WO2003079016A1 - sIOSENSOR FOR DETECTING MACROMOLECULAR BIOPOLYMERS AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF - Google Patents

sIOSENSOR FOR DETECTING MACROMOLECULAR BIOPOLYMERS AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF Download PDF

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WO2003079016A1
WO2003079016A1 PCT/DE2003/000892 DE0300892W WO03079016A1 WO 2003079016 A1 WO2003079016 A1 WO 2003079016A1 DE 0300892 W DE0300892 W DE 0300892W WO 03079016 A1 WO03079016 A1 WO 03079016A1
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biosensor
biosensor according
semiconducting
detection
evaluation circuit
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PCT/DE2003/000892
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Thomas Haneder
Hagen Klauk
Günter Schmid
Roland Thewes
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Infineon Technologies Ag
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • G01N33/54373Apparatus specially adapted for solid-phase testing involving physiochemical end-point determination, e.g. wave-guides, FETS, gratings
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4145Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K10/00Organic devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching; Organic capacitors or resistors having a potential-jump barrier or a surface barrier
    • H10K10/40Organic transistors
    • H10K10/46Field-effect transistors, e.g. organic thin-film transistors [OTFT]
    • H10K10/462Insulated gate field-effect transistors [IGFETs]
    • H10K10/466Lateral bottom-gate IGFETs comprising only a single gate
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10KORGANIC ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES
    • H10K19/00Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one organic element specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, covered by group H10K10/00

Definitions

  • the invention relates to a biosensor for detecting macromolecular biopolymers and a method for producing a biosensor for detecting 0 macromolecular biopolymers.
  • Optical methods are mostly used today for examining, for example, the expression pattern of a cell using nucleic acids or generally for detecting 5 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, a few 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
  • Fluorescent dye contains labeled nucleic acids, pumped over this surface.
  • nucleic acids with capture molecules complementary to them can form double-stranded hybrid molecules on the surface of the carrier substrate. 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.
  • Proteins can also be detected using optical detection methods based on the immobilization of a capture molecule on a surface of any substrate e.g. made of glass, silicon dioxide, other oxides, metal or plastics, e.g. Hydrocarbons such as polyethylene, polypropylene or polystyrene, polyesters such as polyethylene naphthalate or terephthalate, polycarbonates, polyurethanes, polyacrylates, epoxy resins, biodegradable polylactates, plastics which are stable at high temperatures, such as polyimides, polybenzoxazoles or imidazoles, are based. Any composite materials, such as glass fiber reinforced epoxy resins or coated metal surfaces, are also suitable.
  • 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]).
  • 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 with the help of the so-called gold-thiol bond. The analyte 207 to be examined is applied to the electrodes 201, 202.
  • the analyte can, for example be an electrolytic solution with different DNA molecules.
  • the coupling of the DNA molecules is not limited to the gold-thiol bond, but in principle any strong metal-ligand coupling can be used (Ni-amine ligands, Mo-sulfur or Mo-phosphorus, etc.)
  • 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).
  • Hybridization of a DNA probe molecule 206 and a DNA strand 208 only takes place if the sequences of the respective DNA probe molecule 206 and the corresponding DNA strand 208 are complementary to one another. If this is not the case, no hybridization takes place.
  • a DNA probe molecule of a given sequence is only able to bind a specific one, namely the DNA strand with a complementary sequence, i.e. to hybridize with it.
  • FIGS. 4 a to 4 c show a biosensor 400 with a first electrode 401 and a second electrode 402, which are applied to a substrate 403 as an insulator layer.
  • a holding area designed as a holding layer 404, is applied to the first electrode 401 made of gold.
  • the holding area serves to immobilize DNA probe molecules 405 on the first electrode 401.
  • the sensor 400 is brought into contact with a solution 406 to be examined such that in the solution to be examined 406 any DNA strands contained can hybridize with the complementary sequence to the sequence of the DNA probe molecules 405.
  • 4b shows the case in which the DNA strands 407 to be detected are contained in the solution 406 to be examined and are hybridized to the DNA probe molecules 405.
  • the DNA strands 407 in the solution to be examined are marked with an enzyme 408, with which it is possible to cleave the molecules described below into partial molecules.
  • DNA probe molecules 405 Usually, a significantly larger number of DNA probe molecules 405 is provided than DNA samples to be determined. Strands 407 are contained in the solution 406 to be examined.
  • the biosensor 400 is rinsed, as a result of which the non-hybridized DNA strands are removed and the biosensor 400 from it investigating solution 406 is cleaned.
  • An electrically uncharged substance is added to this rinsing solution used for rinsing or to another solution 412 which is supplied in a further phase and contains molecules 409 which, by means of the enzyme on hybridized DNA strands 407, result in a first sub-molecule of a negative first electrical charge and in a second sub-molecule of a positive second electrical charge can be split.
  • the negatively charged partial molecules are drawn to the positively charged anode, as indicated by arrow 411 in FIG. 4c.
  • the negatively charged first partial molecules 410 are oxidized on the first electrode 401, which has a positive electrical potential as the anode, and are oxidized as the oxidized partial molecules 413 on the negatively charged cathode, i.e. pulled the second electrode 402 where they are reduced again.
  • the reduced sub-molecules 414 in turn migrate to the first electrode 401, ie to the anode. In this way, an electrical circuit current is generated which is approximately proportional to the number of charge carriers generated by the enzymes 408 in each case.
  • the biosensors used for the above processes are based on substrates / chips which are produced from inorganic semiconducting materials such as silicon.
  • the semiconducting material can either be used as a pure carrier material for the sensors, or integrated circuits are used in the semiconductor manufacturing process in addition to detection units such as electrodes, e.g. manufactured using CMOS technology.
  • the latter type of sensor can also be called active sensors due to the integrated circuits.
  • passive sensors these sensors have the advantage of being able to amplify, process and process even weak sensor signals directly on-chip. With this e.g. enable active sensors with a significantly smaller sensor area and / or significantly higher sensitivity to passive variants to be manufactured.
  • 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 only once is used and should therefore be inexpensive.
  • One reason for the one-time use of sensors is that one wants to exclude possible chemical / biological cross-contamination of the used areas from trial to trial and the resulting wrong results.
  • 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 elimination e.g. a CMOS process reduces the manufacturing costs of such biosensors compared to active semiconductor chips.
  • CMOS process reduces the manufacturing costs of such biosensors compared to active semiconductor chips.
  • sensors cannot fundamentally achieve the performance of sensors with active chips.
  • the requirements for the external devices required for operation and reading are much greater, and the susceptibility to interference due to irradiated electromagnetic radiation e.g. due to nearby power supplies of commercially available electronic devices is larger.
  • 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 printed circuit board, where contacts are located.
  • the connection to a separate electronic reading device can be established [cf. 8,9].
  • the reading device makes a difference in the reading current between them Can detect electrodes on which a reaction has taken place and those on whose surface no reaction has taken place.
  • the 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 in which signal processing takes place on the sensor.
  • the electrode areas must be relatively large in order to obtain a measurable signal that can be derived from the sensor.
  • [24] 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] discloses a measuring circuit with a biosensor using an ion-sensitive field effect transistor.
  • Field effect transistor which ion sensor is designed to determine an ion concentration of a sample liquid to be examined.
  • [30] discloses a method of manufacturing a CMOS integrated circuit with an ISFET and with an evaluation MISFET in polysilicon technology.
  • the problem underlying the invention is to provide an alternative sensor for the detection of macromolecular biopolymers.
  • Biopolymer is a sensor with at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers, with at least one detection unit for detecting a detection signal with which the existence of macromolecular biopolymers is indicated, and with one with
  • Detection unit coupled evaluation circuit for the signal, the evaluation circuit at least one component having a semiconducting layer with an organic material.
  • the present method is based on the knowledge that the use of electrical components with at least one semiconducting layer with an organic material, for example a layer with an organic semiconducting material, has a number of advantages in an evaluation circuit.
  • Such sensors can be manufactured with considerably less process engineering effort than sensors based on inorganic semiconductors. The number of process steps required can be reduced from approximately 300 for silicon-based sensors to approximately 50 for the sensors present.
  • the use of an evaluation circuit located on the sensor offers the advantage of “on-chip ⁇ V signal processing, which offers high sensitivity when measuring by active electrical components in the immediate vicinity of the detection units. Compared to sensors based on an inorganic
  • the semiconducting layer of the component can be a layer which has an organic inert polymer material as an (electrically inert) matrix material, in which inorganic semiconducting particles are embedded. With this layer, the semiconductor properties are consequently fulfilled by inorganic semiconducting materials.
  • inorganic semiconducting material there 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.
  • the particle size of the inorganic semiconducting material used here is generally between 100 ⁇ m and 1 nm, preferably between 50 ⁇ m and 0.1 ⁇ m or 0.05 ⁇ m.
  • n- and p-conductive nanoparticles, as described in [10], which are embedded in an organic matrix, are also used.
  • 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.
  • the layer in which the inorganic semiconducting particles are embedded in an organic matrix material can also contain a supporting semiconducting organic material (as matrix material).
  • This material can be the above-mentioned organic semiconducting polymers such as polythiophene, polyaniline, poly-p-phenylene and the like. , his.
  • 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 be contained 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.
  • the semiconducting layer of the component of the evaluation circuit can have an organic semiconducting material, i.e. in this case the
  • Matrix containing semiconductor materials can be included.
  • the component of the evaluation circuit with the organic semiconducting layer can be a passive component such as a resistor or a capacitor as well as an active component such as a diode or a transistor.
  • the evaluation circuit can also have a plurality of passive and / or active components with at least one organic layer.
  • a diode can, for example, have only one layer with an n- or p-semiconducting organic material or both a layer of an n-type and a layer of a p-type organic semiconductor material (cf. [11, 12]).
  • suitable p-semiconducting organic materials are the polymer polyvinylcarbazole (cf.
  • polythiophene especially the regional regulators, such as RR-poly-3-hexyl-thiophene or RR-poly-3-octyl-thiophene, phthalocyanines such as copper phthalocyanine or p-semiconductors based on condensed aromatic ring systems such as pentazene, anthracene or tetracene can be used.
  • Suitable n-semiconducting organic materials are based, for example, on electron-poor aromatic compounds.
  • amido derivatives of naphthalene tetracarboxylic acid dianhydride or fluorinated derivatives of phthalocyanine or thiophene such as, for example, bis (Nl, 1-dihydropentadecafluorooctyl) naphthalene bisimide or bis (Nl, 1-dihydroheptafluoroproyl) naphthalene 14-bisadferlafine [13].
  • 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 [11]. As described in [11], these (passive) components can be manufactured using inkjet techniques. In general, however, these can also be produced using standard lithography and metallization processes.
  • the at least one component of the evaluation circuit is a transistor.
  • a transistor is preferred in which the layer with the organic semiconducting material Area of the transistor forms.
  • a transistor is preferred for the evaluation circuit, which is an organic thin film transistor.
  • the body area is understood to mean the area in which the channel of the transistor can form.
  • Such transistors are principally e.g. known from [15] to [17]. On the one hand, they can be transistors in which there is only one layer with semiconducting organic material, such as e.g. described in [15] and [16].
  • a metallic gate electrode e.g. made of nickel
  • a suitable substrate see Fig. 1
  • the dielectric can consist of an inorganic insulator material such as silicon dioxide or silicon nitride.
  • Form plastic material such as polyvinylphenol, polyvinylidene fluoride etc. or polyvinyl alcohol.
  • the contacts (electrodes) for source and drain can be made of palladium or platinum, for example. Between source and drain is located (as a single organic electrically active layer), a layer of the organic semiconductor, pentacene, which consequently forms the body- 0 / channel 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 polyvinyl alcohol, polyvinylphenol, polyvinylidene fluoride, etc. may be formed.
  • the transistors can also be formed entirely from organic materials, preferably organic polymer and oligomer materials.
  • gate and drain electrode made of an electrically conductive polymer material such as poly (3,4-ethylenedioxythiophene) doped with polystyrene sulfonic acid (PEDOT / PSS).
  • the body area can in turn, e.g. be made from pentazene or an oligomer material such as poly (9, 9-dioctylfluorene-cobithiophene) (F8T2).
  • the layer of the gate dielectric of both these transistors and that of the transistors described above, in which organic and inorganic materials are combined, can consist of a dielectric organic polymer material.
  • polymer materials that can be used here are common dielectric synthetic 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 types and other known plastics of this type, as described, for example, in
  • 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.
  • IR- and / or UV-curable polymers such as polystyrenes, epoxy resins, polyalkylenes, polyimides, polybenzoxazoles, polyacrylates.
  • transistors which consist partly or completely of organic materials, offers the The advantage that they and therefore also the corresponding circuits can be produced by printing techniques such as inkjet printing, which considerably simplifies the manufacturing process and also reduces the costs.
  • the use of such transistors offers the possibility of high operating voltages of, for example, conventional silicon transistors. > 10 V.
  • This is advantageous in the case of the biosensor disclosed here in that it enables electrophoretic processes to be used in the detection of the macromolecular biopolymers, the voltages required for this being able to be handled easily by the available components, since these can also be used relatively high voltages. This is e.g. no longer the case with standard transistors in modern CMOS processes, the operating voltages for the standard devices are below 2 V.
  • any organic material can be used as an organic semiconducting material in the biosensor described here can be used that shows electrical properties and behavior of a semiconductor material.
  • the semiconducting organic material is selected from the group consisting of pentazene, anthracene, tetrazene, oligothiophene, polythiophene, polyaniline, poly-p-phenylene, poly-p-phenylvinylene, polypyrrole, phthalocyanine, porphyrin and derivatives thereof.
  • 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.
  • a “molecular system” such as pentazene, anthracene, tetracene, phthalocyanine, porphyrin or oligothiophene
  • a “polymer system” one or more polymer compounds
  • a molecular system in monomer form are the fullerenes such as C 60 -, C 7 o ⁇ , C 7 6- (Buckminster) fullerenes.
  • suitable derivatives of one of the above materials are the aforementioned poly (9, 9-dioctylfluorene-co-bi hiophene) or poly (3-alkyl tiophene) such as poly (3-hexylthiophene) or poly (3-octylthiophene).
  • An example of oligothiophenes are compounds with 1 to 10 thiophene units, preferably 6 thiophene units.
  • semiconducting phthalocyanines or porphyrins are the corresponding (organometallic) complexes of copper such as copper phthalocyanine or
  • 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.
  • the entire evaluation circuit consists of transistors with at least one layer made of an organic semiconducting material.
  • a circuit can contain, for example, approximately 10 or a few 10 transistors if, as described in [19], only simple switching matrices are to be built.
  • the evaluation circuit can contain between approximately 50 and a few 100 transistors. Examples of such evaluation circuits are disclosed in [20].
  • 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.
  • a biopolymer to be detected can be a molecule that is captured by means of a capture molecule that is located on a unit for immobilizing macromolecular biopolymers.
  • a molecule to be detected can also be applied from a sample / analyte to an immobilization unit and then detected with a molecule which has (specific) binding affinity for the molecule to be detected using the biosensor disclosed here.
  • a “detection unit for detecting a detection signal” is understood here to mean a unit that is able to detect a detection signal with which the existence of macromolecular biopolymers is indicated. Such a signal is generated indirectly or directly by the formation of a complex of those to be detected macromolecular biopolymer and a suitable one Catcher molecule evoked.
  • An example of a directly produced detection signal is a change in capacitance, which is caused between two electrodes by a complex formation of the capture molecule and the molecule to be detected (e.g. formation of a double-stranded nucleic acid molecule or an antigen-antibody complex) (see Fig. 2).
  • An example of a detection signal that is indirectly caused by complex formation is fluorescence radiation that is emitted by a label located on one of the two binding partners, or an electrical circuit current that is initiated by a redox-active label (see FIG. 4 ).
  • any suitable unit can be used as the detection unit in the biosensor of the invention, which unit can preferably detect a detection signal physically or chemically and can forward it to an evaluation circuit for further evaluation.
  • detection units examples include electrodes, e.g. can be used for impedance measurements or measurements of an electrical circuit current mentioned above.
  • Other examples are photodiodes or charge coupled devices (CCDs, CCD cameras) which can be used to detect emitted radiation such as fluorescence or chemiluminescence radiation.
  • an electrical signal is used to detect the biopolymers, which is the result of the first stage of the detection unit, which converts an optical signal such as a fluorescence or chemiluminescence signal into an electrical signal.
  • This electrical signal (in) the detection unit is preferably an electrical current such as a photocurrent or a voltage such as a photo voltage at the photodiode. The detection of this optical signal and the subsequent evaluation by means of the evaluation circuit can take place, for example, by integrating the electrical signal over several minutes.
  • the photodiode used as the detection unit has a semiconducting organic material (as the “active” material).
  • This material can be an organic polymer compound such as poly-p-phenylene vinylene (PVP) and another mentioned above in connection with the semiconducting body materials Be a polymer compound or be a molecule / "molecular system” such as PV-oligomers, fluorene derivatives and the like (see above).
  • PVP poly-p-phenylene vinylene
  • the photodiode also has a filter layer which serves to reduce or to keep the excitation radiation off. It is also possible to form the filter layer over the entire surface of the sensor and not only over the individual photodiodes. It is also possible to use the filter layer to completely cover the area of the sensor in which photodiodes are implemented.
  • organic materials such as organic dyes are preferably used for this filter layer.
  • Example suitable for forming a filter layer Materials are nitro and nitroso, azo, di and triaryl methane, xanthene, acridine, phenoxazine, phenothiazine, phenazine or indigo dyes.
  • the filter effect depends on the excitation radiation used and can be adapted to the selected system. In general, the excitation radiation is in the range from 250 nm to 900 ⁇ m.
  • the filter layer is therefore designed in such a way that it is impermeable to the respectively selected area.
  • Light / electromagnetic radiation with a wavelength of less than 500 nm or 550 nm is preferably transmitted through the
  • Filter layer held / shielded i.e. the filter layer is preferably designed as a "blue filter”.
  • unit for immobilization is understood to mean an arrangement which has a surface on which first molecules, which can either be capture molecules or molecules to be detected, can be immobilized, i.e. a surface to which capture molecules can bind through physical or chemical interactions. These interactions include hydrophobic, ionic or electrostatic interactions and covalent and complexing bonds.
  • suitable surface materials that can be used for at least one immobilization unit are metals such as gold, plastics such as polyethylene or polypropylene or inorganic substances such as silicon dioxide. If the surface of the immobilization unit is not in itself suitable for immobilizing the first molecules, it can be modified for the immobilization by suitable functionalization. Such functionalization can e.g. through the formation and derivatization of a monolayer as in [3] on page 25, line 2 to page 31, line 5 or
  • the surface the unit for immobilization can still be activated by processes such as plasma etching, vapor deposition of suitable materials (for example by chemical or physical deposition, (CVD; PVD) [cf. 3, page 19]. If conductive polymer materials are used for the units for immobilization, immobilization can be carried out also as described in [22].
  • immobilization agent is a plastic material that is used for the production of microtiter plates (e.g. polypropylene).
  • linker chemistry any suitable linker chemistry (cf. e.g. [21,
  • the first molecules can be both capture molecules and macromolecular biopolymers to be detected.
  • the at least one immobilization unit is arranged on a detection unit.
  • the detection unit is at the same time as the at least one
  • This embodiment is particularly preferred when one or more electrodes, for example for Impedance measurement or one or more field effect transistors can be used as a detection unit.
  • the electrode serving as a detection and immobilization unit can consist of an electrode array.
  • the electrode serving as the detection unit can be designed as an interdigital structure. This embodiment is particularly advantageous when using the redox and impedance methods for reading out.
  • an electrode of the biosensor can be produced from any material that is biocompatible in the sense that it is inert to biological media and that also conducts the electrical current and is eventually compatible with a substrate material of the biosensor.
  • the electrode can preferably be gold, palladium, platinum, titanium, TiN, silver or another conductive metal such as Cu or
  • Nickel however, also have an electrically conductive organic material.
  • organic materials that can be used for the formation of electrodes are organic doped semiconductors such as polyaniline or doped with champhersulfonic acid
  • Polystyrene sulfonic acid doped polythiophenes such as PEDOT / PSS, which can also be used as a conductive material for the source, drain and gate electrodes of the transistors used here (see above).
  • Evaluation circuit can of course also be done using the electrically conductive material just listed, by forming a connection between the detection unit and the evaluation circuit using these materials.
  • the electrodes can be designed so that they react sensitively to the pH of the solution.
  • electrodes made of PEDOT / PSS can be used for this purpose.
  • Various electrode arrangements can be used as the detection unit of the biosensor, which may have at least one immobilization unit or are designed as such. Examples of usable here
  • Electrode arrangements are electrically conductive grids or networks, electrically conductive porous materials, plate electrode arrangement or an interdigital electrode arrangement, e.g. is known from [5].
  • an interdigital electrode arrangement several or all “fingers” of the arrangement can be provided with units for immobilization or can even be designed as these units.
  • the electrodes can be configured as cylindrical elements, which are each arranged concentrically around one another and are electrically isolated from one another, for example by means of a suitable dielectric, so that an electric field between the electrodes Forms electrodes.
  • the biosensor has a plurality of detection units with a coupled one
  • Evaluation circuit the detection units preferably in a regular arrangement, an array, are arranged. This configuration is preferably used for multiple and / or parallel determinations.
  • each individual detection unit can be controlled individually to detect the detection signal. This will falsify the measurement result e.g. avoided by incoming interference signals from neighboring sensor fields.
  • the design of the biosensor disclosed here does not only offer a simplified structure due to the omission of a detection device, such as a confocal microscope, which is arranged outside the reaction area. Rather, the structure described here enables continuous measurement for each registration unit. This is particularly advantageous if e.g. Processes that affect reaction dynamics or kinetics should be investigated.
  • the biosensor also has a reference electrode (control electrode).
  • a reference electrode control electrode
  • This configuration is particularly necessary when carrying out detection methods in which absolute electrical potentials are to be applied or measured on an electrode serving as a detection unit.
  • the reference electrode whose potential is measured without current, supplies the reference potential here. In pure electrochemical processes (e.g. redox recycling) such an electrode is absolutely necessary for measurement.
  • This reference electrode is preferably made of AgCl, for example in the form of a chlorinated silver wire or a chlorinated one Silver electrode. On the one hand, this can be applied directly to the substrate material or integrated into it. On the other hand, this reference electrode can also be mounted in a housing of the sensor or in a separate chamber, which separates the detection unit from the evaluation circuit, for example.
  • the possibility of applying such a silver electrode on the substrate material of the biosensor represents a significant advantage over the conventional sensors based on semiconducting inorganic materials. For example, silver or gold is only very difficultly compatible with the manufacturing processes of active CMOS sensors (chips), however without further ado with the materials and manufacturing processes used here for components with semiconducting organic materials as well as the methods for forming the detection units.
  • the detection unit is arranged in a microfluidic chamber. This not only separates the detection unit from the evaluation circuit, but also allows special biochemical detection reactions to be carried out. Especially in long-term tests or tests at higher temperatures (eg> 90 ° C), a separation of the evaluation circuit from polymer transistors and the detection units can prove to be beneficial.
  • the reference electrode described above can also be integrated into this chamber. In the case of the configuration in the form of an array comprising a plurality of detection units, compartments of any design can also be formed within the area of the “active” sensor surface, ie the detection units.
  • microfluidic unit can be used, for example, to pump the analyte over the surface of the detection unit during the hybridization process or subsequently to remove non-bound analyte molecules from the surfaces of the detection units using a rinsing or cleaning solution before the readout process takes place.
  • the at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers of the biosensor is preferably integrated in a substrate and / or applied to this substrate.
  • the at least one detection unit can be embedded in a substrate, preferably applied thereon and / or integrated in the substrate.
  • the evaluation circuit is likewise applied or integrated on the same substrate on which the detection and / or immobilization unit is also located.
  • any material on which the various units of the sensor can be permanently applied can be used here as substrate material (carrier material) for the biosensor.
  • suitable substrate materials are insulators such as paper, plastic films, ceramics, or glass, furthermore with an insulator or metal coated with plastic.
  • substrate materials made of 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 kinds.
  • biodegradable materials are also suitable. The surface properties of such a polymer or glass substrate can easily be changed, so that hydrophilic or hydrophobic surfaces are created. This is desirable for many biochemical sensors.
  • nucleic acids, oligonucleotides, proteins or complexes of nucleic acids and proteins as well as whole cells can be detected as macromolecular biopolymers with the present sensor.
  • Macromolecular biopolymers are understood here to mean, for example, (longer-chain) nucleic acids such as DNA molecules, RNA molecules, PNA molecules or cDNA molecules or shorter oligonucleotides with, for example, 10 to 50 bases, in particular 10 to 30 bases.
  • 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, ie known.
  • Other macromolecular biopolymers are proteins or peptides. These can be built up from the 20 amino acids usually found in proteins, but can also contain naturally not occurring amino acids or be modified, for example, by sugar residues (oligosaccharides) or contain post-translational modifications.
  • 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 immobilization unit by covalent bonds.
  • DNA molecules nucleic acids or oligonucleotides
  • 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.
  • the senor at hand 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, several types of capture molecules can be placed on the immobilization unit, each of which has a (specific) binding affinity for a specific one to be detected
  • Has biopolymer are bound and / or several units can be used for immobilization, only one type of capture molecule being bound to each of these units.
  • the method for producing a biosensor for detecting macromolecular biopolymers has the steps of at least one unit for on or in a substrate Immobilization of macromolecular biopolymers is formed, at least one detection unit for detecting a detection signal, with which the existence of macromolecular biopolymers is indicated, is formed, and an evaluation circuit coupled to the detection unit is applied for the signal, the evaluation circuit comprising at least one component with a semiconducting layer with an organic material.
  • layers can be formed which consist of organic semiconducting material, as well as layers in which an inorganic semiconductor material is embedded in a matrix of polymer material.
  • the component of the detection circuit is preferably a transistor.
  • the layer with the semiconducting material preferably forms the body region of the transistor.
  • the method of the invention is advantageously designed so that it is carried out entirely by means of printing techniques similar to ink jet printing. This is the case, for example, if all the biosensor units (detection units, evaluation circuit, etc.) are based on organic materials. However, the processing of metals such as gold and nickel, for example by sputtering, vapor deposition or electrochemical deposition, can be carried out easily and simply and is also compatible with printing techniques. Overall, compared to sensors based on inorganic semiconductors, this leads to a significant reduction in the process steps and the manufacturing costs, while the performance features of the evaluation circuit and / or the biosensor disclosed here continue to be sufficient. It is also sufficient if the Metals are printed in the form of a hardenable suspension.
  • the gate structures (102) are produced by printing a colloidal palladium starter solution onto a polyethylene naphthalate substrate at the locations at which the gate structures are to be formed later. After this printing process, the printed palladium seeds are electrolessly reinforced with nickel to the desired layer thickness (approx. 10-50 nm). The gate dielectric (103) can then be printed on directly.
  • Source (104) and drain (105) contacts are formed using a palladium suspension (particle size 1 ⁇ m) in polystyrene.
  • the organic semiconductor (106) can then be formed over the entire surface. If the individual transistors are sufficiently far apart, this layer does not need to be structured (e.g. pentacene by evaporation).
  • Another gold electrode for immobilization of the nucleotides can then be deposited using a shadow mask.
  • FIGS. 2a and 2b show a sketch of two planar electrodes, by means of which a method is explained, which can be carried out with the biosensor of the invention for detecting the presence of DNA molecules in an electrolyte (FIG. 2a) or their non-existence (FIG. 2b);
  • FIGS. 3a and 3b show two embodiments of the biosensor disclosed here
  • FIGS. 4a to 4c sketches of a biosensor according to the prior art, on the basis of which individual conditions are explained in the context of the redox recycling process;
  • FIG. 5 shows a functional curve of a circulating current, as can be used in the context of a redox recycling process for the detection of macromolecular biopolymers
  • FIGS. 6a and 6b show a further embodiment of the biosensor of the invention.
  • FIG. 7 shows another embodiment of the biosensor of the invention
  • FIG 8 shows yet another embodiment of the biosensor of the invention
  • Figure 9 shows another embodiment of the biosensor of the invention
  • Figure 10 shows yet another embodiment of the biosensor of the invention.
  • Fig.l shows various configurations of a field effect transistor 100, which can be used as a component in the evaluation circuit of the invention.
  • a substrate 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 is located on the gate region 102
  • 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. Layer 106 forms the body region in which the channel of transistor 100 can form.
  • the field effect transistor 100 initially has a layer 106 of semiconducting organic material on the substrate 101.
  • This layer 106 which forms the body region of the transistor 100, has tetrazenes.
  • the transistor 100 also has a first and a second source / drain region 104, 105 made of platinum. Above the source / drain regions 104, 105 or the body region 106 there is a layer 103 of silicon dioxide as a dielectric, on which the gate region 102 made of nickel is applied.
  • the field effect transistors according to Fig.l with the layer with semiconducting organic material can be produced, for example, with the method described in [15].
  • the deposition of the source / drain regions 104 is performed in the embodiments shown in Fig.la, Fig.lc and Fig.lf, 105 before the 'deposition of the semiconducting layer 106, while, in the embodiments according to Fig.lb, Fig.ld and Fig.le the semiconducting layer 106 is applied in front of the source / drain regions 104, 105.
  • FIG. 3a shows as a first embodiment of the biosensor of the invention a biosensor 300.
  • transistors of the evaluation circuit are applied to a substrate 301 made of polyethylene naphthalate.
  • a substrate 301 made of polyethylene naphthalate.
  • only one transistor 302 is shown. This
  • Transistor 302 has a structure analogous to FIG. 1 with a gate region 303 made of nickel, a layer 304 made of a dielectric material such as silicon dioxide, a first source / drain region 305 and a second source / drain region 306, both of which consist of palladium, and a layer 307 forming the channel region with pentacene as a semiconducting organic material.
  • the transistor 302 also has a passivation layer 308 made of polyvinyl alcohol.
  • the biosensor 300 also has an electrode made of gold as the detection unit 309, which at the same time has a monomolecular self-organizing layer (not shown for the sake of clarity), so that catcher molecules 310 bind to the self-organizing layer by means of gold-sulfur coupling and thus to the electrode 309 be immobilized.
  • the detection unit 309 also serves as an immobilization unit.
  • the capture molecules are 310 Oligonucleotides so that they can be used to detect nucleic acids.
  • the capture molecules 310 can also be proteins such as antibodies or, for example, the so-called protein A.
  • the detection unit 309 is connected to the transistor 302 of the evaluation circuit via a conductive connection 311, e.g. coupled with a gold or copper track.
  • a conductive connection 311 e.g. coupled with a gold or copper track.
  • the coupling with the source / drain region 305 takes place. Alternatively, the coupling can also take place via the gate region 302.
  • the biosensor 300 has a compartment 312 made of a polymer such as poly (meth) acrylate, i.e. Plexiglass can exist. This compartmentalization separates the detection unit with the associated sample / reaction space 313 from the evaluation circuit.
  • FIG. 3b shows a top view of a further embodiment of the biosensor 300.
  • a transistor 302 of the evaluation circuit which is constructed as described above with at least one layer with a semiconducting organic material, is shown on the substrate 301.
  • the transistor is connected via an electrically conductive connection 311, which consists of gold, to a ring electrode serving as detection unit 309.
  • an electrically conductive connection 311, which consists of gold to a ring electrode serving as detection unit 309.
  • FIG. 3b there are further components 314 of the detection unit, which include both transistors 302 and e.g. Diodes or resistors with semiconducting organic layers can be shown schematically.
  • FIG. 6 illustrates a further embodiment of the biosensor.
  • FIG. 6 a shows a sectional view of the biosensor 600, in which transistors 602 with a structure of the invention analogous to the embodiment of FIG. 3a are applied to a glass substrate 601.
  • the transistors 602 form part of the schematically illustrated evaluation circuit 603 (cf. FIG. 6b).
  • One of the transistors 602 is connected via an electrically conductive material 604, such as a copper track or a layer of PEDOT / PSS, to a ring electrode 605, which serves as a detection unit and unit for immobilization.
  • FIG. 7 shows another embodiment of the biosensor of the invention.
  • transistors 702 with a structure corresponding to FIG. 3
  • an evaluation circuit 704 and detection and immobilization units 703 designed as electrodes are applied to a substrate 701 made of polyethylene naphthalate.
  • the evaluation circuit is connected to the detection units via an electrically conductive material 705.
  • the biosensor 700 has a lockable microfluidic chamber 706 with a cover 707 and a side wall 708, which encloses one or more of the detection units 703.
  • a reference electrode made of silver or Ag / AgCl (not shown) can be integrated into the side wall 708 of the microfluidic chamber 706.
  • Chamber 706 further includes a port 709 for a microfluidic pumping system, i.e. a system with which (small) liquid volumes in the ⁇ l range or smaller can be transferred into the chamber 706 and onto the detection units 703.
  • the biosensor 800 is made of a substrate 801 Polystyrene applied an evaluation circuit 802 made of polymer transistors (ie transistors with at least one layer with an organic semiconducting material).
  • the evaluation circuit 802 is coupled to the detection unit 803, which is designed as an array of electrodes made of gold, via a conductive connection 804.
  • the electrodes also serve as immobilization units.
  • the biosensor 900 has a substrate 901 made of polyethylene naphthalate.
  • a multiplicity of electrodes as detection units 902, which at the same time function as units for immobilization, with a coupled evaluation circuit 903 are applied to the substrate 901 in a regular arrangement.
  • the biosensor 900 is preferably used for the parallel detection of a large number of macromolecular biopolymers.
  • the biosensor 1000 has a substrate
  • the photodiode 1002 consists of an ITO electrode
  • ITO-coated PEN substrates are commercially available
  • a poly (phenyl-vinylene) polymer and C 50 are commercially available
  • the top electrode is made of aluminum (an overview of the spectral sensitivities when choosing the appropriate one
  • the biosensor 1000 is used for the detection of macromolecular biopolymers by means of an optical detection signal, for example by means of fluorescent radiation, which is generated by a fluorophore as a marker.
  • a material such as gold can be applied to an area of the photodiode that serves as a unit for immobilizing macromolecular biopolymers.
  • the excitation wavelength of the fluorescent dye is usually orders of magnitude higher than the intensity of the emitted fluorescent radiation
  • the excitation wavelength will preferably be masked out during detection.
  • a filter layer is formed on at least a partial area of the sensor or on a photodiode.
  • organic molecules disclosed here has the advantage that the spectral sensitivity of the photodiode can be modified over the entire spectral range by material and diode structure (for literature, see e.g. [23]).
  • fluorescent dye e.g. oc-RED excitation 488 nm, emission 670 nm; PE-Cy7 excitation 488 nm,
  • a suitable semiconducting organic polymer e.g. PPV (poly-p-phenylene vinylene)) or molecule (PV oligomers, fluorine derivatives and others) can be found from which the sensor diode can be built.
  • PPV poly-p-phenylene vinylene
  • PV oligomers, fluorine derivatives and others can be found from which the sensor diode can be built.
  • organic dyes nitro and nitroso, azo, di- and triarylmethane, xanthene, acridine, phenoxazine, phenothiazine, phenazine, indigo dyes
  • additional optical filter layer which is applied to the entire carrier, a region of the carrier or only to the photodiode itself, allows the photodiode to be further shielded from the excitation wavelength.
  • the optical density can be infinitely adjusted by the concentration of the dye in the polymer layer. Mixtures of dyes are also suitable.
  • the present invention opens the way to a widely applicable and at the same time inexpensive biosensor.

Abstract

Disclosed is a biosensor for detecting macromolecular biopolymers. Said biosensor is embodied as a sensor comprising at least one unit which immobilizes macromolecular biopolymers, at least one unit detecting a detection signal by means of which the existence of macromolecular biopolymers is indicated, and an evaluation circuit for the signal, which is coupled to the detection unit. Said evaluation circuit is provided with at least one component comprising a semi-conducting layer that contains an organic material.

Description

Beschreibung description
BIOSENSOR ZUM ERFASSEN VON MAKROMOLEKULAREN BIOPOLYMEREN UND VERFAHREN ZU DESSE N HERSTELLUNG B I OSENS OR TO M ERFA S SE N macromolecular biopolymers AND METHOD Z U N DESSE PREPARATION
Die Erfindung betrifft einen Biosensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren und ein Verfahren zur Herstellung eines Biosensors zum Erfassen von 0 makromolekularen Biopolymeren.The invention relates to a biosensor for detecting macromolecular biopolymers and a method for producing a biosensor for detecting 0 macromolecular biopolymers.
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 5 Humanen Genom-Pro 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 0 exprimierten Gene oder die entsprechenden Proteine untersucht und nachgewiesen werden.Knowledge of the molecular and biochemical basics e.g. The decoding of human genes as part of the 5 Human Genome Project has increased by leaps and bounds 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 certain point in time or the corresponding proteins are examined and detected.
Für die Untersuchung z.B. des Ξxpressionsmusters einer Zelle anhand von Nukleinsäuren oder allgemein zum Nachweis von 5 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. einigen 10, 100 oder 1000 0 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 Trägersubstrates 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 5 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, a few 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) is then mixed with a Fluorescent dye contains labeled nucleic acids, pumped over this surface. In this case, nucleic acids with capture molecules complementary to them can form double-stranded hybrid molecules on the surface of the carrier substrate. 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 erfasst werden, die auf der Immobilisierung eines Fängermoleküls auf einer Oberfläche eines beliebigen Substrates z.B. aus Glas, Siliziumdioxid, anderen Oxiden, Metal oder Kunstoffen, z.B. Kohlenwasserstoffen wie Po.lyethylen, Polypropylen oder Polystyrol, Polyestern wie Polyethylennaphthalat oder -terephthalat , Polycarbonaten, Polyurethanen, Polyacrylaten, Epoxidharze, biologisch abbaubaren Polylactaten, hochtemperaturstabilen Kunststoffen, wie Polyimiden, Polybenzoxazolen oder -imidazolen beruhen, . Geeignet sind auch jegliche Verbundwerkstoffe, wie glasfaserverstärkte Epoxidharze oder beschichtete Metalloberflächen. 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 based on the immobilization of a capture molecule on a surface of any substrate e.g. made of glass, silicon dioxide, other oxides, metal or plastics, e.g. Hydrocarbons such as polyethylene, polypropylene or polystyrene, polyesters such as polyethylene naphthalate or terephthalate, polycarbonates, polyurethanes, polyacrylates, epoxy resins, biodegradable polylactates, plastics which are stable at high temperatures, such as polyimides, polybenzoxazoles or imidazoles, are based. Any composite materials, such as glass fiber reinforced epoxy resins or coated metal surfaces, are also suitable. 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 positionsspezifisch bzgl. der Position auf dem Chip, von der das Signal stammt, erfasst werden können. Ferner sind diese Verfahren auch deshalb nachteilig, weil die Fluoreszenzstrahlung durch externe Spektrometer nachgewiesen wird. Diese sind teuer und aufwändig im Betrieb.These optical methods are generally very complex, since, for example, a very precise adjustment of the detection means for detecting the emitted light beams is required so that these light beams are position-specific with respect to the Position on the chip from which the signal originates can be detected. These methods are also disadvantageous because the fluorescence radiation is detected by external spectrometers. 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 Substrat- Oberflächen als auch das Nachbearbeiten der dabei entstehenden Fluoreszenzbilder der reaktiven Oberflächen. Man erhält statt dessen direkt ein elektrisches 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. As a result, there is no longer any need for the complex optical arrangement (laser, scanner, adjustment devices) for reading out the substrate surfaces, or for reworking the resulting fluorescence images of the reactive surfaces. Instead, you get an electrical signal that can be graphically displayed and processed.
So ist z.B. aus [5] ein Verfahren zum Erfassen von DNA- Molekülen bekannt, bei dem zur Erfassung Biosensoren eingesetzt werden, die auf Elektrodenanordnungen beruhen.For example, from [5] a method for the detection of 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 mit Hilfe der sogenannten Gold-Thiol- Bindung. Auf den Elektroden 201, 202 ist der zu untersuchende Analyt 207, aufgebracht. Der Analyt kann dabei beispielsweise eine elektrolytische Lösung mit verschiedenen DNA-Moleküle sein. Die Ankopplung der DNA-Moleküle ist jedoch nicht auf die Gold-Thiol-Bindung beschränkt, sondern es kann prinzipiell jede starke Metall-Ligandkopplung ausgenutzt werden (Ni-Amin-Liganden, Mo-Schwefel oder Mo-Phosphor etc.)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 with the help of the so-called gold-thiol bond. The analyte 207 to be examined is applied to the electrodes 201, 202. The analyte can, for example be an electrolytic solution with different DNA molecules. However, the coupling of the DNA molecules is not limited to the gold-thiol bond, but in principle any strong metal-ligand coupling can be used (Ni-amine ligands, Mo-sulfur or Mo-phosphorus, etc.)
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 only takes place if the sequences of the respective DNA probe molecule 206 and the corresponding DNA strand 208 are complementary to one another. If this is not the case, no hybridization takes place. Thus, a DNA probe molecule of a given sequence is only able to bind a specific one, namely the DNA strand with a complementary sequence, i.e. to hybridize with it.
Findet eine Hybridisierung statt, wie in Fig.2b ersichtlich, so verändert sich neben anderen elektrischen Parametern auch die Kapazität zwischen den Elektroden. Diese Änderung der Kapazität kann als Messgröße für die Erfassung von DNA-If hybridization takes place, as can be seen in FIG. 2b, the capacitance between the electrodes changes in addition to other electrical parameters. This change in capacity can be used as a measurement for the detection of DNA
Molekülen herangezogen werden.Molecules are used.
Weiterhin sind Sensoren bekannt, bei denen ein Reduktions- /Oxidations-Recycling-Verfahren zum Erfassen makromolekularer Biopolymere verwendet wird (vgl. z.B. [6, 7]. Dieses Reduktions-/Oxidations-Recycling-Verfahren, im weiteren auch als Redox-Recycling-Verfahren bezeichnet, wird anhand der folgenden Fig.4a bis Fig.4c näher erläutert. Fig.4a zeigt einen Biosensor 400 mit einer ersten Elektrode 401 und einer zweiten Elektrode 402, die auf einem Substrat 403 als Isolatorschicht aufgebracht sind.Furthermore, sensors are known in which a reduction / oxidation recycling method is used to record macromolecular biopolymers (cf., for example, [6, 7]. This reduction / oxidation recycling process, hereinafter also referred to as the redox recycling process, is explained in more detail with reference to the following FIGS. 4 a to 4 c. 4a shows a biosensor 400 with a first electrode 401 and a second electrode 402, which are applied to a substrate 403 as an insulator layer.
Auf der ersten Elektrode 401 aus Gold ist ein Haltebereich, ausgestaltet als Halteschicht 404, aufgebracht. Der Haltebereich dient zum Immobilisieren von DNA-Sondenmolekülen 405 auf der ersten Elektrode 401.A holding area, designed as a holding layer 404, is applied to the first electrode 401 made of gold. The holding area serves to immobilize DNA probe molecules 405 on the first electrode 401.
Auf der zweiten Elektrode ist kein solcher Haltebereich vorgesehen.No such holding area is provided on the second electrode.
Sollen mittels des Biosensors 400 DNA-Stränge mit einer Sequenz erfasst werden, die komplementär zu der Sequenz der DNA-Sondenmoleküle 405 ist, so wird der Sensor 400 mit einer zu untersuchenden Lösung 406, derart in Kontakt gebracht, dass in der zu untersuchenden Lösung 406 eventuell enthaltene DNA-Stränge mit der komplementären Sequenz zu der Sequenz der DNA-Sondenmoleküle 405 hybridisieren können.If 400 strands of DNA are to be detected by means of the biosensor with a sequence that is complementary to the sequence of the DNA probe molecules 405, the sensor 400 is brought into contact with a solution 406 to be examined such that in the solution to be examined 406 any DNA strands contained can hybridize with the complementary sequence to the sequence of the DNA probe molecules 405.
Fig.4b zeigt den Fall, dass in der zu untersuchenden Lösung 406 die zu erfassenden DNA-Stränge 407 enthalten sind und an die DNA-Sondenmoleküle 405 hybridisiert sind.4b shows the case in which the DNA strands 407 to be detected are contained in the solution 406 to be examined and are hybridized to the DNA probe molecules 405.
Die DNA-Stränge 407 in der zu untersuchenden Lösung sind mit einem Enzym 408 markiert, mit dem es möglich ist, im weiteren beschriebene Moleküle in Teilmoleküle zu spalten.The DNA strands 407 in the solution to be examined are marked with an enzyme 408, with which it is possible to cleave the molecules described below into partial molecules.
Üblicherweise ist eine erheblich größere Anzahl von DNA- Sondenmolekülen 405 vorgesehen, als zu ermittelnde DNA- Stränge 407 in der zu untersuchenden Lösung 406 enthalten sind.Usually, a significantly larger number of DNA probe molecules 405 is provided than DNA samples to be determined. Strands 407 are contained in the solution 406 to be examined.
Nachdem die in der zu untersuchenden Lösung 406 eventuell enthaltenen DNA-Stränge 407 mit dem Enzym 408 mit den immobilisierten DNA-Sondenmolekülen hybridisiert haben, erfolgt eine Spülung des Biosensors 400, wodurch die nicht hybridisierten DNA-Stränge entfernt werden und der Biosensor 400 von der zu untersuchenden Lösung 406 gereinigt wird.After the DNA strands 407 possibly contained in the solution 406 to be examined have hybridized with the enzyme 408 with the immobilized DNA probe molecules, the biosensor 400 is rinsed, as a result of which the non-hybridized DNA strands are removed and the biosensor 400 from it investigating solution 406 is cleaned.
Dieser zur Spülung verwendeten Spüllösung oder einer in einer weiteren Phase eigens zugeführten weiteren Lösung 412 wird eine elektrisch ungeladene Substanz beigegeben, die Moleküle 409 enthält, die durch das Enzym an den hybridisierten DNA- Strängen 407 in ein erstes Teilmolekül einer negativen ersten elektrischen Ladung und in ein zweites Teilmolekül einer positiven zweiten elektrischen Ladung gespalten werden können .An electrically uncharged substance is added to this rinsing solution used for rinsing or to another solution 412 which is supplied in a further phase and contains molecules 409 which, by means of the enzyme on hybridized DNA strands 407, result in a first sub-molecule of a negative first electrical charge and in a second sub-molecule of a positive second electrical charge can be split.
Die negativ geladenen Teilmoleküle werden, wie in Fig.4c gezeigt ist, zu der positiv geladenen Anode gezogen, wie durch den Pfeil 411 in Fig.4c angedeutet ist.As shown in FIG. 4c, the negatively charged partial molecules are drawn to the positively charged anode, as indicated by arrow 411 in FIG. 4c.
Die negativ geladenen ersten Teilmoleküle 410 werden an der ersten Elektrode 401, die als Anode ein positives elektrisches Potential aufweist, oxidiert und werden als oxidierte Teilmoleküle 413 an die negativ geladene Kathode, d.h. die zweite Elektrode 402 gezogen, wo sie wieder reduziert werden.The negatively charged first partial molecules 410 are oxidized on the first electrode 401, which has a positive electrical potential as the anode, and are oxidized as the oxidized partial molecules 413 on the negatively charged cathode, i.e. pulled the second electrode 402 where they are reduced again.
Die reduzierten Teilmoleküle 414 wiederum wandern zu der ersten Elektrode 401, d.h. zu der Anode. Auf diese Weise wird ein elektrischer Kreisstrom generiert, der näherungsweise proportional ist zu der Anzahl der jeweils durch die Enzyme 408 erzeugten Ladungsträger.The reduced sub-molecules 414 in turn migrate to the first electrode 401, ie to the anode. In this way, an electrical circuit current is generated which is approximately proportional to the number of charge carriers generated by the enzymes 408 in each case.
Der elektrische Parameter, der bei dieser Methode ausgewertetThe electrical parameter that is evaluated with this method
wird, ist die Änderung des elektrischen Stroms — als dtis the change in electrical current - as dt
Funktion der Zeit t, wie dies in dem Diagramm 500 in Fig.5 dargestellt ist.Function of time t, as shown in diagram 500 in FIG. 5.
Die für die vorstehenden Verfahren eingesetzten Biosensoren basieren 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 gegenüber passiven Varianten herzustellen.The biosensors used for the above processes are based on substrates / chips which are produced from inorganic semiconducting materials such as silicon. The semiconducting material can either be used as a pure carrier material for the sensors, or integrated circuits are used in the semiconductor manufacturing process in addition to detection units such as electrodes, e.g. 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. With this e.g. enable active sensors with a significantly smaller sensor area and / or significantly higher sensitivity to passive variants to be manufactured.
Allerdings sind zur Herstellung solcher aktiven Halbleiter- Sensoren relativ 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 mögliche chemische/biologische Querkontamination der genutzten Flächen von Versuch zu Versuch und daraus resultierende falsche Ergebnisse ausschließen will.However, relatively 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 only once is used and should therefore be inexpensive. One reason for the one-time use of sensors is that one wants to exclude possible chemical / biological cross-contamination of the used areas from trial to trial and the resulting wrong 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 Wegfall z.B. eines CMOS-Prozesses verringert zwar die Herstellungskosten solcher Biosensoren gegenüber aktiven Halbleiter-Chips. Allerdings können solche Sensoren grundsätzlich nicht die Leistungsfähigkeit von Sensoren mit aktiven Chips erreichen. Ferner sind die Anforderungen an die für Betrieb und Auslesung erforderlichen externen Geräte wesentlich größer, und die Störungsanfälligkeit durch eingestrahlte elektromagnetischer Strahlung z.B. durch in der Nähe befindlicher Netzteile handelsüblicher elektronischer Geräte ist größer.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 elimination e.g. a CMOS process reduces the manufacturing costs of such biosensors compared to active semiconductor chips. However, such sensors cannot fundamentally achieve the performance of sensors with active chips. Furthermore, the requirements for the external devices required for operation and reading are much greater, and the susceptibility to interference due to irradiated electromagnetic radiation e.g. due to nearby power supplies of commercially available electronic devices is larger.
Eine andere Möglichkeit, die z.B. der sogenannte eSENSOR 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 der 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 das 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.Another possibility, which is used, for example, by the Motorola eSENSOR, is to apply gold electrodes to 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 printed circuit board, where contacts are located. 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 the reading device makes a difference in the reading current between them Can detect electrodes on which a reaction has taken place and those on whose surface 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 auf dem Sensor stattfindet. Darüber hinaus müssen die Elektrodenflächen relativ groß sein, um ein messbares und vor allem vom Sensor ableitbares Signal zu erhalten.The 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 in which signal processing takes place on the sensor. In addition, the electrode areas must 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 sample volumes available, such sensors are therefore poor, if at all suitable.
[24] offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Biosensors mit planarisierter Fläche, welche die Gefahr des Einreißens von biologischen oder biochemischen Membranen verhindert.[24] discloses a method for producing a biosensor with a planarized surface, which prevents the risk of tearing of biological or biochemical membranes.
[25] offenbart ein Verfahren zum Verbessern der[25] discloses a method for improving the
Leistungsfähigkeit von organischen Dünnschichttransistoren.Performance of organic thin film transistors.
[26] offenbart ein Chlorid-freies Verfahren zum Herstellen von Alkylsilanen, geeignet für mikroelektronische Anwendungen . [27] offenbart einen Messschaltkreis mit einem Biosensor unter Verwendung eines Ionen-sensitiven Feldeffekttransistors .[26] discloses a chloride-free process for the production of alkylsilanes, suitable for microelectronic applications. [27] discloses a measuring circuit with a biosensor using an ion-sensitive field effect transistor.
[28] offenbart einen Ionensensor mit einem[28] 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.
[29] offenbart einen Gegenstand mit einem organischen Dünnschicht-Transistor .[29] discloses an object with an organic thin film transistor.
[30] offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer integrierten CMOS-Schaltung mit einem ISFET und mit einem Auswertungs-MISFET in Polysiliziumtechnologie .[30] discloses a method of manufacturing a CMOS integrated circuit with an ISFET and with an evaluation MISFET in polysilicon technology.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen alternativen Sensor für die Erfassung von makromolekularen Biopolymeren bereitzustellen .The problem underlying the invention is to provide an alternative sensor for the detection of macromolecular biopolymers.
Das Problem wird durch den Biosensor und das Verfahren zur Herstellung eines Biosensors mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.The problem is solved by the biosensor and the method for producing a biosensor with the features according to the independent patent claims.
Ein solcher Biosensor zum Erfassen von makromolekularenSuch a biosensor for the detection of macromolecular
Biopolymeren ist ein Sensor mit mindestens einer Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren, mit mindestens einer Erfassungseinheit zum Erfassen eines Detektionssignals, mit dem die Existenz makromolekularer Biopolymere angezeigt wird, sowie mit einer mit derBiopolymer is a sensor with at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers, with at least one detection unit for detecting a detection signal with which the existence of macromolecular biopolymers is indicated, and with one with
Erfassungseinheit gekoppelten Auswerteschaltung für das Signal, wobei die Auswerteschaltung mindestens ein Bauelement mit einer halbleitenden Schicht mit einem organischen Material aufweist.Detection unit coupled evaluation circuit for the signal, the evaluation circuit at least one component having a semiconducting layer with an organic material.
Einfach ausgedrückt beruht das vorliegende Verfahren auf der Erkenntnis, dass die Verwendung von elektrischen Bauelementen mit mindestens einer halbleitenden Schicht mit einem organischen Material, z.B. einer Schicht mit einem organischen halbleitenden Material, in einer Auswerteschaltung eine Reihe von Vorteilen birgt. So können derartige Sensoren mit erheblich geringerem prozesstechnischen Aufwand hergestellt werden als Sensoren auf Basis anorganischer Halbleiter. Die Anzahl der erforderlichen Prozessschritte kann von etwa 300 für Sensoren auf Siliziumbasis auf ca. 50 bei den vorliegenden Sensoren verringert werden. Andererseits bietet der Einsatz einer auf dem Sensor befindlichen Auswerteschaltung den Vorteil der „On-ChipλV-Signalverarbeitung, die eine hohe Empfindlichkeit beim Messen durch aktive elektrische Komponenten in unmittelbarer Nähe der Erfassungseinheiten bietet. Im Vergleich zu Sensoren auf Basis eines anorganischenIn simple terms, the present method is based on the knowledge that the use of electrical components with at least one semiconducting layer with an organic material, for example a layer with an organic semiconducting material, has a number of advantages in an evaluation circuit. Such sensors can be manufactured with considerably less process engineering effort than sensors based on inorganic semiconductors. The number of process steps required can be reduced from approximately 300 for silicon-based sensors to approximately 50 for the sensors present. On the other hand, the use of an evaluation circuit located on the sensor offers the advantage of “on-chip λV signal processing, which offers high sensitivity when measuring by active electrical components in the immediate vicinity of the detection units. Compared to sensors based on an inorganic
Halbleiters wie Silizium, die ebenfalls eine on-Chip- Signalverarbeitung ermöglichen, ist die Produktion des Biosensor der Erfindung allerdings wesentlich preisgünstiger. Die vorliegende Erfindung eröffnet somit den Weg zu einem Sensor, der aufgrund der Kostensituation als Einwegprodukt eingesetzt werden kann.Semiconductors such as silicon, which also enable on-chip signal processing, are, however, much cheaper to produce the biosensor of the invention. The present invention thus opens the way to a sensor that can be used as a disposable product due to the cost situation.
Die halbleitende Schicht des Bauelements kann eine Schicht sein, die ein organisches inertes Polymermaterial als ein (elektrisch inertes) Matrixmaterial aufweist, in das anorganische halbleitende Partikel eingebettet sind. Bei dieser 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.The semiconducting layer of the component can be a layer which has an organic inert polymer material as an (electrically inert) matrix material, in which inorganic semiconducting particles are embedded. With this layer, the semiconductor properties are consequently fulfilled by inorganic semiconducting materials. there 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 [10] 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 [10], 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.
Die Schicht, in die die anorganischen halbleitenden Partikel in ein organisches Matrixmaterial eingebettet sind, kann ferner ein unterstützendes halbleitendes organisches Material (als Matrixmaterial) enthalten. Dieses Material können die oben genannten organischen halbleitende 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.-%.The layer in which the inorganic semiconducting particles are embedded in an organic matrix material can also contain a supporting semiconducting organic material (as matrix material). This material can be 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 be contained 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.
Zum anderen kann die halbleitende Schicht des Bauelements der Auswerteschaltung ein organisches halbleitendes Material aufweisen, d.h. in diesem Fall werden dieOn the other hand, the semiconducting layer of the component of the evaluation circuit can have an organic semiconducting material, i.e. in this case the
Halbleitereigenschaften des Schicht durch das organischeSemiconductor properties of the layer through the organic
Material bewirkt. Hierbei sei angemerkt, dass die nachfolgend für diesen Zweck offenbarten organischen Halbleitermaterialien auch in eine anorganischeMaterial causes. It should be noted here that the organic semiconductor materials disclosed below for this purpose can also be converted into an inorganic one
Halbleitermaterialien enthaltende Matrix aufgenommen werden können .Matrix containing semiconductor materials can be included.
In folgenden wird die Erfindung weitestgehend unter Bezugnahme auf Bauelemente mit Schichten, die ein organisches halbleitendes Material aufweisen, erläutert. Die dort gemachten Aussagen treffen selbstverständlich auch für ein Bauelement zu, das eine Schicht aus organischem Matrixmaterial und darin eingebetteten anorganische Halbleiterpartikeln aufweist.In the following, the invention is largely explained with reference to components with layers which have an organic semiconducting material. Of course, the statements made there also apply to a component that has a layer of organic matrix material and inorganic semiconductor particles embedded therein.
Das Bauelement der Auswerteschaltung mit der organischen halbleitenden Schicht kann sowohl ein passives Bauelement wie ein Widerstand oder ein Kondensator als auch ein aktives Bauelement wie eine Diode oder ein Transistor sein.The component of the evaluation circuit with the organic semiconducting layer can be a passive component such as a resistor or a capacitor as well as an active component such as a diode or a transistor.
Selbstverständlich kann die Auswerteschaltung auch mehrere passive und/oder aktive Bauelemente mit zumindest einer organischen Schicht aufweisen. Eine solche Diode kann z.B. nur eine Schicht mit einem n- oder p- halbleitenden organischen Material oder sowohl eine Schicht aus einem n-leitenden und eine Schicht aus einem p- leitenden organischen Halbleitermaterial aufweisen (vgl. [11, 12]). Als p-halbleitendes organisches Material kann z.B. das Polymer Polyvinylcarbazol (vgl. [11]), Polythiophen, insbesondere die regioregulären Vertreter, wie RR-Poly-3- hexyl-thiophen oder RR-Poyl-3-octyl-thiophen, Phthalocyanine wie Kupferphthalocyanin 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 Amidoderivate des Naphthalintetracarbonsäuredianhydrids oder fluorierte Derivate des Phthalocyanins oder Thiophens wie z.B. Bis (N-l , 1-Dihydro-pentadecafluorooctyl ) naphthalin- bisimid bzw. Bis (N-l, 1-Dihydroheptafluoroproyl) naphthalin- bisimid [13] oder Hexadecaflurokupferphthalocyanine [14].Of course, the evaluation circuit can also have a plurality of passive and / or active components with at least one organic layer. Such a diode can, for example, have only one layer with an n- or p-semiconducting organic material or both a layer of an n-type and a layer of a p-type organic semiconductor material (cf. [11, 12]). Examples of suitable p-semiconducting organic materials are the polymer polyvinylcarbazole (cf. [11]), polythiophene, especially the regional regulators, such as RR-poly-3-hexyl-thiophene or RR-poly-3-octyl-thiophene, phthalocyanines such as copper phthalocyanine or p-semiconductors based on condensed aromatic ring systems such as pentazene, anthracene or tetracene can be used. Suitable n-semiconducting organic materials are based, for example, on electron-poor aromatic compounds. Examples are the amido derivatives of naphthalene tetracarboxylic acid dianhydride or fluorinated derivatives of phthalocyanine or thiophene such as, for example, bis (Nl, 1-dihydropentadecafluorooctyl) naphthalene bisimide or bis (Nl, 1-dihydroheptafluoroproyl) naphthalene 14-bisadferlafine [13].
Widerstände oder Kondensatoren mit organischen halbleitenden Materialien können z.B. analog zu den in Fig.4 bzw. Fig.6 von [11] beschriebenen Widerständen oder Kondensatoren aufgebaut sein. Diese (passiven) Bauelemente können, wie in [11] beschrieben, mit Hilfe von InkJet-Techniken hergestellt werden. Ganz allgemein können diese aber auch durch Standardlithographie- und Metallisierungsverfahren 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 [11]. As described in [11], these (passive) components can be manufactured using inkjet techniques. In general, however, these can also be produced using standard lithography and metallization processes.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Biosensors ist das mindestens eine Bauelement der Auswerteschaltung ein Transistor. Dabei ist ein Transistor bevorzugt, bei dem die Schicht mit dem organisch halbleitenden Material den Body- Bereich des Transistors bildet. Insbesondere wird für die Auswerteschaltung ein Transistor bevorzugt, der ein organischer Dünnfilm-Transistor ist. Unter dem Body-Bereich wird dabei der Bereich verstanden, in dem sich der Kanal des Transistors ausbilden kann.In a preferred embodiment of the biosensor, the at least one component of the evaluation circuit is a transistor. A transistor is preferred in which the layer with the organic semiconducting material Area of the transistor forms. In particular, a transistor is preferred for the evaluation circuit, which is an organic thin film transistor. The body area is understood to mean the area in which the channel of the transistor can form.
Derartige Transistoren sind prinzipiell z.B. aus [15] bis [17] bekannt. Sie können zum einen Transistoren sein, bei denen lediglich eine Schicht mit halbleitendem organischen Material vorhanden ist, wie die z.B. in [15] und [16] beschriebenen .Such transistors are principally e.g. known from [15] to [17]. On the one hand, they can be transistors in which there is only one layer with semiconducting organic material, such as e.g. described in [15] and [16].
Bei diesen Transistoren ist auf einem geeigneten Substrat zunächst eine metallische Gate-Elektrode (z.B. aus Nickel) aufgebracht (vgl. Fig.l), über der sich eine Schicht aus einem Dielektrikum sowie die Kontakte 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 dielektrischenWith these transistors, a metallic gate electrode (e.g. made of nickel) is first applied to a suitable substrate (see Fig. 1), over which there is a layer made of a dielectric and the contacts 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 make the layer of the dielectric out of or with a dielectric
Kunststoffmaterial wie Polyvinylphenol, Polyvinylidenfluorid etc. oder Polyvinylalkohol auszubilden. Die Kontakte (Elektroden) für Source und Drain können beispielsweise aus Palladium oder Platin hergestellt sein. Zwischen Source und Drain befindet sich (als einzige organische elektrisch aktive Schicht) eine Schicht aus dem organischen Halbleiter Pentazen, die folglich den0 Body- /Kanalbereich des Transistors bildet. Gegebenenfalls kann über dieser halbleitenden Schicht eine Passivierungsschicht aus einem elektrisch isolierenden anorganischem Material wieForm plastic material such as polyvinylphenol, polyvinylidene fluoride etc. or polyvinyl alcohol. The contacts (electrodes) for source and drain can be made of palladium or platinum, for example. Between source and drain is located (as a single organic electrically active layer), a layer of the organic semiconductor, pentacene, which consequently forms the body- 0 / channel region of the transistor. If necessary, a passivation layer made of an electrically insulating inorganic material such as
Siliziumdioxid oder einem isolierenden Polymermaterial wie Polyvinylalkohol, Polyvinylphenol, Polyvinylidenfluorid etc. ausgebildet sein. Die Transistoren können jedoch auch vollständig aus organischen Materialien, vorzugsweise organischen Polymer- und Oligomer-Materialien gebildet werden.Silicon dioxide or an insulating polymer material such as polyvinyl alcohol, polyvinylphenol, polyvinylidene fluoride, etc. may be formed. However, the transistors can also be formed entirely from organic materials, preferably organic polymer and oligomer materials.
So können z.B. wie in [17] beschrieben, auf einem Substrat Source, Gate und Drain-Elektrode aus einem elektrisch leitenden Polymermaterial wie Poly (3 , 4-ethylendioxythiophen) , das mit Polystryolsulfonsäure (PEDOT/PSS) dotiert ist, bestehen. Der Body-Bereich kann wiederum z.B. aus Pentazen oder einem Oligomermaterial wie Poly (9, 9-dioctylfluoren-co- bithiophen) (F8T2) hergestellt sein.For example, as described in [17], on a substrate source, gate and drain electrode made of an electrically conductive polymer material such as poly (3,4-ethylenedioxythiophene) doped with polystyrene sulfonic acid (PEDOT / PSS). The body area can in turn, e.g. be made from pentazene or an oligomer material such as poly (9, 9-dioctylfluorene-cobithiophene) (F8T2).
Die Schicht des Gate-Dielektrikums sowohl dieser 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 synthetische Kunststoffe wie Epoxidharze, Polyalkylene wie Polyethylen- oderThe layer of the gate dielectric of both these 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 synthetic plastics such as epoxy resins, polyalkylenes such as polyethylene or
Polypropylenharze, Polyvinylalkohole, Polystyrole, Polyurethane, Polyimide, Polybenzoxazole, Polythiazole, Polyether, Polyetherketone, Polyacrylate, Polyterephthalate, Polyethylennaphthalat, Polycarbonate aller Art und andere bekannte derartige Kunststoffe, wie sie beispielsweise inPolypropylene resins, polyvinyl alcohols, polystyrenes, polyurethanes, polyimides, polybenzoxazoles, polythiazoles, polyethers, polyether ketones, polyacrylates, polyterephthalates, polyethylene naphthalate, polycarbonates of all types and other known plastics of this type, as described, for example, in
[18] 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.[18] are described. 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.
Die Verwendung von Transistoren, die zum Teil oder vollständig aus organischen Materialien bestehen, bietet den Vorteil, dass sie und somit auch entsprechenden Schaltungen durch Drucktechniken wie Tintenstrahldruck hergestellt werden können, was eine erhebliche Vereinfachung des Herstellungsprozesses sowie eine Verringerung der Kosten mit sich bringt.The use of transistors, which consist partly or completely of organic materials, offers the The advantage that they and therefore also the corresponding circuits can be produced by printing techniques such as inkjet printing, which considerably simplifies the manufacturing process and also reduces the costs.
Darüber hinaus bietet die Verwendung derartiger Transistoren gegenüber den gängigen Silizium-Transistoren die Möglichkeit hoher Betriebsspannungen von z.B. > 10 V. Dies ist bei dem hier offenbarten Biosensor insofern von Vorteil, als dadurch elektrophoretische Prozesse bei der Erfassung der makromolekularen Biopolymere ausgenutzt werden können, wobei die dafür benötigten Spannungen von den zur Verfügung stehenden Bauelementen problemlos gehandhabt werden können, da diese auch mit relativ hohen Spannungen arbeiten. Dies ist z.B. bei den Standard-Transistoren in modernen CMOS-Prozessen nicht mehr der Fall, die Betriebsspannungen für die Standarddevices liegen dort unterhalb von 2 V.In addition, the use of such transistors offers the possibility of high operating voltages of, for example, conventional silicon transistors. > 10 V. This is advantageous in the case of the biosensor disclosed here in that it enables electrophoretic processes to be used in the detection of the macromolecular biopolymers, the voltages required for this being able to be handled easily by the available components, since these can also be used relatively high voltages. This is e.g. no longer the case with standard transistors in modern CMOS processes, the operating voltages for the standard devices are below 2 V.
Mit Hilfe der Elektrophorese kann z.B. auf planaren Sensoren die Anreicherung und (Auf) -Konzentration von Biomolekülen in der Nähe der Elektrodenflächen betrieben werden und damit auch die z.B. für den Vorgang der Hybridisierung notwendige Zeitdauer signifikant verkürzt werden. Sofern der Hybridisierungsvorgang auf planaren Biosensoren ausschließlich diffusionsgesteuert abläuft, sind Hybridisierungszeiten bis zu einigen Tagen bekannt, so dass dieser Vorgang in der Tat einen wesentlichen Zeitfaktor darstellt und der vorliegende Biosensor einen Vorteil gegenüber konventionellen Sensoren aufweist.With the help of electrophoresis e.g. The enrichment and (up) concentration of biomolecules in the vicinity of the electrode surfaces are operated on planar sensors and thus the e.g. the time required for the hybridization process to be significantly reduced. If the hybridization process on planar biosensors is exclusively diffusion-controlled, hybridization times of up to a few days are known, so that this process is in fact an essential time factor and the present biosensor has an advantage over conventional sensors.
Als organisches halbleitendes Material kann bei dem hier beschriebenen Biosensor prinzipiell jedes organische Material eingesetzt werden, das elektrische Eigenschaften und Verhalten eines Halbleiter-Materials zeigt. 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.In principle, any organic material can be used as an organic semiconducting material in the biosensor described here can be used that shows electrical properties and behavior of a semiconductor material. Preferably the semiconducting organic material is 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 molekulares System sind die Fullerene wie C60-, C7o~, C76- (Buckminster) -Fullerene. Ein Beispiel für geeignete Derivate eines der oben genannten Materialien sind das zuvor schon genannte Poly (9 , 9-dioctylfluoren-co-bi hiophen) oder Poly (3- alkyltiophene) wie Poly (3-hexylthiophen) oder Poly (3- octylthiophen) . Ein 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 oderAnother example of a molecular system in monomer form are the fullerenes such as C 60 -, C 7 o ~, C 7 6- (Buckminster) fullerenes. An example of suitable derivatives of one of the above materials are the aforementioned poly (9, 9-dioctylfluorene-co-bi hiophene) or poly (3-alkyl tiophene) such as poly (3-hexylthiophene) or poly (3-octylthiophene). An example 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.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Biosensors besteht die gesamte Auswerteschaltung aus Transistoren mit zumindest einer Schicht aus einem organischen halbleitenden Material. Eine solche Schaltung kann z.B. ca. 10 oder einige wenige 10 Transistoren enthalten, falls, wie in [19] beschrieben, nur simple Schaltmatrizen aufgebaut werden sollen. Im Falle der Integration komplizierterer Schaltungen wie Verstärker etc., was zu einem Performancegewinn führt und somit die bevorzugte Lösung ist, kann die Auswerteschaltung zwischen ca. 50 und einigen 100 Transistoren enthalten. Beispiele für derartige Auswerteschaltungen sind in [20] offenbart.In a preferred embodiment of the biosensor, the entire evaluation circuit consists of transistors with at least one layer made of an organic semiconducting material. Such a circuit can contain, for example, approximately 10 or a few 10 transistors if, as described in [19], only simple switching matrices are to be built. In the case of the integration of more complicated circuits such as amplifiers etc., which leads to an increase in performance and is therefore the preferred solution, the evaluation circuit can contain between approximately 50 and a few 100 transistors. Examples of such evaluation circuits are disclosed in [20].
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 ein nachzuweisendes Biopolymer einerseits ein Molekül sein, dass mittels eines Fängermoleküls, das sich auf einer Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren befindet, erfasst wird. Andererseits kann ein zu erfassendes Molekül auch aus einer Probe/einem Analyt heraus auf eine Einheit zum Immobilisieren aufgebracht werden und dann mit einem Molekül, das (spezifische) Bindungsaffinität für das nachzuweisende Molekül aufweist, unter Verwendung des hier offenbarten Biosensors nachgewiesen werden.On the one hand, a biopolymer to be detected can be a molecule that is captured by means of a capture molecule that is located on a unit for immobilizing macromolecular biopolymers. On the other hand, a molecule to be detected can also be applied from a sample / analyte to an immobilization unit and then detected with a molecule which has (specific) binding affinity for the molecule to be detected using the biosensor disclosed here.
Unter einer „Erfassungseinheit zum Erfassen eines Detektionssignals" wird hier eine Einheit verstanden, die in der Lage ist, ein Detektionssignal zu erfassen, mit dem die Existenz makromolekularer Biopolymere angezeigt wird. Ein solches Signal wird mittelbar oder unmittelbar durch die Ausbildung eines Komplexes aus zu erfassendem makromolekularen Biopolymer und einem geeigneten Fängermoleküls hervorgerufen. Ein Beispiel für ein unmittelbar hervorgerufenes Detektionssignal ist eine Kapazitätsänderung, die zwischen zwei Elektroden durch eine Komplexbildung aus Fängermolekül und zu erfassendem Molekül (z.B. Ausbildung eines doppelsträngigen Nukleinsäuremoleküls oder eines Antigen-Antikörper-Komplexes) verursacht wird (vgl. Fig.2) . Ein Beispiel für ein Detektionssignal, das mittelbar durch eine Komplexbildung hervorgerufen wird, ist Fluoreszenzstrahlung, die von einer an einem der beiden Bindungspartner befindlichen Markierung emittiert wird, oder ein elektrischer Kreisstrom, der durch eine redox-aktive Markierung initiiert wird (vgl. Fig.4).A “detection unit for detecting a detection signal” is understood here to mean a unit that is able to detect a detection signal with which the existence of macromolecular biopolymers is indicated. Such a signal is generated indirectly or directly by the formation of a complex of those to be detected macromolecular biopolymer and a suitable one Catcher molecule evoked. An example of a directly produced detection signal is a change in capacitance, which is caused between two electrodes by a complex formation of the capture molecule and the molecule to be detected (e.g. formation of a double-stranded nucleic acid molecule or an antigen-antibody complex) (see Fig. 2). An example of a detection signal that is indirectly caused by complex formation is fluorescence radiation that is emitted by a label located on one of the two binding partners, or an electrical circuit current that is initiated by a redox-active label (see FIG. 4 ).
Daraus wird ersichtlich, dass bei dem Biosensor der Erfindung als Erfassungseinheit jede geeignete Einheit eingesetzt werden kann, die ein Detektionssignal vorzugsweise physikalisch oder chemisch erfassen kann, und zur weiteren Auswertung an eine Auswerteschaltung weiterleiten kann. -It can be seen from this that any suitable unit can be used as the detection unit in the biosensor of the invention, which unit can preferably detect a detection signal physically or chemically and can forward it to an evaluation circuit for further evaluation. -
Beispiele für solche Erfassungseinheiten sind Elektroden, die z.B. bei Impedanzmessungen oder Messungen eines oben genannten elektrischen Kreisstromes eingesetzt werden können. Andere Beispiele sind Photodioden oder Charge Coupled Devices (CCDs, CCD-Kameras), die zur Erfassung von emittierter Strahlung wie Fluoreszenz- oder Chemilumineszenz-Strahlung, Anwendung finden können.Examples of such detection units are electrodes, e.g. can be used for impedance measurements or measurements of an electrical circuit current mentioned above. Other examples are photodiodes or charge coupled devices (CCDs, CCD cameras) which can be used to detect emitted radiation such as fluorescence or chemiluminescence radiation.
Bei der z.B. auf eine Photodiode zurückgreifenden Ausgestaltung des Biosensors wird zur Erfassung der Biopolymere ein elektrisches Signal verwendet, das die Folge der ersten Stufe der Erfassungseinheit ist, die ein optisches Signal wie ein Fluoreszenz- oder Chemilumineszenzsignal in ein elektrisches Signal umsetzt. Dieses elektrische Signal (in) der Erfassungseinheit ist vorzugsweise ein elektrischer Strom wie ein Photostrom oder eine Spannung wie eine Photospannung bei der Photodiode. Die Erfassung dieses optischen Signals und die nachfolgende Auswertung mittels der Auswerteschaltung kann z.B. durch Integration des elektrischen Signals über mehrere Minuten erfolgen.In the embodiment of the biosensor, for example using a photodiode, an electrical signal is used to detect the biopolymers, which is the result of the first stage of the detection unit, which converts an optical signal such as a fluorescence or chemiluminescence signal into an electrical signal. This electrical signal (in) the detection unit is preferably an electrical current such as a photocurrent or a voltage such as a photo voltage at the photodiode. The detection of this optical signal and the subsequent evaluation by means of the evaluation circuit can take place, for example, by integrating the electrical signal over several minutes.
Die als Erfassungseinheit eingesetzte Photodiode weist in einer bevorzugten Ausgestaltung ein halbleitendes organisches Material (als das „aktive" Material) auf. Dieses Material kann eine organische Polymerverbindung wie Poly-p- phenylenvinylen (PVP) und eine andere vorstehend in Zusammenhang mit den halbleitenden Bodymaterialien genannte Polymerverbindung sein oder ein Molekül/"molekulares System" wie PV-Oligomere, Fluorenderivate und dergleichen sein (vgl. oben) . Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass sowohl die Erfassungseinheit als auch in die Auswerteschaltung aus Materialien bestehen, die mit einem Druckverfahren als Herstellungsverfahren kompatibel sind und somit eine verhältnismäßig einfache Fertigung erlauben.In a preferred embodiment, the photodiode used as the detection unit has a semiconducting organic material (as the “active” material). This material can be an organic polymer compound such as poly-p-phenylene vinylene (PVP) and another mentioned above in connection with the semiconducting body materials Be a polymer compound or be a molecule / "molecular system" such as PV-oligomers, fluorene derivatives and the like (see above). This embodiment has the advantage that both the detection unit and the evaluation circuit consist of materials that are produced using a printing process as a manufacturing process are compatible and thus allow a relatively simple production.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Photodiode darüber hinaus eine Filterschicht auf, die zur Verringerung oder zum Abhalten der AnregungsStrahlung dient. Es ist auch möglich, die Filterschicht über die ganze Fläche des Sensors auszubilden und nicht nur über die individuellen Photodioden. Möglich ist es auch, mit der Filterschicht denjenigen Bereich des Sensors komplett abzudecken, in dem Photodioden realisiert sind.In a further advantageous embodiment, the photodiode also has a filter layer which serves to reduce or to keep the excitation radiation off. It is also possible to form the filter layer over the entire surface of the sensor and not only over the individual photodiodes. It is also possible to use the filter layer to completely cover the area of the sensor in which photodiodes are implemented.
Für diese Filterschicht werden wiederum vorzugsweise organische Materialien wie organische Farbstoffe verwendet werden. Beispiel zur Ausbildung einer Filterschicht geeignete Materialien sind Nitro und Nitroso-, Azo-, Di- und Triaryl- methan, Xanthen-, Acridin-, Phenoxazin-, Phenothiazin- , Phenazin- oder Indigofarbstoffe. Die Filterwirkung ist abhängig von der verwendeten AnregungsStrahlung und kann auf das jeweilige gewählte System angepasst werden. Im allgemeinen liegt die AnregungsStrahlung im Bereich von 250 nm bis 900 um. Die Filterschicht ist daher so gestaltet ist, dass sie für den jeweilig gewählten Bereich undurchlässig ist. Vorzugsweise wird Licht/elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner als 500 nm oder 550 nm durch dieIn turn, organic materials such as organic dyes are preferably used for this filter layer. Example suitable for forming a filter layer Materials are nitro and nitroso, azo, di and triaryl methane, xanthene, acridine, phenoxazine, phenothiazine, phenazine or indigo dyes. The filter effect depends on the excitation radiation used and can be adapted to the selected system. In general, the excitation radiation is in the range from 250 nm to 900 μm. The filter layer is therefore designed in such a way that it is impermeable to the respectively selected area. Light / electromagnetic radiation with a wavelength of less than 500 nm or 550 nm is preferably transmitted through the
Filterschicht abgehalte /abgeschirmt, d.h. die Filterschicht ist vorzugsweise als „Blaufilter" ausgestaltet.Filter layer held / shielded, i.e. the filter layer is preferably designed as a "blue filter".
Unter "Einheit zum Immobilisieren" wird im Sinne der Erfindung eine Anordnung verstanden, die eine Oberfläche aufweist, auf der erste Moleküle, die entweder Fängermoleküle oder zu erfassende Moleküle sein können, immobilisiert werden können, d.h. eine Oberfläche, an die Fängermoleküle durch physikalische oder chemische Wechselwirkungen binden können. Diese Wechselwirkungen schließen hydrophobe, ionische oder elektrostatische Wechselwirkungen und kovalente und komplexierende Bindungen ein. Beispiele für geeignete Oberflächen-Materialien, die für mindestens eine Einheit zur Immobilisierung verwendet werden können, sind Metalle wie Gold, Kunststoffe wie Polyethylen- oder Polypropylen oder anorganische Stoffe wie Siliziumdioxid. Falls die Oberfläche der Einheit zum Immobilisieren 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 oderIn the context of the invention, "unit for immobilization" is understood to mean an arrangement which has a surface on which first molecules, which can either be capture molecules or molecules to be detected, can be immobilized, i.e. a surface to which capture molecules can bind through physical or chemical interactions. These interactions include hydrophobic, ionic or electrostatic interactions and covalent and complexing bonds. Examples of suitable surface materials that can be used for at least one immobilization unit are metals such as gold, plastics such as polyethylene or polypropylene or inorganic substances such as silicon dioxide. If the surface of the immobilization unit is not in itself suitable for immobilizing the first molecules, it can be modified for the immobilization by suitable functionalization. Such functionalization can e.g. through the formation and derivatization of a monolayer as in [3] on page 25, line 2 to page 31, line 5 or
[21], 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 Einheiten zum Immobilisieren verwendet, kann die Immobilisierung auch wie in [22] beschrieben, erfolgen.[21], Fig.4 described. Before that, the surface the unit for immobilization can still be activated by processes such as plasma etching, vapor deposition of suitable materials (for example by chemical or physical deposition, (CVD; PVD) [cf. 3, page 19]. If conductive polymer materials are used for the units for immobilization, immobilization can be carried out also as described in [22].
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).An example of a physical interaction that would result in immobilization of e.g. The first molecules serving as capture molecules is 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 (e.g. polypropylene).
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. [21,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. [21,
Fig.7]). Wie oben erwähnt, können die ersten Moleküle sowohl Fängermoleküle als auch zu erfassende makromolekulare Biopolymere sein.Figure 7]). As mentioned above, the first molecules can be both capture molecules and macromolecular biopolymers to be detected.
In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist die mindestens eine Einheit zum Immobilisieren auf einer Erfassungseinheit angeordnet .In one embodiment of the method, the at least one immobilization unit is arranged on a detection unit.
In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform des Biosensors ist die Erfassungseinheit zugleich als die mindestens eineIn another preferred embodiment of the biosensor, the detection unit is at the same time as the at least one
Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren ausgebildet. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann bevorzugt, wenn eine oder mehrere Elektroden z.B. zur Impedanzmessung oder einer oder mehrere Feldeffekt- Transistoren als Erfassungseinheit benutzt werden.Unit designed to immobilize macromolecular biopolymers. This embodiment is particularly preferred when one or more electrodes, for example for Impedance measurement or one or more field effect transistors can be used as a detection unit.
In einer Ausgestaltung des Biosensors kann die als Erfassungs- und Immobilisierungseinheit dienende Elektrode aus einem Elektrodenarray bestehen.In one embodiment of the biosensor, the electrode serving as a detection and immobilization unit can consist of an electrode array.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die als Erfassungseinheit dienende Elektrode als Interdigital- Struktur ausgestaltet sein. Diese Ausführungsform ist insbesondere bei Verwendung des Redox- und des Impedanz- Verfahrens zum Auslesen von Vorteil .In a further embodiment of the invention, the electrode serving as the detection unit can be designed as an interdigital structure. This embodiment is particularly advantageous when using the redox and impedance methods for reading out.
Allgemein kann eine Elektrode des Biosensors aus jedem Material hergestellt werden, das biokompatibel in dem Sinne ist, das es gegenüber biologischen Medien inert ist, und das ferner den elektrischen Strom leitet und schließlich ggf. mit einem Substratmaterial des Biosensors kompatibel ist. Bevorzugt kann die Elektrode Gold, Palladium, Platin, Titan, TiN, Silber oder ein anderes leitfähiges Metall wie Cu oderIn general, an electrode of the biosensor can be produced from any material that is biocompatible in the sense that it is inert to biological media and that also conducts the electrical current and is eventually compatible with a substrate material of the biosensor. The electrode can preferably be gold, palladium, platinum, titanium, TiN, silver or another conductive metal such as Cu or
Nickel aber auch ein elektrisch leitfähiges organisches Material aufweisen. Beispiele für organische Materialien, die für die Ausbildung von Elektroden verwendet werden können, sind organische dotierte Halbleiter wie mit Champhersulfonsäure dotiertes Polyanilin oder mitNickel, however, also have an electrically conductive organic material. Examples of organic materials that can be used for the formation of electrodes are organic doped semiconductors such as polyaniline or doped with champhersulfonic acid
Polystyrolsulfonsäure dotierte Polythiophene wie PEDOT/PSS, die auch als leitfähige Material für Source, Drain und Gate- Elektroden der hier verwendeten Transistoren eingesetzt werden können (s.o.) . An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Kopplung zwischen Erfassungseinheit und dazugehörigerPolystyrene sulfonic acid doped polythiophenes such as PEDOT / PSS, which can also be used as a conductive material for the source, drain and gate electrodes of the transistors used here (see above). At this point it should be noted that the coupling between the registration unit and the associated one
Auswerteschaltung natürlich auch mit Hilfe der eben aufgezählten elektrisch leitfähigen Material geschehen kann, indem eine Verbindung zwischen Erfassungseinheit und Auswerteschaltung mittels dieser Materialien gebildet wird. Dabei können die Elektroden so gestaltet sein, dass sie sensitiv auf den pH-Wert der Lösung reagieren. Für diesen Zweck können z.B. Elektroden aus PEDOT/PSS verwendet werden.Evaluation circuit can of course also be done using the electrically conductive material just listed, by forming a connection between the detection unit and the evaluation circuit using these materials. The electrodes can be designed so that they react sensitively to the pH of the solution. For example, electrodes made of PEDOT / PSS can be used for this purpose.
Als Erfassungseinheit des Biosensors können verschiedene Elektrodenanordnungen verwendet werden, die, ggf. mindestens eine Einheit zum Immobilisieren aufweisen oder als solche ausgestaltet sind. Beispiele für hier einsetzbareVarious electrode arrangements can be used as the detection unit of the biosensor, which may have at least one immobilization unit or are designed as such. Examples of usable here
Elektrodenanordnungen sind elektrisch leitfähige Gitter oder Netze, elektrisch leitfähige poröse Materialien, Plattenelektrodenanordnung oder eine Interdigitalelektrodenanordnung, wie z.B. aus [5] bekannt ist. Bei einer Interdigitalelektrodenanordnung können mehrere oder alle „Finger" der Anordnung mit Einheiten zum Immobilisieren versehen sein bzw. selbst als diese Einheiten ausgestaltet sein.Electrode arrangements are electrically conductive grids or networks, electrically conductive porous materials, plate electrode arrangement or an interdigital electrode arrangement, e.g. is known from [5]. In the case of an interdigital electrode arrangement, several or all “fingers” of the arrangement can be provided with units for immobilization or can even be designed as these units.
Ferner können verschiedene Anordnungen der Parallelschaltung von Elektroden in der Elektrodenanordnung vorgesehen sein, beispielsweise können die Elektroden als zylindrische Elemente ausgestaltet sein, die jeweils konzentrisch umeinander angeordnet sind und elektrisch voneinander beispielsweise mittels eines geeigneten Dielektrikums voneinander isoliert sind, so dass sich ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden ausbildet.Furthermore, different arrangements of the parallel connection of electrodes can be provided in the electrode arrangement, for example the electrodes can be configured as cylindrical elements, which are each arranged concentrically around one another and are electrically isolated from one another, for example by means of a suitable dielectric, so that an electric field between the electrodes Forms electrodes.
Der Biosensor weist in einer weiteren Ausgestaltung eine Vielzahl von Erfassungseinheiten mit gekoppelterIn a further embodiment, the biosensor has a plurality of detection units with a coupled one
Auswerteschaltung auf, wobei die Erfassungseinheiten vorzugsweise in einer regelmäßigen Anordnung, einem Array, angeordnet sind. Diese Ausgestaltung findet bevorzugt bei Mehrfach- und/oder Parallelbestimmungen Anwendung.Evaluation circuit, the detection units preferably in a regular arrangement, an array, are arranged. This configuration is preferably used for multiple and / or parallel determinations.
Insbesondere im Falle von Mehrfach- oder Parallel- Bestimmungen ist eine weitere Ausgestaltung des Biosensors vorteilhaft, bei der jede einzelne Erfassungseinheit zur Erfassung des Detektionssignals individuell ansteuerbar ist. Dadurch wird eine Verfälschung des Messergebnis z.B. durch einfallende Störsignale benachbarter Sensorfelder vermieden.In particular in the case of multiple or parallel determinations, a further embodiment of the biosensor is advantageous, in which each individual detection unit can be controlled individually to detect the detection signal. This will falsify the measurement result e.g. avoided by incoming interference signals from neighboring sensor fields.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die hier offenbarte Gestaltung des Biosensors wegen des Wegfalls einer außerhalb des Reaktionsbereichs angeordneten Erfassungsvorrichtung wie einem Konfokal-Mikroskop nicht nur einen vereinfachten Aufbau bietet. Vielmehr ermöglicht der hier beschriebene Aufbau eine kontinuierliche Messung für jede Erfassungseinheit . Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn z.B. Vorgänge, die die Reaktionsdynamik oder -kinetik betreffen, untersucht werden sollen.At this point it should be pointed out that the design of the biosensor disclosed here does not only offer a simplified structure due to the omission of a detection device, such as a confocal microscope, which is arranged outside the reaction area. Rather, the structure described here enables continuous measurement for each registration unit. This is particularly advantageous if e.g. Processes that affect reaction dynamics or kinetics should be investigated.
In einer weiteren Ausbildung weist der Biosensor ferner eine Referenzelektrode (Kontrollelektrode) auf. Diese Ausgestaltung ist insbesondere bei der Durchführung von Nachweisverfahren nötig, bei denen absolute elektrische Potentiale an einer als Erfassungseinheit dienenden Elektroden angelegt oder gemessen werden sollen. Die Referenzelektrode, deren Potential stromfrei gemessen wird, liefert hier das Bezugspotential . In reinen elektrochemischen Verfahren (z.B. Redox-Recycling) ist eine derartige Elektrode zur Messung absolut notwendig.In a further embodiment, the biosensor also has a reference electrode (control electrode). This configuration is particularly necessary when carrying out detection methods in which absolute electrical potentials are to be applied or measured on an electrode serving as a detection unit. The reference electrode, whose potential is measured without current, supplies the reference potential here. In pure electrochemical processes (e.g. redox recycling) such an electrode is absolutely necessary for measurement.
Diese Referenzelektrode besteht vorzugsweise aus AgCl, z.B. in Form eines chlorierten Silberdrahts bzw. einer chlorierten Silberelektrode. Diese kann zum einen direkt auf dem Substratmaterial aufgebracht oder in dieses integriert sein. Zum anderen kann diese Referenzelektrode auch in einem Gehäuse des Sensors oder einer separaten Kammer, die z.B. die Erfassungseinheit von der Auswerteschaltung trennt, angebracht sein. Die Möglichkeit eine solche Silberelektrode auf dem Substratmaterial des Biosensors aufzubringen, stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber der konventionellen Sensoren auf Basis halbleitender anorganischer Materialien dar. Denn Silber oder Gold ist z.B. nur sehr schwer mit den Herstellungsprozessen von aktiven CMOS-Sensoren (Chips) kompatibel, jedoch ohne weiteres mit den hier eingesetzten Materialien und Herstellungsprozessen für Bauelemente mit halbleitenden organischen Materialien sowie den Verfahren zur Ausbildung der Erfassungseinheiten.This reference electrode is preferably made of AgCl, for example in the form of a chlorinated silver wire or a chlorinated one Silver electrode. On the one hand, this can be applied directly to the substrate material or integrated into it. On the other hand, this reference electrode can also be mounted in a housing of the sensor or in a separate chamber, which separates the detection unit from the evaluation circuit, for example. The possibility of applying such a silver electrode on the substrate material of the biosensor represents a significant advantage over the conventional sensors based on semiconducting inorganic materials. For example, silver or gold is only very difficultly compatible with the manufacturing processes of active CMOS sensors (chips), however without further ado with the materials and manufacturing processes used here for components with semiconducting organic materials as well as the methods for forming the detection units.
In einer weiteren Ausgestaltung des Biosensors ist die Erfassungseinheit in einer Mikrofluidik-Kammer angeordnet. Diese trennt nicht nur die Erfassungseinheit von der Auswerteschaltung ab, sondern erlaubt die Durchführung von speziellen biochemischen Nachweisreaktionen. Insbesondere bei Langzeitversuchen oder Versuchen bei höheren Temperaturen (z.B. > 90°C) kann sich eine Trennung der Auswerteschaltung aus Polymertransistoren und der Erfassungseinheiten als günstig erweisen. In diese Kammer kann ferner die oben beschriebene Referenzelektrode integriert sein. Bei der Ausgestaltung in Form eines Arrays aus mehreren Erfassungseinheiten können zudem beliebig gestaltete Kompartimente innerhalb des Bereichs der „aktiven" Sensorfläche, d.h. den Erfassungseinheiten, ausgebildet werden. Weiterhin können sich auch andere Komponenten für eine „on-chip"-Fluidik wie Reservoirs, Ventile, Mikrofluidik- Kanäle, Pumpen, oder Anschlüsse für deren Ankopplung auf oder in dem Sensor integriert befinden. Die Mikrofluidikeinheit kann beispielsweise benutzt werden, um den Analyten während des Hybridisierungsvorgangs über die Oberfläche der Erfassungseinheit zu pumpen oder im Anschluss daran nicht gebundene Analytmoleküle durch eine Spül- oder Reinigungslösung wieder von den Oberflächen der Erfassungseinheiten zu entfernen, bevor der Auslesevorgang stattfindet .In a further embodiment of the biosensor, the detection unit is arranged in a microfluidic chamber. This not only separates the detection unit from the evaluation circuit, but also allows special biochemical detection reactions to be carried out. Especially in long-term tests or tests at higher temperatures (eg> 90 ° C), a separation of the evaluation circuit from polymer transistors and the detection units can prove to be beneficial. The reference electrode described above can also be integrated into this chamber. In the case of the configuration in the form of an array comprising a plurality of detection units, compartments of any design can also be formed within the area of the “active” sensor surface, ie the detection units. Furthermore, other components for “on-chip” fluids such as reservoirs, valves can also be used , Microfluidic channels, pumps, or connections for their coupling to or are integrated in the sensor. The microfluidic unit can be used, for example, to pump the analyte over the surface of the detection unit during the hybridization process or subsequently to remove non-bound analyte molecules from the surfaces of the detection units using a rinsing or cleaning solution before the readout process takes place.
Bei dem beschriebenen Biosensor ist es ebenfalls möglich, durch eine Mehrlagenmetallisierung eventuell erforderliche Verbindungen der einzelnen Komponenten wie einerseits Erfassungseinheit mit Auswerteschaltung oder auch mehrere Erfassungseinheiten untereinander (über Kreuz) herzustellen. Diese Möglichkeit zur Herstellung über Kreuz hat den Vorteil, dass man die Erfassungseinheiten einzeln adressieren kann, selbst dann, wenn sie matrizenförmig angeordnet sind. Unabhängig von einer Mehrlagenmetallisierung bietet der Einsatz von „Polymerelektronik", d.h. von elektrischen Bauelementen, die organische Materialien aufweisen, dieIn the biosensor described, it is also possible, by means of multi-layer metallization, to make any necessary connections of the individual components, such as, on the one hand, a detection unit with an evaluation circuit or even a plurality of detection units with one another (crosswise). This possibility of cross production has the advantage that the detection units can be addressed individually, even if they are arranged in a matrix. Regardless of a multi-layer metallization, the use of "polymer electronics", i.e. of electrical components that have organic materials, offers
Möglichkeit, zumindest zwei voneinander isolierte leitfähige Materialien (Ebenen) zu verwenden und folglich auch die Möglichkeit für ein Schaltungsdesign, das Auswahlvorgänge in Matrizen erlaubt.Possibility of using at least two conductive materials (planes) isolated from one another and consequently also the possibility of a circuit design which allows selection processes in matrices.
Die mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren des Biosensors ist vorzugsweise in einem Substrat integriert und/oder auf diesem Substrat aufgebracht. Gleichfalls kann die mindestens eine Erfassungseinheit in einem Substrat, vorzugsweise auf demselben aufgebracht sein und/oder in dem Substrat integriert, eingebettet sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung des Biosensors ist ebenfalls die Auswerteschaltung auf demselben Substrat, auf dem sich auch die Erfassungs- und/oder Immobilisierungs- Einheit befindet, aufgebracht bzw. darin integriert.The at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers of the biosensor is preferably integrated in a substrate and / or applied to this substrate. Likewise, the at least one detection unit can be embedded in a substrate, preferably applied thereon and / or integrated in the substrate. In a preferred embodiment of the biosensor, the evaluation circuit is likewise applied or integrated on the same substrate on which the detection and / or immobilization unit is also located.
Als Substratmaterial (Trägermaterial) für den Biosensor kann hier prinzipiell jedes Material eingesetzt werden, auf dem die verschiedenen Einheiten des Sensors dauerhaft aufgebracht werden können. Beispiele geeigneter Substratmaterialien sind Isolatoren wie Papier, Kunststofffolien, Keramiken, oder Glas, weiterhin mit einem Isolator oder mit Kunststoff beschichtetes Metall . Beispiele für Substratmaterialien aus geeigneten organischen Polymermaterialien sind gängige dielektrische synthetische Kunststoffe wie Epoxidharze, Polyalkylene wie Polyethylen- oder Polypropylenharze,In principle, any material on which the various units of the sensor can be permanently applied can be used here as substrate material (carrier material) for the biosensor. Examples of suitable substrate materials are insulators such as paper, plastic films, ceramics, or glass, furthermore with an insulator or metal coated with plastic. Examples of substrate materials made of 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. Ebenso sind biologisch abbaubare Materialien wie Polylactate geeignet. Die Oberflächeneigenschaften eines derartigen Polymer- oder Glassubstrates 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 kinds. Also biodegradable materials are also suitable. The surface properties of such a polymer or glass substrate can easily be changed, so that hydrophilic or hydrophobic surfaces are created. This is desirable for many biochemical sensors.
Als makromolekulare Biopolymere können mit dem vorliegenden Sensor insbesondere Nukleinsäuren, Oligonukleotide, Proteine oder Komplexe aus Nukleinsäuren und Proteinen sowie ganze Zellen erfasst werden. 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 10 bis 30 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.In particular, nucleic acids, oligonucleotides, proteins or complexes of nucleic acids and proteins as well as whole cells can be detected as macromolecular biopolymers with the present sensor. Macromolecular biopolymers are understood here to mean, for example, (longer-chain) nucleic acids such as DNA molecules, RNA molecules, PNA molecules or cDNA molecules or shorter oligonucleotides with, for example, 10 to 50 bases, in particular 10 to 30 bases. 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, ie known. Other macromolecular biopolymers are proteins or peptides. These can be built up from the 20 amino acids usually found in proteins, but can also contain naturally not occurring amino acids or be modified, for example, 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.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.
Die Fängermoleküle/Liganden sind vorzugsweise durch kovalente Bindungen mit der Einheit zur Immobilisierung verknüpft.The capture molecules / ligands are preferably linked to the immobilization unit by covalent bonds.
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. 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 wiederumLow-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. If DNA molecules (nucleic acids or oligonucleotides) of a given nucleotide sequence are detected with the biosensor described here, then they are preferably detected in single-stranded form, ie, if necessary, they are converted into single strands by denaturation 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 auf der Einheit zum Immobilisieren mehrere Arten von Fängermolekülen, von denen jedes eine (spezifische) Bindungsaffinität für ein bestimmtes zu erfassendesIt 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, several types of capture molecules can be placed on the immobilization unit, each of which has a (specific) binding affinity for a specific one to be detected
Biopolymer aufweist, gebunden werden und/oder es können mehrere Einheiten zum Immobilisieren eingesetzt werden, wobei an jeder von diesen Einheiten nur eine Art von Fängermolekül gebunden wird.Has biopolymer, are bound and / or several units can be used for immobilization, only one type of capture molecule being bound to each of these units.
Das Verfahren zur Herstellung eines Biosensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren weist die Schritte auf, dass auf oder in einem Substrat mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren ausgebildet wird, mindestens eine Erfassungseinheit zum Erfassen eines Detektionssignals, mit dem die Existenz makromolekularer Biopolymeren angezeigt wird, ausgebildet wird, und eine mit der Erfassungseinheit gekoppelte Auswerteschaltung für das Signal aufgebracht wird, wobei die Auswerteschaltung mindestens ein Bauelement mit einer halbleitenden Schicht mit einem organischen Material aufweist.The method for producing a biosensor for detecting macromolecular biopolymers has the steps of at least one unit for on or in a substrate Immobilization of macromolecular biopolymers is formed, at least one detection unit for detecting a detection signal, with which the existence of macromolecular biopolymers is indicated, is formed, and an evaluation circuit coupled to the detection unit is applied for the signal, the evaluation circuit comprising at least one component with a semiconducting layer with an organic material.
Bei dem Verfahren können sowohl Schichten ausgebildet werden, die aus organischem halbleitenden Material bestehen, als auch Schichten, bei denen ein anorganisches Halbleitermaterial in eine Matrix aus Polymermaterial eingebettet wird.In the method, layers can be formed which consist of organic semiconducting material, as well as layers in which an inorganic semiconductor material is embedded in a matrix of polymer material.
Bei dem Verfahren ist das Bauelement der Erfassungsschaltung vorzugsweise ein Transistor. Bei diesem bildet die Schicht mit dem halbleitenden Material bevorzugt den Body-Bereich des Transistors .In the method, the component of the detection circuit is preferably a transistor. In this case, the layer with the semiconducting material preferably forms the body region of the transistor.
Das Verfahren der Erfindung ist vorteilhaft so gestaltet, dass es vollständig mittels Drucktechniken ähnlich dem Tintenstrahldruck durchgeführt wird. Dies ist z.B. der Fall, wenn alle Einheiten (Erfassungseinheiten, Auswerteschaltung etc.) des Biosensors auf organischen Materialien beruhen. Allerdings ist die Verarbeitung von Metallen wie Gold, Nickel z.B. durch Sputtern, Bedampfen oder elektrochemisches Abscheiden problemlos und einfach zu bewerkstelligen und auch mit Drucktechniken vereinbar. Dies führt insgesamt verglichen mit Sensoren auf Basis anorganischer Halbleiter zu einer deutlichen Verringerung der Prozessschritte und der Herstellungskosten, bei weiterhin ausreichenden Leistungsmerkmalen der hier offenbarten Auswerteschaltung und bzw. des Biosensors. Ferner ist es ausreichend, wenn die Metalle in Form einer härtbaren Suspension aufgedruckt werden .The method of the invention is advantageously designed so that it is carried out entirely by means of printing techniques similar to ink jet printing. This is the case, for example, if all the biosensor units (detection units, evaluation circuit, etc.) are based on organic materials. However, the processing of metals such as gold and nickel, for example by sputtering, vapor deposition or electrochemical deposition, can be carried out easily and simply and is also compatible with printing techniques. Overall, compared to sensors based on inorganic semiconductors, this leads to a significant reduction in the process steps and the manufacturing costs, while the performance features of the evaluation circuit and / or the biosensor disclosed here continue to be sufficient. It is also sufficient if the Metals are printed in the form of a hardenable suspension.
In diesem Zusammenhang sei erläutert, wie beispielsweise mit Hilfe des Tintenstrahldrucks ( „Drop-on-Demand-Printing") ein solcher Sensor aufgebaut werden kann.In this context, it is explained how such a sensor can be constructed, for example, using ink-jet printing (“drop-on-demand printing”).
Die Gatestrukturen (102) (vgl. Fig.l) werden hergestellt, indem man eine kolloidale Palladiumstarterlösung auf ein Polyethylennaphthalatsubstrat an diejenigen Stellen druckt, an denen später die Gatestrukturen ausgebildet sein sollen. Nach diesem Druckvorgang werden die aufgedruckten Palladiumkeime mit Nickel stromlos bis auf die gewünschte Schichtdicke verstärkt (ca. 10-50 nm) . Das Gatedielektrikum (103) kann anschließend direkt aufgedruckt werden.The gate structures (102) (see FIG. 1) are produced by printing a colloidal palladium starter solution onto a polyethylene naphthalate substrate at the locations at which the gate structures are to be formed later. After this printing process, the printed palladium seeds are electrolessly reinforced with nickel to the desired layer thickness (approx. 10-50 nm). The gate dielectric (103) can then be printed on directly.
Beispielsweise eignet sich hierfür eine Lösung von Poly (-4- hydroxystyrol) in Ethanol . Über eine Palladiumsuspension (Partikelgröße 1 μm) in Polystyrol werden Source- (104) und Drain (105 ) -Kontakte ausgebildet. Der organische Halbleiter (106) kann anschließend vollflächig ausgebildet werden. Wenn die einzelnen Transistoren einen genügend großen Abstand voneinander besitzen, braucht diese Schicht nicht strukturiert zu werden (z.B Pentazen durch Verdampfen) . Eine weitere Goldelektrode für die Immobilisierung der Nukleotide kann im Anschluss durch eine Schattenmaske abgeschieden werden .For example, a solution of poly (-4-hydroxystyrene) in ethanol is suitable for this. Source (104) and drain (105) contacts are formed using a palladium suspension (particle size 1 μm) in polystyrene. The organic semiconductor (106) can then be formed over the entire surface. If the individual transistors are sufficiently far apart, this layer does not need to be structured (e.g. pentacene by evaporation). Another gold electrode for immobilization of the nucleotides can then be deposited using a shadow mask.
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 lf Feldeffekt-Transistoren, die in der Auswerteschaltung der Erfindung sowie als Erfassungseinheit eingesetzt werden können;Show it Figures la to lf field effect transistors that can be used in the evaluation circuit of the invention and as a detection unit;
Figuren 2a und 2b eine Skizze zweier Planarelektroden, mittels der ein Verfahren erläutert wird, das mit dem Biosensor der Erfindung zum Nachweis des Vorkommens von DNA-Molekülen in einem Elektrolyt (Figur 2a) bzw. deren Nichtexistenz (Figur 2b) durchgeführt werden kann;FIGS. 2a and 2b show a sketch of two planar electrodes, by means of which a method is explained, which can be carried out with the biosensor of the invention for detecting the presence of DNA molecules in an electrolyte (FIG. 2a) or their non-existence (FIG. 2b);
Figuren 3a und 3b zwei Ausführungsformen des hier offenbarten Biosensors;FIGS. 3a and 3b show two embodiments of the biosensor disclosed here;
Figuren 4a bis 4c Skizzen eines Biosensors gemäß dem Stand der Technik, anhand derer einzelne Zustände im Rahmen des Redox-Recycling-Vorgangs erläutert werden;Figures 4a to 4c sketches of a biosensor according to the prior art, on the basis of which individual conditions are explained in the context of the redox recycling process;
Figur 5 einen Funktionsverlauf eines Kreisstroms, wie er im Rahmen eines Redox-Recycling-Vorgangs zur Erfassung von makromolekularen Biopolymeren genutzt werden kann;FIG. 5 shows a functional curve of a circulating current, as can be used in the context of a redox recycling process for the detection of macromolecular biopolymers;
Figuren 6a und 6b eine weitere Ausführungsform des Biosensors der Erfindung;FIGS. 6a and 6b show a further embodiment of the biosensor of the invention;
Figur 7 eine andere Ausgestaltung des Biosensors der Erfindung;FIG. 7 shows another embodiment of the biosensor of the invention;
Figur 8 noch eine weitere Ausführungsform des Biosensors der Erfindung; Figur 9 eine weitere Ausführungsform des Biosensors der Erfindung;Figure 8 shows yet another embodiment of the biosensor of the invention; Figure 9 shows another embodiment of the biosensor of the invention;
Figur 10 noch eine weitere Ausführungsform des Biosensors der Erfindung .Figure 10 shows yet another embodiment of the biosensor of the invention.
Fig.l zeigt verschiedene Ausgestaltungen eines Feldeffekt- Transistors 100, der als Bauelement in der Auswerteschaltung der Erfindung eingesetzt werden kann.Fig.l shows various configurations of a field effect transistor 100, which can be used as a component in the evaluation circuit of the invention.
Bei dem Feldeffekt-Transistor 100 gemäß Fig.la bis Fig.lc ist auf einem Substrat 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 wieIn the field effect transistor 100 according to Fig.la to Fig.lc is on a substrate 101, e.g. consists of polyethylene naphthalate, applied a gate region 102, which consists of nickel. In turn, a layer 103 made of a dielectric material such as is located on the gate region 102
Siliziumdioxid, die den Gate-Bereich 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, in dem sich der Kanal des Transistors 100 ausbilden kann.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. Layer 106 forms the body region in which the channel of transistor 100 can form.
Der Feldeffekt-Transistor 100 gemäß Fig.ld bis Fig.lf weist auf dem Substrat 101 zunächst eine Schicht 106 aus halbleitendem organischen Material auf. Diese den Body- Bereich des Transistors 100 bildende Schicht 106 weist Tetrazen 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 Body-Bereichs 106 befindet sich eine Schicht 103 aus Siliziumdioxid als Dielektrikum, auf der der Gate-Bereich 102 aus Nickel aufgebracht ist. Die Feldeffekt-Transistoren gemäß Fig.l mit der Schicht mit halbleitendem organischen Material lassen sich z.B. mit dem in [15] beschriebenen Verfahren herstellen. Dabei erfolgt bei den Ausführungsformen gemäß Fig.la, Fig.lc und Fig.lf 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.le die halbleitende Schicht 106 vor den Source/Drain-Bereichen 104, 105 aufgebracht wird.The field effect transistor 100 according to FIGS. 1 to 1f initially has a layer 106 of semiconducting organic material on the substrate 101. This layer 106, which forms the body region of the transistor 100, has tetrazenes. The transistor 100 also has a first and a second source / drain region 104, 105 made of platinum. Above the source / drain regions 104, 105 or the body region 106 there is a layer 103 of silicon dioxide as a dielectric, on which the gate region 102 made of nickel is applied. The field effect transistors according to Fig.l with the layer with semiconducting organic material can be produced, for example, with the method described in [15]. The deposition of the source / drain regions 104 is performed in the embodiments shown in Fig.la, Fig.lc and Fig.lf, 105 before the 'deposition of the semiconducting layer 106, while, in the embodiments according to Fig.lb, Fig.ld and Fig.le the semiconducting layer 106 is applied in front of the source / drain regions 104, 105.
Fig.3a zeigt als erste Ausgestaltung des Biosensors der Erfindung einen Biosensor 300. Bei diesem sind auf einem Substrat 301 aus Polyethylennaphthalat Transistoren der Auswerteschaltung aufgebracht. Der Übersichtlichkeit halber ist von diesen nur ein Transistor 302 gezeigt. Dieser3a shows as a first embodiment of the biosensor of the invention a biosensor 300. In this, transistors of the evaluation circuit are applied to a substrate 301 made of polyethylene naphthalate. For the sake of clarity, only one transistor 302 is shown. This
Transistor 302 weist einen zu Fig.l analogen Aufbau auf mit einem Gate-Bereich 303 aus Nickel, einer Schicht 304 aus einem dielelektrischen Material wie Siliziumdioxid, einem ersten Source/Drain-Bereich 305 und einem zweiten Source/Drain-Bereich 306, die beide aus Palladium bestehen, sowie einer den Kanalbereich bildenden Schicht 307 mit Pentacen als halbleitendem organischen Material. Ferner besitzt der Transistor 302 noch eine Passivierungschicht 308 aus Polyvinylalkohol.Transistor 302 has a structure analogous to FIG. 1 with a gate region 303 made of nickel, a layer 304 made of a dielectric material such as silicon dioxide, a first source / drain region 305 and a second source / drain region 306, both of which consist of palladium, and a layer 307 forming the channel region with pentacene as a semiconducting organic material. The transistor 302 also has a passivation layer 308 made of polyvinyl alcohol.
Der Biosensor 300 weist ferner eine Elektrode aus Gold als Erfassungseinheit 309 auf, die zugleich eine monomolekulare selbstorganisierende Schicht besitzt (der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt) , so dass Fängermoleküle 310 mittels Gold-Schwefel-Kopplung an die selbstorganisierende Schicht binden und somit auf der Elektrode 309 immobilisiert werden. Somit dient die Erfassungseinheit 309 gleichzeitig als Einheit zum Immobilisieren. Die Fängermoleküle 310 sind Oligonukleotide, so dass mit ihrer Hilfe Nukleinsäuren erfasst werden können. Alternativ können die Fängermoleküle 310 auch Proteine wie Antikörper oder z.B. das sogenannte Protein A sein.The biosensor 300 also has an electrode made of gold as the detection unit 309, which at the same time has a monomolecular self-organizing layer (not shown for the sake of clarity), so that catcher molecules 310 bind to the self-organizing layer by means of gold-sulfur coupling and thus to the electrode 309 be immobilized. Thus, the detection unit 309 also serves as an immobilization unit. The capture molecules are 310 Oligonucleotides so that they can be used to detect nucleic acids. Alternatively, the capture molecules 310 can also be proteins such as antibodies or, for example, the so-called protein A.
Die Erfassungseinheit 309 ist mit dem Transistor 302 der Auswerteschaltung über eine leitende Verbindung 311, z.B. einer Gold oder Kupferbahn gekoppelt. Dabei erfolgt die Kopplung mit dem Source/Drain-Bereich 305. Alternativ kann die Kopplung auch über den Gatebereich 302 erfolgen.The detection unit 309 is connected to the transistor 302 of the evaluation circuit via a conductive connection 311, e.g. coupled with a gold or copper track. The coupling with the source / drain region 305 takes place. Alternatively, the coupling can also take place via the gate region 302.
Schließlich besitzt der Biosensor 300 eine Kompartimentierung 312, die aus einem Polymer wie Poly (meth) acrylat, d.h. Plexiglas bestehen kann. Diese Kompartimentierung trennt die Erfassungseinheit mit dem dazugehörigen Proben/Reaktionsraum 313 von der Auswerteschaltung.Finally, the biosensor 300 has a compartment 312 made of a polymer such as poly (meth) acrylate, i.e. Plexiglass can exist. This compartmentalization separates the detection unit with the associated sample / reaction space 313 from the evaluation circuit.
Fig.3b zeigt eine Draufsicht einer weiteren Ausgestaltung des Biosensors 300. Auf dem Substrat 301 ist ein Transistor 302 der Auswerteschaltung, der wie oben beschrieben mit mindestens einer Schicht mit einem halbleitenden organischen Material aufgebaut, gezeigt. Der Transistor ist über eine elektrisch leitende Verbindung 311, die aus Gold besteht, mit einer als Erfassungseinheit 309 dienenden Ringelektrode verbunden. In Fig.3b sind ferner weitere Bauelemente 314 der Erfassungseinheit, die sowohl Transistoren 302 als auch z.B. Dioden oder Widerstände mit halbleitenden organischen Schichten sein können, schematisch dargestellt.3b shows a top view of a further embodiment of the biosensor 300. A transistor 302 of the evaluation circuit, which is constructed as described above with at least one layer with a semiconducting organic material, is shown on the substrate 301. The transistor is connected via an electrically conductive connection 311, which consists of gold, to a ring electrode serving as detection unit 309. In FIG. 3b there are further components 314 of the detection unit, which include both transistors 302 and e.g. Diodes or resistors with semiconducting organic layers can be shown schematically.
Mit dem Sensor 300 gemäß Fig.3 kann z.B. das anhand Fig.2 gezeigte Impedanzverfahren aber auch das Redox-Recycling- Verfahren nach Fig .4 durchgeführt werden . Fig.6 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des Biosensors. Fig.6a stellt eine Schnittansieht des Biosensors 600 dar, bei dem auf einem Glassubstrat 601 Transistoren 602 mit einem zu der Ausführungsform von Fig.3a analogen Aufbau der Erfindung aufgebracht sind. Die Transistoren 602 bilden einen Teil der schematisch dargestellten Auswerteschaltung 603 (vgl. Fig.6b). Einer der Transistoren 602 ist über ein elektrisch leitendes Material 604 wie eine Kupferbahn oder eine Schicht aus PEDOT/PSS mit einer Ringelektrode 605, die als Erfassungseinheit und Einheit zum Immobilisieren dient, verbunden .The sensor 300 according to FIG. 3 can be used, for example, to carry out the impedance method shown in FIG. 2, but also the redox recycling method according to FIG. 4. 6 illustrates a further embodiment of the biosensor. FIG. 6 a shows a sectional view of the biosensor 600, in which transistors 602 with a structure of the invention analogous to the embodiment of FIG. 3a are applied to a glass substrate 601. The transistors 602 form part of the schematically illustrated evaluation circuit 603 (cf. FIG. 6b). One of the transistors 602 is connected via an electrically conductive material 604, such as a copper track or a layer of PEDOT / PSS, to a ring electrode 605, which serves as a detection unit and unit for immobilization.
Fig.7 zeigt eine andere Ausgestaltung des Biosensors der Erfindung. Bei diesem Sensor 700 sind auf einem Substrat 701 aus Polyethylennaphthalat Transistoren 702 (mit einem Aufbau entsprechend Fig.3) einer Auswerteschaltung 704, sowie als Elektroden ausgestaltete Erfassungs- und Immobilisierungs- Einheiten 703 aufgebracht. Die Auswerteschaltung ist mit den Erfassungseinheiten über ein elektrisch leitfähiges Material 705 verbunden. Zusätzlich besitzt der Biosensor 700 eine abschließbare Mikrofluidik-Kammer 706 mit einem Deckel 707 und einer Seitenwand 708, die eine oder mehrere der Erfassungseinheiten 703 umschließt. In die Seitenwand 708 der Mikrofluidik-Kammer 706 kann eine Referenzelektrode aus Silber bzw. Ag/AgCl integriert sein (nicht dargestellt) . Die Kammer 706 weist ferner einen Anschluss 709 für ein mikrofluidisches Pumpsystem, d.h. ein System mit dem (geringe) Flüssigkeitsvolumina im μl-Bereich oder kleiner in die Kammer 706 und auf die Erfassungseinheiten 703 transferiert werden können.7 shows another embodiment of the biosensor of the invention. In this sensor 700, transistors 702 (with a structure corresponding to FIG. 3), an evaluation circuit 704 and detection and immobilization units 703 designed as electrodes are applied to a substrate 701 made of polyethylene naphthalate. The evaluation circuit is connected to the detection units via an electrically conductive material 705. In addition, the biosensor 700 has a lockable microfluidic chamber 706 with a cover 707 and a side wall 708, which encloses one or more of the detection units 703. A reference electrode made of silver or Ag / AgCl (not shown) can be integrated into the side wall 708 of the microfluidic chamber 706. Chamber 706 further includes a port 709 for a microfluidic pumping system, i.e. a system with which (small) liquid volumes in the μl range or smaller can be transferred into the chamber 706 and onto the detection units 703.
In Fig.8 ist eine weitere Ausgestaltung des Biosensors gezeigt. Bei dem Biosensor 800 ist auf einem Substrat 801 aus Polystyrol eine Auswerteschaltung 802 aus Polymer- Transistoren (d.h. Transistoren mit zumindest einer Schicht mit einem organischen halbleitenden Material) aufgebracht. Die Auswerteschaltung 802 ist mit der Erfassungseinheit 803, die als ein Array aus Elektroden aus Gold ausgestaltet ist, über eine leitende Verbindung 804 gekoppelt. Die Elektroden dienen auch als Einheiten zum Immobilisieren.A further embodiment of the biosensor is shown in FIG. The biosensor 800 is made of a substrate 801 Polystyrene applied an evaluation circuit 802 made of polymer transistors (ie transistors with at least one layer with an organic semiconducting material). The evaluation circuit 802 is coupled to the detection unit 803, which is designed as an array of electrodes made of gold, via a conductive connection 804. The electrodes also serve as immobilization units.
Fig.9 zeigt eine weitere Ausführungsform des Biosensors. Bei dieser Ausgestaltung weist der Biosensor 900 ein Substrat 901 aus Polyethylennaphthalat auf. Auf dem Substrat 901 sind eine Vielzahl von Elektroden als Erfassungseinheiten 902, die zugleich als Einheiten zum Immobilisieren fungieren, mit gekoppelter Auswerteschaltung 903 in einer regelmäßigen Anordnung aufgebracht. Der Biosensor 900 wird bevorzugt für die parallele Erfassung einer Vielzahl von makromolekularen Biopolymeren verwendet .9 shows a further embodiment of the biosensor. In this embodiment, the biosensor 900 has a substrate 901 made of polyethylene naphthalate. A multiplicity of electrodes as detection units 902, which at the same time function as units for immobilization, with a coupled evaluation circuit 903 are applied to the substrate 901 in a regular arrangement. The biosensor 900 is preferably used for the parallel detection of a large number of macromolecular biopolymers.
Fig.10 zeigt eine weitere Ausführungsform des Biosensors. Bei dieser Ausgestaltung weist der Biosensor 1000 ein Substrat10 shows a further embodiment of the biosensor. In this embodiment, the biosensor 1000 has a substrate
1001 aus Polyethylennaphthalat auf. Auf dem Substrat 1001 ist eine Photodiode als Erfassungseinheit 1002 mittels einer Leiterbahn 1004 mit einer Auswerteschaltung 1003, die Polymer-Transistoren gemäß Fig.l aufweist, gekoppelt. Die Photodiode 1002 besteht aus einer ITO Elektrode1001 made of polyethylene naphthalate. On the substrate 1001, a photodiode as the detection unit 1002 is coupled by means of a conductor track 1004 to an evaluation circuit 1003 which has polymer transistors according to FIG. 1. The photodiode 1002 consists of an ITO electrode
(Indiumzinnoxid, solche ITO beschichteten PEN Substrate sind kommerziell erhältlich) , darauf abgeschieden ist ein Poly (phenyl-vinylen)polymer und C50. Die obere Elektrode ist in Aluminium ausgebildet (eine Übersicht über die spektralen Empfindlichkeiten, die bei der Auswahl der geeigneten(Indium tin oxide, such ITO-coated PEN substrates are commercially available), on which is deposited a poly (phenyl-vinylene) polymer and C 50 . The top electrode is made of aluminum (an overview of the spectral sensitivities when choosing the appropriate one
Materialien berücksichtigt werden sollte, findet. sich in [23]). Der Biosensor 1000 wird für die Erfassung von makromolekularen Biopolymeren mittels eines optischen Detektionssignals, z.B. mittels Fluoreszenzstrahlung, die von einem Fluorophor als Markierung erzeugt wird, verwendet.Materials should be considered finds. themselves in [23]). The biosensor 1000 is used for the detection of macromolecular biopolymers by means of an optical detection signal, for example by means of fluorescent radiation, which is generated by a fluorophore as a marker.
Dabei kann auf einem Bereich der Photodiode, der als Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren dient, ein Material wie Gold aufgebracht sein.A material such as gold can be applied to an area of the photodiode that serves as a unit for immobilizing macromolecular biopolymers.
Da die Intensität der Anregungswellenlänge des Fluoreszenzfarbstoffes üblicherweise um Größenordnungen höher ist als die Intensität der abgegebenen Fluoreszenzstrahlung, wird beim Einsatz dieser auf Photodioden basierenden Erfassungseinheit die Anregungswellenlänge bei der Detektion vorzugsweise ausgeblendet werden. Dazu wird, wie auch nachfolgend erläutert, eine Filterschicht auf zumindest einem Teilbereich des Sensors oder auf einer Photodiode ausgebildet .Since the intensity of the excitation wavelength of the fluorescent dye is usually orders of magnitude higher than the intensity of the emitted fluorescent radiation, when using this detection unit based on photodiodes, the excitation wavelength will preferably be masked out during detection. For this purpose, as also explained below, a filter layer is formed on at least a partial area of the sensor or on a photodiode.
Die hier offenbarte Verwendung organischer Moleküle bietet den Vorteil, dass die spektrale Empfindlichkeit der Photodiode durch Material und Diodenaufbau über den gesamten Spektralbereich modifiziert werden kann (für Literatur, siehe z.B. [23]) . Für jeden Fluoreszenzfarbstoff (z.B. oc-RED Anregung 488 nm, Emission 670 nm; PE-Cy7 Anregung 488 nm,The use of organic molecules disclosed here has the advantage that the spectral sensitivity of the photodiode can be modified over the entire spectral range by material and diode structure (for literature, see e.g. [23]). For each fluorescent dye (e.g. oc-RED excitation 488 nm, emission 670 nm; PE-Cy7 excitation 488 nm,
Emission 750 nm) kann ein passendes halbleitendes organisches Polymer (z.B. PPV (Poly-p-phenylenvinylen) ) oder Molekül (PV- Oligomere, Fluorenderivate und weitere) gefunden werden, aus dem die Sensordiode aufgebaut werden kann.Emission 750 nm), a suitable semiconducting organic polymer (e.g. PPV (poly-p-phenylene vinylene)) or molecule (PV oligomers, fluorine derivatives and others) can be found from which the sensor diode can be built.
Die Palette organischer Farbstoffe (Nitro und Nitroso-, Azo-, Di-und Triarylmethan, Xanthen- , Acridin- , Phenoxazin-, Phenothiazin-, Phenazin-, Indigofarbstoffe) ist so reichhaltig, dass durch die oben genannte zusätzliche optische Filterschicht, die auf dem gesamten Träger, einem Bereich des Träger oder nur auf der Photodiode selbst aufgebracht ist, die Photodiode gegenüber der Anregungswellenlänge weiter abgeschirmt werden kann. Die optische Dichte lässt sich durch die Konzentration des Farbstoffs in der polymeren Schicht stufenlos einstellen. Mischungen von Farbstoffen sind ebenfalls geeignet.The range of organic dyes (nitro and nitroso, azo, di- and triarylmethane, xanthene, acridine, phenoxazine, phenothiazine, phenazine, indigo dyes) is like this It is ample that the above-mentioned additional optical filter layer, which is applied to the entire carrier, a region of the carrier or only to the photodiode itself, allows the photodiode to be further shielded from the excitation wavelength. The optical density can be infinitely adjusted by the concentration of the dye in the polymer layer. Mixtures of dyes are also suitable.
Durch die Verwendung polymerer Materialien sowohl für dieBy using polymeric materials for both
Erfassungseinheit als auch für die Auswerteschaltung eröffnet die vorliegende Erfindung den Weg zu einem breit anwendbaren und zugleich kostengünstigen Biosensor. Detection unit as well as for the evaluation circuit, the present invention opens the way to a widely applicable and at the same time inexpensive biosensor.
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[30] DE 41 15 397 AI Bezugszeichenliste[30] DE 41 15 397 AI LIST OF REFERENCE NUMBERS
100 Feldeffekt-Transistor100 field effect transistor
101 Substrat101 substrate
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)
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 Biosensor300 biosensor
301 Substrat301 substrate
302 Feldeffekt-Transistor302 field effect transistor
303 Gate-Bereich303 gate area
304 Schicht aus dielektrischem Material304 layer of dielectric material
305 erster Source/Drain-Bereich305 first source / drain region
306 zweiter Source/Drain-Bereich306 second source / drain region
307 Schicht mit halbleitendem Material307 layer with semiconducting material
308 Passivierungsschicht308 passivation layer
309 Erfassungseinheit309 registration unit
310 Fängermoleküle310 capture molecules
311 leitende Verbindung311 conductive connection
312 Kompartimentierung312 compartmentalization
313 Proben/Reaktionsraum313 samples / reaction space
314 weitere Bauelemente der Erfassungseinheit314 further components of the registration unit
400 Biosensor 401 Erste Elektrode400 biosensor 401 First electrode
402 Zweite Elektrode402 Second electrode
403 Isolatorschicht403 insulator layer
404 Haltebereich erste Elektrode404 first electrode holding area
405 DNA-Sondenmolekül405 DNA probe molecule
406 zu untersuchende Lösung406 solution to be examined
407 DNA-Strang407 strand of DNA
408 Enzym408 enzyme
409 Spaltbares Molekül409 Fissile molecule
410 Negativ geladenes erstes Teilmolekül410 Negatively charged first submolecule
411 Pfeil411 arrow
412 Weitere Lösung412 Another solution
413 Oxidiertes erstes Teilmolekül413 Oxidized first submolecule
414 Reduziertes erstes Teilmolekül414 Reduced first sub-molecule
500 Diagramm500 diagram
501 Y-Achse, elektrischer Strom501 Y axis, electric current
502 X-Achse, Zeit502 X-axis, time
503 Stromfluss503 current flow
504 Anfangswert504 initial value
600 Biosensor600 biosensor
601 Substrat601 substrate
602 Transistoren602 transistors
603 Auswerteschaltung603 evaluation circuit
604 elektrisch leitendes Material604 electrically conductive material
605 Ringelektrode605 ring electrode
700 Biosensor700 biosensor
701 Substrat701 substrate
702 Transistoren702 transistors
703 Erfassungs- und Immobilisierungs-Einheiten703 registration and immobilization units
704 Auswerteschaltung704 evaluation circuit
705 leitfähiges Material705 conductive material
706 Mikrofluidik-Kammer706 microfluidic chamber
707 Deckel707 lid
708 Seitenwand 709 Anschluss für PumpSystem708 side wall 709 Connection for PumpSystem
800 Biosensor800 biosensor
801 Substrat801 substrate
802 Auswerteschaltung aus Polymertransistoren802 evaluation circuit made of polymer transistors
803 Erfassungseinheit803 registration unit
804 leitende Verbindung804 conductive connection
900 Biosensor900 biosensor
901 Substrat901 substrate
902 Erfassungseinheit902 registration unit
903 mit Erfassungseinheit gekoppelte Auswerteschaltung903 evaluation circuit coupled with detection unit
1000 Biosensor1000 biosensor
1001 Substrat1001 substrate
1002 Photodiode1002 photodiode
1003 Auswerteschaltung mit Polymertransistoren1003 evaluation circuit with polymer transistors
1004 Leiterbahn 1004 conductor track

Claims

Patentansprüche claims
1. Biosensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren1. Biosensor for the detection of macromolecular biopolymers
• mit mindestens einer Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren,With at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers,
• mit mindestens einer Erfassungseinheit zum Erfassen eines Detektionssignals, mit dem die Existenz makromolekularer Biopolymeren angezeigt wird, undWith at least one detection unit for detecting a detection signal with which the existence of macromolecular biopolymers is indicated, and
• mit einer mit der Erfassungseinheit gekoppelten Auswerteschaltung für das Signal, wobei die• with an evaluation circuit for the signal coupled to the detection unit, the
Auswerteschaltung mindestens ein Bauelement mit einer halbleitenden Schicht mit einem organischen Material aufweist.Evaluation circuit has at least one component with a semiconducting layer with an organic material.
2. Biosensor nach Anspruch 1, bei dem die halbleitende Schicht ein organisches inertes Polymermaterial als Matrixmaterial aufweist, in das anorganische halbleitende Partikel eingebettet sind.2. Biosensor according to claim 1, in which the semiconducting layer comprises an organic inert polymer material as matrix material, in which inorganic semiconducting particles are embedded.
3. Biosensor nach Anspruch 1, bei dem die halbleitende Schicht ein organisches halbleitendes Material aufweist.3. Biosensor according to claim 1, wherein the semiconducting layer comprises an organic semiconducting material.
4. Biosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das mindestens eine Bauelement der Auswerteschaltung ein Transistor ist.4. Biosensor according to one of claims 1 to 3, in which the at least one component of the evaluation circuit is a transistor.
5. Biosensor nach Anspruch 4, bei dem die halbleitende Schicht den Body-Bereich des Transistors bildet.5. Biosensor according to claim 4, wherein the semiconducting layer forms the body region of the transistor.
6. Biosensor nach Anspruch 5, bei dem der Transistor ein organischer Dünnfilm-Transistor ist .6. biosensor according to claim 5, where the transistor is an organic thin film transistor.
7. Biosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das halbleitende organische 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 .7. Biosensor according to one of the preceding claims, in which the semiconducting organic material is selected from the group consisting of pentazene, antrazen, tetrazene, oligothiophene, polythiophene, polyaniline, poly-p-phenylene, poly-p-phenylvinylene, polypyrrole, phthalocyanine , Porpyhrin and derivatives thereof.
8. Biosensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die gesamte Auswerteschaltung aus Transistoren mit zumindest einer halbleitenden Schicht mit einem organischen Material besteht.8. Biosensor according to one of claims 4 to 7, in which the entire evaluation circuit consists of transistors with at least one semiconducting layer with an organic material.
9. Biosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Erfassungseinheit zugleich als die mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren ausgebildet ist.9. Biosensor according to one of claims 1 to 8, in which the detection unit is at the same time designed as the at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers.
10. Biosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die mindestens eine Einheit zum Immobilisieren auf der Ξrfassungseinheit angeordnet ist.10. Biosensor according to one of claims 1 to 8, wherein the at least one immobilization unit is arranged on the detection unit.
11. Biosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Erfassungseinheit eine Elektrode, eine Photodiode oder einen Transistor aufweist.11. Biosensor according to one of the preceding claims, wherein the detection unit has an electrode, a photodiode or a transistor.
12. Biosensor nach Anspruch 11, bei dem die Photodiode ein halbleitendes organisches Material aufweist .12. The biosensor according to claim 11, wherein the photodiode comprises a semiconducting organic material.
13. Biosensor nach Anspruch 12, der eine Filterschicht zur Verringerung oder zum Abhalten der AnregungsStrahlung von der Photodiode aufweist.13. Biosensor according to claim 12, which has a filter layer for reducing or preventing the excitation radiation from the photodiode.
14. Biosensor nach Anspruch 11, bei dem die Elektrode aus einem Elektrodenarray besteht.14. The biosensor according to claim 11, wherein the electrode consists of an electrode array.
15. Biosensor nach Anspruch 11 oder 14, bei dem die Elektrode Gold, Palladium, Platin, Titan, Silber oder ein elektrisch leitfähiges organisches Material aufweist.15. Biosensor according to claim 11 or 14, wherein the electrode comprises gold, palladium, platinum, titanium, silver or an electrically conductive organic material.
16. Biosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Vielzahl von Erfassungseinheiten mit gekoppelter Auswerteschaltung aufweist.16. Biosensor according to one of the preceding claims, which has a plurality of detection units with a coupled evaluation circuit.
17. Biosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine Referenzelektrode aufweist.17. Biosensor according to one of the preceding claims, further comprising a reference electrode.
18. Biosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Erfassungseinheit in einer Mikrofluidik-Kammer angeordnet ist.18. Biosensor according to one of the preceding claims, in which the detection unit is arranged in a microfluidic chamber.
19. Verfahren zur Herstellung eines Biosensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren, das die Schritte aufweist, dass auf oder in einem Substrat19. A method for producing a biosensor for detecting macromolecular biopolymers, comprising the steps of being on or in a substrate
• mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren ausgebildet wird,At least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers is formed,
• mindestens eine Erfassungseinheit zum Erfassen eines Detektionssignals, mit dem die Existenz makromolekularer Biopolymeren angezeigt wird, ausgebildet wird,At least one detection unit for detecting a detection signal, with which the existence of macromolecular biopolymers is indicated, is formed,
• und eine mit der Erfassungseinheit gekoppelte Auswerteschaltung für das Signal aufgebracht wird, wobei die Auswerteschaltung mindestens ein Bauelement mit einer halbleitenden Schicht mit einem organischen Material aufweist.• and an evaluation circuit coupled to the detection unit is applied for the signal, the evaluation circuit having at least one component with a has semiconducting layer with an organic material.
20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das Bauelement der ErfassungsSchaltung ein Transistor ist.20. The method according to claim 19, wherein the component of the detection circuit is a transistor.
21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die halbleitenden Schicht mit dem organischen Material den Bodybereich des Transistors bildet. 21. The method according to claim 20, wherein the semiconducting layer with the organic material forms the body region of the transistor.
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