WO2009144304A1 - Biosensor, use thereof and method for recording the cell reaction of viable cells - Google Patents
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Definitions
- the present invention is based on the use of ion-selective semiconductor sensors of the class of heterostructure semiconductors of the group III nitrides as a biosensor substrate.
- the electrical signature of preferably adherent cells can be measured.
- electronic signature means the inherent electrical potential of cells in general, which is realized by ion fluxes, cellular membranes and different intracellular and extracellular ionic concentrations.
- the electrical activity of e.g. Nerves or muscle cells are membrane-directed processes, i. the generation of potentials such as rest and action potential is caused by ion fluxes of different types of ions from the cell interior through the cell membrane into the extracellular space.
- the volume is now in the direction of the surface to which the cells adhere, determined by the mean distance from the cell membrane to the sensor surface plus the biocompatibility-producing coatings and functional layers, such as e.g. the layers of fibronectin or agarose serving as attachment or nutrient medium.
- sensors based on the class of Group III heterostructure semiconductors nitrides e.g.
- the AlGaN / GaN field effect transistors can realize biosensors that overcome these disadvantages.
- gelatin or fibronectin are buffer-like, gel-like systems which falsify potential ion fluxes from the cells or reduce charge changes in the gap between ISFET sensor and cell membrane.
- the volume of the surface coating has a decreasing concentration, ie distributions of small amounts of ions out of the cell through the cell membrane are further diluted by the liquid-impregnated volume of coating or volumes filled with liquid at a distance between cell membrane and coating.
- two-dimensional electron gases (2DEGs) can be achieved with surface charge densities of up to 2x10 13 cm "2
- ISFET ion-sensitive field-effect transistor
- Source Drain and an open gate.
- biosensor comprising biocompatible layer systems having a Group III nitride heterostructure of GaN / AlGaN, which is implemented as an ISFET with metallized contacts. Furthermore, the biosensor comprises a functional layer applied directly to the sensor surface, the construction and attachment of which is not described in detail.
- the object of the present invention is first of all to provide a biosensor with which it is possible to maximize the sensitivity of the measurement of the influence of adherent cells by different environmental influences such as the addition of poisons / toxins, electric fields, etc.
- the solution to this problem with a biosensor according to claim 1 or its use according to claim 7 and the method for recording a cell reaction according to claim 9 succeeds.
- nitrides e.g. AlGaN / GaN
- biosensors can be realized with which the influence of adherent cells by different environmental influences such as the addition of toxins / toxins, electric fields, etc. can be measured very sensitive.
- the electrical properties and the relatively large piezoelectric constants of group III nitrides are particularly interesting.
- the functionalization of the sensor surface is carried out with functional and vital cells. Surprisingly, a good compatibility between cells and semiconductor material was found, which was used according to the invention for the construction of a hybrid sensor having both biological and technical components.
- this biosensor according to the invention naturally only has a limited service life - due to the lifetime of the cells connected to it - it can be used within a period of several days to one to two weeks for novel detections.
- the biosensor according to the invention is suitable for the detection of substances or substances, forces and fields. It consists of a biocompatible layer system with a heterostructure of the group III nitrides, preferably of GaN / AlGaN, which is designed as an ISFET, preferably with metallized contacts is. It is furthermore essential for the biosensor according to the invention that a layer of adhering, preferably eukaryotic, cells is applied directly to the sensor surface, these cells being viable.
- the biosensor according to the invention is particularly suitable for measuring the concentration changes of ions in the layer of adhering cells applied directly to the sensor surface between cell membrane and sensor layer, wherein the electrical signature, ie the cell reaction of these cells, is recorded without an electrode connected to the cells.
- a significant advantage of the biosensor according to the invention is that it can be used to carry out a pH measurement which is not influenced by simultaneously existing redox properties of the fluid under investigation. This allows in particular the pH determination of blood.
- a biosensor with AlGaN / GaN structure is shown schematically.
- the biosensor comprises two electrical contacts 1, which serve to derive the sensor signal. Part of the sensor are still adherent, living cells 2.
- the cells 2 adhere via cell adhesion proteins 3 to a cell contact surface 4, which is provided by the AlGaN / GaN structure.
- the resulting distance between the cell membrane of the cells 2 and the cell-contacting surface 4 is a few tens to a few hundred nanometers. Any manipulation of the surface potential at the cell contact surface 4 results in a significant change in the drain current, which can be tapped as a sensor signal at the contacts 1. Therefore, an AlGaN / GaN transistor structure is suitable for the detection of ions or adsorbed polar molecules in liquid droplets deposited on the structure surface.
- the gate potential is determined by the liquid to be detected.
- the evaluation of the drain current enables the highly sensitive detection of polar liquids with a high dynamic range.
- the ISFET shows an intrinsic pH sensitivity at the Nernst limit. A linear correlation between pH and surface potential in the range of pH 2 to 12 could be demonstrated. Due to the high chemical stability of the group III nitrides for both alkalis and acids, the determination of pH values can therefore be carried out with high accuracy with the biosensor according to the invention. In addition, the high biological compatibility of the material system could be demonstrated.
Abstract
The invention relates to a biosensor for the detection of substances or materials, forces and fields. The biosensor comprises a biocompatible layer system having a heterostructure of group-III-nitrides, which is configured as an ion-sensitive field effect transistor (ISFET). Furthermore, the biosensor comprises a layer of adhering viable cells (2), which is directly applied onto a cell contact surface (4) of the biocompatible layer system. The invention also relates to the use of such a biosensor for measuring a change in the ion concentration in the layer of adhering cells (2) applied onto the cell contact surface (4). Finally, the invention relates to a method for recording the cell reaction of viable cells which occur when the cells are brought into contact with substances or exposed to forces or fields.
Description
Biosensor und seine Verwendung sowie Verfahren zur Aufzeichnung der Zellreaktion lebensfähiger Zellen Biosensor and its use, as well as methods for recording the cell response of viable cells
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Nutzung von ionenselektiven Halbleitersensoren der Klasse der Heterostruktur- halbleiter der Gruppe III Nitride als Biosensorsubstrat.The present invention is based on the use of ion-selective semiconductor sensors of the class of heterostructure semiconductors of the group III nitrides as a biosensor substrate.
In der DE 100 62 044 Al ist die Funktionsweise eines ionense- lektiven Sensors auf der Basis der HeterostrukturhalbleiterDE 100 62 044 A1 describes the mode of operation of an ion-selective sensor on the basis of the heterostructure semiconductors
(Schichtfolge der Gruppe III Nitride) erstmals beschrieben worden. Eine Ausführungsform derartiger Sensoren wird dort auch als AlGaN/GaN - HEMT System vorgestellt.(Layer sequence of group III nitrides) have been described for the first time. An embodiment of such sensors is also presented there as AlGaN / GaN - HEMT system.
Der Einsatz von Feldeffekttransistoren auf Silizium-Basis zur Messung des pH-Werts bzw. von Ionen ist allgemein bekannt und in der Literatur beschrieben. Verschiedene Ausführungsformen von kompensatorischen Bauformen wie Brückenschaltungen, Differenzschaltungen etc. sind in der Literatur beschrieben und können in Siliziumtechnik realisiert werden.The use of silicon-based field effect transistors for measuring the pH or of ions is generally known and described in the literature. Various embodiments of compensatory designs such as bridge circuits, differential circuits, etc. are described in the literature and can be realized in silicon technology.
Allgemein ist die Nutzung von Silizium-basierten Bauelementen zur Messung von Aktionspotentialen von Muskel- und Nervenzellen in der Literatur beschrieben (siehe Fromherz; P Neuro- electronic Interfacing: semiconductor Chips with Ion Channels, Nerve Cells and Brain in "Nanoelectronics and Information Technology" ed. R. Waser, Wiley-VCH (Berlin, 2003), 781- 810) . Dabei müssen die Siliziumoberflächen mit biokompatiblen Beschichtungen versehen werden, um auf der einen Seite eine mögliche toxische Beeinflussung der Zellen durch den direkten Kontakt mit der Siliziumoberfläche zu verhindern und andererseits ein Anheften von adhärenten Zellen überhaupt zu erreichen .
Ein großer Nachteil dieser bekannten Systeme ist die mangelnde Biokompatibilität des Sensormaterials, wodurch Beschichtungen zwingend erforderlich sind, die neben der komplizierten Handhabung zu Sensitivitätseinbußen führen.In general, the use of silicon-based devices to measure action potentials of muscle and nerve cells has been described in the literature (see Fromherz; P Neuroelectronic Interfacing: semiconductor chips with ion channels, Nerve Cells and Brain in "Nanoelectronics and Information Technology" ed R. Waser, Wiley-VCH (Berlin, 2003), 781-810). In this case, the silicon surfaces must be provided with biocompatible coatings in order on the one hand to prevent possible toxic effects on the cells by the direct contact with the silicon surface and on the other hand to achieve adherence of adherent cells at all. A major disadvantage of these known systems is the lack of biocompatibility of the sensor material, which coatings are mandatory, which lead to loss of sensitivity in addition to the complicated handling.
Mit den oben beschriebenen Sensoren kann z.B. die elektrische Signatur von vorzugsweise adhärenten Zellen vermessen werden. Im Sinne der vorliegenden Erfindung versteht man unter elekt- rischer Signatur das inhärente elektrische Potential von Zellen im Allgemeinen, das durch Ionenflüsse, zelluläre Membranen und unterschiedliche intra- und extrazelluläre Ionenkonzentrationen realisiert wird. Die elektrische Aktivität von z.B. Nerven oder Muskelzellen sind membrangesteuerte Prozesse, d.h. die Entstehung von Potentialen wie Ruhe- und Aktionspotential wird durch Ionenflüsse verschiedener Ionenarten aus dem Zellinnern durch die Zellmembran in den extrazellulären Raum verursacht.With the sensors described above, e.g. the electrical signature of preferably adherent cells can be measured. For the purposes of the present invention, electronic signature means the inherent electrical potential of cells in general, which is realized by ion fluxes, cellular membranes and different intracellular and extracellular ionic concentrations. The electrical activity of e.g. Nerves or muscle cells are membrane-directed processes, i. the generation of potentials such as rest and action potential is caused by ion fluxes of different types of ions from the cell interior through the cell membrane into the extracellular space.
Bei adhärenten, also an einer Oberfläche anhaftenden Zellen, ist nun das Volumen in Richtung der Oberfläche, an der die Zellen anhaften, bestimmt durch den mittleren Abstand von Zellmembran zur Sensoroberfläche zuzüglich der die Biokompatibilität herstellenden Beschichtungen und Funktionsschichten wie z.B. die als Anheft- bzw. Nährmedium dienenden Schichten aus Fibronectin oder Agarose.In the case of adherent cells, ie adhering to a surface, the volume is now in the direction of the surface to which the cells adhere, determined by the mean distance from the cell membrane to the sensor surface plus the biocompatibility-producing coatings and functional layers, such as e.g. the layers of fibronectin or agarose serving as attachment or nutrient medium.
Durch den Einsatz von Sensoren auf der Basis der Klasse der Heterostrukturhalbleiter der Gruppe III Nitride z.B. der AlGaN/GaN - Feldeffekttransistoren können Biosensoren realisiert werden, die diese Nachteile überwinden.By using sensors based on the class of Group III heterostructure semiconductors nitrides, e.g. The AlGaN / GaN field effect transistors can realize biosensors that overcome these disadvantages.
In Steinhoff et al . (2005, Applied Physics Letters, 86, 33901.) wird der Einsatz von AlGaN/GaN-Sensoren zum Vermessen
von Aktionspotentialen von Muskelzellen beschrieben. Hierbei werden auch analog zu den Silizium-basierten Feldeffekttransistoren, die AlGaN-Sensoren mit Gelatine bzw. Fibronectin beschichtet und Signale im Bereich von 50 μV abgeleitet. Die Muskelzellen bilden dabei als vitale Zellen das Untersuchungsobjekt und sind nicht Bestandteil des Sensors. Das direkte Vermessen von Ionenströmen ist mit dieser Anordnung nicht möglich. Auch zeigen die in der Literatur beschriebenen Anordnungen geringere Empfindlichkeiten gegenüber einzel- nen Ionenarten. Die Ursache liegt in der Beschichtung der Sensoren, die in zweierlei Weise, das Messsignal verfälscht: Gelatine oder Fibronectin sind pufferähnliche, gelartige Systeme, die potentielle Ionenflüsse aus den Zellen verfälschen bzw. Ladungsänderungen in dem Zwischenraum zwischen ISFET-Sensor und Zellmembran reduzieren. Darüber hinaus wirkt das Volumen der Oberflächenbeschichtung konzentrations- erniedrigend, d.h. Ausschüttungen kleiner Ionenmengen aus der Zelle durch die Zellmembran werden durch das mit Flüssigkeit getränkte Volumen aus Beschichtung bzw. mit Flüssigkeit gefüllte Volumen im Abstand zwischen Zellmembran und Beschichtung noch weiter verdünnt.In Steinhoff et al. (2005, Applied Physics Letters, 86, 33901.) will measure the use of AlGaN / GaN sensors described action potentials of muscle cells. Analogous to the silicon-based field-effect transistors, the AlGaN sensors are coated with gelatin or fibronectin and signals in the range of 50 μV are derived. The muscle cells form the examination object as vital cells and are not part of the sensor. The direct measurement of ion currents is not possible with this arrangement. The arrangements described in the literature also show lower sensitivities to individual types of ions. The reason lies in the coating of the sensors, which falsifies the measurement signal in two ways: gelatin or fibronectin are buffer-like, gel-like systems which falsify potential ion fluxes from the cells or reduce charge changes in the gap between ISFET sensor and cell membrane. In addition, the volume of the surface coating has a decreasing concentration, ie distributions of small amounts of ions out of the cell through the cell membrane are further diluted by the liquid-impregnated volume of coating or volumes filled with liquid at a distance between cell membrane and coating.
Wird eine AlxGai_xN-Barriere pseudomorph auf eine epitaktische GaN-Schicht gewachsen, ist die AlGaN-Schicht tensil verspannt, wobei die Stärke der Verspannung mit zunehmender AI-Konzentration wächst. Deshalb kann die totale (piezoelektrische und spontane) Polarisation in der AlGaN-Schicht über deren Zusammensetzung kontrolliert werden. An den Grenzflächen zur GaN-Schicht bildet sich so ein abrupter Sprung in der Polarisation aus, der zu einer gebundenen Grenzflächenladung führt.
- A -If an Al x Gai_ x N barrier is pseudomorphically grown on an epitaxial GaN layer, the AlGaN layer is tensilely stressed, with the strength of the strain increasing with increasing Al concentration. Therefore, the total (piezoelectric and spontaneous) polarization in the AlGaN layer can be controlled by their composition. At the interfaces to the GaN layer, an abrupt jump in polarization is formed which leads to a bounded interface charge. - A -
Ist die gebundene, polarisationsinduzierte Ladung an derIs the bound, polarization induced charge at the
AlGaN/GaN-Grenzflache positiv, sammeln sich dort Elektronen, die diese Ladung kompensieren. Bei einer AI-Konzentration vonAlGaN / GaN interface positive, there accumulate electrons that compensate for this charge. At an AI concentration of
35% können zweidimensionale Elektronengase (2DEGs) mit Flächenladungsdichten von bis zu 2xlO13 cm"2 erreicht werden35%, two-dimensional electron gases (2DEGs) can be achieved with surface charge densities of up to 2x10 13 cm "2
(Ambacher, B. Foutz, J. Smart, J. R. Shealy, N. G. Weimann, K.(Ambacher, B. Foutz, J. Smart, J.R. Shealy, N.G. Weimann, K.
Chu, M. Murphy, A. J. Sierakowski, W. J. Schaff, L. F. Eastman,Chu, M. Murphy, A.J. Sierakowski, W.J. Schaff, L.F. Eastman,
R. Dimitrov, A. Mitchell, and M. Stutzmann, J. Appl . Phys . 87R. Dimitrov, A. Mitchell, and M. Stutzmann, J. Appl. Phys. 87
(2000) 334.) . Wird das 2DEG seitlich kontaktiert entsteht ein sogenannter ionensenstitiver Feldeffekttransistor (ISFET) mit(2000) 334.). If the 2DEG is contacted laterally, a so-called ion-sensitive field-effect transistor (ISFET) is produced
Source, Drain und einem offenen Gate.Source, drain and an open gate.
Aus LÜBBERS, B: A novel GaN-based multiparameter sensor System for biochemical analysis; in: Phys. Stat. SoI. 2008, No. 6, p. 2361-2363 ist ein Biosensor bekannt, der biokompatible Schichtsysteme mit einer Heterostruktur der Gruppe-III- Nitride aus GaN/AlGaN umfasst, welche als ISFET mit metallisierten Kontakten ausgeführt ist. Weiterhin umfasst der Biosensor eine direkt auf die Sensoroberfläche aufgebrachte funktionale Schicht, deren Aufbau und Anbringung jedoch nicht näher beschrieben wird.From LÜBBERS, B: A novel GaN-based multiparameter sensor system for biochemical analysis; in: Phys. Stat. Sol. 2008, no. 6, p. 2361-2363 discloses a biosensor comprising biocompatible layer systems having a Group III nitride heterostructure of GaN / AlGaN, which is implemented as an ISFET with metallized contacts. Furthermore, the biosensor comprises a functional layer applied directly to the sensor surface, the construction and attachment of which is not described in detail.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es zunächst, einen Biosensor bereitzustellen, mit dem es gelingt, die Empfind- lichkeit der Messung der Beeinflussung von adhärenten Zellen durch unterschiedliche Umwelteinflüsse wie die Zugabe von Giften/Toxinen, elektrische Felder etc. zu maximieren. Darüber hinaus besteht eine Aufgabe darin, eine Verwendung eines solchen Biosensors zur Bestimmung der Zellreaktion zu ermöglichen bzw. ein entsprechendes Verfahren bereit zu stellen .
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit einem Biosensor nach Anspruch 1 bzw. dessen Verwendung nach Anspruch 7 und dem Verfahren zur Aufzeichnung einer Zellreaktion nach Anspruch 9.The object of the present invention is first of all to provide a biosensor with which it is possible to maximize the sensitivity of the measurement of the influence of adherent cells by different environmental influences such as the addition of poisons / toxins, electric fields, etc. In addition, it is an object to enable a use of such a biosensor for determining the cell reaction or to provide a corresponding method. According to the invention, the solution to this problem with a biosensor according to claim 1 or its use according to claim 7 and the method for recording a cell reaction according to claim 9 succeeds.
Es wurde im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit erkannt, dass auf der Basis der Klasse der Heterostrukturhalbleiter der Gruppe III Nitride, z.B. der AlGaN/GaN, Biosensoren realisiert werden können, mit denen die Beeinflussung von adhärenten Zellen durch unterschiedliche Umwelteinflüsse wie die Zugabe von Giften/Toxinen, elektrische Felder etc. sehr empfindlich gemessen werden kann. Hierbei sind die elektrischen Eigenschaften und die relativ großen piezoelektrischen Konstanten der Gruppe-III-Nitride besonders interessant. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Biosensoren, erfolgt die Funktionalisierung der Sensoroberfläche mit funktionsfähigen und vitalen Zellen. Überraschenderweise konnte eine gute Kompatibilität zwischen Zellen und Halbleitermaterial festgestellt werden, was erfindungsgemäß für den Aufbau eines hybriden Sensors, der sowohl biologische als auch technische Komponenten aufweist, genutzt wurde.It has been recognized within the scope of the invention the possibility that, based on the class of Group III heterostructure semiconductors, nitrides, e.g. AlGaN / GaN, biosensors can be realized with which the influence of adherent cells by different environmental influences such as the addition of toxins / toxins, electric fields, etc. can be measured very sensitive. Here, the electrical properties and the relatively large piezoelectric constants of group III nitrides are particularly interesting. In contrast to the biosensors known from the prior art, the functionalization of the sensor surface is carried out with functional and vital cells. Surprisingly, a good compatibility between cells and semiconductor material was found, which was used according to the invention for the construction of a hybrid sensor having both biological and technical components.
Dieser erfindungsgemäße Biosensor hat zwar naturgemäß eine nur begrenzte Lebensdauer - bedingt durch die Lebensdauer der damit verbundenen Zellen - kann jedoch innerhalb eines Zeitraumes von mehreren Tagen bis zu ein bis zwei Wochen für neuartige Detektionen genutzt werden.Although this biosensor according to the invention naturally only has a limited service life - due to the lifetime of the cells connected to it - it can be used within a period of several days to one to two weeks for novel detections.
Der erfindungsgemäße Biosensor eignet sich zum Nachweis von Substanzen oder Stoffen, Kräften und Feldern. Es besteht aus einem biokompatiblen Schichtsystem mit einer Heterostruktur der Gruppe III Nitride, vorzugsweise aus GaN/AlGaN, das als ISFET vorzugsweise mit metallisierten Kontakten ausgeführt
ist. Wesentlich für den erfindungsgemäßen Biosensor ist weiterhin, dass direkt auf die Sensoroberfläche ein Schicht anhaftender, vorzugsweise eukaryotischer Zellen aufgebracht ist, wobei diese Zellen lebensfähig sind.The biosensor according to the invention is suitable for the detection of substances or substances, forces and fields. It consists of a biocompatible layer system with a heterostructure of the group III nitrides, preferably of GaN / AlGaN, which is designed as an ISFET, preferably with metallized contacts is. It is furthermore essential for the biosensor according to the invention that a layer of adhering, preferably eukaryotic, cells is applied directly to the sensor surface, these cells being viable.
Der erfindungsgemäße Biosensors eignet sich insbesondere zur Vermessung der Konzentrationsänderungen von Ionen in der direkt auf die Sensoroberfläche aufgebrachten Schicht anhaftender Zellen zwischen Zellmembran und Sensorschicht, wobei die elektrische Signatur, also die Zellreaktion dieser Zellen, ohne eine mit den Zellen in Verbindung stehende Elektrode aufgenommen wird.The biosensor according to the invention is particularly suitable for measuring the concentration changes of ions in the layer of adhering cells applied directly to the sensor surface between cell membrane and sensor layer, wherein the electrical signature, ie the cell reaction of these cells, is recorded without an electrode connected to the cells.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Biosensors besteht darin, dass mit ihm eine pH-Wert Messung ausgeführt werden kann, die nicht von simultan vorliegenden Redox-Eigen- schaften des untersuchten Fluids beeinflusst wird. Dies gestatte insbesondere die pH-Wert Bestimmung von Blut.A significant advantage of the biosensor according to the invention is that it can be used to carry out a pH measurement which is not influenced by simultaneously existing redox properties of the fluid under investigation. This allows in particular the pH determination of blood.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben.A preferred embodiment of the invention will be described below with reference to the drawings.
In Fig. 1 ist ein Biosensor mit AlGaN/GaN-Struktur schematisch dargestellt. Der Biosensor umfasst zwei elektrische Kontakte 1, die der Ableitung des Sensorsignals dienen. Bestandteil des Sensors sind weiterhin anhaftenden, lebende Zellen 2. Die Zellen 2 haften über Zelladhäsionsproteine 3 an einer Zellkontaktoberfläche 4, welche durch die AlGaN/GaN- Struktur bereitgestellt wird. Der sich einstellende Abstand zwischen der Zellmembran der Zellen 2 und der Zellkontaktoberfläche 4 beträgt einige zehn bis einige hundert Nano- meter .
Jegliche Manipulation des Oberflächenpotentials an der Zellkontaktoberfläche 4 resultiert in einer deutlichen Änderung des Drain-Stroms, der als Sensorsignal an den Kontakten 1 abgegriffen werden kann. Deshalb eignet sich eine AlGaN/GaN- Transistorstruktur für die Detektion von Ionen oder adsorbierten polaren Molekülen in Flüssigkeitströpfchen, die auf der Strukturoberfläche abgesetzt werden. Das Gatepotential wird dabei durch die zu detektierende Flüssigkeit bestimmt.In Fig. 1, a biosensor with AlGaN / GaN structure is shown schematically. The biosensor comprises two electrical contacts 1, which serve to derive the sensor signal. Part of the sensor are still adherent, living cells 2. The cells 2 adhere via cell adhesion proteins 3 to a cell contact surface 4, which is provided by the AlGaN / GaN structure. The resulting distance between the cell membrane of the cells 2 and the cell-contacting surface 4 is a few tens to a few hundred nanometers. Any manipulation of the surface potential at the cell contact surface 4 results in a significant change in the drain current, which can be tapped as a sensor signal at the contacts 1. Therefore, an AlGaN / GaN transistor structure is suitable for the detection of ions or adsorbed polar molecules in liquid droplets deposited on the structure surface. The gate potential is determined by the liquid to be detected.
Die Auswertung des Drain-Stroms ermöglicht den hochempfindlichen Nachweis von polaren Flüssigkeiten mit einem hohen Dynamikbereich. Der ISFET zeigt dabei eine intrinsische pH- Sensitivität am Nernst' sehen Limit. Es konnte ein linearer Zusammenhang zwischen pH-Wert und Oberflächenpotential im Bereich von pH 2 bis 12 nachgewiesen werden. Aufgrund der hohen chemischen Stabilität der Gruppe-III-Nitride sowohl für Laugen, als auch für Säuren kann deshalb mit dem erfindungsgemäßen Biosensor die Bestimmung von pH-Werten mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Zudem konnte die hohe biolo- gische Verträglichkeit des Materialsystems aufgezeigt werden.
The evaluation of the drain current enables the highly sensitive detection of polar liquids with a high dynamic range. The ISFET shows an intrinsic pH sensitivity at the Nernst limit. A linear correlation between pH and surface potential in the range of pH 2 to 12 could be demonstrated. Due to the high chemical stability of the group III nitrides for both alkalis and acids, the determination of pH values can therefore be carried out with high accuracy with the biosensor according to the invention. In addition, the high biological compatibility of the material system could be demonstrated.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 - Kontakte1 - contacts
2 - Zellen 3 - Zeiladhäsionsproteine 4 - Zellkontaktoberfläche
2-cell 3-cell adhesion proteins 4-cell contact surface
Claims
1. Biosensor zum Nachweis von Substanzen oder Stoffen, Kräften und Feldern bestehend aus einem biokompatiblen Schichtsystem mit einer Heterostruktur der Gruppe-III-1. Biosensor for the detection of substances or substances, forces and fields consisting of a biocompatible layer system with a heterostructure of group III
Nitride, das als ionensensitiver FeldeffekttransistorNitride, as an ion-sensitive field effect transistor
(ISFET) ausgeführt ist und eine Zellkontaktoberfläche (4) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass direkt auf der(ISFET) is designed and has a cell contact surface (4), characterized in that directly on the
Zellkontaktoberfläche (4) des biokompatiblen Schichtsys- tems eine Schicht aus anhaftenden, lebensfähigen ZellenCell contact surface (4) of the biocompatible layer system a layer of adherent, viable cells
(2) aufgebracht ist.(2) is applied.
2. Biosensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das biokompatible Schichtsystem eine GaN/AlGaN-Struktur ist.2. Biosensor according to claim 1, characterized in that the biocompatible layer system is a GaN / AlGaN structure.
3. Biosensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ionensensitive Feldeffekttransistor (ISFET) mindestens zwei metallisierte Kontakte (1) besitzt, die der Ableitung des Sensorsignals dienen.3. Biosensor according to claim 1 or 2, characterized in that the ion-sensitive field effect transistor (ISFET) has at least two metallized contacts (1), which serve to derive the sensor signal.
4. Biosensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensorsignal der zwischen den Kontakten (1) fließende Drain-Strom an eine Messeinheit geführt ist.4. Biosensor according to claim 3, characterized in that as a sensor signal between the contacts (1) flowing drain current is guided to a measuring unit.
5. Biosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lebensfähigen Zellen (2) eukary- otische Zellen sind.5. Biosensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that the viable cells (2) are eukaryotic cells.
6. Biosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zellen (2) über Zelladhäsions- proteine (3) an der Zellkontaktoberfläche (4) anhaften. 6. Biosensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the cells (2) via cell adhesion proteins (3) on the cell contact surface (4) adhere.
7. Verwendung eines Biosensors nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Messung einer Konzentrationsänderung von Ionen in der auf die Zellkontaktoberfläche (4) aufgebrachten Schicht von anhaftenden Zellen (2), wobei die Konzen- trationsänderung der Ionen zwischen den Zellmembranen und der Zellkontaktoberfläche (4) auftritt und durch Messen eines Stromflusses zwischen elektrischen Kontakten (1) bestimmt wird.7. Use of a biosensor according to any one of claims 1 to 6 for measuring a change in concentration of ions in the cell contact surface (4) applied layer of adherent cells (2), wherein the change in concentration of the ions between the cell membranes and the cell-contacting surface (4 ) and determined by measuring a current flow between electrical contacts (1).
8. Verwendung nach Anspruch 7 zur Aufnahme der elektrischen Signatur, d.h. der Zellreaktion der anhaftenden Zellen (2), wenn diese mit Substanzen kontaktiert werden oder Kräften bzw. Feldern ausgesetzt werden.8. Use according to claim 7 for receiving the electrical signature, i. the cell reaction of adherent cells (2) when they are contacted with substances or exposed to forces or fields.
9. Verfahren zur Aufzeichnung der Zellreaktion lebensfähiger Zellen, die auftreten, wenn die Zellen mit Substanzen kontaktiert oder Kräften bzw. Feldern ausgesetzt werden, folgende Schritte umfassend:A method for recording viable cell cell response that occurs when the cells are contacted with substances or exposed to forces or fields comprising the steps of:
Bereitstellung eines biokompatiblen Schichtsystems mit einer Heterostruktur der Gruppe-III-Nitride, das als ionensensitiver Feldeffekttransistor (ISFET) ausgeführt ist, und mit zwei an einer Zellkontaktoberfläche (4) angebrachten elektrischen Kontakten (1); Anheften einer Schicht aus lebensfähigen Zellen (2) direkt auf die Zellkontaktoberfläche (4) des biokompatiblen Schichtsystems;Providing a biocompatible layer system having a group III nitride heterostructure, which is designed as an ion-sensitive field effect transistor (ISFET), and having two electrical contacts (1) attached to a cell contact surface (4); Attaching a layer of viable cells (2) directly to the cell-contacting surface (4) of the biocompatible layer system;
Messen einer Änderung des Stroms zwischen den elektrischen Kontakten (1) aufgrund einer Konzentrationsänderung der Ionen zwischen den Zellmembranen der Zellen (2) und der Zellkontaktoberfläche (4) . Measuring a change in the current between the electrical contacts (1) due to a change in concentration of the ions between the cell membranes of the cells (2) and the cell-contacting surface (4).
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| EP09753959A EP2181329A1 (en) | 2008-05-29 | 2009-05-29 | Biosensor, use thereof and method for recording the cell reaction of viable cells |
Applications Claiming Priority (2)
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| DE200810026930 DE102008026930A1 (en) | 2008-05-29 | 2008-05-29 | Biosensor and its use |
| DE102008026930.1 | 2008-05-29 |
Publications (1)
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| STEINHOFF G ET AL: "AlxGa1-xN-a new material system for biosensors", ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS WILEY-VCH GERMANY, vol. 13, no. 11, November 2003 (2003-11-01), pages 841 - 846, XP002541639, ISSN: 1616-301X * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2600148A1 (en) | 2011-11-29 | 2013-06-05 | ETH Zurich | Device and method for monitoring transport activity across a cell membrane |
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