. Eine solche Elektrode kann z.B. auch als Referenzelektrode, in einem Gehäuse des Sensors oder einer separaten Kammer, die z.B. den Reaktionsraum von der Auswerteschaltung trennt, angebracht sein. Für die Ausbildung einer Referenzelektrode muss dieses Material noch einem Chlorierungsschritt unterzogen werden.First, they allow the use of numerous materials that are compatible with biological reactions, such as silver, which can also be chlorinated (Ag / AgCl electrode) to form a reference electrode, or titanium, TiN (which is also metallic and a relatively important material), gold, Platinum or iridium or also conductive oxidic materials, such as indium tin oxide (ITO), which are partly or hardly compatible with the usual processes used in traditional semiconductor manufacturing, such as the manufacturing process for active CMOS sensors (chips). Thus, the use of the present polymer transistors enables the use of silver as an electrode material, for example in the form of a silver wire or a silver electrode (see above). On the one hand, this can be applied directly to the carrier material or integrated into it. Such an electrode can also be used, for example Reference electrode, in a housing of the sensor or in a separate chamber, which separates the reaction chamber from the evaluation circuit, for example. This material must be subjected to a chlorination step to form a reference electrode.
Zweitens können derartige Polymer-Transistoren und somit auch die auf ihnen basierende hier offenbarten Sensoren mittels Drucktechniken wie Tintenstrahldruck hergestellt werden, was eine erhebliche Vereinfachung des Herstellungsprozesses sowie eine Verringerung der Kosten mit sich bringt.Secondly, such polymer transistors and thus also the sensors disclosed here based on them can be produced by means of printing techniques such as inkjet printing, which results in a considerable simplification of the production process and a reduction in costs.
Drittens kann mit Hilfe der organischen halbleitenden Materialien der Bodybereich des Transistors als sehr dünne Schicht ausgebildet sein. So haben im Rahmen der Erfindung gemachte Untersuchungen ergeben, dass für den Bodybereich eine Schichtdicke im Bereich von 10 bis 50 nm ausreichend ist, um eine Funktion des Transistors zu gewährleisten. Der eigentliche Stromtransport findet nur innerhalb weniger Monolagen des organischen Halbleiters an der Grenze zumThirdly, the body region of the transistor can be formed as a very thin layer with the aid of the organic semiconducting materials. Studies carried out within the scope of the invention have shown that a layer thickness in the range from 10 to 50 nm is sufficient for the body region in order to ensure that the transistor functions. The actual electricity transport takes place only within a few monolayers of the organic semiconductor on the border to
Gatedielektrikum statt. Prinzipiell kann der Body-Bereich jedoch beliebig dick (einige 100 μm) gemacht werden, sofern auftretende Leckströme den Off-Strom des Transistor nicht über ein tolerables Maß erhöhen. Der Bodybereich kann jedoch auch eine größere Dicke aufweisen, solange damit noch eine zufriedenstellende Nachweisempfindlichkeit, wie nachfolgend erläutert wird, erzielt werden kann.Gate dielectric instead. In principle, however, the body area can be made as thick as desired (a few 100 μm), provided that leakage currents do not increase the off-current of the transistor by a tolerable amount. However, the body area can also have a greater thickness, as long as a satisfactory detection sensitivity, as will be explained below, can be achieved.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens bzw. des Biosensors bildet, wie bereits erwähnt, der Detektionsbereich eine Grenzfläche zum Bodybereich aus, wobei diese Grenzfläche derjenigen Grenzfläche gegenüberliegt, die der Bodybereich mit dem Gate-Dielektrikum ausbildet. Dies ist bei einer Transistorgeometrie gegeben, bei der der Detektionsbereich auf dem Bodybereich des Transistors angeordnet ist, und der Bodybereich sich wiederum oberhalb des Gatebereichs befindet (vgl. Fig.la bis Fig.lc) . Bei der zweiten Transistorgeometrie, bei der der Detektionsbereich eineIn one embodiment of the method or the biosensor, as already mentioned, the detection area forms an interface to the body area, this interface lying opposite the interface that the body area forms with the gate dielectric. This is one Given transistor geometry, in which the detection area is arranged on the body area of the transistor, and the body area is in turn above the gate area (see Fig.la to Fig.lc). In the case of the second transistor geometry, in which the detection area is one
Grenzfläche zum Gate-Bereich ausbildet und diese Grenzfläche derjenigen Grenzfläche gegenüberliegt, die der Gate-Bereich mit dem Gate-Dielektrikum ausbildet (vgl. Fig.ld bis Fig.lf), befindet sich Bodybereich unterhalb des Gatebereichs, der Detektionsbereich jedoch oberhalb des Gatebereichs angeordnet ist (vgl. Fig.l) . Bei diesem Aufbau kann sich der Detektionsbereich (die „ Sensor-Fläche") z.B. auch seitlich neben der gedachten Verbindungslinie zwischen dem Source- und Drain-Gebiet befinden. Beispielsweise kann sich der Detektionsbereich dann in einem Bereich nahe demForms interface to the gate area and this interface is opposite to the interface that the gate area forms with the gate dielectric (see Fig.ld to Fig.lf), body area is located below the gate area, but the detection area is arranged above the gate area is (see Fig. 1). With this construction, the detection area (the "sensor area") can also be located, for example, to the side of the imaginary connecting line between the source and drain area. For example, the detection area can then be in an area near the
Transistorkanal befinden, in dem das Bodymaterial nicht von der Gate-Elektrode überdeckt wird, oder bildlich gesprochen, aus dem Transistor hinausschauen oder eine „Insel" bilden.Located transistor channel in which the body material is not covered by the gate electrode, or figuratively speaking, look out of the transistor or form an "island".
Bei dem Verfahren wird bei der elektrischen Messung vorzugsweise eine Veränderung der Impedanz oder Kapazität an der Oberfläche des Detektionsbereichs gemessen, die durch die Ausbildung von Komplexen aus zu erfassenden makromolekularen Biopolymeren und Bindungsmolekülen bewirkt wird.In the method, a change in the impedance or capacitance at the surface of the detection area is preferably measured in the electrical measurement, which is caused by the formation of complexes from macromolecular biopolymers and binding molecules to be detected.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens wird bei der elektrischen Messung die Leitfähigkeit (des Kanals) des Transistors bei vorgegebener Gate-, Drain-, und SourceSpannung oder die Schwellenspannung des Transistors ermittelt. Als elektrische Parameter können hierzu a) der Strom, der durch den Transistor fließt, b) die effektive Steuerspannung, die nötig ist, damit der Transistor einen bestimmten Strom führt, oder c) die Spannung an einer der Steuerelektroden, die nötig ist, damit der Transistor einen bestimmten Strom führt, ermittelt werden.In one embodiment of the method, the conductivity (of the channel) of the transistor is determined for the predetermined measurement of the gate, drain and source voltage or the threshold voltage of the transistor during the electrical measurement. The electrical parameters for this can be a) the current flowing through the transistor, b) the effective control voltage which is necessary for the transistor to carry a specific current, or c) the voltage at one of the Control electrodes, which is necessary for the transistor to carry a certain current, are determined.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Gateelektrode durch die frei wählbare Spannung ansteuert, wodurch die Einstellung eines geeigneten Arbeitspunktes die Sensitivität des Transistors maximiert werden kann.In a preferred embodiment of the method, the gate electrode is controlled by the freely selectable voltage, whereby the setting of a suitable operating point can maximize the sensitivity of the transistor.
Unter Erfassen wird im Sinne der Erfindung sowohl der qualitative als auch quantitative Nachweis von makromolekularen Biopolymeren in einem (zu untersuchenden) Analyten verstanden. Dies bedeutet, dass der Begriff "Erfassen" ebenfalls einschließt, die Abwesenheit von makromolekularen Biopolymeren im Analyten festzustellen.For the purposes of the invention, detection is understood to mean both the qualitative and quantitative detection of macromolecular biopolymers in an analyte (to be examined). This means that the term "capture" also includes determining the absence of macromolecular biopolymers in the analyte.
Dabei kann bei dem vorliegenden Verfahren ein nachzuweisendes Biopolymer einerseits ein Molekül sein, dass mittels eines ersten Moleküls, d.h. eines Fängermoleküls, das sich auf dem Detektionsbereich (einer Einheit zum Immobilisieren) von makromolekularen Biopolymeren befindet, erfasst wird.In the present method, a biopolymer to be detected can on the one hand be a molecule that by means of a first molecule, i.e. of a capture molecule located on the detection area (a unit for immobilization) of macromolecular biopolymers.
Andererseits kann ein zu erfassendes Molekül auch aus einer Probe/einem Analyt heraus auf den Detektionsbereich (eine Einheit zum Immobilisieren) aufgebracht werden und dann mit einem zweiten Molekül, das (spezifische) Bindungsaffinität für das nachzuweisende Molekül aufweist, mit dem vorliegendenOn the other hand, a molecule to be detected can also be applied from a sample / analyte to the detection area (a unit for immobilization) and then with the second molecule which has (specific) binding affinity for the molecule to be detected
Verfahren und/oder unter Verwendung des hier offenbarten Biosensors nachgewiesen werden.Process and / or using the biosensor disclosed here.
Unter "Einheit zur Immobilisierung" wird im Sinne der Erfindung eine Anordnung verstanden, die eine Oberfläche aufweist, auf der erste Moleküle immobilisiert werden können, die entweder Fängermoleküle oder zu erfassende makromolekulare Biopolymere sein können; d.h. eine Anordnung, die eine Oberfläche aufweist, an die erste Moleküle durch physikalische oder chemische Wechselwirkungen binden können. Diese Wechselwirkungen schließen hydrophobe oder ionische (elektrostatische) Wechselwirkungen und kovalente Bindungen ein. Der bei dem vorliegenden Verfahren verwendete Detektionsbereich bzw. der Body-Anschluss des Biosensors ist als eine derartige Einheit gestaltet, die eine Immobilisierung von Bindungsmolekülen (Fängermolekülen) oder makromolekularen Biopolymeren ermöglicht.For the purposes of the invention, “unit for immobilization” is understood to mean an arrangement which has a surface on which first molecules can be immobilized, which can either be capture molecules or macromolecular biopolymers to be detected; ie an arrangement which has a surface to which the first molecules can bind through physical or chemical interactions. These interactions include hydrophobic or ionic (electrostatic) interactions and covalent bonds. The detection area or the body connection of the biosensor used in the present method is designed as such a unit which enables immobilization of binding molecules (capture molecules) or macromolecular biopolymers.
Beispiele für geeignete Oberflächen-Materialien, die allgemein für die Ausgestaltung des Detektionsbereichs oder des Body-Anschlusses verwendet werden können, sind Metalle wie Gold, Kunststoffe wie Polyethylen, Polypropylen oder Polystyrole oder anorganische Stoffe wie Siliziumdioxid.Examples of suitable surface materials which can generally be used for the design of the detection area or of the body connection are metals such as gold, plastics such as polyethylene, polypropylene or polystyrene or inorganic substances such as silicon dioxide.
Falls die Oberfläche des Detektionsbereichs oder des Body- Anschluss an sich nicht geeignet für eine Immobilisierung der ersten Moleküle ist, kann sie durch geeignete Funktionalisierung für die Immobilisierung modifiziert werden. Eine solche Funktionalisierung kann z.B. durch eine Ausbildung und Derivatisierung einer Monoschicht wie in [3] auf Seite 25, Zeile 2 bis Seite 31, Zeile 5 oder [17], Fig.4 beschrieben erfolgen. Zuvor kann die Oberfläche der Einheit zum Immobilisieren noch durch Verfahren wie Plasmaätzen, GasphasenabScheidung geeigneter Materialien (z.B. durch chemische oder physikalische Abscheidung, (CVD; PVD) aktiviert werden (vgl. [3], Seite 19). Werden leitfähige Polymermaterialien für die Ausgestaltung des Detektionsbereichs verwendet, kann die Immobilisierung auch wie in [18] beschrieben, erfolgen.If the surface of the detection area or the body connector is not suitable per se for immobilizing the first molecules, it can be modified for the immobilization by suitable functionalization. Such functionalization can e.g. by forming and derivatizing a monolayer as described in [3] on page 25, line 2 to page 31, line 5 or [17], FIG. 4. Before this, the surface of the immobilization unit can still be activated by methods such as plasma etching, gas phase deposition of suitable materials (e.g. chemical or physical deposition, (CVD; PVD) (cf. [3], page 19)) If the detection range is used, the immobilization can also be carried out as described in [18].
Ein Beispiel für eine physikalische Wechselwirkung, die eine Immobilisierung der z.B. als Fängermoleküle dienenden ersten Moleküle bewirkt, ist eine Adsorption an der Oberfläche. Diese Art der Immobilisierung kann beispielsweise stattfinden, wenn das Mittel zur Immobilisierung ein Kunststoffmaterial ist, das für die Herstellung von Mikrotiterplatten verwendet wird (z.B. Polypropylen oderAn example of a physical interaction that involves the immobilization of the first, for example, serving as capture molecules Molecules causes adsorption on the surface. This type of immobilization can take place, for example, if the immobilization agent is a plastic material that is used for the production of microtiter plates (for example polypropylene or
Polystryrol) . Allerdings ist eine kovalente Verknüpfung der ersten Moleküle an die Einheit zum Immobilisieren bevorzugt, weil dadurch die Orientierung der Moleküle gesteuert werden kann. Die kovalente Verknüpfung kann über jede geeignete Verknüpfungschemie („Linker-Chemie") erfolgen (vgl. z.B. [17, Fig.7] .Polystyrene). However, a covalent linkage of the first molecules to the immobilization unit is preferred because the orientation of the molecules can thereby be controlled. The covalent linkage can take place via any suitable linker chemistry ("linker chemistry") (cf. e.g. [17, Fig. 7].
Für die Ausgestaltung (der Oberfläche) des Detektionsbereichs bzw. des Body-Anschlusses bieten sich unter anderem folgende Möglichkeiten an.The following options are available for the design (the surface) of the detection area or the body connection.
A) Die Oberfläche kann so modifiziert werden, dass sie kompatibel mit zu erfassenden Biomolekülen und geeignet zur Immobilisierung wird. Falls z.B. der Body-Bereich von einem organischen halbleitenden Material wie Pentazen gebildet wird, kann dessen Oberfläche nach einer Aktivierung modifiziert werden. Zur Erzeugung funktioneller Gruppen wird die fertig hergestellte Pentazenschicht einem kurzen, im Sekundenbereich liegenden Sauerplasma-Flash unterzogen. Die Oberfläche wird dadurch mit sauerstoffhaltigen funktionellen Gruppen (Hydroyl-, Carbonyl- und Carboxyl-) versehen. Diese kann mit Reagenzien wie Silanen, insbesonderen Trichlorsilanen und Trialkoxysilanen behandelt (silanisiert) werden, die zuvor z.B. im Alkylrest noch mit weiteren Gruppen, die für eine Immobilisierung von ersten Molekülen geeignet sind, funktionalisiert worden sind ((vgl. hierzu z.B. [19]) und [3], Seite 27, Zeilen 1-5). An die Carboxy- gruppen können Aminosäuren auch direkt über eine Amid-Bindung binden. Hierbei bindet eine Monolage des Reagenzes an die funktioneilen Gruppen. Die Oxidation/Funktionalisierung der Oberfläche kann auch durch nasschemische Verfahren wie Caro'sche Säure (H202/H2S0 ) oder KMn0 /H2S04 etc. geschehen. Die Funktionalisierung an sich kann auch auf vielfältige Art und Weise durchgeführt werden. Insbesondere sind Plasmen, die reaktive Spezies mit Halogenen, insbesondere Cl, Ammoniak oder Schwefel enthalten, für eine spätere Anbindung von Nukleinsäuren wie DNA mittels Amid-, Ester-, Glykosid-, Phosphat- oder auch Sulfidbildungen geeignet. Diese können auch zur Komplexierung metallhaltiger enzymatisch wirksamer Spezies herangezogen werden. Die Plasmen sollten jedoch so schonend wie möglich auf die organische Halbleiteroberfläche einwirken, um den Halbleiter nicht unnötig zu dotieren.A) The surface can be modified so that it becomes compatible with the biomolecules to be detected and is suitable for immobilization. If, for example, the body area is formed by an organic semiconducting material such as pentazene, its surface can be modified after activation. To produce functional groups, the finished pentacene layer is subjected to a short acid plasma flash in the range of seconds. The surface is thereby provided with functional groups containing oxygen (hydroyl, carbonyl and carboxyl). This can be treated (silanized) with reagents such as silanes, in particular trichlorosilanes and trialkoxysilanes, which have previously been functionalized, for example in the alkyl radical, with other groups which are suitable for immobilizing the first molecules (cf. here, for example, [19]). and [3], page 27, lines 1-5). Amino acids can also be attached to the carboxy groups directly via an amide bond tie. A monolayer of the reagent binds to the functional groups. The surface can also be oxidized / functionalized by wet-chemical processes such as Caro's acid (H 2 0 2 / H 2 S0) or KMn0 / H 2 S0 4 etc. The functionalization itself can also be carried out in a variety of ways. In particular, plasmas which contain reactive species with halogens, in particular Cl, ammonia or sulfur, are suitable for subsequent binding of nucleic acids such as DNA by means of amide, ester, glycoside, phosphate or also sulfide formations. These can also be used to complex metal-containing enzymatically active species. However, the plasmas should act as gently as possible on the organic semiconductor surface in order not to unnecessarily dope the semiconductor.
Da die Bildung eines Komplexes aus Bindungsmolekül und zu erfassendem makromolekularen Biopolymer direkt auf dieser Oberfläche stattfindet, hat diese Komplexbildung direkt Einfluss auf den Zustand des Body/Kanal-Bereichs und damit auf die Charakteristik des Transistors, was im Hinblick auf die Nachweisempfindlichkeit vorteilhaft ist.Since the formation of a complex of the binding molecule and the macromolecular biopolymer to be detected takes place directly on this surface, this complex formation has a direct influence on the state of the body / channel region and thus on the characteristics of the transistor, which is advantageous in terms of detection sensitivity.
B) Andererseits können die organischen Halbleitermaterialien bereits vor dem Herstellungsprozess des Transistors bzw. Biosensors, d.h. vor dem Aufbringen des Detektionsbereichs, chemisch so modifiziert sein, dass sie die zur Immobilisierung geeigneten Moleküle als Substituenten tragen. Dies sei am Beispiel regioregulärer Polythiophene erläutert. Um für die zur Transistorfunktion ausreichende Ladungsträgerbeweglichkeiten durch erhöhten π-π Überlapp zu sorgen, werden die Thiophen-Monomereinheiten in 3-Position beispielsweise durch Hexyl- oder Octylgruppen substituiert und anschließend regioregulär poly erisiert . Diese Substituenten können nun auch funktioneile Gruppen an denjenigen Termini tragen, an denen, wie im Fall A gezeigt, angebunden werden kann bzw. können selbst eine solche Gruppe mit einer aus einer Aminosäuresequenz aufweisen oder darstellen, an der die Hybridisierung stattfinden kann, sein. Analog eignet für diesen Zweck die Imid-Einheit in Naphthalinbisimiden [19] .B) On the other hand, the organic semiconductor materials can be chemically modified before the manufacturing process of the transistor or biosensor, ie before the detection area is applied, such that they carry the molecules suitable for immobilization as substituents. This is explained using the example of regional polythiophenes. In order to ensure the charge carrier mobility sufficient for the transistor function through increased π-π overlap, the thiophene monomer units are substituted in the 3-position, for example by hexyl or octyl groups, and then polymerized in a regioregular manner. This Substituents can now also carry functional groups on those termini to which, as shown in case A, can be attached or can themselves have or represent such a group with an amino acid sequence at which the hybridization can take place. The imide unit in naphthalene bisimides is suitable for this purpose [19].
C) Möglich ist auch, dass die organische Halbleiterschicht aus mehreren Einzelschichten aufgebaut ist. Beispielsweise kann zur Stabilisierung des Transistorkanals eine nichtbiologisch aktive Schicht abgeschieden werden. Darüber wird eine Halbleiterschicht abgeschieden, die biologisch aktive Substituenten trägt. Diese Möglichkeit trägt der Tatsache Rechnung, dass der eigentliche Stromfluss nur im Bereich weniger Nanometer (< 10 um) über der Grenzschicht zwischen Halbleiter und Dielektrikum erfolgt. Beispielsweise wird ein inerter organischer Halbleiter direkt auf dem Gate- Dielektrikum aufgebracht (z.B. wird Pentazen aufgedampft). Auf diese Schicht wird eine weitere Schicht z.B. aus 6,13-C) It is also possible that the organic semiconductor layer is made up of several individual layers. For example, a non-biologically active layer can be deposited to stabilize the transistor channel. A semiconductor layer is deposited over it, which carries biologically active substituents. This possibility takes into account the fact that the actual current flow takes place only in the range of a few nanometers (<10 μm) above the boundary layer between the semiconductor and the dielectric. For example, an inert organic semiconductor is applied directly to the gate dielectric (e.g. pentazene is vapor-deposited). A further layer e.g. from 6.13-
Pentacenchinon aufgedampft. Bioaktive Moleküle werden nun an den äußerst reaktiven Carbonylbindungen angebracht. Alternativ kann die Funktionalisierung des 6,13- Pentacenchinons schon vor dem Aufbringen erfolgen, was insbesondere die Einführung sensibler Polypeptide, Proteine oder Aminosäuresequenzen erleichtert. Entsprechend kann die dem Kanal zugewandte Schicht aus einem N-Evaporated pentacenequinone. Bioactive molecules are now attached to the extremely reactive carbonyl bonds. Alternatively, the functionalization of the 6,13-pentacenequinone can take place before the application, which in particular facilitates the introduction of sensitive polypeptides, proteins or amino acid sequences. Accordingly, the layer facing the channel made of an N-
Fluoroalkylnaphthalinbis id (n-Halbleiter, [19]) bestehen, während die dem Sensor zugewandte Seite aus einem N- Aminosäure-substitutierten Naphthalinbisimid besteht. Durch die Verwendung unterschiedlicher Spezies wird zusätzlich eine „Stabilisierung" des gesamten Aufbaus gegenüber äußeren Einflüssen erreicht, so dass die Redoxpotentiale entsprechend angepasst werden können.Fluoroalkylnaphthalinbis id (n-semiconductors, [19]), while the side facing the sensor consists of an N-amino acid-substituted naphthalene bisimide. Through the use of different species, a "stabilization" of the entire structure against external Influences reached so that the redox potentials can be adjusted accordingly.
Diese Halbleiterschicht kann im Fall des hier offenbarten Biosensors der Bodyanschluss, der „vierte" Anschluss, sein.In the case of the biosensor disclosed here, this semiconductor layer can be the body connection, the “fourth” connection.
D) Es ist auch möglich, zur Ausbildung der biokompatiblen Oberfläche nicht die Schicht des organischen Halbleitermaterials zu modifizieren, sondern ein mit biochemischen Nachweisverfahren problemlos integrierbares Metall, z.B. Au zu verwenden. Möglich ist es z.B. eine Schicht aus Gold auf dem halbleitenden Material aufbringen, solange kein Kurzschluss zwischen Source und Drain entsteht (vgl. Fig. lg)D) It is also possible not to modify the layer of the organic semiconductor material in order to form the biocompatible surface, but rather a metal that can be easily integrated using biochemical detection methods, e.g. Au to use. It is possible e.g. apply a layer of gold on the semiconducting material as long as there is no short circuit between source and drain (see Fig. lg)
Auf dieser Schicht können dann, wie z.B. aus [17] bekannt ist, die für die biochemische Reaktion notwendigen Fängermoleküle auf der Gold-Oberfläche mittels der Gold- Schwefel-Kopplung sicher und einfach immobilisiert werden.On this layer, e.g. from [17] it is known that the capture molecules necessary for the biochemical reaction can be safely and easily immobilized on the gold surface by means of the gold-sulfur coupling.
E) Eine weitere Alternative bietet die Integration anderer leitender anorganischer nicht-metallischer Materialien wie (Poly-) Silizium, welches z.B. oberhalb eines im Rahmen des Prozesses zur Verdrahtung benutzten Materials auf der halbleitenden Schicht abgeschieden werden kann. Denn auf Siliziumoberflächen können Fängermoleküle für makromolekulare Biopolymere oder die Biopolymere selbst immobilisiert werden.E) Another alternative is the integration of other conductive inorganic non-metallic materials such as (poly) silicon, which e.g. can be deposited on the semiconducting layer above a material used for the wiring process. Catcher molecules for macromolecular biopolymers or the biopolymers themselves can be immobilized on silicon surfaces.
F) Möglich ist es auch, oberhalb der organischen Halbleiterschicht ein Dielektrikum aufzubringen, auf dem Fängermoleküle oder zu erfassende makromolekulare Biopolymere immobilisiert werden können. Das Dielektrikum kann anorganischer Natur sein wie z.B. Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder ein organisches Dielektrikum wie Polyvinylalkohol, das wie oben beschrieben als Passivierung des Transistors verwendet werden kann. Prinzipiell kommen für die Modifikation sämtliche Verbindungen in Frage, welche oberhalb des Kanalbereichmaterials abgeschieden oder prozessiert werden können. Dabei ist selbstverständlich, dass weder durch die Abscheidung noch durch die Strukturierung dieses Materials Schäden an den darunter liegenden Schichten und Materialien des Transistors entstehen dürfen.F) It is also possible to apply a dielectric above the organic semiconductor layer, onto which capture molecules or macromolecular biopolymers to be detected can be immobilized. The dielectric can be inorganic in nature, such as silicon dioxide, silicon nitride, or an organic dielectric, such as Polyvinyl alcohol, which can be used as passivation of the transistor as described above. In principle, all connections that can be deposited or processed above the channel region material can be used for the modification. It goes without saying that neither the deposition nor the structuring of this material may damage the underlying layers and materials of the transistor.
Solche Materialien sind dann verwendbar, wenn dasSuch materials can be used if that
Detektionssignal nicht auf einer Strommessung o.a. beruht, d.h. keine elektrisch leitende Verbindung zwischen Erfassungseinheit und Analyt (Elektrolyt) , insbesondere den Fängermolekülen, ihren Reaktionspartnern oder evtl. zusätzlich vorhandenen Markern, nötig ist. Ein Beispiel hierfür ist die Impedanzmethode.Detection signal not on a current measurement or the like rests, i.e. no electrically conductive connection between the detection unit and analyte (electrolyte), in particular the capture molecules, their reaction partners or possibly additional markers, is necessary. An example of this is the impedance method.
G) Schließlich ist es auch möglich, zusätzlich auf dem Dielektrikum eine weitere organische oder anorganische Schicht aufzubringen, die zur Immobilisierung geeignet ist. In einer Ausführungs orm ist dieses weitere Schicht ein Metall wie Gold. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, wenn einerseits eine galvanische Trennung zwischen dem Analyt (einer zu untersuchende Probe) erwünscht ist, die zu untersuchende biochemische Reaktion auf einer anderenG) Finally, it is also possible to additionally apply a further organic or inorganic layer on the dielectric which is suitable for immobilization. In an embodiment, this further layer is a metal such as gold. This embodiment is advantageous if, on the one hand, a galvanic separation between the analyte (a sample to be examined) is desired, the biochemical reaction to be examined on another
Oberfläche als dem Dielektrikum selbst durchgeführt werden soll. Dies kann von Vorteil sein, wenn z.B. die anliegenden Potentiale im Analyten eine Nebenreaktion auslösen würden, die zur Verfälschung des Messergebnisses führen könnten (z.B. führt Reduktion bzw. Oxidation von Wasser zu einer pH-Wert Änderung in der Umgebung der Elektrode) . Die Länge und Dicke der Schicht, die den Bodybereich des Transistors des hier offenbarten Biosensors bildet, kann in einem breiten Rahmen variiert werden. Sowohl Länge als auch Weite können von wenigen μm (die Weite sogar noch kleiner, s.o., ab ca. 5 bis 10 nm, nach oben ist die Weite nur durch den tolerablen Leckstrom begrenzt) bis einigen 100 μm gewählt werden. Dies ist von Vorteil, denn folglich kann die Größe der Fläche des Detektionsbereichs, auf dem die Komplexbildung stattfindet, in Abhängigkeit von dem zur Verfügung stehenden Volumen und/oder der erforderlichen Sensitivität gewählt werden. Die Reaktionsfläche, d.h. die Fläche des Detektionsbereich, kann sich sowohl über die gesamte Fläche des aktiven Transistorbereichs erstrecken als auch nur über einen Teil dieser Fläche.Surface to be performed as the dielectric itself. This can be advantageous if, for example, the potentials present in the analyte would trigger a side reaction that could lead to the measurement result being falsified (for example, reduction or oxidation of water leads to a pH change in the vicinity of the electrode). The length and thickness of the layer which forms the body region of the transistor of the biosensor disclosed here can be varied within a wide range. Both length and width can be selected from a few μm (the width even smaller, from approx. 5 to 10 nm upwards, the width is only limited by the tolerable leakage current) to a few 100 μm. This is advantageous because consequently the size of the area of the detection area on which the complex formation takes place can be selected depending on the available volume and / or the required sensitivity. The reaction area, ie the area of the detection area, can extend both over the entire area of the active transistor area or only over part of this area.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Transistor des Biosensors ein in Fig.8 dargestellter gefalteter (Polymer) - Transistor, der eine für die Mess- und Schaltungstechnik optimale Größenordnung der auszuwertenden elektrischen Parameter bereitstellt. Unter Faltung versteht man in diesem Zusammenhang, dass mehrere einzelne Transistoren parallelgeschaltet werden, so dass sie in ihrer elektrischen Modellierung wie ein einziger Gesamttransistor mit sehr großer Weite betrachtet werden können. Dabei werden die Drain- und Source-Bereiche jeweils beidseits ihrer Längskanten genutzt, was zu einer flächeneffizienten Realisierung solcher Bauelemente führt.In a preferred embodiment, the transistor of the biosensor is a folded (polymer) transistor shown in FIG. 8, which provides an order of magnitude of the electrical parameters to be evaluated that is optimal for measurement and circuit technology. In this context, folding is understood to mean that several individual transistors are connected in parallel, so that their electrical modeling can be considered as a single overall transistor with a very large width. The drain and source areas are used on both sides of their longitudinal edges, which leads to an area-efficient implementation of such components.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Biosensor eine Vielzahl von Transistoren auf, die vorzugsweise in einer regelmäßigen Anordnung, einem Array, auf dem (gemeinsamen) Träger angeordnet oder in dies eingebettet sind. Als Trägermaterial für den Biosensor kann hier prinzipiell jedes Material eingesetzt werden, auf dem die verschiedenen Einheiten des Sensors dauerhaft aufgebracht werden können. Beispiele geeigneter Trägermaterialien sind Isolatoren wie Papier, Kunststofffolien, Keramiken oder Glas, weiterhin mit einem Isolator beschichtetes Metall oder mit Kunststoff beschichtetes Metall. Beispiele für Trägermaterialien aus geeigneten organischen Polymermaterialien sind gängige dielektrische synthetische Kunststoffe wie Epoxidharze, Polyalkylene wie Polyethylen- oder Polypropylenharze,In a preferred embodiment, the biosensor has a plurality of transistors, which are preferably arranged in a regular arrangement, an array, on the (common) carrier or embedded therein. In principle, any material on which the various units of the sensor can be permanently applied can be used as the carrier material for the biosensor. Examples of suitable carrier materials are insulators such as paper, plastic films, ceramics or glass, and also metal coated with an insulator or metal coated with plastic. Examples of carrier materials made from suitable organic polymer materials are common dielectric synthetic plastics such as epoxy resins, polyalkylenes such as polyethylene or polypropylene resins,
Polyester, Polystyrole, substituierte Polystryole wie Poly-o- hydroxystyrol, Polyvinylverbindungen wie Polyvinylalkohole oder Polyvinylcarbazole, Polyurethane, Polyimide, Polybenzoxazole, Polythiazole, Polyether, Polyetherketone, Polyacrylate, Polyterephthalate, Polyethylennaphthalate oder Polycarbonate aller Art. Insbesondere eignen sich auch bioabbaubare Polymere, wie Polylactate. Die Oberflächeneigenschaften eines derartigen Polymermaterials oder Glasträgers können leicht verändert werden, so dass hydrophile oder hydrophobe Flächen entstehen. Dies ist für viele biochemische Sensoren wünschenswert.Polyesters, polystyrenes, substituted polystyrenes such as poly-o-hydroxystyrene, polyvinyl compounds such as polyvinyl alcohols or polyvinyl carbazoles, polyurethanes, polyimides, polybenzoxazoles, polythiazoles, polyethers, polyether ketones, polyacrylates, polyterephthalates, polyethylene naphthalates or polycarbonates of all types. In particular, biodegradable polymers are also suitable, such as poly-degradable polymers , The surface properties of such a polymer material or glass support can easily be changed, so that hydrophilic or hydrophobic surfaces are created. This is desirable for many biochemical sensors.
In einer Ausgestaltung des Sensors weist die Detektionsflache, die sich oberhalb des Gate-Bereichs befindet, eine Kompartimentierung auf, bei der sie vorzugsweise pfannen- oder topfförmig ausgestaltet ist. Dies erleichtert die Aufnahme kleiner Probevolumina, die z.B. mittels eines Pipettierroboters aufgebracht werden. Diese Ausgestaltung des Sensors eignet sich daher besonders gut für die Verwendung mit Hoch-Durchsatz-Geräten, wie sie in derIn one configuration of the sensor, the detection area, which is located above the gate area, has a compartment in which it is preferably designed in the form of a pan or a pot. This makes it easier to take up small sample volumes, e.g. be applied by means of a pipetting robot. This configuration of the sensor is therefore particularly suitable for use with high-throughput devices such as those in the
Genom- und Proteomforschung eingesetzt werden. Als makromolekulare Biopolymere können mit dem vorliegenden Sensor insbesondere Nukleinsäuren, Oligonukleotide, Proteine oder Komplexe aus Nukleinsäuren und Proteinen erfasst werden.Genome and proteome research can be used. In particular, nucleic acids, oligonucleotides, proteins or complexes of nucleic acids and proteins can be detected with the present sensor as macromolecular biopolymers.
Unter makromolekularen Biopolymeren werden hier beispielsweise (längerkettige) Nukleinsäuren wie DNA- Moleküle, RNA-Moleküle, PNA-Moleküle oder cDNA-Moleküle oder kürzere Oligonukleotide mit z.B. 10 bis 50 Basen, insbesondere 20 bis 40 Basen verstanden. Die Nukleinsäuren können doppelsträngig sein, jedoch auch zumindest einzelsträngige Bereiche aufweisen oder, zum Beispiel durch vorangehende thermische Denaturierung (Strangtrennung) für ihren Nachweis, als Einzelstränge vorliegen. Die Sequenz der zu erfassenden Nukleinsäuren kann dabei zumindest teilweise oder vollständig vorgegeben, d.h. bekannt sein. Weitere makromolekulare Biopolymere sind Proteine oder Peptide. Diese können aus den üblicherweise in Proteinen vorkommenden 20 Aminosäuren aufgebaut sein, aber auch natürlich nicht vorkommende Aminosäuren enthalten oder z.B. durch Zuckerreste (Oligosaccharide) modifiziert sein oder post-translationale Modifikationen enthalten. Ferner können auch Komplexe aus mehreren unterschiedlichen makromolekularen Biopolymeren erfasst werden, beispielsweise Komplexe aus Nukleinsäuren und Proteinen.Macromolecular biopolymers include, for example, (longer chain) nucleic acids such as DNA molecules, RNA molecules, PNA molecules or cDNA molecules or shorter oligonucleotides with e.g. 10 to 50 bases, in particular 20 to 40 bases understood. The nucleic acids can be double-stranded, but also have at least single-stranded regions or, for example by preceding thermal denaturation (strand separation) for their detection, can be present as single strands. The sequence of the nucleic acids to be detected can be at least partially or completely predetermined, i.e. be known. Other macromolecular biopolymers are proteins or peptides. These can be made up of the 20 amino acids usually found in proteins, but can also contain naturally occurring amino acids or e.g. be modified by sugar residues (oligosaccharides) or contain post-translational modifications. Furthermore, complexes from several different macromolecular biopolymers can also be detected, for example complexes from nucleic acids and proteins.
Sollen mit dem Biosensor Proteine oder Peptide als makromolekulare Biopolymere erfasst werden, so werden als Fängermoleküle bevorzugt Liganden verwendet, die die zu erfassenden Proteine oder Peptide spezifisch binden können. Die Fängermoleküle/Liganden sind vorzugsweise durch kovalente Bindungen mit dem Detektionsbereich verknüpft. Als Liganden für Proteine und Peptide kommen niedermolekulare Enzymagonisten oder Enzymantagonisten, Pharmazeutika, Zucker oder Antikörper oder andere geeignete Moleküle in Betracht, die die Fähigkeit besitzen, Proteine oder Peptide spezifisch zu binden .If proteins or peptides are to be detected as macromolecular biopolymers with the biosensor, ligands which can specifically bind the proteins or peptides to be detected are preferably used as capture molecules. The capture molecules / ligands are preferably linked to the detection area by covalent bonds. Low-molecular enzyme agonists or enzyme antagonists, pharmaceuticals, sugars or antibodies or other suitable molecules which have the ability to specifically bind proteins or peptides are suitable as ligands for proteins and peptides.
Wenn DNA-Moleküle (Nukleinsäuren oder Oligonukleotide) einer vorgegeben Nukleotidsequenz mit dem hier beschriebenen Biosensor erfasst werden, so werden sie vorzugsweise in einzelsträngiger Form erfasst, d.h. sie werden ggf. vor der Erfassung durch Denaturierung wie vorstehend erläutert in Einzelstränge überführt. In diesem Fall werden als Fängermoleküle dann vorzugsweise DNA-Sondenmoleküle mit einer zu dem einzelsträngigen Bereich komplementären Sequenz verwendet. Die DNA-Sondenmoleküle können wiederumIf DNA molecules (nucleic acids or oligonucleotides) of a given nucleotide sequence are detected with the biosensor described here, they are preferably detected in single-stranded form, i.e. if necessary, they are converted into single strands before the detection by denaturing as explained above. In this case, DNA probe molecules with a sequence complementary to the single-stranded region are then preferably used as capture molecules. The DNA probe molecules can in turn
Oligonukleotide oder auch längere Nukleotidsequenzen aufweisen, solange diese keine der intermolekularen Strukturen ausbilden, die eine Hybridisierung des Sondenmoleküls mit der zu erfassenden Nukleinsäure verhindern. Allerdings ist es auch möglich, DNA-bindende Proteine oder Agenzien als Fängermolekül einzusetzen.Have oligonucleotides or longer nucleotide sequences as long as they do not form any of the intermolecular structures that prevent hybridization of the probe molecule with the nucleic acid to be detected. However, it is also possible to use DNA-binding proteins or agents as the capture molecule.
Anzumerken ist, dass es selbstverständlich möglich ist, mit dem vorliegenden Sensor nicht nur eine einzige Art von Biopolymeren in einer einzelnen Messreihe zu erfassen. Vielmehr können mehrere makromolekulare Biopolymere gleichzeitig oder auch nacheinander erfasst werden. Dazu können z.B. auf der Detektionsflache eines Transistors mehrere Arten von ersten Molekülen (Fängermolekülen) , von denen jedes eine (spezifische) Bindungsaffinität für ein bestimmtes zu erfassendes Biopolymer aufweist, gebunden werden, und/oder es können mehrere Transistoren eingesetzt werden, wobei auf der Detektionsflache jedes Transistors nur eine Art von Fängermolekül gebunden wird.It should be noted that it is of course possible to use the sensor at hand to not only detect a single type of biopolymer in a single series of measurements. Rather, several macromolecular biopolymers can be recorded simultaneously or one after the other. For this purpose, for example, several types of first molecules (capture molecules), each of which has a (specific) binding affinity for a specific biopolymer to be detected, can be bound on the detection area of a transistor, and / or several transistors can be used are, whereby only one type of capture molecule is bound on the detection surface of each transistor.
Bei der Schaltungsanordnung der Erfindung kann prinzipiell jede Auswerteschaltung eingesetzt werden, die mit dem Sensor oder einem Transistor des Sensors gekoppelt werden kann, und die ein vom Sensor empfangenes Signal weiterverarbeiten kann, indem sie z.B. das Ergebnis der ersten elektrischen Messung mit dem der zweiten elektrischen Messung vergleicht und somit makromolekulare Biopolymere erfasst.In principle, any evaluation circuit that can be coupled to the sensor or a transistor of the sensor and that can further process a signal received by the sensor, e.g. compares the result of the first electrical measurement with that of the second electrical measurement and thus records macromolecular biopolymers.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Auswerteschaltung mindestens ein Bauelement mit einer halbleitenden Schicht mit einem organischen Material auf.In a preferred embodiment, the evaluation circuit has at least one component with a semiconducting layer with an organic material.
Dabei kann die Schicht mit dem organischen Material (des Bauelements der Auswerteschaltung) einerseits ein organisches halbleitendes Material aufweisen. Andererseits kann diese Schicht mit dem organischen Material auch ein organisches inertes Polymermaterial als Matrixmaterial aufweisen, in das anorganische halbleitende Partikel eingebettet sind. Dies bedeutet, dass dieselben Möglichkeiten der Ausgestaltung der halbleitenden Schicht wie bei dem zur Erfassung genutzten Transistoren bestehen.The layer with the organic material (the component of the evaluation circuit) can have an organic semiconducting material. On the other hand, this layer with the organic material can also have an organic inert polymer material as the matrix material, in which inorganic semiconducting particles are embedded. This means that the same possibilities exist for the configuration of the semiconducting layer as for the transistors used for detection.
Das Bauelement der Auswerteschaltung mit einer derartigen halbleitenden Schicht kann zum Beispiel eine Diode, ein Widerstand, Kondensator oder Transistor sein.The component of the evaluation circuit with such a semiconducting layer can be, for example, a diode, a resistor, capacitor or transistor.
Eine solche Diode kann z.B. eine Schicht mit einem n- oder p- halbleitenden organischen Material oder sowohl eine Schicht aus einem n-leitenden als auch eine Schicht aus einem p-leitenden organischen Halbleitermaterial aufweisen (vgl. [20, 21]). Als p-halbleitendes organisches Material kann z.B. das Polymer Polyvinylcarbazol [vgl. 20] oder p- Halbleiter auf der Basis von kondensierten aromatischen Ringsystemen wie Pentazen, Anthracen oder Tetracen verwendet werden. Geeignete n-halbleitende organische Materialien basieren z.B. auf elektronenarmen aromatischen Verbindungen. Beispiele sind die fluorierten oder nicht-fluorierten Amidoderivate des Naphthalintetracarbonsäuredianhydrids oder fluorierte Derivate des Phthalocyanins oder Thiophens wie z.B. Perfluorokupferphthalocyanin oder Bis (N-l, 1-Dihydro- pentadecafluorooctyl)naphthalinbisimid bzw. Bis (N-1,1- Dihydro-heptafluoroproyl) naphthalinbisimid [19] , Hexadecaflurokupferphthalocyanine [22] . Im Sinne der Erfindung ist auch die Verwendbarkeit der vorstehend genannten und in [15] beschriebenen anorganischen halbleitenden Partikel .Such a diode can have, for example, a layer with an n- or p-semiconducting organic material or both a layer made of an n-conducting and a layer of a p-conducting organic semiconductor material (see [20, 21]). For example, the polymer polyvinyl carbazole [cf. 20] or p-semiconductors based on condensed aromatic ring systems such as pentazene, anthracene or tetracene. Suitable n-semiconducting organic materials are based, for example, on electron-poor aromatic compounds. Examples are the fluorinated or non-fluorinated amido derivatives of naphthalene tetracarboxylic acid dianhydride or fluorinated derivatives of phthalocyanine or thiophene, such as, for example, perfluorocupferphthalocyanine or bis (Nl, 1-dihydropentadecafluorooctyl) naphthalene bisimide or bis (N-1,1-difluorophenyl) bisimide ], Hexadecaflurokupferphthalocyanine [22]. The usability of the inorganic semiconducting particles mentioned above and described in [15] is also within the meaning of the invention.
Eine solche Diode kann auch als Schottky-Diode ausgebildet sein. Beispielweise zeigt eine Schichtenfolge Aluminium- Pentazen-Palladium ausgeprägten Diodencharakter.Such a diode can also be designed as a Schottky diode. For example, a layer sequence of aluminum-pentazene-palladium shows a pronounced diode character.
Widerstände oder Kondensatoren mit organischen halbleitenden Materialien können z.B. analog zu den in Fig.4 bzw. Fig.6 von [21] beschriebenen Widerständen oder Kondensatoren aufgebaut sein. In [21] werden diese passiven Bauelemente mit Hilfe von Inkjet-Techniken hergestellt. Ganz allgemein können diese aber auch durch Standardlithographie und Metallisierung hergestellt werden.Resistors or capacitors with organic semiconducting materials can e.g. be constructed analogously to the resistors or capacitors described in FIG. 4 or FIG. 6 of [21]. In [21] these passive components are manufactured using inkjet techniques. In general, however, these can also be produced by standard lithography and metallization.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Schaltungsanordnung ist das mindestens eine Bauelement der Auswerteschaltung ein Transistor. Bevorzugt wird dabei ein Transistor, bei dem die Schicht mit dem (organischen) halbleitenden Material den Bodybereich des Transistors bildet. Dieser Transistor ist vorzugsweise ein „Polymer-Transistor", wie er oben beschrieben ist und in dem Biosensor und Verfahren der Erfindung Anwendung finden kann.In a preferred development of the circuit arrangement, the at least one component of the evaluation circuit is a transistor. A transistor in which the layer with the (organic) semiconducting material is the preferred Body area of the transistor forms. This transistor is preferably a "polymer transistor" as described above and can be used in the biosensor and method of the invention.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Schaltungsanordnung besteht die gesamte .Auswerteschaltung aus Transistoren mit einer Schicht aus einem organischen halbleitenden Material, d.h. aus den hier genannten „Polymer-Transistoren".In an advantageous development of the circuit arrangement, there is the entire . Evaluation circuit from transistors with a layer made of an organic semiconducting material, ie from the "polymer transistors" mentioned here.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Schaltungsanordnung eine Vielzahl von Biosensoren auf. Besonders bevorzugt ist eine Schaltungsanordnung, bei der einer oder mehrere der Biosensoren mit der dazugehörigen gekoppelten Auswerteschaltung auf einem gemeinsamen Träger aufgebracht sind.In a further embodiment, the circuit arrangement has a multiplicity of biosensors. A circuit arrangement is particularly preferred in which one or more of the biosensors with the associated coupled evaluation circuit are applied to a common carrier.
Diese Ausführungsform ist insbesondere vorteilhaft, wenn alle Biosensoren und Bauelemente der Auswerteschaltung auf Polymermaterialien beruhen. Denn in diesem Fall kann die gesamte Schaltungsanordnung durch Drucktechniken wie Tintenstrahldruck gefertigt werden, was sowohl eine deutliche Reduzierung der notwendigen Prozessschritte gegenüber der üblichen Technologie, die auf anorganischen Halbleitern fußt, bedeutet (alleine für die Auswerteschaltung kann die Anzahl der Verfahrensschritte von ca. 300 bei CMOS-Prozessen auf ca. 50 reduziert werden) als auch eine Kostenersparnis bewirkt.This embodiment is particularly advantageous if all biosensors and components of the evaluation circuit are based on polymer materials. In this case, the entire circuit arrangement can be produced by printing techniques such as inkjet printing, which means both a significant reduction in the necessary process steps compared to the conventional technology based on inorganic semiconductors (for the evaluation circuit alone, the number of process steps can be approximately 300 CMOS processes can be reduced to approx. 50) as well as a cost saving.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im weiteren näher erläutert.Embodiments of the invention are shown in the figures and are explained in more detail below.
Es zeigen Figuren la bis li Feldeffekt-Transistoren, die in dem Verfahren sowie dem Biosensor der Erfindung eingesetzt werden können;Show it Figures la to li field effect transistors that can be used in the method and the biosensor of the invention;
Figuren 2a und 2b eine Skizze zweier Planarelektroden,' mittels derer die Existenz zu erfassender DNA-Stränge in einem Elektrolyt (Figur 2a) bzw. deren Nichtexistenz (Figur 2b) nachgewiesen werden können;Figures 2a and a sketch of two planar, 'by means of which the existence of DNA strands to be detected in an electrolyte (Figure 2a) or the non-existence (Figure 2b) can be detected 2b;
Figuren 3a bis 3f einen Biosensor zu unterschiedlichenFigures 3a to 3f a biosensor to different
Verfahrenszuständen, anhand denen das Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert wird;Process states on the basis of which the method is explained according to an embodiment of the invention;
Figuren 4a bis 4c eine symbolhafte Darstellung des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistors (Fig.4a) sowie zwei unterschiedliche elektrische Ersatzschaltbilder (Fig.4b, Fig.4c) ;Figures 4a to 4c a symbolic representation of the field effect transistor according to the invention (Fig.4a) and two different electrical equivalent circuit diagrams (Fig.4b, Fig.4c);
Figur 5 eine Auswerteschaltung des erfindungsgemäßenFigure 5 shows an evaluation circuit of the invention
Biosensors auf der Basis eines Polymertransistors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;Biosensor based on a polymer transistor according to a first embodiment of the invention;
Figur 6 eine Auswerteschaltung des Biosensors der Erfindung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel derFigure 6 shows an evaluation circuit of the biosensor of the invention according to a second embodiment of the
Erfindung;Invention;
Figur 7 eine Auswerteschaltung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;Figure 7 shows an evaluation circuit according to a third embodiment of the invention;
Figur 8 ein Ausführungsbeispiel des Biosensor, der auf einem gefalteten Polymer-Transistor beruht. Fig.l zeigt verschiedene Ausgestaltungen eines Feldeffekt- Transistors 100, der in der Erfindung eingesetzt werden kann.Figure 8 shows an embodiment of the biosensor, which is based on a folded polymer transistor. Fig.l shows various configurations of a field effect transistor 100 which can be used in the invention.
Bei dem Feldeffekt-Transistor 100 gemäß Fig.la bis Fig.lc ist auf einem Träger 101, das z.B. aus Polyethylennaphthalat besteht, ein Gate-Bereich 102 aufgebracht, der aus Nickel besteht. Auf dem Gate-Bereich 102 wiederum befindet sich eine Schicht 103 aus einem dielelektrischen Material wie Siliziumdioxid, die den Gatebereich 102 von dem ersten Source/Drain-Bereich 104 und dem zweiten Source/Drain-Bereich 105, die aus Palladium bestehen, trennt. Zwischen den Source/Drain-Bereichen 104, 105 befindet sich eine Schicht 106 aus Pentacen als halbleitendem organischen Material. Die Schicht 106 bildet den Body-Bereich des Transistors 100. Alternativ dazu kann der Body-Bereich 106 auch aus einer Schicht aus inertem polymeren Matrixmaterial, in das anorganische halbleitende Partikel eingebettet sind, ausgebildet werden.In the field effect transistor 100 according to Fig.la to Fig.lc is on a carrier 101, e.g. consists of polyethylene naphthalate, applied a gate region 102, which consists of nickel. On the gate region 102 there is in turn a layer 103 made of a dielectric material such as silicon dioxide, which separates the gate region 102 from the first source / drain region 104 and the second source / drain region 105, which are made of palladium. Between the source / drain regions 104, 105 there is a layer 106 made of pentacene as a semiconducting organic material. The layer 106 forms the body region of the transistor 100. Alternatively, the body region 106 can also be formed from a layer of inert polymeric matrix material in which inorganic semiconducting particles are embedded.
Zur Immobilisierung von Fängermolekülen bzw. zu erfassenden Biopolymeren und somit zur Ausbildung des Dektionsbereichs kann des weiteren eine funktioneile Schicht 107, die z.B. aus Octadecyltrichlorsilan-Molekülen besteht, wie folgt erzeugt werden .For the immobilization of capture molecules or the biopolymers to be detected and thus for the formation of the region of decompression, a functional layer 107, e.g. consists of octadecyltrichlorosilane molecules can be generated as follows.
Die Pentazenlage wird anschließend mit einer kurzen Sauerstoff-Plasmabehandlung (1 bis 2 Sekunden) funktionalisiert . Die Funktionalisierung wird durch einen Spülschritt vorzugsweise mit deionsiertem Wasser vervollständigt, reicht jedoch auch die normale Luftfeuchte zur Funktionalisierung aus) . Anschließend wird mit silan- funktionalisierten Oligonukleotiden umgesetzt, um die Fängermoleküle (siehe z.B. Fig.2 beispielsweise 206) anzukoppeln. Neben den chlorierten Silanen (mono-, di- und trichloro-) sind auch weniger reaktiven Alkoxysilane (mono-, di- und trialkoxy z.B. methoxy) geeignet. Neben der Silankopplung, können auch andere Ankopplungsmethode wie Amid- , Ester oder glykosidische Bindungen, ionische oder komplexierende Bindungen herangezogen werden.The pentacene layer is then functionalized with a short oxygen plasma treatment (1 to 2 seconds). The functionalization is preferably completed by a rinsing step with deionized water, but the normal air humidity is also sufficient for the functionalization). The reaction is then carried out with silane-functionalized oligonucleotides to remove the capture molecules (see, for example, FIG. 2, for example 206). to dock. In addition to the chlorinated silanes (mono-, di- and trichloro-), less reactive alkoxysilanes (mono-, di- and trialkoxy, eg methoxy) are also suitable. In addition to silane coupling, other coupling methods such as amide, ester or glycosidic bonds, ionic or complexing bonds can also be used.
Wie bereits vorher diskutiert kann die Schicht 107 auch aus einer Goldlage bestehen, die über die Gold-Schwefelbindung eine Ankopplung ermöglicht. Ebenfalls kann 107 ein Dielektrikum beinhalten.As previously discussed, layer 107 can also consist of a gold layer which enables coupling via the gold-sulfur bond. 107 may also include a dielectric.
Der Feldeffekt-Transistor 100 gemäß Fig.ld bis Fig.lf weist auf dem Träger 101 zunächst eine Schicht 106 aus halbleitendem organischen Material auf. Diese den Bodybereich des Transistors 100 bildende Schicht 106 weist z.B. Tetracen auf. Der Transistor 100 weist weiterhin einen ersten und einen zweiten Source/Drain-Bereich 104, 105 aus Platin auf. Oberhalb der Source/Drain-Bereiche 104, 105 bzw. des Bodybereichs 106 befindet sich eine Schicht 103 ausThe field effect transistor 100 according to Fig.ld to Fig.lf initially has a layer 106 of semiconducting organic material on the carrier 101. This layer 106 forming the body region of transistor 100 has e.g. Tetracene on. The transistor 100 also has a first and a second source / drain region 104, 105 made of platinum. A layer 103 is located above the source / drain regions 104, 105 or the body region 106
Siliziumdioxid als Dielektrikum, auf der der Gate-Bereich 102 aus Nickel aufgebracht ist. Der Gatebereich 102 weist ferner eine Schicht 108 aus Gold auf, die den Detektionsbereich bildet, auf dem entweder zu erfassende makromolekulare Biopolymere oder Fängermoleküle immobilisiert sind. Alternativ dazu kann man den Gate-Bereich direkt und vollständig aus Gold ausbilden. Der Gatebereich stellt dann unmittelbar auch den Detektionsbereich dar.Silicon dioxide as a dielectric on which the gate region 102 made of nickel is applied. The gate area 102 also has a layer 108 of gold, which forms the detection area, on which either macromolecular biopolymers to be detected or capture molecules are immobilized. Alternatively, the gate area can be formed directly and completely from gold. The gate area then also directly represents the detection area.
Der Feldeffekt-Transistor 100 gemäß Fig. lg bis Fig.li weist Grundsätzlich denselben Aufbau wie der Transistor gemäß Fig.la bis Fig.lc auf. Allerdings ist bei dem Transistor 100 gemäß Fig. lg bis Fig.li noch eine zusätzliche Schicht 108, die als Zusatzelelektrode zum Immobilisieren von Biopolymeren verwendet werden kann, falls z.B. der Body-Bereich nicht direkt zur Ausbildung als Immobilisierungs-Einheit funktionalisiert werden soll.The field effect transistor 100 according to FIG. 1g to Fig.li basically has the same structure as the transistor according to Fig.la to Fig.lc. However, there is an additional layer 108 in the transistor 100 according to FIGS. which can be used as an additional electrode for immobilizing biopolymers if, for example, the body area is not to be functionalized directly to form an immobilization unit.
Die Feldeffekt-Transistoren gemäß Fig.l mit der Schicht mit halbleitendem organischen Material bzw. der Schicht mit dem polymeren Matrixmaterial, in das anorganische halbleitende Partikel eingebettet sind, lassen sich mit dem in [12] beschriebenen Verfahren herstellen. Dabei erfolgt bei den Ausführungsformen gemäß Fig.la, Fig.lc und Fig.le die Abscheidung der Source/Drain-Bereiche 104, 105 vor der Abscheidung der halbleitenden Schicht 106, während bei den Ausführungsformen nach Fig.lb, Fig.ld und Fig.lf die halbleitende Schicht 106 vor den Source/Drain-Bereichen 104, 105 aufgebracht wird.The field effect transistors according to Fig.l with the layer with semiconducting organic material or the layer with the polymeric matrix material, in which inorganic semiconducting particles are embedded, can be produced with the method described in [12]. The deposition of the source / drain regions 104, 105 takes place before the deposition of the semiconducting layer 106 in the embodiments according to FIGS. 1c, 1c and Fig. Le, while in the embodiments according to FIGS. 1b, 1d and 1d If the semiconducting layer 106 is applied in front of the source / drain regions 104, 105.
Fig.3a zeigt einen Feldeffekt-Transistor 300, mit dem ein hier beschriebenes Erfassungsverfahren durchgeführt werden kann. Der Transistor 300 weist einen Träger 301, das aus Polyethylennaphthalat besteht, einen Gate-Bereich 302 aus Nickel, und eine darüber angeordnete dielektrische Schicht 303 aus Siliziumdioxid, auf. Ferner weist der Transistor 300 einen darüber befindlichen ersten Source/Drain-Bereich 304 und einen zweiten Source/Drain-Bereich 305 aus Platin sowie eine zwischen den Source/Drain-Bereichen 304, 305 befindliche Schicht 306 aus Pentazen als halbleitendem organischen Material auf. Die Schicht 306 bildet den Body-Bereich des Transistors 300 und ist zugleich durch wie vorstehend mit Bezug auf Fig.l beschrieben modifiziert, um so den3a shows a field effect transistor 300 with which a detection method described here can be carried out. The transistor 300 has a carrier 301, which consists of polyethylene naphthalate, a gate region 302 made of nickel, and a dielectric layer 303 made of silicon dioxide arranged thereover. Furthermore, the transistor 300 has a first source / drain region 304 and a second source / drain region 305 made of platinum as well as a layer 306 made of pentazen between the source / drain regions 304, 305 as a semiconducting organic material. Layer 306 forms the body region of transistor 300 and is at the same time modified by, as described above with reference to FIG
Detektionsbereich zur Immobilisierung von makromolekularen Biopolymeren zu bilden. Dabei besitzt die Schicht 306 eine Topf- oder Wannenform, um die Aufnahme von flüssigen Analyten zu erleichtern.Form detection area for immobilization of macromolecular biopolymers. Layer 306 has one Pot or tub shape to facilitate the absorption of liquid analytes.
Auf der Schicht 306 des Transistors 300 sind erste Oligonukleotid-Moleküle 307 (Fig.3a) bzw. zweiteOn the layer 306 of the transistor 300 there are first oligonucleotide molecules 307 (FIG. 3a) and second ones
Oligonukleotide 308 (Fig.3b) als Fängermoleküle aufgebracht. Dabei weisen die Oligonukleotid-Moleküle 307 und 308 unterschiedliche Basensequenzen auf.Oligonucleotides 308 (FIG. 3b) applied as capture molecules. The oligonucleotide molecules 307 and 308 have different base sequences.
An die Purinbasen Adenin (A) und Guanin (G) und dieTo the purine bases adenine (A) and guanine (G) and the
Pyrimidinbasen Thymin (T) oder Cytosin (C) können jeweils zu den Sequenzen der Sondenmoleküle komplementäre Sequenzen der DNA-Stränge in der üblichen Weise, d.h. durch Basenpaarung über Wasserstoffbrückenbindungen zwischen A und T bzw. zwischen C und G, hybridisieren. Bei Verwendung andererPyrimidine bases thymine (T) or cytosine (C) can in each case complement sequences of the DNA strands complementary to the sequences of the probe molecules in the usual manner, i.e. hybridize by base pairing via hydrogen bonds between A and T or between C and G. When using others
Nukleinsäuremoleküle werden entsprechend andere Basen, im Falle eines RNA-Moleküls beispielsweise Uridin (U) verwendet.Correspondingly, other bases, in the case of an RNA molecule, for example uridine (U), are used for nucleic acid molecules.
Fig.3c und Fig.3d zeigen den Transistor zu dem Zeitpunkt, bei dem ein Analyt (nicht dargestellt) mit dem Detektionsbereich, d.h. hier der Schicht 306, des Transistors, in Kontakt gebracht wird. Dabei ist der Fall gezeigt, dass in dem Analyten DNA-Moleküle 309 enthalten sind, die eine vorgegebene erste Nukleotidsequenz aufweisen, die komplementär zu der Sequenz der ersten DNA-FängermoleküleFig.3c and Fig.3d show the transistor at the time when an analyte (not shown) with the detection area, i.e. here layer 306, the transistor, is brought into contact. The case is shown that the analyte contains DNA molecules 309 which have a predetermined first nucleotide sequence which is complementary to the sequence of the first DNA capture molecules
(Sondenmoleküle) 307 ist. In diesem Fall hybridisieren die zu den ersten DNA-Sondenmolekülen 307 komplementären DNA- Moleküle 309 mit den ersten DNA-Sondenmolekülen 306, die auf dem Detektionsbereich der halbleitenden Schicht (des Body- Bereichs) 306 aufgebracht sind.(Probe molecules) 307. In this case, the DNA molecules 309 complementary to the first DNA probe molecules 307 hybridize with the first DNA probe molecules 306, which are applied to the detection region of the semiconducting layer (the body region) 306.
Die Bedingungen, unter denen die Hybridisierung durchgeführt werden, sind dabei so (stringent) gewählt, dass nur die Sequenzen von DNA-Strängen mit der jeweils spezifischen (perfekt) komplementären Sequenz hybridisieren. Daher hybridisieren die zu den ersten DNA-Sondenmolekülen komplementären DNA-Moleküle 309 nicht mit den zweiten DNA- Sondenmolekülen 308.The conditions under which the hybridization is carried out are (stringent) selected so that only the Hybridize sequences of DNA strands with the specific (perfectly) complementary sequence. Therefore, the DNA molecules 309 complementary to the first DNA probe molecules do not hybridize with the second DNA probe molecules 308.
Das Resultat nach dem in Kontakt-Bringen des Analyten und eines optionalen Waschschrittes ist daher, dass sich auf der halbleitenden Schicht 306 gemäß Fig.3e doppelsträngige Hybridmoleküle befinden, d.h. sich doppelsträngige DNA- Moleküle ausgebildet haben. Auf dem Detektionsbereich 306 des Transistors gemäß Fig.3f sind nur die zweiten DNA- Sondenmoleküle 308 als weiterhin einsträngige Moleküle vorhanden .The result after contacting the analyte and an optional washing step is therefore that double-stranded hybrid molecules are located on the semiconducting layer 306 according to FIG. double-stranded DNA molecules have formed. 3f, only the second DNA probe molecules 308 are present as further single-stranded molecules on the detection area 306 of the transistor according to FIG. 3f.
Bevor der Analyt mit dem Detektionsbereich in Kontakt gebracht worden ist, wird mit dem Transistor 300 eine erste elektrische Messung durchgeführt. Dabei wird in dieser Ausgestaltung des Verfahrens der durch den Transistor fließende Strom gemessen.Before the analyte has been brought into contact with the detection area, a first electrical measurement is carried out with the transistor 300. In this embodiment of the method, the current flowing through the transistor is measured.
Bei dem Transistor 300 wird durch die bei der Hybridbildung immobilisierten Moleküle ein auf den Bodybereich des Transistors wirkendes elektrisches Feld moduliert, das so den Kanalstrom des Feldeffekt-Transistors beeinflusst. Somit stellt der Strom durch den Transistor ein direktes Maß für die auf dem Detektionsbereich 306 immobilisierte Ladungsmenge dar. Daher wird nach dem in Kontakt-Bringen mit dem Analyten eine zweite elektrische Messung durchgeführt, bei der der Transistorstrom ermittelt wird. Der Vergleich der beiden elektrischen Messungen wird zum Erfassen der Nukleinsäuremoleküle herangezogen . Übersteigt die bei dem Vergleich ermittelte Differenz einen (vorgegebenen) Schwellenwert, so wird daraus geschlossen, dass DNA-Moleküle 309 in der Probe vorhanden waren, die (perfekt) komplementär zu den Fängermolekülen 307 sind, und ggf. in welcher Konzentration (vgl. Fig.3e) . Bei einer Differenz unterhalb des Schwellenwertes wird daraus geschlossen, dass keine DNA-Moleküle vorhanden waren. Dies ist bei dem Beispiel hier insofern der Fall, als dass die Aussage getroffen werden kann, dass keine DNA-Moleküle vorhanden waren, die unter den gegebenenIn transistor 300, the molecules immobilized during hybrid formation modulate an electric field which acts on the body region of the transistor and which thus influences the channel current of the field-effect transistor. Thus, the current through the transistor is a direct measure of the amount of charge immobilized on the detection area 306. A second electrical measurement is therefore carried out after contacting the analyte, in which the transistor current is determined. The comparison of the two electrical measurements is used to detect the nucleic acid molecules. If the difference determined in the comparison exceeds a (predetermined) threshold value, it is concluded from this that DNA molecules 309 were present in the sample that are (perfectly) complementary to the capture molecules 307, and possibly in what concentration (cf. .3e). If there is a difference below the threshold value, it is concluded that no DNA molecules were present. This is the case with the example here in that the statement can be made that there were no DNA molecules that were among the given ones
Hybridisierungsbedingungen (perfekt) komplementär zu den Fängermolekülen 308 sind. Diese Klassifizierung nach Schwellenwert kann auch bei den anderen hier offenbarten Verfahren durchgeführt werden .Hybridization conditions (perfect) are complementary to the capture molecules 308. This classification according to the threshold value can also be carried out in the other methods disclosed here.
In diesem Zusammenhang sei noch einmal folgendes zum hier offenbarten Erfassungsverfahren angemerkt. Auch wenn im Falle von Nukleinsäuren als zu erfassende Biopolymere bei der Hybridisierung oder z.B. bei der Komplexbildung zwischen einem immobilisierten Antigen und einem dafür spezifischenIn this context, the following should be noted again regarding the detection method disclosed here. Even if in the case of nucleic acids as biopolymers to be detected during hybridization or e.g. in the complex formation between an immobilized antigen and a specific one
Antikörper keine Ladungen gebunden werden, kann die Reaktion nachgewiesen werden. Zum Beispiel ändert sich durch die Hybridisierung bzw. allgemein die Komplexbildung zwischen den beiden Bindungspartnern die Gate-Kapazität bzw.- wie hier vornehmlich beispielhaft beschrieben - die Substratsteilheit (dieser Begriff ist hier vom MOS-Transistor entliehen) bzw. der Substratdurchgriff und damit die Transfercharakteristik des Transistors. Diese Änderung der Transfercharakteristik wird hier zum Erfassen einer Komplexbildung und von Biopolymeren herangezogen.If no charges are bound to the antibody, the reaction can be detected. For example, the hybridization or, in general, the complex formation between the two binding partners changes the gate capacitance or - as described here primarily by way of example - the substrate steepness (this term is borrowed from the MOS transistor) or the substrate penetration and thus the transfer characteristic of the transistor. This change in the transfer characteristic is used here to detect complex formation and biopolymers.
Eine weitere Möglichkeit, den Sensor der Erfindung zu betreiben, besteht darin kontinuierlich, also z.B. während der Inkontaktbringung des Analyten mit der Sensorfläche oder auch während eines optionalen Waschschrittes im Anschluss daran, zu messen. Veränderungen an der Sensor-Oberfläche können dann transient verfolgt werden.Another way to operate the sensor of the invention is continuously, for example during contacting the analyte with the sensor surface or also during an optional washing step after the measurement. Changes to the sensor surface can then be tracked transiently.
An dieser Stelle sei ferner angemerkt, dass es mit dem vorliegenden Verfahren auch möglich ist, z.B. einen sogenannten Mismatch, d.h. eine Hybridisierung zwischen nicht perfekt komplementären Nukleinsäuren festzustellen, da die Komplementarität die Eigenschaften des Feldeffekt-Transistors beeinflusst, und somit z.B. den Stromfluss durch den Transistor beeinflusst (vgl. [10]) .At this point it should also be noted that it is also possible with the present method, e.g. a so-called mismatch, i.e. to determine a hybridization between not perfectly complementary nucleic acids, since the complementarity influences the properties of the field effect transistor, and thus e.g. influences the current flow through the transistor (cf. [10]).
In den Fig.4a bis Fig.4c ist ein Symbol 400 für den erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistor 100 mit folgenden vier Anschlüssen dargestellt (vgl. Fig.4a):FIGS. 4 a to 4 c show a symbol 400 for the field effect transistor 100 according to the invention with the following four connections (see FIG. 4 a):
• ein erster Source/Drain-Bereich 401,A first source / drain region 401,
• ein zweiter Source/Drain-Bereich 402,A second source / drain region 402,
• ein Gate-Anschluss 403, sowie • ein Body-Anschluss 404, welcher mit dem Analyten in• a gate connection 403, and • a body connection 404, which connects with the analyte in
Kontakt gebracht wird.Is brought into contact.
Fig.4b und Fig.4c zeigen für den in Fig.4a dargestellten erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistor 100 zwei unterschiedliche elektrische Ersatzschaltbilder.4b and 4c show two different electrical equivalent circuit diagrams for the field effect transistor 100 according to the invention shown in FIG.
Bei dem ersten elektrischen Ersatzschaltbild 410 gemäß Fig.4b wird davon ausgegangen, dass das Verhalten des erfindungsgemäßen Feldeffekt-Transistors 100 durch die Parallelschaltung zweier Feldeffekttransistoren, einem erstenIn the first electrical equivalent circuit diagram 410 according to FIG. 4b, it is assumed that the behavior of the field effect transistor 100 according to the invention is achieved by connecting two field effect transistors in parallel, a first one
Feldeffekttransistor 411 und einem zweiten Feldeffekttransistor 412, welche unterschiedliche Eigenschaften in ihren elektrischen Parametern, wie beispielsweise deren Schwellenspannung, deren Steilheit, etc. haben können, ausreichend gut approximiert und somit in der Ersatzschaltung ersetzt werden kann.Field effect transistor 411 and a second field effect transistor 412, which have different properties in their electrical parameters, such as for example, their threshold voltage, their steepness, etc., can be approximated sufficiently well and can thus be replaced in the equivalent circuit.
Bei diesem Ersatzschaltbild wird davon ausgegangen, dass der Gate-Anschluss und der Body-Anschluss jeweils unabhängig voneinander einen Transistor steuern.This equivalent circuit assumes that the gate connection and the body connection each control a transistor independently of one another.
Bei einem sehr dünnen Body-Material eignet sich zur Beschreibung des elektrischen Verhaltens das in Fig.4c dargestellte, zweite elektrische Ersatzschaltbild 420 besser, da in diesem Fall davon ausgegangen wird, dass die Steuerwirkung der Steuerelektroden, d.h. des Gate-Anschlusses 403 und des Body-Anschlusses 404 sich auf das gesamte Volumen des Body-Materials erstreckt. Bei diesem Ersatzschaltbild wirkt auf einen MOS-Feldeffekttransistor 421 eine Gate- Spannung, welche sich aus der gewichteten Summe der an dem Gate-Anschluss 403 und an dem Body-Anschluss 404 anliegenden elektrischen Spannungen ergibt, wobei diese Spannungen eventuell noch mit einem additiven Aufschlag zu versehen sind, um unterschiedliche Austrittsarbeiten und ähnliche Effekte berücksichtigen zu können, wie dies beispielsweise zur Herleitung der Schwellenspannung in konventionellen MOS- Feldeffekttransistoren in [10] beschrieben ist. Aus diesem Grund weist das zweite elektrischeIn the case of a very thin body material, the second electrical equivalent circuit diagram 420 shown in FIG. 4c is more suitable for describing the electrical behavior, since in this case it is assumed that the control effect of the control electrodes, i.e. of the gate connection 403 and the body connection 404 extends to the entire volume of the body material. In this equivalent circuit diagram, a MOS voltage acts on a MOS field-effect transistor 421, which results from the weighted sum of the electrical voltages present at the gate connection 403 and at the body connection 404, these voltages possibly also adding an additive surcharge are provided in order to be able to take into account different work functions and similar effects, as is described, for example, for deriving the threshold voltage in conventional MOS field-effect transistors in [10]. For this reason, the second electrical
Ersatzschaltbild 420 einen mit seinem Ausgang mit dem Gate- Anschluss des MOS-Feldeffekttransistors 421 gekoppelten Addierers 422 auf, dessen erster Eingang über ein erstes Verstärkerelement 423 sowie eine erste Spannungsquelle 424 mit dem Body-Anschluss 404 gekoppelt ist und dessen zweiterEquivalent circuit 420 has an adder 422 coupled with its output to the gate connection of the MOS field-effect transistor 421, the first input of which is coupled to the body connection 404 via a first amplifier element 423 and a first voltage source 424 and the second
Anschluss über ein zweites Verstärkerelement 425 und eine zweite Spannungsquelle 426 mit dem Gate-Anschluss 403 gekoppelt ist. Im Weiteren werden Auswerteschaltungen zur Auswertung des von dem Biosensor bereitgestellten Signals beschrieben.Connection is coupled via a second amplifier element 425 and a second voltage source 426 to the gate terminal 403. Evaluation circuits for evaluating the signal provided by the biosensor are described below.
Fig.5 zeigt eine Auswerteschaltung 500 des erfindungsgemäßen Biosensors auf der Basis eines Polymertransistors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.5 shows an evaluation circuit 500 of the biosensor according to the invention based on a polymer transistor according to a first exemplary embodiment of the invention.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird der durch den erfindungsgemäßen Transistor 400 von dem ersten Source-According to this exemplary embodiment, the transistor 400 according to the invention is
/Drain-Bereich zu dem zweiten Source-/Drain-Bereich fließende elektrische Strom gemessen./ Drain area to the second source / drain area electric current flowing measured.
Fig.5 zeigt in diesem Zusammenhang die an dem Body-Anschluss 404 anliegende in dem Analyten auftretende elektrischeIn this context, FIG. 5 shows the electrical occurring in the analyte at the body connection 404
Spannung VE, in Fig.5 symbolisiert als an den Body-Anschluss 404 angeschlossene Analyt-Spannungsquelle 501.Voltage VE, symbolized in FIG. 5, as analyte voltage source 501 connected to body connection 404.
Der erste Source/Drain-Anschluss 401 ist mit dem Massepotential 502 gekoppelt.The first source / drain connection 401 is coupled to the ground potential 502.
Die am Gate-Anschluss 403 anliegende Gate-Spannung VG wird über die symbolisch dargestellte Gate-Spannungsquelle 503 bereitgestellt .The gate voltage VG present at the gate connection 403 is provided via the symbolically represented gate voltage source 503.
Der zweite Source/Drain-Bereich 402 ist über eine Strommess- Einrichtung 504, mit welcher der durch den Transistor 400 fließende Strom gemessen wird, d.h. der durch den Bodybereich des Transistors 400 von dem ersten Source/Drain-Bereich 401 zu dem zweiten Source/Drain-Bereich 402 fließende elektrischeThe second source / drain region 402 is via a current measuring device 504 with which the current flowing through the transistor 400 is measured, i.e. the electrical flowing through the body region of transistor 400 from first source / drain region 401 to second source / drain region 402
Strom gemessen wird, mit einer symbolisch dargestellten Drain-Spannungsquelle 505, welche die Drain-Spannung bereitstellt, gekoppelt. Fig.6 zeigt eine Auswerteschaltung 600 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.Current is measured, coupled to a symbolically represented drain voltage source 505, which provides the drain voltage. 6 shows an evaluation circuit 600 according to a second exemplary embodiment of the invention.
Gemessen wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Änderung der effektiven Steuer-Spannung, welche erforderlich ist, damit der Transistor 400 einen elektrischen Strom vorgegebener Stromstärke führt.According to this exemplary embodiment, the change in the effective control voltage which is required for the transistor 400 to carry an electrical current of a predetermined current strength is measured.
Im Betrieb des Transistors 400 kann diese Änderung vorzugsweise an dem ersten Source/Drain-Bereich 401, d.h. dem Source-Knoten des Transistors 400 abgegriffen werden.In operation of transistor 400, this change may preferably occur at first source / drain region 401, i.e. can be tapped from the source node of transistor 400.
In diesem Fall wird der Transistor 400 als Source-Folger betrieben. Die Spannung an dem ersten Source/Drain-Bereich 401 wird mittels eines an den ersten Source/Drain-Bereich angeschlossenen Spannungs-Messgeräts 601 gemessen, wobei an den ersten Source/Drain-Bereich 401 eine Stromquelle 603 gekoppelt ist.In this case, transistor 400 is operated as a source follower. The voltage at the first source / drain region 401 is measured by means of a voltage measuring device 601 connected to the first source / drain region, a current source 603 being coupled to the first source / drain region 401.
Im Betrieb als Source-Folger erhält man insbesondere dann eine vorteilhafte Übertragungscharakteristik. Bei dieser wirkt das Drain-zu-Source-Potential sich nur geringfügig auf den Strom ein bzw. der Einfluss des Gate-zu-Source-Potentials ist wesentlich größer als der Einfluss des Drain-zu-Source- Potentials für die Aufrechterhaltung eines konstanten Stromes, wenn der Transistorarbeitspunkt in den Sättigungsbereich oder den Unterschwellenbereich gelegt wird.When operating as a source follower, an advantageous transmission characteristic is obtained in particular. In this case, the drain-to-source potential affects the current only slightly, or the influence of the gate-to-source potential is significantly greater than the influence of the drain-to-source potential for maintaining a constant current , if the transistor operating point is placed in the saturation range or the sub-threshold range.
In gleicher Weise wie gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist eine' Analyt-Spannungsquelle 501 über den Body-Anschluss 404 mit dem Transistor 400 gekoppelt sowie eine Gate- Spannungsquelle 503 mit dem Gate-Anschluss 403 und eine Drain-Spannungsquelle 505 mit dem zweiten Source/Drain- Bereich 402.In the same manner as in the first embodiment 501 is coupled via the body terminal 404 to the transistor 400, a 'analyte-voltage source and a gate voltage source 503 to the gate terminal 403 and a Drain voltage source 505 with the second source / drain region 402.
Fig.7 zeigt eine Auswerteschaltung 700 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.7 shows an evaluation circuit 700 according to a third exemplary embodiment of the invention.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird die Spannung an einer der Steuerelektroden gemessen, welche erforderlich ist, damit der Transistor einen elektrischen Strom vorgegebener Stromstärke führt.According to this exemplary embodiment, the voltage at one of the control electrodes is measured, which is required for the transistor to carry an electrical current of a predetermined current.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist eine Regelungsschaltung 701 vorgesehen, welche die Gate-Spannungsquelle 503 derart regelt, dass der mit dem Strom-Messgerät 504 gemessene Strom, welcher durch den Transistor 400 fließt, konstant gehalten wird.According to this exemplary embodiment, a control circuit 701 is provided, which controls the gate voltage source 503 in such a way that the current measured by the current measuring device 504 and flowing through the transistor 400 is kept constant.
Somit wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel das an dem Body- Anschluss 404 anliegende elektrische Potential, d.h. die von der Analyt-Spannungsquelle 501 bereitgestellte elektrische Spannung VE konstant gehalten und die Gate-Spannung wird entsprechend geregelt.Thus, according to this embodiment, the electrical potential applied to the body connection 404, i.e. the electrical voltage VE provided by the analyte voltage source 501 is kept constant and the gate voltage is regulated accordingly.
Somit weist die Auswerteschaltung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel eine über den Analyten auf den Transistor wirkende elektrische Spannung auf, welche durch die Analyt- Spannungsquelle 501 symbolisiert wird, und welche einerseits mit dem Massepotential 702 und andererseits mit dem Body- Anschluss 404 gekoppelt ist.Thus, the evaluation circuit according to the third exemplary embodiment has an electrical voltage acting on the transistor via the analyte, which is symbolized by the analyte voltage source 501 and which is coupled on the one hand to the ground potential 702 and on the other hand to the body connection 404.
Der erste Source/Drain-Bereich 401 ist unmittelbar mit dem Massepotential gekoppelt. Ferner ist der Gate-Anschluss 403 über die Regelungsschaltung mit der Gate-Spannungsquelle 503 und die Gate-Spannungsquelle 503 mit dem Massepotential 702 gekoppelt.The first source / drain region 401 is directly coupled to the ground potential. Furthermore, the gate connection 403 is coupled to the gate voltage source 503 and the gate voltage source 503 to the ground potential 702 via the control circuit.
Der zweite Source/Drain-Bereich 402 ist über das Strom- Messgerät 504 mit der Drain-Spannungsquelle 505 gekoppelt, die wiederum mit dem Massepotential 702 gekoppelt ist. Für den Fall, dass der erfindungsgemäße Transistor 400 durch das in Fig.4b gezeigte erste elektrische Ersatzschaltbild 410 modelliert wird, wird vorzugsweise der mittels des Gate- Anschlusses 403 gesteuerte Transistor 412 durch Anlegen einer geeigneten Steuerspannung an dem Gate-Anschluss 403 "weggeschaltet", d.h. in einen Zustand geschaltet, in dem der zweite Transistor 412 eine so geringen elektrischen Strom liefert, dass er keinen signifikanten und damit im Rahmen der Signalaus ertung zu berücksichtigenden Beitrag liefert.The second source / drain region 402 is coupled via the current measuring device 504 to the drain voltage source 505, which in turn is coupled to the ground potential 702. In the event that the transistor 400 according to the invention is modeled by the first electrical equivalent circuit diagram 410 shown in FIG. 4b, the transistor 412 controlled by the gate connection 403 is preferably “disconnected” by applying a suitable control voltage to the gate connection 403, ie switched into a state in which the second transistor 412 delivers such a small electric current that it does not make a significant contribution and thus has to be taken into account in the signal processing.
Im Rahmen der Auswertung gemäß der Auswerteschaltung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel oder gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel, sollte die elektrische Spannung an dem Gate-Anschluss 403 vor und nach der erfolgten biochemischen Reaktion auf das gleiche elektrische Potential gelegt werden.As part of the evaluation according to the evaluation circuit according to the second exemplary embodiment or according to the third exemplary embodiment, the electrical voltage at the gate connection 403 should be applied to the same electrical potential before and after the biochemical reaction that has taken place.
Wird für die Auswertung die Vorgehensweise gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel verwendet, so wird das elektrischeIf the procedure according to the third exemplary embodiment is used for the evaluation, the electrical
Potential einer der Steuerelektroden konstant gehalten und die Potentialänderung an der jeweils anderen Elektrode, welche beispielsweise mittels der Regelungsschaltung geregelt wird, gemessen.Potential of one of the control electrodes kept constant and the change in potential at the other electrode, which is regulated, for example, by means of the control circuit, measured.
Polymertransistoren können ohne weiteres mit sehr unterschiedlichen Kanallängen und Kanalbreiten von wenigen μm und darunter bis hin zu einigen 100 μm hergestellt werden. Aus diesem Grund kann die Größe der Reaktionsfläche beispielsweise in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Probenvolumen oder der erforderlichen Sensitivität gewählt werden. Die Reaktionsfläche kann sowohl aus der gesamten aktiven Fläche des Transistorbereichs als auch aus nur einem Teil dieser Fläche bestehen.Polymer transistors can be easily manufactured with very different channel lengths and channel widths from a few μm and below to a few 100 μm. For this reason, the size of the reaction area can be chosen, for example, depending on the available sample volume or the required sensitivity. The reaction area can consist of the entire active area of the transistor area or only part of this area.
Insbesondere kann auch ein gefalteter Polymertransistor 800 (vgl. Fig.8) verwendet werden, um eine für Messtechnik und Schaltungstechnik optimale Größenordnung der auszuwertenden elektrischen Parameter bereitzustellen. Die Faltung des Polymertransistors 800 führt dabei zu einem Gesamttransistor mit sehr großer elektrischer Weite, wobei anzumerken ist, dass die relative Änderung der gemessenen Parameter, d.h. die relative Empfindlichkeit des Biosensors sich nicht ändert.In particular, a folded polymer transistor 800 (see FIG. 8) can also be used in order to provide an order of magnitude of the electrical parameters to be evaluated that is optimal for measurement technology and circuit technology. The folding of the polymer transistor 800 leads to an overall transistor with a very large electrical width, it being noted that the relative change in the measured parameters, i. the relative sensitivity of the biosensor does not change.
Aufgrund prozesstechnischer Gegebenheiten kann man in einfacher Weise erreichen, dass die Sensorfläche eine topfähnliche oder pfannenähnliche Form hat, d.h. eine Kompartimentierung aufweist. Die Aufnahme kleiner Probenvolumina wird dadurch erleichtert.Due to process engineering, it can be easily achieved that the sensor surface has a pot-like or pan-like shape, i.e. has a compartment. This makes it easier to take up small sample volumes.
Indem man mehrere in der in Fig.3 gezeigten Transistoren mit bio-kompatiblen Sensorflächen auf demselben Träger nebeneinander anordnet, kann somit erfindungsgemäß sehr einfach eine matrixförmige Anordnung von Sensoroberflächen erreicht werden.By arranging several of the transistors shown in FIG. 3 with bio-compatible sensor areas on the same carrier next to one another, a matrix-like arrangement of sensor surfaces can thus be achieved very easily according to the invention.
Es ist anzumerken, dass die oben beschriebenen Möglichkeiten selbstverständlich auch kombiniert werden können, insbesondere auch zur Herstellung von Arrays aus solchen Biosensoren, welche zusätzlich Schaltungen zur Verarbeitung der Sensorsignale enthalten, welche ebenfalls mit Hilfe von Polymertransistoren realisiert werden. It should be noted that the possibilities described above can of course also be combined, in particular also for the production of arrays from such biosensors, which additionally contain circuits for processing the sensor signals, which are also carried out with the aid of Polymer transistors can be realized.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:The following publications are cited in this document:
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[29] DE 41 15 397 AI Bezugszeichenliste[29] DE 41 15 397 AI LIST OF REFERENCE NUMBERS
100 Feldeffekt-Transistor100 field effect transistor
101 Träger101 carriers
102 Gate-Bereich102 gate area
103 Schicht aus dielektrischem Material103 layer of dielectric material
104 Source/Drain-Bereich104 Source / drain area
105 Source/Drain-Bereich105 Source / drain area
106 Schicht mit halbleitendem Material (Body-Bereich)106 layer with semiconducting material (body area)
107 monomolekulare Schicht aus Molekülen107 monomolecular layer of molecules
108 zusätzliche Schicht108 additional shift
200 Sensor200 sensor
201 Elektrode aus Gold201 gold electrode
202 Elektrode aus Gold202 gold electrode
203 Isolatorschicht203 insulator layer
204 Elektrodenanschluss204 electrode connection
205 Elektrodenanschluss205 electrode connection
206 DNA-Sondenmoleküle206 DNA probe molecules
207 Analyt207 analyte
208 DNA-Strang208 strand of DNA
300 Feldeffekt-Transistor300 field effect transistor
301 Träger301 carriers
302 Gate-Bereich302 gate area
303 dielektrische Schicht303 dielectric layer
304 erster Source/Drain-Bereich304 first source / drain region
305 zweiter Source/Drain-Bereich305 second source / drain region
306 Schicht des Body-Bereichs306 layer of the body area
307 erste Oligonukleotid-Moleküle (Sonden-Moleküle) 308 zweite Oligonukleotid-Moleküle (Sonden-Moleküle) 309 DNA-Moleküle307 first oligonucleotide molecules (probe molecules) 308 second oligonucleotide molecules (probe molecules) 309 DNA molecules
400 Symbol für Feldeffekt-Transistor400 symbol for field effect transistor
401 erster Source/Drain-Bereich401 first source / drain region
402 zweiter Source/Drain-Bereich 403 Gate-Anschluss402 second source / drain region 403 gate connector
404 Body-Anschluss404 body connector
410 Ersatzschaltbild410 equivalent circuit diagram
411 erster Feldeffekt-Transistor411 first field effect transistor
412 zweiter Feldeffekt-Transistor412 second field effect transistor
420 Ersatzschaltbild420 equivalent circuit diagram
421 MOS-Feldeffekt-Transistor421 MOS field effect transistor
422 Addierer422 adders
423 erstes Verstärkerelement423 first amplifier element
424 erste Spannungsquelle424 first voltage source
425 zweites Verstärkereiement425 second reinforcement element
426 zweite Spannungsquelle426 second voltage source
500 Auswerteschaltung500 evaluation circuit
501 Analyt-Spannungsquelle501 analyte voltage source
502 Massepotential502 ground potential
503 Gate-Spannungsquelle503 gate voltage source
504 Strommesseinrichtung504 current measuring device
505 Drain-Spannungsquelle505 drain voltage source
600 Auswerteschaltung600 evaluation circuit
601 Spannungs-Messgerät601 voltage measuring device
602 Massepotential602 ground potential
603 Stromquelle603 power source
700 Auswerteschaltung700 evaluation circuit
701 Regelungsschaltung701 control circuit
702 Massepotential702 ground potential
800 Polymertransistor 800 polymer transistor

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren mittels eines Feldeffekt-Transistors, der einen Gatebereich, eine ersten Source/Drain-Bereich, einen zweiten Source/Drain- Bereich, einen Body-Bereich sowie einen Detektionsbereich aufweist, wobei a) der Body-Bereich ein organisches Material aufweist, und b) der Detektionsbereich als Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren ausgestaltet ist, und c) bei dem der Detektionsbereich eine Grenzfläche zum Body- Bereich ausbildet, wobei diese Grenzfläche derjenigen Grenzfläche gegenüberliegt, die der Body-Bereich mit dem Gate-Dielektrikum ausbildet, • wobei auf dem Detektionsbereich erste Moleküle immobilisiert sind, wobei die ersten Moleküle zu erfassende makromolekulare Biopolymere oder Bindungsmoleküle sind, an welche Bindungsmoleküle die zu erfassenden makromolekularen Biopolymere binden können, sind1. A method for detecting macromolecular biopolymers by means of a field effect transistor which has a gate region, a first source / drain region, a second source / drain region, a body region and a detection region, with a) the body region comprises an organic material, and b) the detection area is designed as a unit for immobilizing macromolecular biopolymers, and c) in which the detection area forms an interface to the body area, this interface lying opposite the interface that the body area with the gate Dielectric forms, • where first molecules are immobilized on the detection area, the first molecules being macromolecular biopolymers or binding molecules to which binding molecules the macromolecular biopolymers to be detected can bind
• bei dem mindestens eine erste elektrische Messung mit dem Transistor durchgeführt wird,In which at least one first electrical measurement is carried out with the transistor,
• der Detektionsbereich mit einer Probe, die zweite Moleküle enthalten kann, in Kontakt gebracht wird, wobei die zweiten Moleküle zu erfassende makromolekulare• the detection area is brought into contact with a sample that can contain second molecules, the second molecules being macromolecular
Biopolymere oder Bindungsmoleküle sind, an die die zu erfassenden makromolekularen Biopolymere binden können, wodurch sich Komplexe aus ersten und zweiten Molekülen ausbilden können, • bei dem anschließend mindestens eine zweite elektrischeAre biopolymers or binding molecules to which the macromolecular biopolymers to be detected can bind, as a result of which complexes of first and second molecules can form, • in which subsequently at least a second electrical one
Messung mit dem Transistor durchgeführt wird, undMeasurement is carried out with the transistor, and
• bei dem mittels eines Vergleichs des Ergebnisses der ersten elektrischen Messung mit dem der zweiten elektrischen Messung makromolekulare Biopolymere erfasst werden . • in which macromolecular biopolymers are detected by comparing the result of the first electrical measurement with that of the second electrical measurement.
2. Verfahren zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren mittels eines Feldeffekt-Transistors, der einen Gatebereich, eine ersten Source/Drain-Bereich, einen zweiten Source/Drain- Bereich, einen Body-Bereich sowie einen Detektionsbereich aufweist, wobei a) der Body-Bereich ein organisches Material aufweist, und b) der Detektionsbereich als Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren ausgestaltet ist, und c) bei dem der Detektionsbereich eine Grenzfläche zum Gate- Bereich ausbildet, wobei diese Grenzfläche derjenigen2. Method for detecting macromolecular biopolymers by means of a field effect transistor which has a gate region, a first source / drain region, a second source / drain region, a body region and a detection region, with a) the body region comprises an organic material, and b) the detection area is designed as a unit for immobilizing macromolecular biopolymers, and c) in which the detection area forms an interface to the gate area, this interface being that of
Grenzfläche gegenüberliegt, die der Gate-Bereich mit dem Gate-Dielektrikum ausbildet,Opposite surface that the gate region forms with the gate dielectric,
• wobei auf dem Detektionsbereich erste Moleküle immobilisiert sind, wobei die ersten Moleküle zu erfassende makromolekulare Biopolymere oder• First molecules are immobilized on the detection area, the first molecules to be detected macromolecular biopolymers or
Bindungsmoleküle sind, an welche Bindungsmoleküle die zu erfassenden makromolekularen Biopolymere binden können, sindBinding molecules are to which binding molecules the macromolecular biopolymers to be detected can bind
• bei dem mindestens eine erste elektrische Messung mit dem Transistor durchgeführt wird,In which at least one first electrical measurement is carried out with the transistor,
• der Detektionsbereich mit einer Probe, die zweite Moleküle enthalten kann, in Kontakt gebracht wird, wobei die zweiten Moleküle zu erfassende makromolekulare Biopolymere oder Bindungsmoleküle sind, an die die zu erfassenden makromolekularen Biopolymere binden können, wodurch sich Komplexe aus ersten und zweiten Molekülen ausbilden können,• The detection area is brought into contact with a sample which can contain second molecules, the second molecules to be detected being macromolecular biopolymers or binding molecules to which the macromolecular biopolymers to be detected can bind, as a result of which complexes of first and second molecules can form .
• bei dem anschließend mindestens eine zweite elektrische Messung mit dem Transistor durchgeführt wird, und • bei dem mittels eines Vergleichs des Ergebnisses der ersten elektrischen Messung mit dem der zweiten elektrischen Messung makromolekulare Biopolymere erfasst werden .• in which at least one second electrical measurement is then carried out with the transistor, and • in which macromolecular biopolymers are recorded by comparing the result of the first electrical measurement with that of the second electrical measurement.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Body-Bereich des Transistors ein organisches halbleitendes Material aufweist. 3. The method according to claim 1 or 2, wherein the body region of the transistor comprises an organic semiconducting material.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , bei dem der Bodybereich ein organisches inertes Polymermaterial als Matrixmaterial aufweist, in das anorganische halbleitende Partikel eingebettet sind.4. The method according to claim 1 or 2, wherein the body region comprises an organic inert polymer material as the matrix material, in which inorganic semiconducting particles are embedded.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem bei der elektrische Messung eine Veränderung der Impedanz oder Kapazität an der Oberfläche des Detektionsbereichs gemessen wird, die durch die Ausbildung von Komplexen aus zu erfassenden makromolekularen Biopolymeren und Bindungsmolekülen bewirkt wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein in the electrical measurement, a change in the impedance or capacitance is measured at the surface of the detection area, which is caused by the formation of complexes of macromolecular biopolymers and binding molecules to be detected.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem bei der elektrischen Messung die Leitfähigkeit des6. The method according to any one of claims 1 to 5, in which the conductivity of the electrical measurement
Body-Bereichs des Transistors oder die Schwellenspannung des Transistors ermittelt wird.Body region of the transistor or the threshold voltage of the transistor is determined.
7. Verfahren nach Anspruch 6 , bei dem ein geeigneter Arbeitspunkt gewählt wird, um die7. The method according to claim 6, wherein a suitable operating point is selected to the
Sensitivität des Transistors zu maximieren.Maximize transistor sensitivity.
8. Biosensor mit einem Träger,8. biosensor with a support,
• mit einem auf dem Träger aufgebrachten Gatebereich, • mit einem auf dem Gatebereich aufgebrachten ersten und zweiten Source/Drain-Bereich, undWith a gate region applied to the carrier, with a first and second source / drain region applied to the gate region, and
• mit einem zwischen dem ersten und zweiten Source/Drain- Bereich befindlichen Body-Bereich, wobei der Body-Bereich ein organisches Material aufweist, • und einem auf dem Body-Bereich angeordneten Body-With a body area located between the first and second source / drain areas, the body area having an organic material, and with a body area arranged on the body area.
Anschluss, der derart eingerichtet ist, dass darauf makromolekulare Biopolymere immobilisiert werden können. Connection that is set up in such a way that macromolecular biopolymers can be immobilized on it.
9. Biosensor nach Anspruch 8, bei dem ein Transistor verwendet wird, bei dem der Body- Bereich ein organisches inertes Polymermaterial als Matrixmaterial aufweist, in das anorganische halbleitende Partikel eingebettet sind.9. Biosensor according to claim 8, in which a transistor is used, in which the body region has an organic inert polymer material as the matrix material, in which inorganic semiconducting particles are embedded.
10. Biosensor nach Anspruch 8, bei dem ein Transistor verwendet wird, bei dem der Body- Bereich ein organisches halbleitendes Material aufweist.10. Biosensor according to claim 8, in which a transistor is used in which the body region has an organic semiconducting material.
11. Biosensor nach Anspruch 9 oder 10, bei dem der Transistor ein organischer Dünnfilm-Transistor ist.11. The biosensor of claim 9 or 10, wherein the transistor is an organic thin film transistor.
12. Biosensor nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem das organische halbleitende Material aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Pentazen, Antrazen, Tetrazen, Oligothiophen, Polythiophen, Polyanilin, Poly-p-phenylen, Poly-p-phenylvinylen, Polypyrrol, Phthalocyanin, Porpyhrin und Derivaten davon besteht.12. Biosensor according to one of claims 10 or 11, wherein the organic semiconducting material is selected from the group consisting of pentazene, antrazene, tetrazene, oligothiophene, polythiophene, polyaniline, poly-p-phenylene, poly-p-phenylvinylene, polypyrrole , Phthalocyanine, porpyhrin and derivatives thereof.
13. Biosensor nach einem der Ansprüche 9 bis 12 , bei dem der Transistor ein gefalteter Polymertransistor ist.13. Biosensor according to one of claims 9 to 12, wherein the transistor is a folded polymer transistor.
14. Biosensor nach einem der Ansprüche 8 bis 13, der eine Vielzahl von Transistoren aufweist.14. Biosensor according to one of claims 8 to 13, which has a plurality of transistors.
15. Schaltungsanordnung mit einem Biosensor, der ein Träger aufweist, • mit einem auf dem Träger aufgebrachten Gatebereich,15. Circuit arrangement with a biosensor, which has a carrier, • with a gate region applied to the carrier,
• mit einem auf dem Gatebereich aufgebrachten ersten und zweiten Source/Drain-Bereich und • mit einem zwischen dem ersten und zweiten Source/Drain- Bereich befindlichen Bodybereich, wobei der Body-Bereich ein organisches Material aufweist,With a first and second source / drain region applied to the gate region and With a body area located between the first and second source / drain areas, the body area having an organic material,
• und einem auf dem Bodybereich angeordneten Body- Anschluss, der derart eingerichtet ist, dass darauf makromolekulare Biopolymere immobilisiert werden können, undAnd a body connection arranged on the body area, which is set up in such a way that macromolecular biopolymers can be immobilized thereon, and
• einer Auswerteschaltung, die mit dem Biosensor gekoppelt ist.• an evaluation circuit that is coupled to the biosensor.
16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 15, bei der die Auswerteschaltung mindestens ein Bauelement mit einer Schicht mit einem organischen Material aufweist.16. Circuit arrangement according to claim 15, wherein the evaluation circuit has at least one component with a layer with an organic material.
17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, bei dem die Schicht mit dem organischen Material ein organisches halbleitendes Material aufweist.17. The circuit arrangement according to claim 16, wherein the layer with the organic material comprises an organic semiconducting material.
18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, bei dem die Schicht mit dem organischen Material ein organisches inertes Polymermaterial als Matrixmaterial aufweist, in das anorganische halbleitende Partikel eingebettet sind.18. Circuit arrangement according to claim 16, in which the layer with the organic material has an organic inert polymer material as the matrix material, in which inorganic semiconducting particles are embedded.
19. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17 oder 18, bei der das mindestens eine Bauelement der Auswerteschaltung ein Transistor ist.19. Circuit arrangement according to claim 17 or 18, wherein the at least one component of the evaluation circuit is a transistor.
20. Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, bei der die Schicht mit dem organischen Material den Body- Bereich des Transistors bildet.20. Circuit arrangement according to claim 19, wherein the layer with the organic material forms the body region of the transistor.
21. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 20, bei der die gesamte Auswerteschaltung aus Transistoren mit einer Schicht aus einem organischen halbleitenden Material besteht.21. Circuit arrangement according to one of claims 17 to 20, in which the entire evaluation circuit consists of transistors with a layer of an organic semiconducting material.
22. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, die eine Vielzahl von Biosensoren aufweist.22. Circuit arrangement according to one of claims 15 to 21, which has a plurality of biosensors.
23. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 22, bei der der Biosensor und die Auswerteschaltung auf einem gemeinsamen Träger aufgebracht sind. 23. Circuit arrangement according to one of claims 15 to 22, in which the biosensor and the evaluation circuit are applied to a common carrier.
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