Integrierte elektronische Schaltung mit Feldeffekt-Sensoren zum Nachweis von Biomolekülen
B e s c h r e i b u n g
Die Erfindung betrifft eine integrierte elektronische Schaltung mit zumindest einem Feldeffekt-Sensor zum Nachweis wenigstens eines Biomoleküls, ein Analysesystem sowie ein Verfahren zum Nachweis wenigstens eines Biomoleküls.
Aus dem Stand der Technik sind an sich Feldeffekt-Sensoren zum Nachweis von Biomolekülen bekannt: Aus Souteyrand et al. (E. Souteyrand, J. P. Cloarec, J. R. Martin, C. Wilson, I. Lawrence, S. Mikkelsen und M. F. Lawrence, Direct Detection of Hybridization of Synthetic Homo-Oligomer DNA Sequences by Field Effect, J. Phys. Chem. 1997, 101 , 2980-2985) ist ein Feldeffekt-Transistor (FET) zur Detektion von DNA bekannt. Zur Durchführung einer Messung wird das Gate des Feldeffekt-Transistors mit einer Messlösung in Kontakt gebracht. Eine daraufhin gegebenenfalls erfolgende Hybridisierung an der Gate-Elektrode wird durch Impedanzmessung des Leitungskanals detek- tiert. Zur Auswertung der Impedanz-Messungen ist der Feldeffekt-Transistor mit einem Personal Computer (PC) verbunden.
Ein entsprechender Affinitäts-Sensor ist auch in US-Patent Nr. 5,869,244 offenbart. Aus der unveröffentlichten Patentanmeldung DE 10163557.5 vom 21.12.2001 mit dem Titel „Transistorbasierter Sensor mit besonders ausgestalter Gatelektrode zur hochempfind-
lichen Detektion von Analyten" ist eine spezielle Ausgestaltung der Gate-Elektrode eines solchen Feldeffekt-Affinitäts-Sensors zur Erhöhung der Empfindlichkeit bekannt. Die Gate-Elektrode ist so ausgebildet, dass die Kontaktfläche an der Detektionselektro- de, an der gegebenenfalls Hybridisierungsereignisse stattfinden, wesentlich größer ist als die Kontaktfläche der Gate-Elektrode zum Leitungskanal hin.
Mit solchen vorbekannten Feldeffekt-Affinitäts-Sensoren ist also der Nachweis von Biomolekülen, insbesondere von geladenen Biomolekülen wie zum Beispiel Proteinen, DNA oder RNA möglich.
Aus der WO 01/75462 A1 ist ferner eine Sensor-Anordnung und ein Verfahren zum Erfassen eines Zustands eines Transistors einer Sensor-Anordnung bekannt. Eine solche Sensor-Anordnung kann für die Charakterisierung der neuronalen Aktivitäten von einer Vielzahl miteinander gekoppelter biologischer Zellen verwendet werden. Zum Nachweis von Biomolekülen ist diese Sensor-Anordnung jedoch ungeeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte integrierte elektronische Schaltung mit einem Feldeffekt-Sensor zum Nachweis wenigstens eines Biomoleküls zu schaffen sowie ein Analysesystem mit einer solchen integrierten Schaltung und ein ver- bessertes Verfahren zum Nachweis wenigstens eines Biomoleküls.
Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche jeweils gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird dem Feldeffekt-Sensor in der integrierten elektronischen Schaltung ein steuerbarer Halbleiterschalter zugeordnet, der zur Messung des Leitungszustandes des Feldeffekt-Sensors dient. Von besonderem Vorteil ist dabei, dass der Feldeffekt-Sensor und der steuerbare Halbleiterschalter in derselben integrierten elektroni- sehen Schaltung z. B. monolithisch auf einem Chip integriert sind.
Über den dem Feldeffekt-Sensor zugeordneten steuerbaren Halbleiterschalter kann der Feldeffekt-Sensor der integrierten Schaltung durch entsprechende Adressierung von außen angesteuert werden. Dies hat den Vorteil, dass sich mehrere Feldeffekt-
Sensoren mit jeweils zugeordneten steuerbaren Halbleiterschaltern in derselben integrierten elektronischen Schaltung realisieren lassen, so dass einzelne der Feldeffekt- Sensoren durch entsprechende Adressierung und Ansteuerung über den jeweils zugeordneten steuerbaren Halbleiterschalter zur Durchführung der Messung des Leitungs- zustandes in einem wahlfreien Zugriff (random access) ansteuerbar sind.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der Feldeffekt-Sensor eine Gate-Elektrode mit einem Elektrodenbereich zur Erzeugung eines elektrischen Feldes für den Kanal-Bereich, wodurch der Leitungszustand bestimmt wird. Ein zweiter Elekt- rodenbereich der Gate-Elektrode dient zur Anlagerung des zu detektierenden Biomoleküls. Vorzugsweise werden die Oberflächenverhältnisse der beiden Elektrodenbereiche so gewählt, dass der Elektrodenbereich zur Anlagerung des Biomoleküls wesentlich größer ist als der andere Elektrodenbereich, d. h. z. B. um einen Faktor 10 bis 500 000. Diese Ausgestaltung der Gate-Elektrode hat insbesondere den Vorteil, der Erhöhung der Empfindlichkeit des Feldeffekt-Sensors.
Beispielsweise ist ein einzelner Feldeffekt-Sensor so aufgebaut, dass zwischen einer Detektionselektrode aus einem elektrisch isolierendem Material und einem als Dielektrikum ausgebildeten Gateoxid eines Transistors eine Gateelektrode angeordnet ist. Die Gateelektrode weist eine große Kontaktfläche Asens für die Detektionselektrode und eine kleine Kontaktfläche Agate an das Gateoxid des angrenzenden sub-Mikrometer- bzw.
Nanotransistors auf.
Der Rezeptor zur Bindung bzw. Umsetzung des geladenen Biomoleküls ist an der Ober- fläche der Detektionselektrode immobilisiert. Bei den zu detektierenden Biomolekülen handelt es sich um Biomoleküle wie Nukleinsäuren (RNA, DNA), Proteine und Substrate von immobilisierten Enzymen. Unter den Begriff Rezeptoren fallen alle Moleküle, die ein solches Biomolekül binden oder umsetzen können, wodurch das Biomolekül nachgewiesen wird. Als Rezeptoren oder Fänger eignen sich insbesondere DNA (z.B. Oligo- nukleotide und CDNA), RNA und zu DNA analoge Oligomere, die aus zu Nukleosiden analogen Monomeren aufgebaut sind, wie z.B. Peptid Nukleinsäuren (PNA) oder Morpholinonukleinsäuren. Auch Heterooligomere aus natürlichen Nukleosiden und zu Nukleosiden analogen Monomeren können als Fänger dienen.
Über die große Fläche der Detektionselektrode ist gewährleistet, dass der Rezeptor sich auf technisch einfache Weise auf deren Oberfläche immobilisieren lässt.
Über die kleine Kontaktfläche Agate der Gateelektrode an den Transistor ist gleichzeitig eine hohe Nachweisempfindlichkeit für das Biomolekül gegeben, da der erfindungsgemäße Sensor über die Verwendung isolierender Materialien immer eine Reihenschaltung zweier Kondensatoren umfast. Der ersten Kondensator ist zwischen Detektionselektrode und Gateelektroden-Material, der zweite Kondensator ist zwischen Gatee- lektroden-Material und Silizium-Substrat angeordnet.
Zur Bereitstellung des ersten Kondensators besteht die Detektionselektrode aus einem isolierendem Material. Die Detektionselektrode kann beispielsweise aus Si02 bestehen. S O2 ist ein guter Isolator. Das Material lässt sich auch in sehr dünnen Schichten auf- tragen. Kleinste Ladungsänderungen an der Oberfläche der Detektionselektrode durch Bindung eines geladenen Biomoleküls an ein immobilisiertes Rezeptormolekül können so bei hoher Empfindlichkeit über den ersten Kondensator in Richtung des Transistors übertragen werden. Darüber hinaus sind Biomoleküle wie z. B. Nukleinsäuren, Antikörper und Enzyme als Rezeptoren über Verfahren, welche Stand der Technik innerhalb der Silanchemie bilden, gut auf St'O2 immobilisierbar.
Neben Si02 als Material für die Detektionselektrode sind auch Ta205 , Al20i oder S/3N4 besonders geeignet. Die Materialien sind ebenfalls gute Isolatoren. Sie eignen sich darüber hinaus in besonderer Weise als pH-sensitive Materialien für den Nachweis von Substraten als Biomoleküle, die im Verlauf einer Reaktion mit einem immobilisierten Enzym, beispielsweise mit Dehydrogenasen, umgesetzt werden. Hierdurch kommt es zu einer nachweisbaren lokalen Änderung des pH-Wertes an der Detektionselektrode, wodurch das geladene Biomolekül nachgewiesen wird.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als Gateelektrodenmaterial hochleitendes Polysilizium eingesetzt. Dies bewirkt vorteilhaft, dass das Gateelektroden-Material kapazitiv an die Detektionselektrode angekoppelt ist. Es ist eine gute Signalübertragung von der Detektionselektrode zur Gateelektrode gewährleistet . Selbst-
verständlich ist das Material der Gateelektrode nicht auf Polysilizium beschränkt. Vielmehr können alle in Frage kommenden Materialien mit guter Leitfähigkeit für die Gateelektrode verwendet werden.
Die Gateelektrode und die Detektionselektrode können über eine oder mehrere Schichten miteinander verbunden sein. Im Bereich zwischen Gateelektrode und Detektionselektrode kann als Oberfläche der Gateelektrode eine Silizidschicht angeordnet sein. Die Silizidschicht kann z. B. durch Aufsputtern von Wolfram auf das Polysilizium und anschließendem Tempern erzeugt werden. Es kann aber auch nach Aufsputtern von Titan eine Schicht aus Titansilizid als Oberfläche der Gateelektrode angeordnet sein. Vorteilhaft sind die vorgenannten Suizide sehr gute Leiter. Sie verhindern einen lonenfluss an den Transistor und erhöhen die Haltbarkeit des Transistors.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt eine Schichtenfolge aus Polysilizium, Wolframsilizid sowie StO2zur Bildung eines ersten Kondensators vor. Auf dem Polysilizium ist die Schicht aus Wolframsilizid, welche die Oberfläche der Gateelektrode bildet, angeordnet. Polysilizium und Wolframsilizid zusammen bilden dabei die Gateelektrode. Eine derartige Schichtenfolge mit Si02 als isolierendes Material für die Detektionselektrode führt zur kapazitiven Anbindung der Gateelektrode an die De- tektionselektrode.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dem Feldeffekt- Sensor ein weiterer steuerbarer Halbleiterschalter zugeordnet. Der weitere steuerbare Halbleiterschalter ist mit einer seiner Leitungselektroden mit der Gate-Elektrode des Feldeffekt-Sensors elektrisch verbunden. Durch Ansteuerung des weiteren steuerbaren Halbleiterschalters kann ein elektrisches Potenzial an die Gate-Elektrode des Feldeffekt-Sensors angelegt werden. Auf diese Art und Weise lassen sich beispielsweise die Interaktionsparameter für die Detektion des Biomoleküls, insbesondere die Hybridisie- rungsparameter für die Detektion von DNA, festlegen; ferner kann über die Potenzial- Steuerung der Gate-Elektrode des Feldeffekt-Sensors eine Elektrofokussierung geladener Biomoleküle durchgeführt werden.
Auch bei dieser Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, dass der weitere steuerbare Halbleiterschalter ebenfalls Teil der integrierten elektronischen Schaltung ist. Wenn
mehrere Feldeffekt-Sensoren in der integrierten elektronischen Schaltung vorhanden sind, kann jedem der Feldeffekt-Sensoren ein weiterer steuerbarer Halbleiterschalter zugeordnet werden, um die Gate-Elektroden der Feldeffekt-Sensoren jeweils unabhängig voneinander durch wahlfreien Zugriff anzusteuern.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im Detektionsbe- reich des Feldeffekt-Sensors eine Elektrode angeordnet. Die Elektrode ist mit einem weiteren steuerbaren Halbleiterschalter der integrierten elektronischen Schaltung und zwar mit einer dessen Leitungselektroden elektrisch verbunden. Durch entsprechende Ansteuerung der Elektrode über den weiteren Halbleiterschalter kann eine elektrochemische Reaktion im Detektionsbereich des Feldeffekt-Sensors, d. h. im Bereich der Gate-Elektrode, die mit der Messlösung kontaktiert, angeregt werden.
Durch entsprechende Ansteuerung der Elektrode über den weiteren Halbleiterschalter kann beispielsweise eine in situ-Synthese eines Fängermoleküls für das nachzuweisende Biomolekül durchgeführt werden. Alternativ kann eine Schutzgruppe eines an der Detektionselektrode immobilisierten Linkers elektrochemisch entfernt werden. An dieser Stelle kann sich dann ein Fängermolekül an den Linker anlagern bzw. durch eine entsprechende Reaktion kovalent an den Linker gebunden werden.
Auch hierbei ist wiederum besonders vorteilhaft, dass jedem der Feldeffekt-Sensoren der integrierten elektronischen Schaltung ein solcher weiterer steuerbarer Halbleiterschalter zugeordnet werden kann, sodass die entsprechenden Elektroden der Feldeffekt-Sensoren durch wahlfreien Zugriff angesteuert werden können. Auf diese Art und Weise ist es möglich, unterschiedliche Fängermoleküle durch Anlegen entsprechender Signalsequenzen an die integrierte elektronische Schaltung an den der Messlösung ausgesetzten Bereichen der Gate-Elektroden der Feldeffekt-Sensoren in situ zu synthetisieren oder anzulagern.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Feldeffekt- Sensoren mit dem oder den jeweils zugeordneten steuerbaren Halbleiterschaltern mat- rixförmig in der integrierten elektronischen Schaltung angeordnet. Bei einer solchen matrixförmigen Anordnung kann das an sich für DRAMs bekannte Wordline-Bitline- Prinzip angewendet werden (vergleiche US-Patent Nr. 3,387,286):
Jeder Halbleiterschalter der Feldeffekt-Sensoren wird mit einer Wort-Leitung und mit einer Bit-Leitung verbunden. Durch Adressierung eines Wort-/Bit-Leitungspaares wird so ein wahlfreier Zugriff auf die Feldeffekt-Sensoren der Matrix zur Messung des Lei- tungszustands und/oder zur Anlegung eines elektrischen Potenzials und/oder zur Anregung einer elektrochemischen Reaktion ermöglicht.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Adressierung eines der Feldeffekt-Sensoren der Matrix durch Eingabe einer logischen Adresse, die dann zur Auswahl eines Wort-/Bit-Leitungspaares dekodiert wird.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat die integrierte e- lektronische Schaltung einen Steuereingang zur Auswahl eines Betriebsmodus, je nachdem ob sich eine eingegebene Adresse eines Feldeffekt-Sensors auf die Messung des Leitungszustands, die Potenzialeinstellung der Gate-Elektrode des Feldeffekt- Sensors oder die Anregung einer elektrochemischen Reaktion bezieht.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erfindungsgemäße integrierte elektronische Schaltung Teil eines Analysesystems. Das Analysesys- tem hat Programmmittel zur Ansteuerung der Feldeffekt-Sensoren, um ein bestimmtes Analyseprogramm durchzuführen. Vorzugsweise ist das gesamte Analysesystem auf einem einzigen Chip integriert (sog. „System on Chip"), d. h. auch die Programmmittel zur Ansteuerung der Feldeffekt-Sensoren können Teil derselben integrierten elektronischen Schaltung wie die Feldeffekt-Sensoren selbst sein. Dies ist besonders vorteilhaft, um z. B. tragbare Analysegeräte zu realisieren.
Vorteilhafte Einsatzgebiete der vorliegenden Erfindung sind insbesondere die moleku- largenomische Diagnostik von Krankheiten und genetischen Anlagen, die Stratifizierung von Patienten durch die Analyse von „Single nuclear Polymorphisms" sowie die genaue Steuerung von Therapien. Weitere wichtige Anwendungsgebiete sind die Erforschung von Krankheiten, die Entdeckung von Genommarkern und die Entwicklung neuer Medikamente auf der Basis von pharmokogenomischer Forschung.
Besonders vorteilhaft ist dabei, dass aufgrund der Verwendung von Feldeffekt- Sensoren eine Markierung mit einem signalgebenden Molekül nicht erforderlich ist. Ferner kann eine Empfindlichkeit erreicht werden, die in vielen Fällen eine Genamplifikation (PCR) der Nukleinsäuren unnötig macht. Dadurch wird eine robuste, artefaktfreie und automatisierbare Analyse ermöglicht.
Der technologische Ansatz der Erfindung ermöglicht ein Zurückgreifen auf an sich bekannte halbleitertechnologische Verfahren, die eine entsprechend hohe Integrationsdichte erlauben. Aufgrund dessen sind Chips mit einer Sensor-Dichte von z. B. über 10 000 Feldeffekt-Sensoren pro cm2 realisierbar. Ein solches elektronisches "Hochdichte- Array" lässt sich besonders vorteilhaft für die pharmakogenomische Forschung einsetzen. Beispielsweise lässt sich über ein solches Hochdichte-Array das gesamte Genom eines Organismus repräsentieren.
Von besonderem Vorteil ist dabei, dass beispielsweise 256 Messpunkte auf einer sehr kleinen Chipfläche von zum Beispiel 1 mm2 oder weniger realisiert werden können. Aufgrund der sehr kleinen Chipfläche sind die Diffusionswege in der Messlösung entsprechend kurz, so dass sich die Analysezeit ebenfalls verkürzt
Von weiterem besonderem Vorteil ist bei der Erfindung, dass auch die Kalibrierung der einzelnen Feldeffekt-Sensoren auf elektronischem Wege durch externe Ansteuerung der Feldeffekt-Sensoren im wahlfreien Zugriff erfolgen kann. Zur Durchführung der Kalibrierung können beispielsweise zunächst die relevanten Transistorparameter der Feldeffekt-Sensoren erfasst werden.
Zur Durchführung einer Messung werden die Sensorflächen mit Fängermolekülen bestückt. Die Anzahl dieser Fängermoleküle an einer Sensorfläche bestimmt dabei zugleich die auftretende maximale Ladung an der Sensorfläche, wenn sich geladene Biomoleküle an die Fängermoleküle anlagern. Um eine quantitative Aussage über die Konzentration der betreffenden geladenen Biomoleküle in der Messlösung treffen zu können, ist es daher erforderlich, die Anzahl der Fängermoleküle an der Sensorfläche zu bestimmen.
Dies kann so erfolgen, dass nach der Aufbringung der Fängermoleküle auf die Sensorflächen der Leitungszustand, wie zum Beispiel die Impendanz des Kanalgebiets, messtechnisch erfasst werden, um so eine quantitative Aussage über die Anzahl und die e- lektrische Aktivität der Fängermoleküle an den Sensorflächen zu erlangen. Aus einer gemessenen Änderungen der Impendanz des Leitungs-Kanals nach Aufbringen der Messlösung, ist daher eine quantitative Aussage über die Konzentration der nachzuweisenden geladenen Biomoleküle in der Messlösung möglich. Aufgrund der wahlfreien Zugriffsmöglichkeit auf die einzelnen Feldeffekt-Sensoren eines erfindungsgemäßen Biochips können daher aufwendige Kalibrierungsverfahren wie etwa in DE 100 25 580 A1 entfallen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Realisierung der Feldeffekt-Sensoren eine sogenannte Double-Gate MOSFET -Struktur verwendet. Der Vorteil von Double-Gate MOSFETs ist, dass prinzipbedingt Kurz-Kanal-Effekte vermieden werden. Ferner können auch die Exemplarstreuungen der Feldeffekt- Transistoren verringert werden, da das Kanalgebiet nur leicht oder auch undotiert sein kann. Dadurch wird der Einfluss der statistischen Schwankung der Dotierung auf die Exemplarstreuung reduziert bzw. eliminiert. Aufgrund dessen sind mit einer solchen Transistorstruktur besonders genaue quantitative Messungen möglich. Ein Double-Gate MOSFET ist beispielsweise an sich aus der DE 19846 063 A1 bekannt.
Von weiterem besonderem Vorteil ist die bei Verwendung eines Double-Gate MOSFETs erreichbare Empfindlichkeit, da zum Schalten eines solchen MOSFETs nur wenige Elektronen erforderlich sind. Wegen der Kleinheit des Kanal-Gebiets im Nanometer- bereich ist bei Verwendung von Double-Gate MOSFETs Strukturen die Verwendung einer T- oder trichterförmig ausgebildeten Gateelektrode besonders vorteilhaft, um die Anlagerung der geladenen Biomoleküle zu erleichtern.
Im Weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine integrierte elektronische Schaltung mit einem Feldeffekt-Sensor und einem steuerbaren Halbleiterschalter,
Figur 2 eine integrierte elektronische Schaltung mit einer Matrix aus Feldeffekt- Sensoren und jeweils zugeordneten steuerbaren Halbleiterschaltern, die über Wort- und Bit-Leitungen ansteuerbar sind,
Figur 3 eine integrierte elektronische Schaltung mit einem Feldeffekt-Sensor, der eine T-förmige Gate-Elektrode aufweist, deren elektrisches Potenzial einstellbar ist,
Figur 4 eine integrierte elektronische Schaltung mit einer Matrix aus Feldeffekt- Sensoren mit einer Gate-Elektrode, deren elektrischen Potenzial einstellbar ist,
Figur 5 eine integrierte elektronische Schaltung mit einer zusätzlichen Elektrode zur Anregung einer elektrochemischen Reaktion,
Figur 6 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 7 eine Variante des Verfahrens der Figur 6.
Die Figur 1 zeigt eine integrierte elektronische Schaltung 100, die auf einem Substrat 102 realisiert ist. Bei dem Substrat 102 kann es sich beispielsweise um einen Silizium- Wafer handeln. Es können jedoch auch andere Substrate zum Einsatz kommen.
Die integrierte elektronische Schaltung 100 beinhaltet einen Feldeffekt-Sensor 104 mit einem Source-Gebiet 106 und einem Drain-Gebiet 108. Zwischen dem Source-Gebiet 106 und dem Drain-Gebiet 108 befindet sich ein Kanal-Gebiet 110, in dem sich ein Leitungs-Kanal ausbilden kann. Oberhalb des Kanal-Gebiets 110 befindet sich ein Dielektrikum 112, welches die Gate-Elektrode 114 des Feldeffekt-Sensors 104 gegenüber dem Substrat 102 elektrisch isoliert.
Neben dem Feldeffekt-Sensor 104 befindet sich ein steuerbarer Halbleiterschalter, der als Transistor 116 ausgebildet ist. Der Transistor 116 hat ein Source-Gebiet 118 und ein Drain-Gebiet 120. Dazwischen befindet sich ein Kanal-Gebiet 122 zur Ausbildung eines
Leitungs-Kanals, wenn der Transistor 116 über die auf dem Dielektrikum 124 befindliche Gate-Elektrode entsprechend angesteuert wird.
Das Drain-Gebiet 108 des Feldeffekt-Sensors 104 und das Source-Gebiet 118 des Transistors 116 sind über eine Leitung 128 der integrierten elektronischen Schaltung 100 miteinander elektrisch verbunden. Die Gate-Elektrode 126 des Transistors 116 ist mit einer Steuerungsleitung 130 elektrisch verbunden. Ferner ist das Drain-Gebiet 120 des Transistors 116 mit einer Messleitung 132 elektrisch verbunden. Vorzugsweise ist das Source-Gebiet 106 des Feldeffekt-Sensors 104 z.B. mit einem festen elektrischen Potenzial verbunden.
Auf dem Feldeffekt-Sensor 104 und dem Transistor 116 befindet sich eine isolierende Schutzschicht, die eine Öffnung für die Oberfläche 134 der Gate-Elektrode 114 aufweist. Auf diese Art und Weise kann eine Messlösung mit der Oberfläche 134 der Gate- Elektrode 114 des Feldeffekt-Sensors 104 in Kontakt gebracht werden.
Zum Nachweis eines Biomoleküls wird also eine Messlösung mit der Oberfläche 134 in Kontakt gebracht. Wenn es daraufhin an der Oberfläche 134 zu Bindungsereignissen, beispielsweise im Fall von DNA zu Hybridisierungsereignissen kommt, führt die ent- sprechende Ladungsträgerdichte auf der Gate-Elektrode 114 dazu, dass sich ein Leitungskanal in dem Kanal-Gebiet 110 ausbildet. Über die Steuerungsleitung 130 kann der Transistor 116 eingeschaltet werden, um den Leitungszustand des Feldeffekt- Sensors 104 über die Leitungen 128 und 132 zu erfassen. Beispielsweise kann die Impedanz, z. B der Ohmsche Widerstand, des Leitungskanals in dem Kanal-Gebiet 110 gemessen werden, um darauf basierend eine quantitative Aussage über die Anzahl der Hybridisierungsereignisse und damit über die vorliegende Konzentration des Biomoleküls zu gewinnen. Alternativ wird lediglich eine Feststellung getroffen, ob der Kanal des Feldeffekt Sensors leitend oder nicht-leitend ist. Zur Abtastung des zeitlichen Verlaufs der Hybridisierungsereignisse an der Oberfläche 134 kann der Transistor 116 über die Steuerungsleitung 130 wiederholt ein- und ausgeschaltet werden.
Grundsätzlich kann zur Herstellung der integrierten elektronischen Schaltung 100 auf an sich bekannte Technologien zur Herstellung integrierter elektronischer Schaltungen zurückgegriffen werden. Besonders geeignet sind hierfür CMOS-Fertigungsprozesse,
insbesondere bipolar CMOS (BICMOS)-Fertigungstechnologien. Diese Fertigungstechnologien haben den weiteren Vorteil, dass sie besonders kostengünstig sind.
Zur Erreichung eines hohen Integrationsgrades ist es vorteilhaft, den Feldeffekt-Sensor 104 und/oder den Transistor 116 als vertikale Nano-MOSFETs auszubilden. Im Gegensatz zu der Darstellung in der Figur 1 verläuft bei einem vertikalen MOSFET das Kanal- Gebiet senkrecht entlang einer in die Tiefe geätzten Stufe. Auch die Source-Drain- Kontakte sind tiefenversetzt. Bei der Verwendung eines Nano-MOSFETs ist dessen Empfindlichkeit im Bereich einiger Elektronen zur Steuerung des Gates von besonde- rem Vorteil.
Die Figur 2 zeigt eine integrierte elektronische Schaltung 200. Die integrierte elektronische Schaltung 200 beinhaltet die integrierte elektronische Schaltung 100 der Figur 1 sowie weitere prinzipiell gleich aufgebaute integrierte elektronische Schaltungen 202 bis 216. Die integrierten elektronischen Schaltungen 100 und 202 bis 216 sind matrixförmig in Zeilen und Spalten angeordnet. In einem praktischen Anwendungsfall kann eine große Anzahl weiterer solcher integrierter elektronischer Schaltungen in der Matrix vorhanden sein, wie z.B. insgesamt 16, 256 oder auch über 10 000 integrierte elektronische Schaltungen bei einem Flächenbedarf für jeden Feldeffekt-Sensor einschliesslich des- sen kompletter Beschaltung im Bereich von ca. 100 bis 500 μm2 oder weniger.
Die Steuerungsleitung 130 ist mit den Gate-Elektroden der entsprechenden Transistoren der integrierten elektronischen Schaltungen 206, 212 derselben Spalte wie die integrierte Schaltung 100 elektrisch verbunden. Über die Steuerungsleitung 130 können daher sämtliche integrierte elektronische Schaltungen 100, 206, 212 in der betreffenden Spalte der Matrix angesteuert werden. Die Steuerungsleitung 130 kann daher auch als "Wort-Leitung" bezeichnet werden. Für die weiteren Spalten der Matrix ist jeweils eine weitere Wort-Leitung vorhanden, d.h. die Wort-Leitungen 218 und 220.
Entsprechend verhält es sich für die Messleitung 132: Die Messleitung 132 ist mit den Drain-Gebieten der Transistoren der weiteren integrierten elektronischen Schaltungen 202, 204, die sich in derselben Zeile der Matrix wie die integrierte elektronische Schaltung 100 befinden, elektrisch verbunden. Über die Messleitung 132 kann also der Leitungszustand sämtlicher Feldeffekt-Sensoren der integrierten elektronischen Schaltun-
gen 100, 202, 204 derselben Zeile der Matrix gemessen werden. Deshalb wird im weiteren die Messleitung 132 auch als "Bit-Leitung" bezeichnet.
Für jede der weiteren Zeilen der Matrix ist eine weitere Bit-Leitung vorgesehen, d.h. Bit- Leitungen 222 und 224.
Die Wort-Leitungen 130, 218, 220 sind mit entsprechenden Treibern 226 verbunden; auch die Bit-Leitungen 132, 222, 224 sind mit Treibern 228 verbunden sowie mit Messverstärkern für die Impedanzmessung bzw. für die Bestimmung eines leitenden oder nicht-leitenden Zustands.
Die integrierte elektronische Schaltung 200 hat ferner einen Adresspuffer 230. Über den Adresspuffer kann eine logische Adresse zur Adressierung einer der integrierten elektronischen Schaltungen 100, 202 bis 216 eingegeben werden. Eine solche Adresse wird von der Steuerung 232 dekodiert. Die Steuerung 232 wählt dann die der dekodierten Adresse entsprechenden Treiber aus, um die adressierte integrierte elektronische Schaltung über das entsprechende Wort-Leitungs-/Bit-Leitungs-Paar anzusteuern, um den Leitungszustand des entsprechenden Feldeffekt-Sensors zu messen. Das Messergebnis wird dann über den Datenpuffer 234 ausgegeben.
Die integrierte elektronische Schaltung 200 kann ferner einen Programmspeicher 236 aufweisen. In dem Programmspeicher 236 befindet sich ein Analyseprogramm, welches eine Messsequenz für die Abfrage des Leitungszustandes der verschiedenen Feldeffekt-Sensoren der integrierten elektronischen Schaltungen 100, 202 bis 216 aufweist. In diesem Fall erfolgt also die Adressierung nicht durch Eingabe über den Adresspuffer, sondern durch die von dem in dem Programmspeicher 236 befindlichen Programm vorgegebenen Adressierungssequenz.
Die Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer integrierten elektronischen Schal- tung 300. Elemente der Figur 3, die Elementen der Figur 1 entsprechen, sind mit ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei jeweils 200 hinzuaddiert wurde.
Im Unterschied zu der Gate-Elektrode 114 der Figur 1 ist die Gate-Elektrode 314 der Figur 3 T-förmig oder trichterförmig ausgebildet. Die Gate-Elektrode 314 hat einen E-
lektrodenbereich 336, der auf dem Dielektrikum 312 aufliegt. Ferner hat die Gate- Elektrode 314 einen Elektrodenbereich 338 zur Ausbildung einer Detektionsf lache. Auf dem Elektrodenbereich 338 befindet sich eine Detektionselektrode 340, die durch eine Wolframsilizit- oder Titansilizit-Schicht von dem Elektrodenbereich 338 getrennt sein kann. Diese Ausbildung der Detektionselektrode 340 an sich ist in der DE 10163557.5 offenbart.
Die Gate-Elektrode 314 ist mit einer Leitung 342 mit einem Drain-Gebiet 344 eines weiteren Transistors 346 elektrisch verbunden. Auch der weitere Transistor 346 ist als Feldeffekt-Transistor ausgebildet und hat ein Source-Gebiet 348 sowie eine Gate- Elektrode 350 auf einem Dielektrikum 352. Die Gate-Elektrode 350 ist mit einer Steuerungsleitung 354 verbunden und das Source-Gebiet 348 mit einer Potenzialleitung 356.
Durch Einschalten des Transistors 346 über die Steuerungsleitung 354 kann über die Potenzialleitung 356 und die Leitung 342 ein bestimmtes elektrisches Potenzial an die Gate-Elektrode 314 des Feldeffekt-Sensors 304 angelegt werden. Hierüber lassen sich Interaktionsparameter, insbesondere Hybridisierungsparameter, mit Bezug auf die Messlösung festlegen. Ferner kann durch Anlegen eines geeigneten Potenzials an die Gate-Elektrode 314 auch eine Elektrofokussierung durchgeführt werden. Entsprechen- de Verfahren zur Einstellung von Hybridisierungsparametern und zur Elektrofokussierung sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt, vergleiche insbesondere US- Patent Nr. 5,849,846 und US-Patent Nr. 6,017,696.
Die Steuerung des Potentials der Gate-Elektrode 314 über den Transistor 346 kann z.B. wie folgt verwendet werden: Zunächst werden die Sensorflächen mit Fängern bestückt, wobei die Fänger kovalente Bindungen mit einem Linker auf den Sensorflächen eingehen. Wenn die Fänger z.B. eine negative Ladung aufweisen, so wird an die Gate- Elektrode 314 ein ebenfalls negatives Potential angelegt. Dadurch werden die kovalent gebundenen Fänger abgestoßen und stehen im wesentlichen senkrecht von den Sen- sorflächen ab. In dieser Position können sich in der Messlösung nachzuweisende Biomoleküle besonders gut an die Fänger anlagern. Nach einem für die Hybridisierung ausreichendem Zeitraum wird ein positives Potential an die Gate-Elektrode 314 angelegt, so dass die hybridisierten Moleküle an die Sensorflächen gezogen werden und sich dort dicht an die Sensoroberflächen anlagern. Aufgrund dessen hat die angelagerte
Ladung einen besonders starken Einfluss auf das Kanal-Gebiet 310, so dass sich die Empfindlichkeit erhöht.
Die Figur 4 zeigt eine der Figur 2 entsprechende integrierte elektronische Schaltung 300 mit einer Matrix der integrierten elektronischen Schaltungen der Figur 3. Einander entsprechende Elemente wurden wiederum mit ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Im Unterschied zu der Ausführungsform der Figur 2 sind in der Ausführungsform der Figur 4 für jeden integrierten elektronischen Schaltkreis 300, 402 bis 416 zwei Wort- Leitungs-/Bit-Leitungs-Paare vorhanden. Mit dem einem Wort-Leitungs-/Bit-Leitungs- Paar wird ein Feldeffekt-Sensor ausgewählt, um dessen Leitungszustand zu bestimmen.
Mit dem anderen Wort-Leitungs-/Bit-Leitungs-Paar wird dagegen ein Feldeffekt-Sensor ausgewählt, um dessen elektrisches Potenzial einzustellen, beispielsweise für die Zwecke der Einstellung der Hybridisierungsparameter oder zur Durchführung einer Elektrofokussierung. Beispielsweise erfolgt die Messung des Leitungszustandes des Feldeffekt-Sensors der integrierten elektronischen Schaltung 408 über die Wort-Leitung 418 und die Bit-Leitung 422. Dagegen erfolgt die Einstellung des elektrischen Potenzials der Gate-Elektrode des Feldeffekt-Sensors der integrierten elektronischen Schaltung 408 über die Wort-Leitung 438 und die Bit-Leitung 442. Entsprechendes gilt für die weiteren integrierten elektronischen Schaltungen der Matrix.
Vorzugsweise hat die Steuerung 432 einen externen Eingang zur Festlegung eines Betriebszustand mit Bezug auf eine über den Adresspuffer 430 eingegebene Adresse. Über die Spezifizierung des Betriebszustands kann festgelegt werden, ob eine Adresse zur Messung des Leitungszustandes oder zur Einstellung eines bestimmten elektrischen Potenzials an einer über die Adresse ausgewählten Gate-Elektrode eines Feldef- fekt-Sensors eingegeben wurde. Alternativ kann eine Messsequenz bzw. eine Sequenz zur Einstellung von Hybridisierungsparametern oder zur Elektrofokussierung durch ein oder mehrere in dem Programmspeicher 436 befindliche Programme festgelegt werden.
Die Figur 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer integrierten elektronischen Schaltung 500. Elemente der Figur 5, die Elementen der Figur 3 entsprechen, sind mit ähnlichen Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei jeweils 200 hinzuaddiert wurde.
Im Bereich der Detektionselektrode 540 befindet sich an der Gate-Elektrode 514 eine weitere Elektrode 558. Diese kann die Detektionselektrode 540 beispielsweise ring- o- der rechteckförmig umgeben, je nach der Form der DetektiAonselektrode 540.
Anstelle einer einzelnen weiteren Elektrode 558 können auch zwei Elektroden vorgese- hen sein, die dann als Anode und Kathode zur Anregung einer elektrochemischen Reaktion dienen können. Wenn nur eine weitere Elektrode 558 vorhanden ist, fungiert die Messlösung als Gegenelektrode.
Die Elektrode 558 ist mit einer Leitung 560 mit dem Drain-Gebiet 544 des Transistors 546 verbunden. Wenn der Transistor 546 über die Steuerungsleitung 554 eingeschaltet wird, kann über die Potenzial-Leitung 556 und die Leitung 560 eine elektrische Spannung an die Elektrode 558 angelegt werden. Auf diese Art und Weise kann eine elektrochemische Reaktion in der Messlösung angeregt werden.
Hierbei kann es sich beispielsweise um Redox- oder Charge-Transferreaktionen handeln. Solche Reaktionen können verwendet werden, um z. B. in-situ Fängermoleküle auf der Detektionselektrode 540 zu synthetisieren. Insbesondere können Schutzgruppen von Molekülen schrittweise abgespalten werden, um ein DNA-Fängermolekül zu synthetisieren. Alternativ kann elektrochemisch die Schutzgruppe eines Linkers ab- gespalten werden, um ein Fängermolekül anzulagern.
Beispielsweise kann sich an der Detektionselektrode 540 ein Linker befinden, insbesondere ein Monomer mit einer Schutzgruppe. Durch Anlegung einer Spannung an die Elektrode 558 wird durch eine elektrochemische Reaktion die Entfernung einer Schutz- gruppe ausgelöst. . Dadurch kann ein in der Messlösung befindliches Monomer eine Verbindung mit dem Monomer an der Detektionselektrode 540, dessen Schutzgruppe elektrochemisch entfernt worden ist, eingehen, sodass es zu einer Verkettung der Mo- nomere kommt. Das verkettete Monomer hat seinerseits an einem Ende ebenfalls eine Schutzgruppe, die wiederum durch Anlegung eines entsprechenden Potenzials an der
Elektrode 558 elektrochemisch entfernt werden kann, sodass es zu einer weiteren Verkettung kommt, usw. Auf diese Art und Weise lässt sich also ein gewünschtes Fängermolekül durch schrittweise Verkettung von Monomeren in-situ an der Detektionselektrode 540 synthetisieren. Zum schrittweisen Aufbau des Fängermoleküls werden die mit- einander verketteten Monomere an der Detektionselektrode vorzugsweise kovalent o- der auch elektrostatisch immobilisiert.
Integrierte elektronische Schaltungen des Typs der integrierten Schaltung 500 der Figur 5 können entsprechend der Ausführungsformen der Figur 2 und 4 matrixförmig ange- ordnet werden, um einen wahlfreien Zugriff auf einzelne der Feldeffekt-Sensoren zur Messung des Leitungszustands oder zur Anregung einer elektrochemischen Reaktion durchzuführen. Die Anlegung einer Signalsequenz an die Elektrode 558 kann dabei programmgesteuert erfolgen, um automatisch die erforderlichen Fängermoleküle an den Detektionselektroden zu synthetisieren.
Ferner ist es auch möglich die Ausführungsformen der Figur 3 und Figur 5 miteinander zu kombinieren, wenn für jeden Feldeffekt-Sensor drei Wort-/Binde-Leitungspaare vorhanden sind. In diesem Fall gibt es für jede integrierte elektronische Schaltung der Matrix drei Betriebszustände:
(i) Messung des Leitungszustands des Feldeffekt-Sensors,
(ii) Anlegung eines Potenzial an die Gate-Elektrode des Feldeffekt-Sensors zur Einstellung von Hybridisierungsparametern oder zur Elektrofokussierung oder
(iii) Anregung einer elektrochemischen Reaktion, insbesondere zur in situ-Synthese von Fängermolekülen.
Anstatt für jeden der Transistoren ein eigenes Wort/Bitleitungspaar vorzusehen, ist es auch möglich eine einzelne Matrix von Wort/Bitleitungen zu multiplexen, wobei über die Eingabe des Betriebszustand der jeweilige Transistor des adressierten Feldeffekt- Sensors ausgewählt wird.
Die Figur 6 zeigt ein entsprechendes Flussdiagramm zum Nachweis von Biomolekülen mittels eines erfindungsgemäßen Sensors. In dem Schritt 600 werden die Feldeffekt- Sensoren der Sensor-Matrix mit Fängermolekülen bestückt. Dies kann beispielsweise durch Mikropipettierung erfolgen. Alternativ kann auch eine photo-chemische in situ- Synthese auf den einzelnen Feldeffekt-Sensoren erfolgen. Eine solche photochemische in situ-Synthetisierung ist an sich bekannt aus US-Patent Nr. 5,143,854, 5,384,261 , 5,424,186, 5,445,934 und 6,922,963.
Danach wird in dem Schritt 602 eine Messlösung auf die Sensor-Matrix aufgebracht. Daraufhin werden in dem Schritt 604 für die einzelnen Sensoren der Sensor-Matrix die Interaktionsparameter mit der Mess-Lösung eingestellt. Dies kann durch wahlfreien Zugriff auf die Sensoren erfolgen.
In dem Schritt 606 wird ein Leitungszustand der einzelnen Sensoren der Sensor-Matrix abgefragt. Hierzu wird beispielsweise eine Impedanz-Messung des jeweiligen Kanal- Gebiets durchgeführt. Auch diese Messung kann durch wahlfreien Zugriff auf die einzelnen Sensoren erfolgen. Der Schritt 606 kann mehrfach durchgeführt werden, um einen zeitlichen Verlauf der Impedanz der Kanal-Gebiete abzutasten. Aus einem solchen zeitlichen Verlauf lassen sich analytische Rückschlüsse ziehen.
Die Figur 7 zeigt eine alternative Ausführungsform des Verfahrens der Figur 6. Im Unterschied zu dem Verfahren der Figur 6 erfolgt in dem Schritt 700 eine elektrochemische in situ-Synthese von Fängermolekülen. Dies erfolgt über eine entsprechende Ansteuerung der Elektroden (vergleiche Elektrode 558 der Figur 5) der Feldeffekt- Sensoren. Von Vorteil ist bei dieser Ausführungsform, dass die Sensorflächen sehr viel kleiner gewählt werden können als bei einer Aufbringung der Fängermolekühle durch Mikrodosierung oder Mikropipettierung. Insbesondere wird es hierdurch möglich, eine Sensor-Matrix mit z.B. über 10 000 Feldeffekt-Sensoren und einer entsprechenden Anzahl unterschiedlicher Fängermoleküle zu realisieren.
Die weiteren Schritte 702 bis 706 laufen im Prinzip gleich ab wie die entsprechenden Schritte 602 bis 606 der Figur 6.
B e z u g s z e i c h e n l i s t e
integrierte elektronische Schaltung 100
Substrat 102
Feldeffekt-Sensor 104
Source-Gebiet 106
Drain-Gebiet 108
Kanal-Gebiet 110
Dielektrikum 112
Gate-Elektrode 114
Transistor 116
Source-Gebiet 118
Drain-Gebiet 120
Kanal-Gebiet 122
Dielektrikum 124
Gate-Elektrode 126
Leitung 128
Steuerungsleitung, Wortleitung 130
Messleitung, Bit-Leitung 132
Oberfläche 134 integrierte elektronische Schaltung 200 integrierte elektronische Schaltung 202 integrierte elektronische Schaltung 204 integrierte elektronische Schaltung 206 integrierte elektronische Schaltung 208 integrierte elektronische Schaltung 210 integrierte elektronische Schaltung 212 integrierte elektronische Schaltung 214 integrierte elektronische Schaltung 216
Wortleitung 218
Wortleitung 220
Bit-Leitung 222
- 2ι
Bit-Leitung 224
Treiber 226
Treiber und Messverstärker 228
Adresspuffer 230
Steuerung 232
Datenpuffer 234
Programmspeicher 236 integrierte elektronische Schaltung 300
Substrat 302
Feldeffekt-Sensor 304
Source-Gebiet 306
Drain-Gebiet 308
Kanal-Gebiet 310
Dielektrikum 312
Gate-Elektrode 314
Transistor 316
Source-Gebiet 318
Drain-Gebiet 320
Kanal-Gebiet 322
Dielektrikum 324
Gate-Elektrode 326
Leitung 328
Wortleitung 330
Bit-Leitung 332
Elektrodenbereich 336
Elektrodenbereich 338
Detektorenelektrode 340
Leitung 342
Drain-Gebiet 344
Transistor 346
Source-Gebiet 348
Gate-Elektrode 350
Dielektrikum 352
Steuerungsleitung 354
- 2
Potenzialleitung 356 integrierte elektronische Schaltung 400 integrierte elektronische Schaltung 402 integrierte elektronische Schaltung 404 integrierte elektronische Schaltung 406 integrierte elektronische Schaltung 408 integrierte elektronische Schaltung 410 integrierte elektronische Schaltung 412 integrierte elektronische Schaltung 414 integrierte elektronische Schaltung 416
Wort-Leitung 418
Wort-Leitung 420
Bit-Leitung 422
Bit-Leitung 424
Treiber 426
Treiber und Messverstärker 428
Adresspuffer 430
Steuerung 432
Datenpuffer 434
Programmspeicher 436
Wortleitung 438
Wortleitung 440
Bit-Leitung 442
Bit-Leitung 444 integrierte elektronische Schaltung 500
Substrat 502
Feldeffekt-Sensor 504
Source-Gebiet 506
Drain-Gebiet 508
Dielektrikum 512
Gate-Elektrode 514
Transistor 516
Source-Gebiet 518
Drain-Gebiet 520
Dielektrikum 524
Gate-Elektrode 526
Leitung 528
Steuerungsleitung 530 Messleitung 532
Elektrodenbereich 536
Source-Gebiet 548
Gate-Elektrode 550
Dielektrikum 552 Steuerungsleitung 554
Potenzialleitung 556
Elektrode 558
Leitung 560