DE10214719A1 - Sensor for the qualitative and quantitative determination of (bio) organic oligomers and polymers, analysis methods for this as well as methods for producing the sensor - Google Patents
Sensor for the qualitative and quantitative determination of (bio) organic oligomers and polymers, analysis methods for this as well as methods for producing the sensorInfo
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Abstract
Es sind mindestens eine Detektionselektrode vorgesehen, auf der Fängermoleküle zum Hybridisieren mit zu bestimmenden (bio)organischen Oligomeren und Polymeren immobilisiert sind sowie mindestens zwei Attraktionselektroden, auf denen sich keine Fängermoleküle befinden. Die Detektionselektrode ist zwischen dnm zweiten Elektroden angeordnet, derart, dass durch Änderung der elektrischen Felder an den zweiten Elektroden ein die zu erfassenden chemischen Verbindungen möglicherweise enthaltender, auf die Sensor-Anordnung aufgebrachter Analyt abhängig von Art und Größe der elektrischen Felder über die erste Elektrode hinwegbewegt wird.At least one detection electrode is provided, on which catcher molecules for hybridization with (bio) organic oligomers and polymers to be determined are immobilized, and at least two attraction electrodes on which there are no catcher molecules. The detection electrode is arranged between the second electrodes in such a way that, by changing the electrical fields on the second electrodes, an analyte possibly containing the chemical compounds to be detected and applied to the sensor arrangement moves over the first electrode depending on the type and size of the electrical fields becomes.
Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor und ein Verfahren zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von (bio organischen Oligomeren und Polymeren in Lösungen, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Sensors. Die Erfindung betrifft insbesondere einen solchen Sensor und ein solches Verfahren, die zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von Biopolymeren auf elektronische Weise geeignet sind. The invention relates to a sensor and a method for qualitative and quantitative determination of (bio organic oligomers and polymers in solutions, as well a method of manufacturing the sensor. The invention relates in particular to such a sensor and such Procedures for qualitative and quantitative determination of biopolymers are suitable electronically.
In der medizinischen Analytik müssen Stoffe nachgewiesen und quantitativ bestimmt werden, die nur in sehr niedriger Konzentration in einer Lösung enthalten sind. Ein Beispiel hierfür ist die DNA-Analyse. Es sind einige optische Verfahren bekannt, bei denen Fluoreszenzlabel verwendet werden, welche an die zu detektierende DNA gebunden werden. Nach Hybridisierung dieser markierten Makromoleküle mit dazu passenden, auf einer Sensoroberfläche gebundenen Fänger- oder Sondenmolekülen kann durch Einstrahlung kurzwelligen Lichts und Messung der Fluoreszenzintensität die Konzentration des Stoffes im Analyten bestimmt werden. In medical analysis, substances must be detected and to be quantified only in very low Concentration contained in a solution. An example this is DNA analysis. There are some optical ones Methods known in which fluorescent labels are used which are bound to the DNA to be detected. After hybridizing these labeled macromolecules with it suitable catcher or Probe molecules can be radiated by short-wave light and measuring the fluorescence intensity the concentration of the Substance in the analyte can be determined.
Aus [2] ist eine weitere Methode zur Analyse eines Elektrolyten auf existierende DNA-Stränge mit vorgegebener Sequenz bekannt. Hierbei werden die DNA-Stränge mit der gewünschten Sequenz markiert und aufgrund der Fluoreszenzeigenschaften der markierten Moleküle wird deren Existenz bestimmt. Hierzu wird Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich auf den Elektrolyten gestrahlt und das von dem Elektrolyten, insbesondere von dem nachzuweisenden DNA-Strang, emittierte Licht erfasst. Aufgrund dieses Fluoreszenzverhaltens wird bestimmt, ob der nachzuweisende DNA-Strang mit der entsprechend vorgegebenen Sequenz im Elektrolyten enthalten ist oder nicht. Diese Vorgehensweise ist sehr aufwendig, zumal eine sehr genaue Kenntnis des Fluoreszenzverhaltens des entsprechenden markierten DNA- Strangs und eine sehr genaue Justierung des Erfassungsmittels zum Erfassen der emittierten Lichtstrahlen erforderlich ist. Somit ist diese Vorgehensweise teuer, kompliziert sowie gegen Störeinflüsse sehr empfindlich, wodurch das Messergebnis sehr leicht verfälscht werden kann. Another method for analyzing a Electrolytes on existing DNA strands with a given Sequence known. Here, the DNA strands with the marked desired sequence and based on the The fluorescence properties of the labeled molecules becomes their Existence determined. For this purpose, light becomes visible Wavelength range radiated on the electrolyte and that of the electrolyte, in particular of the one to be detected DNA strand, emitted light captured. Because of this Fluorescence behavior is determined whether the DNA strand with the corresponding predetermined sequence in the Electrolyte is included or not. This approach is very complex, especially since a very precise knowledge of the Fluorescence behavior of the corresponding labeled DNA Strand and a very precise adjustment of the detection means is required to detect the emitted light beams. This procedure is therefore expensive, complicated and counter Interference very sensitive, which makes the measurement result very can easily be falsified.
Alternativ zu optischen Verfahren wird an elektrischen Verfahren gearbeitet, bei denen die Konzentration des Analyten direkt über ein elektrisches Signal gemessen werden kann. As an alternative to optical processes, electrical Process worked in which the concentration of the Analytes can be measured directly via an electrical signal can.
Ein Verfahren zur quantitativen und qualitativen Bestimmung von Biopolymeren mittels einer Elektrodenanordnung ist aus [1] bekannt. Fig. 1a und Fig. 1b zeigen einen in [1] beschriebenen Sensor. Der Sensor 200 weist zwei Elektroden 201, 202 aus Gold auf, die in einer Isolatorschicht 203 aus Isolatormaterial eingebettet sind. An die planaren Elektroden 201, 202 sind Elektroden-Anschlüsse 204, 205 angeschlossen, an denen das an der Elektrode 201, 202 anliegende elektrische Potential zugeführt werden kann. Auf jeder Elektrode 201, 202 befinden sich gemäß der sogenannten Gold-Schwefel-Kopplung immobilisierte DNA-Sondenmoleküle 206 (vgl. Fig. 1a). Auf den Elektroden 201, 202 ist der zu untersuchende Analyt 207, aufgebracht, der beispielsweise aus einer elektrolytischen Lösung der zu detektierenden Biopolymeren besteht. Sind im Analyten 207 DNA-Stränge 208 mit einer Sequenz enthalten, die zu der Sequenz der DNA-Sondenmoleküle komplementär ist, hybridisieren diese DNA-Stränge 208 mit den DNA- Sondenmolekülen 206 (vgl. Fig. 1b). A method for the quantitative and qualitative determination of biopolymers by means of an electrode arrangement is known from [1]. FIG. 1a and FIG. 1b show a sensor as described in [1]. The sensor 200 has two electrodes 201 , 202 made of gold, which are embedded in an insulator layer 203 made of insulator material. Electrode connections 204 , 205 are connected to the planar electrodes 201 , 202 , to which the electrical potential applied to the electrode 201 , 202 can be supplied. DNA probes 206 immobilized according to the so-called gold-sulfur coupling are located on each electrode 201 , 202 (cf. FIG. 1a). The analyte 207 to be examined is applied to the electrodes 201 , 202 and consists for example of an electrolytic solution of the biopolymers to be detected. If the analyte 207 contains DNA strands 208 with a sequence that is complementary to the sequence of the DNA probe molecules, these DNA strands 208 hybridize with the DNA probe molecules 206 (cf. FIG. 1b).
An die Pyrimidinbasen Adenin (A), Guanin (G), Thymin (T), oder Cytosin (C), können jeweils zu den Sequenzen der Sondenmoleküle komplementäre Sequenzen von DNA-Strängen in der üblichen Weise, d. h. Basenpaarung über Wasserstoffbrückenbindungen zwischen A und T bzw. zwischen C und G, hybridisieren. To the pyrimidine bases adenine (A), guanine (G), thymine (T), or cytosine (C), can each be added to the sequences of the Complementary sequences of DNA strands in the usual way, d. H. Base pairing over Hydrogen bonds between A and T or between C and G hybridize.
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. Somit ist ein DNA- Sondenmolekül einer vorgegebenen Sequenz jeweils nur in der Lage, einen bestimmten, nämlich den DNA-Strang mit jeweils komplementärer Sequenz zu binden, d. h. zu hybridisieren. Hybridization of a DNA probe molecule 206 and a DNA strand 208 only takes place if the sequences of the respective DNA probe molecule 206 and the corresponding DNA strand 208 are complementary to one another. Thus, a DNA probe molecule of a given sequence is only able to bind, ie to hybridize a specific one, namely the DNA strand with a complementary sequence.
Die zu detektierende Substanz hybridisiert somit mit immobilisierten Fängermolekülen und verändert so die elektrische Umgebung in der Nähe der Sensoroberfläche. Diese Änderung kann durch Impedanzmessungen ausgewertet werden und stellt ein Maß für die Konzentration des Stoffes im Analyten dar. The substance to be detected thus hybridizes with immobilized capture molecules and thus changes the electrical environment near the sensor surface. This Change can be evaluated by impedance measurements and provides a measure of the concentration of the substance in the analyte represents.
Der elektrische Parameter, der gemäß dem aus [1] bekannten Verfahren ausgewertet wird, ist die Kapazität zwischen den Elektroden bzw. die Impedanz der beiden Elektroden. Hierbei wird die Impedanz bzw. die Kapazität in ihrer Veränderung erfasst, wenn nur DNA-Sondenmoleküle vorhanden sind gegenüber dem Fall, dass DNA-Sondenmoleküle mit den zu erfassenden DNA- Strängen hybridisiert sind. The electrical parameter according to that known from [1] The method being evaluated is the capacity between the Electrodes or the impedance of the two electrodes. in this connection becomes the impedance or the capacity in its change detected when only DNA probe molecules are present opposite the case that DNA probe molecules with the DNA to be detected Strands are hybridized.
Findet eine Hybridisierung statt, so verändert sich der Wert der Impedanz zwischen den Elektroden 201 und 202. Diese veränderte Impedanz wird durch Anlegen einer Wechselspannung mit einer Amplitude von ungefähr 50 mV an die Elektroden- Anschlüsse 204, 205 und dem dadurch resultierenden Strom mittels eines angeschlossenen Messgeräts (nicht dargestellt) bestimmt. If hybridization takes place, the value of the impedance between the electrodes 201 and 202 changes . This changed impedance is determined by applying an AC voltage with an amplitude of approximately 50 mV to the electrode connections 204 , 205 and the resulting current by means of a connected measuring device (not shown).
Im Falle einer Hybridisierung verringert sich der kapazitive Anteil der Impedanz zwischen den Elektroden 201, 202. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sowohl die DNA-Sondenmoleküle 206 als auch die DNA-Stränge 208, die eventuell mit den DNA- Sondenmolekülen 206 hybridisieren, nicht-leitend sind und somit die jeweiligen Elektrode 201, 202 in gewissem Maße elektrisch abschirmen. In the case of hybridization, the capacitive component of the impedance between the electrodes 201 , 202 is reduced. This is due to the fact that both the DNA probe molecules 206 and the DNA strands 208 , which may hybridize with the DNA probe molecules 206 , are non-conductive and thus electrically shield the respective electrodes 201 , 202 to a certain extent.
Zur Verbesserung der Messgenauigkeit ist es aus [4] bekannt, eine Vielzahl von Elektrodenpaaren 201, 202 zu verwenden und diese parallel zu schalten, wobei diese miteinander verzahnt angeordnet sind und sich eine sogenannte Interdigitalelektrode ergibt. Die Abmessung der Elektroden und der Abstände zwischen den Elektroden liegen in der Größenordnung der Länge der zu detektierenden Moleküle, d. h. der DNA-Stränge 208 oder darunter, beispielsweise im Bereich von 200 nm und darunter. To improve the measurement accuracy, it is known from [4] to use a large number of electrode pairs 201 , 202 and to connect them in parallel, these being arranged in a toothed manner and resulting in a so-called interdigital electrode. The dimensions of the electrodes and the distances between the electrodes are of the order of the length of the molecules to be detected, ie the DNA strands 208 or below, for example in the range of 200 nm and below.
Ferner ist es aus der Affinitätschromatographie ([3]) bekannt, immobilisierte niedermolekulare Moleküle, insbesondere Liganden hoher Spezifität und Affinität, zu verwenden, um Peptide und Proteine, z. B. Enzyme, im Analyten spezifisch zu binden. Furthermore, it is from affinity chromatography ([3]) known, immobilized small molecules, especially ligands of high specificity and affinity use peptides and proteins, e.g. B. enzymes, in the analyte bind specifically.
Bei diesen optischen und elektrischen Verfahren ist die Hybridisierung der zu untersuchenden Stoffe an immobilisierte Fängermoleküle auf einer Sensoroberfläche notwendig. Da die Konzentration der DNA im Analyten sehr gering ist, dauert es unter Umständen sehr lange, bis alle DNA-Moleküle in der Lösung allein durch Diffusionsprozessse an passende Fängermoleküle hybridisiert haben. Um diese Stoffe durch Verwendung von Mikrosensoren in kurzer Zeit zu charakterisieren, ist daher eine Aufkonzentrierung des zu analysierenden Stoffes im Bereich der Sensoroberfläche notwendig. In these optical and electrical processes, the Hybridization of the substances to be examined to immobilized Catcher molecules on a sensor surface necessary. Since the Concentration of DNA in the analyte is very low, it takes possibly very long until all DNA molecules in the Solution to suitable ones only by diffusion processes Have hybridized capture molecules. To get these substances through Use of microsensors in a short time too characterize is therefore a concentration of the analyzing substance in the area of the sensor surface necessary.
Ein bekanntes derartiges Verfahren ist die Elektrophorese. Hierbei wird der Analyt einem geeigneten, gegebenenfalls elektrischen Feld ausgesetzt, das eine gerichtete Bewegung der zu untersuchenden Stoffe im Lösungsmittel ermöglicht. Dies kann entweder aufgrund einer permanenten elektrischen Ladung der Stoffe (Ionenwanderung) oder aufgrund von Polarisationseffekten (Wanderung von induzierten oder permanenten Dipolen im inhomogenen elektrischen Feld) erfolgen. Durch die Elektrodengeometrie und die Wahl der angelegten Spannungen bzw. Ströme und deren Frequenzen können geeignete Konzentrationsgradienten innerhalb der Lösung erzeugt werden, vorzugsweise derart, dass sich die Konzentration des zu analysierenden Stoffes in der Nähe der Sensoroberfläche erhöht. A known method of this type is electrophoresis. Here, the analyte is a suitable, if necessary exposed to electrical field, which is a directional movement of the substances to be examined in the solvent. This can be due to either permanent electrical Charge of substances (ion migration) or due to Polarization effects (migration of induced or permanent dipoles in the inhomogeneous electric field) respectively. Through the electrode geometry and the choice of applied voltages or currents and their frequencies suitable concentration gradients within the solution are generated, preferably such that the Concentration of the substance to be analyzed close to the Sensor surface increased.
Im Falle der Wanderung von ungeladenen, dielektrischen Teilchen im inhomogenen elektrischen Feld durch Induktion von Dipolmomenten spricht man von Dielektrophorese. In the case of migration from uncharged, dielectric Particles in the inhomogeneous electric field by induction of Dipole moments are called dielectrophoresis.
Bei der Di-/Elektrophorese liegt der Analyt üblicherweise in wässriger Lösung vor. Die Elektroden zur Erzeugung des elektrischen Feldes müssen mit dem Analyten in direktem elektrischen Kontakt stehen, da anderenfalls wegen der hohen Dielektrizitätskonstante von Wasser und seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit das elektrische Feld innerhalb der wässrigen Lösung sehr klein wäre. In the case of di- / electrophoresis, the analyte is usually in aqueous solution. The electrodes for generating the electrical field must be in direct contact with the analyte electrical contact, otherwise because of the high Dielectric constant of water and its high electrical conductivity the electrical field within the aqueous solution would be very small.
Wegen des direkten Kontaktes der Elektroden zum elektrisch leitfähigen Medium findet Elektrolyse statt, die den pH-Wert in Nähe der Elektroden verändert und bei hoher Stromdichte auch zu Gasbildung führen kann. Dieser Effekt kann durch Anlegen von Wechselspannung reduziert werden. Da aber insbesondere Biopolymere (Bio-Makromoleküle) wie DNA empfindlich auf Änderungen des pH-Wertes ins basische reagieren ist in der WO 99/38612 die Verwendung einer sogenannten "permeation layer" als Schutzschicht über den Elektroden vorgeschlagen. Diese semipermeable Schicht ist für kleine Moleküle bzw. Ionen wie H2O, NaCl, usw. durchlässig, so dass weiterhin Stromfluss möglich ist, wohingegen Makromoleküle wie DNA nicht bis zur Elektrodenoberfläche vordringen können. Because of the direct contact of the electrodes to the electrically conductive medium, electrolysis takes place, which changes the pH in the vicinity of the electrodes and can also lead to gas formation if the current density is high. This effect can be reduced by applying AC voltage. Since, in particular, biopolymers (bio-macromolecules) such as DNA are sensitive to changes in the pH value in the basic, WO 99/38612 proposes the use of a so-called "permeation layer" as a protective layer over the electrodes. This semipermeable layer is permeable to small molecules or ions such as H 2 O, NaCl, etc., so that current flow is still possible, whereas macromolecules such as DNA cannot penetrate to the electrode surface.
Aufgabe der Erfindung war es daher, einen Sensor zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von (bio)organischen Oligomeren und Polymeren bereitzustellen, welcher diese Bestimmungen mit größerer Nachweisempfindlichkeit und/oder Geschwindigkeit erlaubt. Aufgabe der Erfindung war außerdem die Bereitstellung eines Verfahrens zur quantitativen und qualitativen Bestimmung von (bio)organischen Oligomeren und Polymeren unter Verwendung dieses Sensors. The object of the invention was therefore to provide a sensor qualitative and quantitative determination of to provide (bio) organic oligomers and polymers, which these provisions with greater Detection sensitivity and / or speed allowed. The object of the invention was also to provide a Method for the quantitative and qualitative determination of (bio) organic oligomers and polymers using of this sensor.
Demgemäß wurde der Sensor, das Verfahren zu seiner Herstellung (Herstellungsverfahren) und das Verfahren zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von (bio)organischen Oligomeren und Polymeren (Analyseverfahren) nach den unabhängigen Ansprüchen bereitgestellt. Accordingly, the sensor became the process of its Manufacturing (manufacturing process) and the process for qualitative and quantitative determination of (bio) organic oligomers and polymers (analytical method) provided according to the independent claims.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Sensor zur
qualitativen und quantitativen Bestimmung von
(bio)organischen Oligomeren und Polymeren in Lösung,
umfassend eine Elektrodenanordnung
- - A) mit mindestens einer ersten Elektrode, auf der Fängermoleküle zum Hybridisieren mit zu bestimmenden (bio)organischen Oligomeren und Polymeren ("chemische Verbindungen) immobilisiert sind (Detektionselektroden),
- - B) mit mindestens zwei zweiten Elektroden, auf denen sich keine Fängermoleküle befinden (Attraktionselektroden),
- - wobei die erste Elektrode zwischen den zweiten Elektroden angeordnet ist, derart, dass durch Änderung der elektrischen Felder an den zweiten Elektroden ein die zu erfassenden chemischen Verbindungen, insbesondere Biopolymeren, möglicherweise enthaltender, auf den Sensor aufgebrachter Analyt abhängig von Art und Größe der elektrischen Felder über die erste Elektrode hinwegbewegt wird, so dass in dem Analyten enthaltene, qualitativ und/oder quantitativ zu bestimmende (bio)organische Oligomere und Polymere mit den Fängermolekülen hybridisieren können.
- A) with at least one first electrode on which capture molecules for hybridization with (bio) organic oligomers and polymers to be determined ("chemical compounds") are immobilized (detection electrodes),
- - B) with at least two second electrodes on which there are no capture molecules (attraction electrodes),
- - The first electrode being arranged between the second electrodes in such a way that, by changing the electrical fields on the second electrodes, an analyte applied to the sensor, possibly containing the chemical compounds to be detected, in particular biopolymers, depending on the type and size of the electrical fields is moved over the first electrode, so that (bio) organic oligomers and polymers contained in the analyte and to be determined qualitatively and / or quantitatively can hybridize with the capture molecules.
Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur
qualitativen und quantitativen Bestimmung von
(bio)organischen Oligomeren und Polymeren unter Verwendung
des erfindungsgemäßen Sensors, wobei
- a) dieser Sensor, der eine Elektrodenanordnung umfasst, bei der Attraktionselektroden (B) und Detektionselektroden (A) vorhanden sind, mit einer die zu analysierende Substanz enthaltenden Lösung kontaktiert wird, wobei
- b) an zumindest einen Teil der Attraktionselektroden (B) derart eine sich zeitlich ändernde elektrische Spannung angelegt wird, dass mindestens zwei Gruppen von Attraktionselektroden (B) zumindest zeitweise eine unterschiedliche Spannung aufweisen, die bewirkt, das die zu analysierende Substanz mindestens einmal über die Detektionselektrode(n) (A) hinwegwandern, so dass mindestens ein Teil davon mit den Fängermolekülen auf der oder den Detektionselektrode(n) hybridisieren, und
- c) die zu bestimmenden (bio)organischen Oligomeren oder Polymeren auf optische oder elektronische Weise nachgewiesen werden.
- a) this sensor, which comprises an electrode arrangement in which there are attraction electrodes (B) and detection electrodes (A), is contacted with a solution containing the substance to be analyzed, wherein
- b) a time-changing electrical voltage is applied to at least some of the attraction electrodes (B) in such a way that at least two groups of attraction electrodes (B) have, at least temporarily, a different voltage, which causes the substance to be analyzed to pass through the detection electrode at least once (n) (A) migrate away so that at least a portion thereof hybridize with the capture molecules on the detection electrode (s), and
- c) the (bio) organic oligomers or polymers to be determined are detected optically or electronically.
Da mit dem erfindungsgemäßen Sensor sehr verschiedenartige (bio)organische Oligomere und Polymere qualitativ und quantitativ bestimmt werden können, wird im folgenden eine allgemeine Anleitung für den Aufbau des erfindungsgemäßen Sensors und die Durchführung des erfindungsgemäßen (Analyse)Verfahrens gegeben. Hierzu werden die unterschiedlichen elektrischen Felder und deren Einfluss auf die Aufkonzentrierung der Moleküle in Elektrodennähe in Abhängigkeit von der Elektrodengeometrie betrachtet. Since with the sensor according to the invention very different (bio) organic oligomers and polymers qualitatively and can be quantitatively determined in the following general instructions for the construction of the invention Sensor and the implementation of the invention (Analysis) procedure given. For this, the different electrical fields and their influence the concentration of the molecules near the electrodes in Dependence on the electrode geometry considered.
Zur Erzeugung eines inhomogenen elektrischen Feldes zur Dielektrophorese können Elektroden mit kleinem Krümmungsradius verwendet werden. Dadurch treten aufgrund des Spitzeneffektes bei Anlegen einer Spannung sehr große Feldgradienten innerhalb der Lösung auf, womit auch bei ungeladenen Teilchen ein Konzentrationsgradient innerhalb der Lösung aufgebaut werden kann. To generate an inhomogeneous electric field Dielectrophoresis can use small electrodes Radius of curvature can be used. This occurs due to the Great effect when applying a voltage very large Field gradients within the solution, with which also uncharged particles have a concentration gradient within the Solution can be built.
Bei der Di-/Elektrophorese können zwei unabhängige, konkurrierende Prozesse beobachtet werden. Dies ist zum einen die Diffusion der Moleküle, die zu deren Gleichverteilung innerhalb der Lösung führt. Zum anderen die Migration aufgrund der elektrischen Kraft auf die geladenen Teilchen und den permanenten sowie induzierten Dipol des Makromoleküls. Der Einfluss des Schwerefelds bei Dichteunterschieden, der zum Teilchentransport durch Konvektion führt, sei hier vernachlässigt. With di- / electrophoresis, two independent, competing processes are observed. On the one hand, this is the diffusion of the molecules leading to their even distribution leads within the solution. On the other hand, migration due to the electrical force on the charged particles and the permanent and induced dipole of the Macromolecule. The influence of the gravitational field at Density differences caused by particle transport Convection is neglected here.
Die elektrische Kraft ≙el auf ein Teilchen mit der Ladung q,
einem permanenten Dipolmoment ≙o und einer Polarisierbarkeit
α im elektrischen Feld beträgt bei Vernachlässigung des
Schwerefeldes:
≙el = (q + ( ≙o + α ≙) ≙) ≙. (1)
The electrical force ≙ el on a particle with the charge q, a permanent dipole moment ≙ o and a polarizability α in the electric field is neglecting the gravitational field:
≙ el = (q + (≙ o + α ≙) ≙) ≙. (1)
Dieser elektrischen Kraft wirkt die Reibungskraft des
bewegten Moleküls (z. B. eines Biopolymeren wie DNA) im
Lösungsmittel entgegen. Die Trägheitskraft sowie die
Gravitationskraft werden hier vernachlässigt. Für ein
kugelförmiges Teilchen mit dem Radius rp gilt für die
Reibungskraft ≙fr:
≙fr = 6pηrp ≙, (2)
η ist die Viskosität des umgebenden Mediums und ≙ die
Geschwindigkeit des Teilchens (Moleküls) im Feld. Nach dem
Einschalten des Feldes stellt sich ein Gleichgewicht zwischen
elektrischer Kraft und Reibungskraft ein, so dass sich eine
Driftgeschwindigkeit ≙d wie folgt ergibt:
This electrical force is counteracted by the frictional force of the moving molecule (e.g. a biopolymer such as DNA) in the solvent. The inertial force and the gravitational force are neglected here. For a spherical particle with radius r p, the following applies to the frictional force ≙ fr :
≙fr = 6pηrp ≙, (2)
η is the viscosity of the surrounding medium and ≙ the speed of the particle (molecule) in the field. After switching on the field, an equilibrium between electrical force and frictional force is established, so that a drift velocity ≙ d results as follows:
Ein Konzentrationsgradient führt zu einem sogenannten
Diffusionsdruck, der die Teilchen in Bereiche niedrigerer
Konzentration treibt. Die elektrische Kraft wirkt dieser
Diffusionskraft entgegen. Für den Teilchenfluss durch eine
beliebige Fläche gilt dann im Gleichgewicht von elektrischer
Kraft und Diffusionsdruck:
-D ≙c = c ≙d, (4)
c ist die Konzentration des zu analysierenden Stoffes im
Lösungsmittel und D seine Diffusionskonstante. Die
Diffusionskonstante hängt in folgender Weise mit der
Viskosität η der Lösung zusammen:
D = kT/(6πηrp). (5)
A concentration gradient leads to a so-called diffusion pressure, which drives the particles into areas of lower concentration. The electrical force counteracts this diffusion force. The following then applies to the flow of particles through any surface in the balance of electrical force and diffusion pressure:
-D ≙c = c ≙ d , (4)
c is the concentration of the substance to be analyzed in the solvent and D is its diffusion constant. The diffusion constant is related to the viscosity η of the solution in the following way:
D = kT / (6πηr p ). (5)
Zusammengefasst ergibt sich folgende Differentialgleichung
für die Beschreibung der räumlichen
Konzentrationsverteilung c:
In summary, the following differential equation results for the description of the spatial concentration distribution c:
Im folgenden soll das sich einstellende Konzentrationsprofil in Abhängigkeit von den Eigenschaften der gelösten Moleküle und der Geometrie des elektrischen Feldes berechnet werden. Zweckmäßigerweise wird im folgenden lediglich der Fall elektrisch geladener Teilchen diskutiert, da die Wirkung eines inhomogenen elektrischen Feldes auf permanente bzw. induzierte Dipole um mehrere Größenordnungen kleiner ist als dessen Wirkung auf geladene Teilchen. DNA liegt in wässriger Lösung als Polyanion vor, wobei die Ladungszahl q der effektiven Ladung mit der Anzahl der in ihr enthaltenen Nukleotide steigt. In the following, the concentration profile that emerges depending on the properties of the dissolved molecules and the geometry of the electric field can be calculated. Only the case is expedient in the following electrically charged particles discussed because of the effect of an inhomogeneous electric field to permanent or induced dipoles is several orders of magnitude smaller than its effect on charged particles. DNA is watery Solution as a polyanion, the charge number q being the effective charge with the number of contained in it Nucleotides increases.
Die Lösung dieser Differentialgleichung hängt von der Art des
vorliegenden elektrischen Feldes ab. Bei der klassischen
Elektrophorese werden konstante Felder verwendet, d. h. es
gilt:
für ein Feld zwischen zwei Elektroden im Abstand d und der
Spannung U. In diesem Fall reduziert sich die
Differentialgleichung zu:
The solution to this differential equation depends on the type of electric field present. In conventional electrophoresis, constant fields are used, which means:
for a field between two electrodes at a distance d and the voltage U. In this case, the differential equation is reduced to:
Eine Lösung dieser Differentialgleichung ist:
One solution to this differential equation is:
Dies bedeutet, dass die Konzentration des zu analysierenden
Stoffes in einer Entfernung
This means that the concentration of the substance to be analyzed is at a distance
von der einen Elektrodenfläche auf den 1/e-ten Teil abgefallen ist, also eine nutzbare Aufkonzentrierung in einer Schicht der Dicke ρ um die Elektrode erfolgt. Ein homogenes Feld hat lediglich eine Wirkung auf geladene Teilchen, wie z. B. DNA als Polyanion. Weisen die Teilchen lediglich ein Dipolmoment auf, so werden sie im homogenen Feld zwar ausgerichtet, erfahren jedoch keine translatorische Kraft. from one electrode surface to the 1 / e-th part has dropped, i.e. a usable concentration in one Layer of thickness ρ takes place around the electrode. A homogeneous Field only has an effect on charged particles, such as z. B. DNA as polyanion. Just instruct the particles Dipole moment, so they are in the homogeneous field aligned, but experience no translational force.
Im Falle von Elektroden mit Zylindergeometrie weist das
elektrische Feld folgende Abhängigkeit vom Abstand r zur
Mittelelektrode auf:
U ist die angelegte Spannung an den Kondensator, r1 und r2
die Radien der inneren bzw. äußeren Elektrode des Zylinders.
Bei Einsetzen dieses Feldes in die Differentialgleichung kann
keine analytische Lösung mehr gefunden werden. Für den
Spezialfall eines geladenen Teilchens ohne Dipolmoment
( ≙ = 0, α = 0) ergibt sich folgende Lösung:
In the case of electrodes with a cylindrical geometry, the electrical field has the following dependence on the distance r from the center electrode:
U is the voltage applied to the capacitor, r 1 and r 2 the radii of the inner and outer electrodes of the cylinder. If this field is inserted in the differential equation, no analytical solution can be found. For the special case of a charged particle without a dipole moment (≙ = 0, α = 0), the following solution results:
Die Konzentration ist hierbei in einer Entfernung
auf den 1/e-ten Teil abgefallen.
The concentration is at a distance
dropped to the 1 / e-th part.
Ein kugelsymmetrisches elektrisches Feld nimmt mit dem
Quadrat des Abstandes zum Kugelmittelpunkt ab:
ro ist hierbei der Krümmungsradius der Kugeloberfläche und U
die anliegende Spannung. Auch hier kann keine allgemeine
Lösung gefunden werden. Für den Spezialfall eines geladenen
Teilchen ohne Dipolmoment ( ≙ = 0, α = 0) ergibt sich folgende
Lösung:
A spherically symmetrical electric field decreases with the square of the distance to the center of the sphere:
r o is the radius of curvature of the spherical surface and U is the applied voltage. No general solution can be found here either. For the special case of a charged particle without dipole moment (≙ = 0, α = 0), the following solution results:
Damit ist die Konzentration in einer Entfernung von
auf den 1/e-ten Teil abgefallen.
So the concentration is at a distance of
dropped to the 1 / e-th part.
In Abhängigkeit von der Elektrodengeometrie, den elektrischen
Eigenschaften des gelösten Stoffes und des Lösungsmittels
sowie der angelegten Spannung kann es somit zu einer starken
Aufkonzentrierung der zu analysierenden Substanz in der Nähe
der Elektrode kommen. Da die Detektionselektroden den
Attraktionselektroden üblicherweise benachbart sind und damit
räumlich getrennt sind, kann die Aufkonzentrierung auch dazu
führen, dass beispielsweise die DNA nicht in die Nähe der
Fängermoleküle kommt, um mit ihnen zu hybridisieren.
Andererseits begünstigt jedoch ein starkes elektrisches Feld
eine schnelle Aufkonzentrierung des Analyten auf der
Sensoroberfläche und ist damit für eine Beschleunigung der
Messung vorteilhaft. Fig. 2 zeigt den typischen Verlauf der
lokalen Konzentration des Analyten in Abhängigkeit von der
Entfernung zur Elektrodenoberfläche bei der Elektrophorese.
Die zuvor beschriebenen möglichen Elektrodengeometrien wurden
für ein typisches hochintegriertes System untersucht
(d = ro = r1 = 1 µm, r2 = 2 µm). Die Spannung wurde zu 1 V
gewählt, die Ausgangskonzentration zu 1 pM (in Fig. 2
dargestellt durch: •-•-•-•-•-•), die Temperatur zu 37°C und
als Ladungszahl der Teilchen 20 angenommen. In Fig. 2 ist die
Aufkonzentrierung des Analyten in unmittelbarer Nähe zur
Elektrodenoberfläche zu erkennen. Typischerweise fällt die
Konzentration des Stoffs bereits nach 10 nm auf den Wert der
Ausgangskonzentration ab. An der Elektrodenoberfläche kann
eine Aufkonzentrierung über mehrere Größenordnungen
beobachtet werden. Die Aufkonzentrierung fällt stärker aus,
wenn anstelle paralleler Elektroden (homogenes Feld)
Elektroden mit kleinem Krümmungsradius verwendet werden
(Spitzeneffekt). In Fig. 2 bedeuten die verschieden
markierten Linien den Konzentrationsverlauf vor der
Elektroden in Abhängigkeit von der Elektrodensymmetrie:
. . .: Kugelsymmetrie
---: Zylindersymmetrie
.--.--.--.: Homogenes Feld
Depending on the electrode geometry, the electrical properties of the solute and the solvent as well as the applied voltage, the substance to be analyzed can be concentrated in the vicinity of the electrode. Since the detection electrodes are usually adjacent to the attraction electrodes and are therefore spatially separated, the concentration can also result in the DNA, for example, not coming close to the capture molecules in order to hybridize with them. On the other hand, however, a strong electric field promotes rapid concentration of the analyte on the sensor surface and is therefore advantageous for accelerating the measurement. Fig. 2 shows the typical profile of the local concentration of the analyte as a function of the distance from the electrode surface during electrophoresis. The possible electrode geometries described above were investigated for a typical highly integrated system (d = r o = r 1 = 1 µm, r 2 = 2 µm). The voltage was chosen to be 1 V, the initial concentration to be 1 pM (represented in FIG. 2 by: • - • - • - • - • - •), the temperature to 37 ° C. and the charge number of the particles 20 . In FIG. 2, the concentration of the analyte can be seen close to the electrode surface. The concentration of the substance typically drops to the value of the initial concentration after only 10 nm. Concentration over several orders of magnitude can be observed on the electrode surface. The concentration is more pronounced if electrodes with a small radius of curvature are used instead of parallel electrodes (homogeneous field) (peak effect). In FIG. 2, the differently marked lines mean the concentration curve in front of the electrodes as a function of the electrode symmetry:
, , .: Spherical symmetry
---: cylindrical symmetry
. -. - .-- .: Homogeneous field
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Sensor in einem Chip monolithisch integriert. According to one embodiment of the invention, the sensor is in integrated into a monolithic chip.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist/sind in dem Chip eine oder mehrere elektronische Schaltungen integriert, welche Schaltungen elektronische Funktionen für den Betrieb der Attraktionselektroden in dem Chip bereitstellen. In another embodiment of the invention is / are in the Chip integrated one or more electronic circuits, what circuits electronic functions for operation of the attraction electrodes in the chip.
Im folgenden werden die Merkmale des erfindungsgemäßen Sensors anhand der Figuren näher beschrieben. The following are the features of the invention Sensor described with reference to the figures.
Fig. 1 zeigt einen in [1] beschriebenen Sensor, mit einer Elektrodenanordnung, mit der insbesondere Biopolymere qualitativ und quantitativ bestimmt werden können. Fig. 1 shows a sensor as described in [1], having an electrode assembly, in particular with the biopolymers can be determined qualitatively and quantitatively.
Fig. 2 zeigt für Elektroden mit unterschiedlicher Geometrie berechnete Konzentrationsprofile für zu bestimmende Moleküle. Fig. 2 shows for electrodes with different geometry calculated concentration profiles to be determined molecules.
Fig. 3 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor mit einer Elektrodenanordnung, bei der räumlich abwechselnd Elektroden (A) (im folgenden auch Detektionselektroden genannt) und Elektroden (B) (im folgenden auch Attraktionselektroden genannt) benachbart auf der Sensoroberfläche angeordnet sind. Die kleineren Attraktionselektroden 1, 2 unterscheiden sich durch das an ihnen angelegte elektrische Feld voneinander. Auf den größeren Detektionselektroden befinden sich Fängermoleküle. Fig. 3 shows a sensor according to the invention with an electrode arrangement in which alternately spaced electrodes (A) (hereinafter, also called detection electrode) and electrode (B) (hereinafter also referred to attraction electrodes) are arranged adjacently on the sensor surface. The smaller attraction electrodes 1 , 2 differ from one another in the electrical field applied to them. Catcher molecules are located on the larger detection electrodes.
Fig. 4 zeigt den erfindungsgemäßen Sensor von Fig. 3, wobei das nachzuweisende Molekül (z. B. DNA) im Bereich der Attraktionselektroden 2 angereichert ist. FIG. 4 shows the sensor according to the invention from FIG. 3, the molecule to be detected (eg DNA) being enriched in the area of the attraction electrodes 2 .
Fig. 5 zeigt den Sensor von Fig. 4 nach dem Abschalten der Attraktionselektroden (2). Die Teilchenwolken bewegen sich zu den Attraktionselektroden (1) und passieren dabei die größeren Detektionselektroden, auf denen Fängermoleküle immobilisiert sind. Fig. 5 shows the sensor of Fig. 4 after switching off the attraction electrodes ( 2 ). The particle clouds move to the attraction electrodes ( 1 ) and pass through the larger detection electrodes, on which capture molecules are immobilized.
Fig. 6 zeigt den Sensor von Fig. 5 nach dem Abschalten der Attraktionselektroden (2) und längerem Betrieb der Attraktionselektroden (1). Nicht dargestellt ist hierbei, dass beim Passieren der Teilchenwolke über den Detektionselektroden einige (DNA-)Moleküle hybridisiert wurden und somit die Anzahl der Teilchen für eine erneute Wanderung zur Attraktionselektrode (1) abgenommen hat. FIG. 6 shows the sensor of FIG. 5 after the attraction electrodes ( 2 ) have been switched off and the attraction electrodes ( 1 ) have been in operation for a long time. It is not shown here that when the particle cloud passed over the detection electrodes, some (DNA) molecules were hybridized and the number of particles for a renewed migration to the attraction electrode ( 1 ) thus decreased.
Fig. 7 zeigt eine Draufsicht einer Elektrodenanordnung eines erfindungsgemäßen Sensors mit punktförmigen Elektroden 1 und 2. Fig. 7 is a plan view showing an electrode arrangement of a sensor according to the invention with dot-shaped electrodes 1 and 2.
Fig. 8 zeigt eine Draufsicht einer Elektrodenanordnung mit streifenförmigen Elektroden 1 und 2. Fig. 8 is a plan view showing an electrode assembly having strip-like electrodes 1 and 2.
Bei der Elektrodenanordnung des erfindungsgemäßen Sensors ist mindestens eine erste Elektrode (A) vorhanden, auf der Fängermoleküle zum Hybridisieren mit zu bestimmenden (bio)organischen Oligomeren und Polymeren immobilisiert sind (Detektionselektroden). In the electrode arrangement of the sensor according to the invention at least one first electrode (A) is present on the Capture molecules for hybridization with those to be determined (Bio) organic oligomers and polymers are immobilized (Detection electrodes).
Die Elektroden (A) sind somit erfindungsgemäß mit sogenannten Fängermolekülen für die zu bestimmenden (bio)organischen Oligomere und Polymere beschichtet. The electrodes (A) are thus according to the invention with so-called Catcher molecules for the (bio) organic to be determined Coated oligomers and polymers.
Die Natur des zu bestimmenden Oligomeren oder Polymeren bestimmt die Natur der Fängermoleküle und über die Beschichtung der Detektionselektroden mit den immobilisierten Fängermolekülen den Aufbau der erfindungsgemäßen Sensoren. The nature of the oligomer or polymer to be determined determines the nature of the capture molecules and via that Coating the detection electrodes with the immobilized ones Catcher molecules the structure of the sensors according to the invention.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die (bio)organischen Oligomere und Polymere Biopolymere. Unter Biopolymeren sind insbesondere Proteine, Peptide und DNA- Stränge einer jeweils vorgegebenen Sequenz zu verstehen. In a preferred embodiment of the invention, the (bio) organic oligomers and polymers biopolymers. Under Biopolymers are especially proteins, peptides and DNA Understand strands of a given sequence.
Die (bio)organischen Oligomere und Polymere liegen zur Bestimmung in Lösung und nicht in einem Gel wie einem Polyacrylamidgel vor. Bevorzugt ist eine wässrige Lösung. The (bio) organic oligomers and polymers are available Determination in solution and not in a gel like one Polyacrylamide gel. An aqueous solution is preferred.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors sind mindestens zwei Detektionselektroden (A) mit Fängermolekülen beschichtet, die sich hinsichtlich ihrer Fangcharakteristika für unterschiedliche, zu bestimmende Moleküle unterscheiden. In a preferred embodiment of the invention Sensors have at least two detection electrodes (A) Catcher molecules coated, which differ in terms of their Catch characteristics for different, to be determined Differentiate molecules.
Für den Fall, dass mit dem erfindungsgemäßen Sensor Biopolymere und hierbei insbesondere Proteine oder Peptide bestimmt werden sollen, werden als erste Moleküle (erste Fängermoleküle) und als zweite Moleküle (zweite Fängermoleküle, wobei sich die ersten und zweiten Fängermoleküle in ihre Binde- bzw. Fangcharakteristik unterscheiden) Liganden verwendet, beispielsweise Wirkstoffe mit einer möglichen Bindungsaktivität, welche die zu erfassenden Proteine oder Peptide an die jeweilige Elektrode binden, auf der die entsprechenden Liganden angeordnet sind. In the event that with the sensor according to the invention Biopolymers and in particular proteins or peptides to be determined are the first molecules (first Capture molecules) and as second molecules (second Catcher molecules, the first and second Catcher molecules in their binding or catching characteristics distinguish) ligands used, for example active substances with a possible binding activity, which the detecting proteins or peptides to the respective electrode bind on which the corresponding ligands are arranged.
Als Liganden kommen aber ganz allgemein Enzymagonisten oder Enzymantagonisten, Pharmazeutika, Zucker oder Antikörper oder ein sonstiges Molekül in Betracht, das die Fähigkeit besitzt, Proteine oder Peptide spezifisch zu binden. In general, however, enzyme agonists or are used as ligands Enzyme antagonists, pharmaceuticals, sugar or antibodies or another molecule that has the ability To bind proteins or peptides specifically.
Im Rahmen dieser Beschreibung ist unter einem Sonden- bzw. Fängermolekül sowohl ein Ligand als auch ein DNA- Sondenmolekül zu verstehen. In the context of this description, a probe or Capture molecule both a ligand and a DNA Understand probe molecule.
Werden hierbei als Biopolymere DNA-Stränge einer vorgegebenen Sequenz verwendet, die mittels der Elektrodenanordnung erfasst werden sollen, so können mittels der Elektrodenanordnung DNA-Stränge einer vorgegebenen ersten Sequenz mit DNA-Fänger(Sonden)molekülen mit der zu der ersten Sequenz komplementären Sequenz als erste Moleküle auf der ersten Elektrode hybridisiert werden. Zum Erfassen eines DNA- Strangs einer vorgegebenen zweiten Sequenz mittels zweiter Moleküle auf der zweiten Elektrode werden DNA- (Fänger)Sondenmoleküle als zweite Moleküle eingesetzt, die eine Sequenz aufweisen, die komplementär ist zu der zweiten Sequenz des DNA-Strangs. Here, DNA strands are given as a biopolymer Sequence used by means of the electrode arrangement are to be recorded, can by means of Electrode arrangement DNA strands of a given first Sequence with DNA scanners (probes) molecules with that to the first Complementary sequence as the first molecules on the sequence first electrode can be hybridized. To capture a DNA Strands of a predetermined second sequence using a second Molecules on the second electrode become DNA (Catcher) probe molecules used as second molecules that have a sequence that is complementary to the second Sequence of the DNA strand.
Der erfindungsgemäße Sensor weist zusätzlich zu der mindestens einen Elektrode (A) mindestens zwei zweite Elektroden (B) auf, auf denen sich keine Fängermoleküle befinden (Attraktionselektroden). The sensor according to the invention has in addition to the at least one electrode (A) at least two second ones Electrodes (B) on which there are no catcher molecules located (attraction electrodes).
Im erfindungsgemäßen Sensor ist die erste Elektrode (A) zwischen den zweiten Elektroden (B) derart angeordnet, dass durch Änderung der elektrischen Felder an den zweiten Elektroden ein die zu bestimmenden Moleküle (z. B. Biopolymere) möglicherweise enthaltender, auf den Sensor aufgebrachter Analyt abhängig von Art und Größe der elektrischen Felder über die erste Elektrode hinwegbewegt wird, so dass in dem Analyten enthaltene, qualitativ und/oder quantitativ zu bestimmende (bio)organische Oligomere und Polymere mit den Fängermolekülen hybridisieren können. In the sensor according to the invention, the first electrode (A) arranged between the second electrodes (B) such that by changing the electric fields to the second Electrodes and the molecules to be determined (e.g. Biopolymers) possibly containing on the sensor applied analyte depending on the type and size of the electric fields moved over the first electrode is so that contained in the analyte, qualitatively and / or (bio) organic oligomers and Polymers can hybridize with the capture molecules.
Hierzu befinden sich eine erste Elektrode (A) im allgemeinen direkt zwischen den zwei zweiten Elektroden (B), vorzugsweise auf halbem Weg. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden mehrere erste und zweite Elektroden eingesetzt. Hierbei sind die Attraktions- und Detektionselektroden im allgemeinen abwechselnd auf der Sensoroberfläche angeordnet, wobei der Abstand zwischen den Elektroden vorzugsweise im wesentlichen gleichgroß ist (vgl. Fig. 3). Attraktionselektroden (B) und Detektionselektroden (A) der Elektrodenanordnung sind somit vorzugsweise im wesentlichen in gleichem Abstand voneinander angeordnet. For this purpose, a first electrode (A) is generally located directly between the two second electrodes (B), preferably halfway. In a preferred embodiment of the invention, a plurality of first and second electrodes are used. The attraction and detection electrodes are generally arranged alternately on the sensor surface, the distance between the electrodes preferably being essentially the same size (cf. FIG. 3). Attraction electrodes (B) and detection electrodes (A) of the electrode arrangement are thus preferably arranged at substantially the same distance from one another.
Im erfindungsgemäßen Sensor wird eine Elektrodenanordnung verwendet, die vorzugsweise mindestens 1 Detektionselektrode (A) und vorzugsweise mindestens 2 Attraktionselektroden (B) aufweist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt die Anzahl der Attraktionselektroden (B) von 100 bis 1000 und die Anzahl der Detektionselektroden (A) von 100 bis 1000. An electrode arrangement is located in the sensor according to the invention used, preferably at least 1 detection electrode (A) and preferably at least 2 attraction electrodes (B) having. In a preferred embodiment of the invention the number of attraction electrodes (B) is from 100 to 1000 and the number of detection electrodes (A) from 100 to 1000th
Die Detektionselektroden (A) haben vorzugsweise jeweils eine Fläche von 100 bis 10000 µm2. Die Attraktionselektroden (B) haben vorzugsweise jeweils eine Fläche von 0,1 bis 100 µm2. Die Elektroden (A) und (B) können gleiche oder verschieden große Oberflächen haben. Vorzugsweise haben die Elektroden (A) eine größere Oberfläche als die Elektroden (B). Es sollten möglichst viele kleinflächige bzw. möglichst schmale Attraktionselektroden eingesetzt werden, um große elektrische Felder aufbauen zu können. Die minimalen Dimensionen der Elektroden wiederum ergeben sich aus den Eigenschaften des zu deren Herstellung verwendeten Halbleiterprozesses. Übliche minimale Breiten metallischer Strukturen liegen derzeit im Bereich von 100 nm bis 1 µm. The detection electrodes (A) preferably each have an area of 100 to 10000 μm 2 . The attraction electrodes (B) preferably each have an area of 0.1 to 100 μm 2 . The electrodes (A) and (B) can have the same or different sized surfaces. The electrodes (A) preferably have a larger surface area than the electrodes (B). As many small-area or as narrow as possible attraction electrodes should be used in order to be able to build up large electric fields. The minimal dimensions of the electrodes in turn result from the properties of the semiconductor process used to manufacture them. Usual minimum widths of metallic structures are currently in the range from 100 nm to 1 µm.
Grundsätzlich ist eine möglichst kleine Fläche der Detektionselektroden wünschenswert, da dann eine große Anzahl von Detektionseinheiten auf einer vorgegebenen Chipfläche integriert werden kann. Die Fläche der Detektionselektroden resultiert zum einen aus der Nachweisempfindlichkeit der Messvorrichtung, das heißt je empfindlicher der Nachweis erfolgen kann (elektrisch oder optisch) desto kleiner kann die Detektionselektrode sein. Eine weitere Randbedingung ist die Technologie zum Aufbringen der Fängermoleküle. Wird die dem Stand der Technik entsprechende Microspotting-Technologie (Verfahren ähnlich dem Tintenstrahldruck) angewandt, ergibt sich die minimale Fläche der Detektionselektroden aus dem Durchmesser des Spots. In diesem Falle liegt der Spotdurchmesser in der Größenordnung von 100 µm, woraus sich die minimale Fläche der Detektionselektrode ergibt. Basically, the smallest possible area is the Detection electrodes desirable, because then a large number of detection units on a given chip area can be integrated. The area of the detection electrodes results from the detection sensitivity of the Measuring device, i.e. the more sensitive the detection can be done (electrical or optical) the smaller can be be the detection electrode. Another constraint is the technology to apply the capture molecules. Will the state-of-the-art microspotting technology (Method similar to ink jet printing) applied the minimum area of the detection electrodes from the Spot diameter. In this case the Spot diameter in the order of 100 µm, which results in gives the minimum area of the detection electrode.
Alternativ zum Spotting können auch elektrochemische Methoden zur Immobilisierung der Fängermoleküle angewandt werden, wie beispielsweise von der Firma Nanogen™ vorgeschlagen. In diesem Falle ist die Größe der Detektionselektroden nur durch die prozessbedingten minimalen Strukturbreiten beziehungsweise die Nachweisgrenzen der Detektionsmethode gegeben. As an alternative to spotting, electrochemical methods can also be used be used to immobilize the capture molecules, such as for example proposed by the company Nanogen ™. In in this case the size of the detection electrodes is only due the process-related minimum structure widths or the detection limits of the detection method given.
Für die erfindungsgemäßen Sensoren bzw. für die diese umfassenden Elektrodenanordnungen kommen verschiedene Geometrien in Frage. For the sensors according to the invention or for them comprehensive electrode arrangements come different Geometries in question.
Die in den Elektrodenanordnungen verwendeten Elektroden (A) und (B) können verschiedene zwei- oder dreidimensionale Strukturen aufweisen. The electrodes (A) used in the electrode arrangements and (B) can be different two or three dimensional Have structures.
Beispielsweise sind als Elektroden (A) und/oder (B) punktförmige/runde Elektroden (Knopfelektroden) (vgl. Fig. 7) geeignet. Unter punktförmigen Elektroden sind hierbei solche zu verstehen, die entsprechend des Herstellungsprozesses minimale Dimensionen aufweisen. (In einem aktuellen Prozess sind dies beispielsweise Elektroden mit Abmessungen von 1 µm × 1 µm). For example, point-shaped / round electrodes (button electrodes) (cf. FIG. 7) are suitable as electrodes (A) and / or (B). In this context, punctiform electrodes are to be understood as those which have minimal dimensions in accordance with the manufacturing process. (In a current process, these are, for example, electrodes with dimensions of 1 µm × 1 µm).
Des weiteren können die Elektroden (A) und/oder (B) als planare Elektroden in Form von Streifen (vgl. Fig. 8), Ringen oder sonstigen planaren Flächen, oder aber als dreidimensionale Elektroden, beispielsweise in Form von Zylindern, Halbkugeln etc. eingesetzt werden, wobei diese symmetrisch oder asymmetrisch gestaltet sein können. Furthermore, the electrodes (A) and / or (B) can be used as planar electrodes in the form of strips (see FIG. 8), rings or other planar surfaces, or as three-dimensional electrodes, for example in the form of cylinders, hemispheres, etc. are used, which can be designed symmetrically or asymmetrically.
Die Elektrodengeometrie ist von besonderer Bedeutung für die qualitative und quantitative Bestimmung von ungeladenen Teilchen. Da bei ungeladenen Molekülen nur bei einem inhomogenen elektrischen Feld eine Kraft auf die permanenten bzw. induzierten Dipole ausgeübt werden kann, sollten für deren Bestimmung bevorzugt Elektroden mit kleinem Krümmungsradius eingesetzt werden. The electrode geometry is of particular importance for the qualitative and quantitative determination of uncharged Particles. Because with uncharged molecules only with one inhomogeneous electric field a force on the permanent or induced dipoles should be exercised for their determination prefers electrodes with small Radius of curvature are used.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors, die insbesondere zur Bestimmung von ungeladenen oder wenig geladenen Oligomeren oder Polymeren geeignet ist, weisen daher die Elektroden (B) einen kleineren Krümmungskreisradius auf als die Elektroden (A). Bevorzugt ist hierbei, wenn die Elektroden (A) planar und die Elektroden (B) spitz oder rund geformt sind. In one embodiment of the sensor according to the invention, the especially for determining uncharged or little charged oligomers or polymers is suitable hence the electrodes (B) have a smaller radius of curvature on than the electrodes (A). It is preferred if the Electrodes (A) planar and the electrodes (B) pointed or round are shaped.
Zur Bestimmung von geladenen Oligomeren oder Polymeren ist es dagegen vorteilhaft, wenn die Elektroden (A) und (B) planar sind. It is for the determination of charged oligomers or polymers on the other hand advantageous if the electrodes (A) and (B) are planar are.
Unabhängig von der Art des Moleküls ist es bevorzugt, dass die Detektionselektroden (A) planar sind. Regardless of the type of molecule, it is preferred that the detection electrodes (A) are planar.
Die Detektionselektroden müssen nicht notwendigerweise elektrisch leitfähige Strukturen sein, wenn optische Nachweisverfahren angewandt werden. In diesem Falle genügt eine Oberfläche aus einem Material, das sich zur Immobilisierung von Fängermolekülen eignet. Weiterhin können elektrisch leitfähige Elektroden als Detektionselektroden eingesetzt werden, die mit einem (nichtleitenden) Dielektrikum überzogen sind. The detection electrodes do not necessarily have to be electrically conductive structures if optical Verification procedures are applied. In this case it is sufficient a surface made of a material that becomes Immobilization of capture molecules is suitable. Can continue electrically conductive electrodes as detection electrodes used with a (non-conductive) Dielectric are coated.
Die Attraktionselektroden werden in allen genannten Ausführungsformen der Detektionselektroden und Meßmethoden erfindungsgemäß zur Aufkonzentration der zu analysierenden Stoffe auf der Sensoroberfläche verwendet und somit zur Beschleunigung des Messvorganges. The attraction electrodes are mentioned in all Embodiments of the detection electrodes and measurement methods according to the invention for the concentration of those to be analyzed Substances used on the sensor surface and thus for Acceleration of the measuring process.
Die Elektrodenanordnung kann eine Plattenelektrodenanordnung sein oder eine Interdigitalelektrodenanordnung, wie aus [1] bekannt. The electrode arrangement can be a plate electrode arrangement be or an interdigital electrode arrangement, as from [1] known.
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 cylindrical Elements are designed, each concentric are arranged around each other and electrically from each other for example by means of a suitable dielectric are isolated from each other so that there is an electric field between the electrodes.
Der erfindungsgemäße Sensor liegt im allgemeinen in der Form eines Chips als sogenannter Sensorchip vor, der im wesentlichen aus Silizium besteht. The sensor according to the invention is generally in shape of a chip as a so-called sensor chip in front consists essentially of silicon.
Die Detektionselektroden (A) und Attraktionselektroden (B) bestehen vorzugsweise aus chemisch inerten, elektrisch leitfähigen Stoffen, wie Gold, Platin, Palladium oder Legierungen daraus. Grundsätzlich eignet sich jedoch jeder elektrisch leitfähige Stoff als Elektrodenmaterial. The detection electrodes (A) and attraction electrodes (B) consist preferably of chemically inert, electrical conductive substances such as gold, platinum, or palladium Alloys thereof. In principle, however, everyone is suitable electrically conductive material as electrode material.
Wenn die Elektroden aus Gold hergestellt sind, werden vorzugsweise kovalente Verbindungen zwischen den Elektroden und den Sondenmolekülen hergestellt, wobei der Schwefel zum Bilden einer Gold-Schwefel-Kopplung in Form eines Sulfids oder eines Thiols vorhanden ist. If the electrodes are made of gold preferably covalent connections between the electrodes and the probe molecules, the sulfur being the Form a gold-sulfur coupling in the form of a sulfide or a thiol is present.
Für den Fall, dass als Sondenmoleküle DNA-Sondenmoleküle verwendet werden, sind solche Schwefelfunktionalitäten Teil eines modifizierten Nukleotids, das mittels der Phosphoramiditchemie während eines automatisierten DNA- Syntheseverfahrens am 3'-Ende oder am 5'-Ende des zu immobilisierenden DNA-Strangs eingebaut wird. Das DNA- Sondenmolekül wird somit an seinem 3'-Ende oder an seinem 5'- Ende immobilisiert. In the event that as probe molecules DNA probe molecules such sulfur functionalities are used of a modified nucleotide, which by means of Phosphoramidite chemistry during an automated DNA Synthesis process at the 3'-end or at the 5'-end of the immobilizing DNA strand is installed. The DNA Probe molecule is thus at its 3'-end or at its 5'- Immobilized at the end.
Für den Fall, dass als Sondenmoleküle Liganden verwendet werden, werden die Schwefelfunktionalitäten durch ein Ende eines Alkyllinkers oder eines Alkylenlinkers gebildet, dessen anderes Ende eine für die kovalente Verbindung des Liganden geeignete chemische Funktionalität aufweist, beispielsweise einen Hydroxylrest, einen Acetoxyrest oder einen Succinimidylesterrest. In the event that ligands are used as probe molecules will be the sulfur functionalities by an end an alkyl linker or an alkylene linker, the other end one for the covalent connection of the ligand has suitable chemical functionality, for example a hydroxyl radical, an acetoxy radical or one Succinimidylesterrest.
Alternativ können diese Elektroden auch aus Siliziumoxid hergestellt sein. Diese können mit einem Material beschichtet werden, das geeignet ist, die Sondenmoleküle darauf zu immobilisieren. Alternatively, these electrodes can also be made of silicon oxide be made. These can be coated with a material that is suitable to move the probe molecules towards it immobilize.
Beispielsweise können bekannte Alkoxysilanderivate verwendet
werden wie
- - 3-Glycidoxypropylmethyloxysilan,
- - 3-Acetoxypropyltrimethoxysilan,
- - 3-Aminopropyltriethoxysilan,
- - 4-(Hydroxybutyramido)propyltriethoxysilan,
- - 3-N,N-bis(2-hydroxyethyl)aminopropyltriethoxysilan,
- 3-glycidoxypropylmethyloxysilane,
- 3-acetoxypropyltrimethoxysilane,
- 3-aminopropyltriethoxysilane,
- 4- (hydroxybutyramido) propyltriethoxysilane,
- 3-N, N-bis (2-hydroxyethyl) aminopropyltriethoxysilane,
Reagiert ein zu immobilisierendes Sondenmolekül mit einer solchen aktivierten Gruppe, so wird es über das gewählte Material als eine Art kovalenter Linker auf der Oberfläche der Beschichtung auf der Elektrode immobilisiert. Reacts a probe molecule to be immobilized with one such activated group, it will be over the selected one Material as a kind of covalent linker on the surface the coating is immobilized on the electrode.
Die Elektroden (A) und/oder (B) sind im allgemeinen auf einem Siliziumchip angeordnet. The electrodes (A) and / or (B) are generally on one Silicon chip arranged.
Die Elektrodenanordnung bzw. diese ergänzenden elektrischen Schaltkreise können beispielsweise durch Photolithographie und verschiedene Abscheidungstechniken (z. B. "Vapor Deposition") hergestellt werden. The electrode arrangement or these supplementary electrical ones Circuits can be, for example, by photolithography and various deposition techniques (e.g. "Vapor Deposition ").
So kann auf einem Siliziumsubstrat, wie es für bekannte CMOS- Prozesse hergestellt wird, in dem sich bereits integrierte Schaltungen und/oder elektrische Anschlüsse für die zu bildenden Elektroden befinden, eine Isolatorschicht, die auch als Passivierungsschicht dient, in ausreichender Dicke, beispielsweise in einer Dicke von 500 nm, mittels eines CVD- Verfahrens aufgebracht werden. Die Isolatorschicht kann aus Siliziumoxid SiO2 oder Siliziumnitrid Si3N4 hergestellt sein. Thus, on a silicon substrate, as is produced for known CMOS processes, in which there are already integrated circuits and / or electrical connections for the electrodes to be formed, an insulator layer, which also serves as a passivation layer, has a sufficient thickness, for example in one Thickness of 500 nm can be applied by means of a CVD process. The insulator layer can be made from silicon oxide SiO 2 or silicon nitride Si 3 N 4 .
Ferner werden zur elektrischen Kontaktierung elektrischer Komponenten durch die Isolatorschicht hindurch Wolfram- Durchkontaktierungen (mit Wolfram gefüllte Kontaktlöcher) gebildet. Furthermore, electrical for electrical contact Components through the insulator layer Plated-through holes (contact holes filled with tungsten) educated.
Die Elektrodenanordnung des Biosensors wird mittels Photolithographie auf der Isolatorschicht definiert. Anschließend werden mittels eines Trockenätzverfahrens, z. B. dem Reactive Ion Etching (RIE), in der Isolatorschicht Stufen erzeugt, d. h. geätzt, beispielsweise in einer Mindesthöhe von ungefähr 100 nm. Die Höhe der Stufen muss ausreichend groß sein für einen anschließenden selbstjustierenden Prozess zum Bilden der Metallelektrode. The electrode arrangement of the biosensor is by means of Photolithography defined on the insulator layer. Then, using a dry etching process, e.g. B. the reactive ion etching (RIE), in the insulator layer steps generated, d. H. etched, for example at a minimum height of about 100 nm. The height of the steps must be sufficiently large for a subsequent self-adjusting process for Form the metal electrode.
Zum Auftragen der Isolatorschicht kann alternativ auch ein Aufdampfverfahren oder ein Sputterverfahren eingesetzt werden. Alternatively, a can also be used to apply the insulator layer Evaporation process or a sputtering process used become.
In einem weiteren Schritt wird eine Hilfsschicht, z. B. einer Dicke von 10 nm, aus Titan auf die stufenförmige Isolatorschicht aufgebracht. Die Hilfsschicht kann Wolfram, und/oder Nickel-Chrom, und/oder Molybdän aufweisen. In a further step, an auxiliary layer, e.g. B. one Thickness of 10 nm, made of titanium on the step-shaped Insulator layer applied. The auxiliary layer can be tungsten, and / or nickel-chromium, and / or molybdenum.
In einem weiteren Verfahrensschritt wird eine Goldschicht mit einer Dicke von ca. 500 bis ca. 2000 nm aufgebracht. Die Dicke der Goldschicht sollte ausreichend sein, dass die Goldschicht porös kolumnar aufwächst. In a further process step, a gold layer is added 500 to approx. 2000 nm thick. The Thickness of the gold layer should be sufficient that the Gold layer growing porous columnar.
In einem weiteren Schritt werden Öffnungen in die Goldschicht geätzt, so dass sich Spalten ausbilden. Zum Nassätzen der Öffnungen kann eine Ätzlösung aus 7,5 g Super Strip 100™ (Markenname der Firma Lea Ronal GmbH, Deutschland) und 20 g KCN in 1000 ml Wasser H2O verwendet werden. In a further step, openings are etched into the gold layer, so that gaps form. An etching solution of 7.5 g Super Strip 100 ™ (brand name of Lea Ronal GmbH, Germany) and 20 g KCN in 1000 ml water H 2 O can be used to wet-etch the openings.
Durch das kolumnare Wachstum des Goldes, allgemein des Metalls, während des Aufdampfens auf die Haftschicht wird ein anisotroper Ätzangriff erzielt, so dass der Oberflächenabtrag des Goldes ungefähr im Verhältnis 1 : 3 erfolgt. Durch das Ätzen der Goldschicht werden die Spalten abhängig von der Zeitdauer des Ätzvorgangs gebildet. Dies bedeutet, dass die Zeitdauer des Ätzprozesses die Basisbreite, d. h. den Abstand zwischen den sich ausbildenden Goldelektroden bestimmt. Due to the columnar growth of gold, generally of Metal, during the vapor deposition on the adhesive layer becomes a anisotropic etching attack, so that the surface removal of gold is approximately 1: 3. By the Etching the gold layer will depend on the gaps Duration of the etching process formed. This means that the Duration of the etching process the base width, d. H. the distance determined between the gold electrodes forming.
Nachdem die Metallelektroden eine ausreichende Breite aufweisen und der Abstand zwischen den sich bildenden Goldelektroden erreicht ist, wird das Nassätzen beendet. After the metal electrodes have a sufficient width have and the distance between the forming If gold electrodes are reached, the wet etching is ended.
Üblicherweise erfolgt aufgrund des porösen Aufdampfens das Ätzen in zu der Oberfläche der Isolatorschicht parallelen Richtung wesentlich schneller als in zu der Oberfläche der Isolatorschicht senkrechten Richtung. This usually takes place due to the porous vapor deposition Etch in parallel to the surface of the insulator layer Direction much faster than towards the surface of the Insulator layer perpendicular direction.
Anstelle einer Goldschicht können auch andere Edelmetalle, wie beispielsweise Platin, Titan oder Silber verwendet werden, da diese Materialien ebenfalls Haltebereiche aufweisen bzw. mit einem geeigneten Material beschichtet werden können zum Halten von immobilisierten DNA- Sondenmolekülen oder allgemein zum Halten von Sondenmolekülen, und ein kolumnares Wachstum beim Aufdampfen aufweisen. Instead of a gold layer, other precious metals, such as platinum, titanium or silver because these materials are also holding areas have or coated with a suitable material can be used to hold immobilized DNA Probe molecules or generally for holding Probe molecules, and columnar growth on evaporation exhibit.
Für den Fall, dass die Haftschicht in den geöffneten Spalten zwischen den Metallelektroden entfernt werden soll, erfolgt dies ebenfalls selbstjustierend, indem die Goldelektroden als Ätzmaske verwendet werden. In the event that the adhesive layer in the open columns between the metal electrodes is to be removed this is also self-adjusting by using the gold electrodes as Etching mask can be used.
Gegenüber den bekannten Interdigitalelektroden weist die Struktur gemäß diesem Ausführungsbeispiel insbesondere den Vorteil auf, dass durch das selbstjustierende Öffnen der Goldschicht über den Kanten der Abstand zwischen den Elektroden nicht an eine minimale Auflösung des Herstellungsprozesses gebunden ist, d. h. der Abstand zwischen den Elektroden kann sehr schmal gehalten werden. Compared to the known interdigital electrodes, the Structure according to this embodiment in particular The advantage is that the self-adjusting opening of the Gold layer over the edges the distance between the Electrodes do not have a minimum resolution of the Manufacturing process is bound, d. H. the distance between the electrodes can be kept very narrow.
In anderen Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen Sensor wird von einem Substrat ausgegangen, beispielsweise von einem Silizium-Substrat-Wafer, auf dem bereits eine Metallisierung als elektrischer Anschluss vorgesehen ist, wobei auf dem Substrat schon eine Ätzstoppschicht aus Siliziumnitrid Si3N4 aufgebracht ist. Auf dem Substrat wird eine Metallschicht, z. B. eine Goldschicht, aufgebracht mittels eines Aufdampfverfahrens. Alternativ kann ein Sputterverfahren oder ein CVD-Verfahren zum Aufbringen der Goldschicht auf die Ätzstoppschicht eingesetzt werden. Allgemein weist die Metallschicht das Metall auf, aus dem die zu bildende Elektrode gebildet werden soll. Auf der Goldschicht wird eine elektrisch isolierende Hilfsschicht aus Siliziumoxid SiO2 mittels eines CVD-Verfahrens (alternativ mittels eines Aufdampfverfahrens oder eines Sputterverfahrens) aufgebracht. In other manufacturing methods for the sensor according to the invention, a substrate is assumed, for example a silicon substrate wafer, on which a metallization is already provided as an electrical connection, an etching stop layer made of silicon nitride Si 3 N 4 having already been applied to the substrate. A metal layer, e.g. B. a gold layer, applied by means of a vapor deposition process. Alternatively, a sputtering process or a CVD process can be used to apply the gold layer to the etch stop layer. In general, the metal layer has the metal from which the electrode to be formed is to be formed. An electrically insulating auxiliary layer made of silicon oxide SiO 2 is applied to the gold layer by means of a CVD method (alternatively by means of a vapor deposition method or a sputtering method).
Durch Einsatz der Photolithographie-Technologie wird eine Lackstruktur aus einer Lackschicht gebildet, beispielsweise eine quaderförmige Struktur, welche Lackstruktur der Form der zu bildenden Elektrode entspricht. By using the photolithography technology a Lacquer structure formed from a layer of lacquer, for example a cuboid structure, which lacquer structure the shape of the corresponds to the electrode to be formed.
Soll ein im weiteren beschriebenes Biosensor-Array mit einer Vielzahl von Elektroden erzeugt werden, wird mittels der Photolithographie eine Lackstruktur erzeugt, die in ihrer Form der zu bildenden Elektroden entsprechen, die den Sensor bilden. Die lateralen Abmessungen der gebildeten Lackstruktur entsprechen somit den Abmessungen der zu erzeugenden Sensorelektrode. Should a biosensor array described below with a Variety of electrodes are generated by means of Photolithography creates a lacquer structure that in their Shape of the electrodes to be formed correspond to the sensor form. The lateral dimensions of the paint structure formed thus correspond to the dimensions of those to be generated Sensor electrode.
Die Dicke der Lackstruktur, d. h. der Lackschicht, entspricht im wesentlichen der Höhe der zu erzeugenden Elektroden. The thickness of the paint structure, i.e. H. the paint layer essentially the height of the electrodes to be produced.
Nach Aufbringen der Lackschicht und Belichtung, welche die entsprechenden Lackstrukturen vorgibt, wird die Lackschicht in den nicht "entwickelten", d. h. nicht belichteten Bereichen beispielsweise mittels Veraschen oder nasschemisch entfernt. After applying the varnish layer and exposure, which the corresponding paint structures, the paint layer in the "non-developed", i.e. H. unexposed areas for example, removed by ashing or wet chemical.
Im erfindungsgemäßen Verfahren zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von (bio)organischen Oligomeren oder Polymeren unter Verwendung der Elektrodenanordnung des erfindungsgemäßen Sensors wird der Sensor mit einer die zu analysierende Substanz enthaltenden Lösung kontaktiert, wobei der Sensor eine Elektrodenanordnung umfasst, bei der Attraktionselektroden (B) und Detektionselektroden (A) vorhanden sind, an zumindest einen Teil der Attraktionselektroden (B) derart eine sich zeitlich ändernde elektrische Spannung angelegt wird, dass mindestens zwei Gruppen von Attraktionselektroden (B) zumindest zeitweise eine unterschiedliche Spannung aufweisen, die bewirkt, dass die zu analysierende Substanz mindestens einmal über die Detektionselektrode(n) (A) hinweg wandert, d. h. den Bereich der Detektionselektrode passiert, so dass zumindest ein Teil der zu analysierenden Substanz von den Fängermolekülen auf den Detektionselektroden festgehalten wird. In the inventive method for qualitative and quantitative determination of (bio) organic oligomers or Polymers using the electrode arrangement of the The sensor according to the invention becomes the sensor with a contacted solution containing analyte, wherein the sensor comprises an electrode arrangement in which Attraction electrodes (B) and detection electrodes (A) are present on at least part of the Attraction electrodes (B) change over time electrical voltage is applied that at least two Groups of attraction electrodes (B) at least temporarily have a different voltage that causes the substance to be analyzed at least once over the Detection electrode (s) (A) migrates, i.e. H. the area the detection electrode happens so that at least part the substance to be analyzed from the capture molecules the detection electrodes is held.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens ist mit mindestens zwei zweiten Elektroden eine Spannungsquelle gekoppelt, mit der eine umpolbare Spannung an die zweiten Elektroden anlegbar ist. In a preferred embodiment of this method a voltage source with at least two second electrodes coupled, with a reversible voltage to the second Electrodes can be applied.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Schritt b), der auch als "Aufkonzentrationsschritt" bezeichnet werden kann, zunächst an jede zweite Attraktionselektrode (B) ein geeignetes Potential gelegt, sodass sich der zu untersuchende Stoff dort anreichert (vgl. Fig. 4). Die restlichen Attraktionselektroden (B) sind hierbei nicht angeschlossen, womit sich ihr Potential aus der Badspannung ergibt und keine Anziehung auf den Analyten ausgeübt wird. Anschließend werden die zuvor benutzten Attraktionselektroden abgeschaltet und die zuvor unbenutzten angeschaltet. Der Analyt, der sich bereits in der Nähe der einen Elektroden befindet, wird nun von den anderen Elektroden angezogen und passiert hierbei die Detektionselektroden des Sensors (vgl. Fig. 5 und 6). In one embodiment of the method according to the invention, in step b), which can also be referred to as a "concentration step", a suitable potential is first applied to every second attraction electrode (B), so that the substance to be investigated accumulates there (see FIG. 4). , The remaining attraction electrodes (B) are not connected, which means that their potential results from the bath voltage and no attraction is exerted on the analyte. Then the previously used attraction electrodes are switched off and the previously unused ones are switched on. The analyte, which is already in the vicinity of one of the electrodes, is now attracted to the other electrodes and passes through the detection electrodes of the sensor (cf. FIGS. 5 and 6).
Im erfindungsgemäßen Analyseverfahren wird an zumindest einen Teil der Attraktionselektroden (B) derart eine sich zeitlich ändernde elektrische Spannung angelegt, dass mindestens zwei Gruppen von Attraktionselektroden (B) zumindest zeitweise eine unterschiedliche Spannung aufweisen. Die elektrische Spannung kann sich hierbei im Vorzeichen, Höhe der Spannung und Zeitdauer unterscheiden. Geeignet ist auch die Anwendung von Wechselspannung zwischen den Attraktionselektroden (B). Wird eine geeignete Wechselspannung an die Elektroden angelegt, so nimmt die Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Analyten in der Nähe der Detektionselektroden zu und die Messdauer verringert sich entsprechend. In the analysis method according to the invention, at least one Part of the attraction electrodes (B) such a time changing electrical voltage applied that at least two Groups of attraction electrodes (B) at least temporarily have a different voltage. The electrical Tension can be in the sign, amount of tension and duration differ. The application is also suitable of alternating voltage between the attraction electrodes (B). Apply a suitable AC voltage to the electrodes the residence probability of the Analytes close to the detection electrodes and the Measurement time is reduced accordingly.
Zum Aufbau eines geschlossenen Stromkreises ist natürlich eine Gegenelektrode zu den Attraktionselektroden notwendig, die mit dem Analyten in Kontakt stehen muss. Diese Gegenelektrode ist vorzugsweise als einzelne große Flächenelektrode ausgeführt, die nur einmal pro Sensorarray vorhanden sein muss, aber auch in Form mehrerer Teilelektroden ausgeführt sein kann. To build a closed circuit is natural a counter electrode to the attraction electrodes necessary, that must be in contact with the analyte. This Counter electrode is preferably as a single large one Surface electrode executed only once per sensor array must be available, but also in the form of several Partial electrodes can be executed.
Abhängig von der Meßmethode ist es gegebenenfalls auch notwendig, auf dem Sensor eine Referenzelektrode vorzusehen. Dies ist insbesondere bei Detektionsarten notwendig, die auf elektrochemischen Methoden basieren (z. B. Redox-Recycling). Depending on the measurement method, it may also be necessary to provide a reference electrode on the sensor. This is particularly necessary for detection types based on based on electrochemical methods (e.g. redox recycling).
Anstelle die Elektroden wechselweise ein- bzw. auszuschalten, kann bei Teilchen mit permanenter Ladung wie z. B. DNA auch die Polarität der Elektroden umgeschaltet werden. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kommt zu der anziehenden Wirkung des Potentials der neuen Elektroden noch die abstoßende Wirkung der alten Elektroden. Instead of switching the electrodes on and off alternately, can with particles with permanent charge such. B. DNA too the polarity of the electrodes can be switched. At this Embodiment of the invention comes to the attractive Effect of the potential of the new electrodes repulsive effect of the old electrodes.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass die Attraktionselektroden (B) zunächst derart betrieben werden, dass sich die zu analysierende Substanz in deren Nähe aufkonzentriert. Anschließend wird die Spannung abgeschaltet, wodurch die angezogenen Moleküle in die umliegenden, mit Fängermolekülen besetzten Bereiche der Detektionselektroden (A) diffundieren und bei chemischer Übereinstimmung hybridisieren können. Another embodiment of the invention consists in that the attraction electrodes (B) are initially operated in this way that the substance to be analyzed is close to it concentrated. Then the voltage is switched off, whereby the attracted molecules into the surrounding, with Capture molecules occupy areas of the detection electrodes (A) diffuse and chemical match can hybridize.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden die Elektroden unabhängig von der Form der einzelnen Elektroden jeweils wechselweise angeschaltet bzw. deren Polarität vertauscht. In the method according to the invention, the electrodes regardless of the shape of the individual electrodes alternately switched on or their polarity interchanged.
Erfindungsgemäß können nicht nur zwei Elektrodengruppen mit Attraktionselektroden (B) wechselweise betrieben werden, sondern das Verfahren kann auch mit Hilfe mehrerer Elektrodengruppen durchgeführt werden, die geeignet zugeschaltet werden bzw. an die Wechselsignale mit geeigneter Phasenlage angelegt werden. According to the invention, not only two electrode groups can be used Attraction electrodes (B) are operated alternately, but the procedure can also be done with the help of several Electrode groups are carried out that are suitable are switched on or to the alternating signals with a suitable one Phases are created.
Im Teilschritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit bewirkt, dass der Analyt bzw. die nachzuweisende Spezies gezielt über aktive Sensorflächen (Detektionselektroden (A)) hin- und herbewegt werden. Dies wird durch mehrere benachbarte Attraktionselektroden (B) erreicht, die geeignet elektrisch betrieben werden. Zudem ergeben sich hierdurch wesentlich verkürzte Messdauern für derartige Sensoren, wenn beispielsweise DNA bestimmt werden soll. In sub-step b) of the method according to the invention causes the analyte or the species to be detected targeted via active sensor surfaces (detection electrodes (A)) be moved back and forth. This is done by several neighboring attraction electrodes (B) reached that suitable be operated electrically. It also results from this significantly shorter measuring times for such sensors, if for example DNA should be determined.
Die Attraktionselektroden können entweder als passive Elektroden ausgeführt sein, das heißt, sie können am Rande des Substrates kontaktiert und mittels einer externen Spannungsversorgung betrieben werden, oder sie werden als aktive Elektroden ausgeführt. The attraction electrodes can either be passive Electrodes are designed, that is, they can be on the edge contacted the substrate and by means of an external Power supply operated, or they are considered active electrodes executed.
Diese bevorzugte aktive Ausführungsform beinhaltet insbesondere die monolithische Integration elektronischer Bauelemente und damit einer oder mehrerer elektronischer Schaltungen in den Chip, welche Schaltungen elektronische Funktionen für den Betrieb der Attraktionselektroden in dem Chip bereitstellen. This preferred active embodiment includes especially the monolithic integration of electronic Components and thus one or more electronic Circuits in the chip, which circuits are electronic Functions for the operation of the attraction electrodes in the Provide chip.
Die Funktionen weisen insbesondere die Schaltfunktionen für das Anlegen der benötigten elektrischen Potentiale zur Attraktion oder Repulsion der geladenen Partikel, sowie die Zeitsteuerung zum Umschalten der Potentiale und zur Umschaltung vom Attraktionsbetrieb in den Messbetrieb auf. The functions have in particular the switching functions for the application of the required electrical potentials Attraction or repulsion of the charged particles, as well as the Time control for switching the potentials and for Switchover from attraction mode to measurement mode.
Eine Integration dieser Funktionen ist neben der vereinfachten Ansteuerung des Chips insbesondere deshalb vorteilhaft, da gemäß dieser Ausführungsform eine hohe Integrationsdichte realisierbar ist. An integration of these functions is next to the simplified control of the chip in particular advantageous because according to this embodiment a high Integration density can be realized.
Üblicherweise sind mehrere Sensoreinheiten, die mit verschiedenen Fängersequenzen ausgerüstet wurden, auf einem Chip integriert. Innerhalb jeder dieser Sensoreinheiten ist die beschriebene Struktur aus Attraktions- und Detektionselektroden enthalten. Usually there are several sensor units with different catcher sequences were equipped on one Integrated chip. Is within each of these sensor units the described structure from attraction and Detection electrodes included.
Sind die Ansteuerschaltungen auf dem Chip integriert, kann jeder Sensor unabhängig von den umgebenden, d. h. benachbarten, Sensoren betrieben werden und so die elektrischen Randbedingungen wie die angelegten Attraktionspotentiale, die zeitliche Abfolge der Impulse, sowie die Umschaltung zwischen Attraktions- und Detektionsbetrieb auf die jeweiligen biologischen Spezies individuell eingestellt werden. If the control circuits are integrated on the chip, can each sensor regardless of the surrounding, d. H. neighboring, sensors are operated and so the electrical boundary conditions such as those created Attraction potentials, the temporal sequence of the impulses, as well as switching between attraction and Detection operation on the respective biological species can be set individually.
Im erfindungsgemäßen Verfahren werden nach einem Waschvorgang, der alle nicht gebundenen (bio)organischen Oligomere oder Polymere entfernt, im Schritt c) die auf den Detektionselektroden (A) befindlichen hybridisierten, zu bestimmenden (bio)organischen Oligomere oder Polymere auf optischem oder elektronischen Wege auf an sich bekannte Weise nachgewiesen. Bevorzugt erfolgt dieser Nachweis elektronisch durch Impedanzmessungen. In the process according to the invention, a Washing process of all unbound (bio) organic Removed oligomers or polymers in step c) on the Detection electrodes (A) located hybridized, too determining (bio) organic oligomers or polymers optical or electronic ways in a known manner demonstrated. This detection is preferably carried out electronically through impedance measurements.
Zum empfindlicheren Nachweis werden nach beendetem Anreicherungsschritt b) des erfindungsgemäßen Verfahrens optional nicht gebundene (bio)organische Oligomere und Polymere, insbesondere Biopolymere, von der jeweiligen Elektrode, auf der sie sich befinden, entfernt. For more sensitive detection, after the Enrichment step b) of the method according to the invention optionally unbound (bio) organic oligomers and Polymers, especially biopolymers, from each Removed electrode on which they are located.
Die folgenden Angaben erfolgen beispielhaft für Biopolymere als zu analysierende Substanzen. The following information is given as an example for biopolymers as substances to be analyzed.
Für den Fall, dass die Sondenmoleküle DNA-Stränge sind, erfolgt dies beispielsweise enzymatisch mittels eines Enzyms, das selektiv einzelsträngige DNA abbaut. Hierbei ist die Selektivität des abbauenden Enzyms für einzelsträngige DNA zu berücksichtigen. Besitzt das für den Abbau nicht- hybridisierter DNA-Einzelstränge ausgewählte Enzym diese Selektivität nicht, so wird möglicherweise auch die zu erfassende, hybridisierte doppelsträngige DNA unerwünscht mit abgebaut. In the event that the probe molecules are DNA strands, this is done, for example, enzymatically using an enzyme, that selectively degrades single-stranded DNA. Here is the Selectivity of the degrading enzyme for single-stranded DNA consider. Doesn't have that for mining- Hybridized DNA single strands selected this enzyme If selectivity is not, it may also become detecting, hybridized double-stranded DNA undesirable reduced.
Insbesondere können zum Entfernen der nicht gebundenen DNA- Sondenmoleküle von der jeweiligen Elektrode DNA Nukleasen, beispielsweise eine Nuklease aus Mung-Bohnen, die Nuklease P1 oder die Nuklease S1 verwendet werden. Die DNA-Polymerasen, die aufgrund ihrer 5' → 3' Exonukleaseaktivität oder ihrer 3' → 5' Exonukleaseaktivität imstande sind, einzelsträngige DNA abzubauen, können ebenfalls verwendet werden. In particular, to remove the unbound DNA Probe molecules from the respective electrode DNA nucleases, for example a nuclease from mung beans, the nuclease P1 or the nuclease S1 can be used. The DNA polymerases, those due to their 5 '→ 3' exonuclease activity or their 3 '→ 5' exonuclease activity are capable of being single-stranded Degrading DNA can also be used.
Für den Fall, dass die Sondenmoleküle niedermolekulare Liganden sind, lassen sich diese, falls ungebunden, auch enzymatisch entfernen. In the event that the probe molecules are low molecular weight If they are ligands, they can also be ligands if they are not bound remove enzymatically.
Hierzu sind die Liganden über eine enzymatisch spaltbare Verbindung kovalent mit der Elektrode verbunden, beispielsweise über eine Esterverbindung. For this purpose, the ligands are enzymatically cleavable Connection covalently connected to the electrode, for example via an ester compound.
In diesem Falle kann beispielsweise eine Carboxylester- Hydrolase (Esterase) eingesetzt werden, um ungebundene Ligandenmoleküle zu entfernen. Dieses Enzym hydrolysiert diejenige Esterverbindung zwischen der Elektrode und dem jeweiligen Ligandenmolekül, das nicht von einem Peptid oder Protein gebunden wurde. Dahingegen bleiben die Esterverbindungen zwischen der Elektrode und denjenigen Molekülen, die eine Bindungswechselwirkung mit Peptiden oder Proteinen eingegangen sind, aufgrund der verminderten sterischen Zugänglichkeit, die durch die molekulare Masse des gebundenen Peptids oder Proteins eintritt, unversehrt. In this case, for example, a carboxyl ester Hydrolase (Esterase) can be used to unbound To remove ligand molecules. This enzyme hydrolyzes that ester connection between the electrode and the respective ligand molecule that is not from a peptide or Protein was bound. In contrast, they remain Ester connections between the electrode and those Molecules that have a binding interaction with peptides or Proteins have been received due to decreased levels steric accessibility due to the molecular mass of the bound peptide or protein occurs intact.
Üblicherweise wird zunächst optional eine erste Messung ohne immobilisierte Fängermoleküle durchgeführt. Usually, a first measurement without is usually carried out first immobilized capture molecules performed.
Eine anschließende zweite Messung erfolgt nach der Immobilisierung der Fängermoleküle, eine darauffolgende dritte Messung nach erfolgter Hybridisierung und einem durchgeführten Waschvorgang. Eine vierte Messung wird nach enzymatischer Entfernung ungebunderer Fängermoleküle (falls zutreffend) durchgeführt. Eine abschließende fünfte Messung wird durchgeführt nach vollständiger Entfernung aller Fängermoleküle. Es ist anzumerken, dass auch die fünfte Messung optional ist. A subsequent second measurement takes place after the Immobilization of the capture molecules, a subsequent one third measurement after hybridization and one carried out washing process. A fourth measurement is made after enzymatic removal of unbound capture molecules (if applicable). A final fifth measurement is carried out after complete removal of all Capture molecules. It should be noted that the fifth Measurement is optional.
Die ermittelten Werte aus den elektrischen Messungen werden dann im allgemeinen miteinander verglichen. Wenn die Differenz bestimmter Messwerte (z. B. gemessene Kapazitätswerte) größer ist als ein vorgegebener Schwellenwert, so wird angenommen, dass sich Biopolymere mit Sondenmolekülen gebunden haben, wodurch die Veränderung des elektrischen Signals an den Elektroden verursacht worden ist. The determined values from the electrical measurements are then compared to each other in general. If the Difference between certain measured values (e.g. measured Capacitance values) is greater than a predefined one Threshold, it is assumed that biopolymers are compatible with Have bound probe molecules, thereby changing the electrical signal at the electrodes has been caused.
Ist die Differenz zwischen den Werten einer ersten elektrischen Messung und einer zweiten elektrischen Messung größer als der vorgegebene Schwellenwert, so wird als Ergebnis ausgegeben, dass die entsprechenden, die ersten Moleküle bzw. zweiten Moleküle spezifisch bindenden Biopolymere gebunden worden sind und die entsprechenden Biopolymere somit in dem Medium enthalten waren. Is the difference between the values of a first one electrical measurement and a second electrical measurement is greater than the predetermined threshold value, then as Result issued that the corresponding, the first Molecules or second molecules specifically binding Biopolymers have been bound and the corresponding Biopolymers were thus contained in the medium.
Die erste elektrische Messung und die zweite elektrische Messung können realisiert werden, indem die Kapazität zwischen den Elektroden gemessen wird. Alternativ können auch der elektrische Widerstand zwischen einzelnen Elektroden ermittelt werden. The first electrical measurement and the second electrical Measurement can be realized by the capacity is measured between the electrodes. Alternatively, you can the electrical resistance between individual electrodes be determined.
Allgemein kann als erste elektrische Messung und als zweite elektrische Messung eine Impedanzmessung durchgeführt werden, in dessen Rahmen sowohl die Kapazität zwischen den Elektroden als auch die elektrischen Widerstände gemessen werden. In general, the first electrical measurement and the second electrical measurement an impedance measurement can be performed in which both the capacitance between the electrodes as well as the electrical resistances are measured.
Im Rahmen der ersten Kapazitätsmessung wird üblicherweise ein Referenz-Kapazitätswert ermittelt und in einem Speicher gespeichert. Eine zweite Kapazitätsmessung erfolgt, nachdem die einsträngigen DNA-Sondenmoleküle von der jeweiligen Elektrode entfernt worden sind. Mittels der zweiten Kapazitätsmessung wird ein Kapazitätswert ermittelt, der mit dem Referenz-Kapazitätswert verglichen wird. As part of the first capacity measurement, a is usually used Reference capacity value determined and in a memory saved. A second capacity measurement takes place after the single-stranded DNA probe molecules from the respective Electrode has been removed. By means of the second Capacity measurement, a capacity value is determined, which with is compared to the reference capacitance value.
Ist der Differenzwert zwischen diesen Kapazitätswerten größer als ein vorgegebener Schwellenwert, so bedeutet dies, dass in dem Elektrolyt DNA-Stränge enthalten waren, die entweder mit den DNA-Sondenmolekülen hybridisiert sind. In diesem Fall wird ein entsprechendes Ausgangssignal von dem Messgerät dem Benutzer des Messgeräts ausgegeben. The difference between these capacitance values is larger as a predetermined threshold, it means that in DNA strands were contained in the electrolyte, either with are hybridized to the DNA probe molecules. In this case a corresponding output signal from the measuring device Meter user output.
Erfindungsgemäß kann mit dem Sensor anstelle der Kapazitätsmessung eine Impedanzmessung durchgeführt werden. Für jede Detektionselektrode ist hierbei üblicherweise eine Referenzelektrode vorgesehen, derart, dass die DNA- Sondenmoleküle nicht an diesen Referenzelektroden haften. Dies kann dadurch gewährleistet werden, dass ein Material für die Referenzelektroden gewählt wird, das keine Schwefelbindung ermöglicht. According to the invention, the sensor can be used instead of Capacitance measurement an impedance measurement can be carried out. There is usually one for each detection electrode Reference electrode provided such that the DNA Probe molecules do not adhere to these reference electrodes. This can be ensured by having a material for the reference electrodes is chosen, which is none Allows sulfur binding.
Alternativ kann eine unerwünschte Haftung der DNA- Sondenmoleküle auf der Referenzelektrode dadurch verhindert werden, dass das zur Immobilisierung der DNA-Sondenmoleküle geeignete Beschichtungsmaterial (s. oben) im Voraus nicht auf die Referenzelektrode aufgebracht wird. Somit entstehen keine chemisch reaktiven Gruppen auf der Referenzelektrode, die sonst eine kovalente Bindung mit den DNA-Sondenmolekülen eingehen, und somit diese dort immobilisieren würden. Alternatively, unwanted adhesion of the DNA This prevents probe molecules on the reference electrode be that to immobilize the DNA probe molecules suitable coating material (see above) in advance the reference electrode is applied. So there are none chemically reactive groups on the reference electrode that otherwise a covalent bond with the DNA probe molecules would enter, and thus immobilize them there.
Alternativ kann dies durch Anlegen eines ausreichend großen negativen elektrischen Feldes gewährleistet werden, wodurch sichergestellt wird, dass die negativ geladenen DNA- Sondenmoleküle nicht an den Referenzelektroden haften. Jede Referenzelektrode ist mit einem elektrischen Referenzanschluss gekoppelt. Alternatively, this can be done by creating a sufficiently large one negative electrical field can be ensured, whereby ensure that the negatively charged DNA Probe molecules do not adhere to the reference electrodes. each Reference electrode is with an electrical Reference connection coupled.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel erfolgt eine erste Impedanzmessung im unbelegten Zustand, d. h. beispielsweise in einem Zustand ohne Sondenmoleküle auf den späteren Detektionselektroden oder mit nicht hybridisierten DNA- Sondenmolekülen. In a further embodiment, there is a first Impedance measurement in the unoccupied state, d. H. for example in a state without probes on the later ones Detection electrodes or with non-hybridized DNA Probe molecules.
Nach Entfernung der einsträngigen DNA-Sondenmoleküle nach eventueller Hybridisierung der passenden DNA-Sondenmoleküle mit einem DNA-Strang der vorgegebenen, zu dem jeweiligen DNA- Sondenmolekül komplementären Sequenz wird eine zweite Impedanzmessung in bekannter Weise durchgeführt. Aufgrund der möglicherweise veränderten Impedanzwerte wird dann ermittelt, ob eine Hybridisierung von Sondenmolekülen und DNA-Strängen mit jeweils komplementärer Sequenz stattgefunden hat. After removal of the single-stranded DNA probe molecules after possible hybridization of the appropriate DNA probe molecules with a DNA strand of the given, to the respective DNA Probe complementary sequence becomes a second Impedance measurement carried out in a known manner. Due to the any changed impedance values are then determined whether a hybridization of probe molecules and DNA strands with a complementary sequence.
Neben der bisher beschriebenen, rein qualitativen Analyse des Stoffgemisches im Analyten, eignet sich die erfindungsgemäße Meßmethode auch zur quantitativen Messung der Konzentration bestimmter Spezies im Analyten. Die Genauigkeit der Messung hängt hierbei von der eingesetzten Meßmethode ab. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufkonzentration des Analyten in der Nähe der Detektionselektroden führt in jedem Falle zu einer Beschleunigung des gesamten Messvorganges sowie zu einer Erhöhung der Messempfindlichkeit, da mittels der Aufkonzentrierung der zu detektierenden Spezies auf der Sensoroberfläche und die elektrisch getriebene Bewegung über die Detektionselektroden hinweg, potentiell alle im Analyten vorhandenen zu detektierenden Moleküle Bindungspartner finden und somit der zu messende Effekt maximal ausfällt. In addition to the purely qualitative analysis of the Mixture of substances in the analyte, the invention is suitable Measurement method also for quantitative measurement of the concentration certain species in the analyte. The accuracy of the measurement depends on the measuring method used. The Device according to the invention for concentrating the Analytes in the vicinity of the detection electrodes result in each Trap to accelerate the entire measuring process as well as an increase in measuring sensitivity, since by means of the concentration of the species to be detected on the Sensor surface and the electrically driven movement over the detection electrodes, potentially all in the analyte find existing binding partner molecules to be detected and thus the effect to be measured is maximal.
Ein Vorteil von erfindungsgemäßem Sensor und Verfahren ist,
dass hierdurch eine rasche qualitative und quantitative
Bestimmung von (bio)organischen Oligomeren und Polymeren,
insbesondere von DNA, bei erhöhter Nachweisempfindlichkeit
möglich ist. Ein weiterer Vorteil von erfindungsgemäßem
Sensor und Verfahren ist es, dass auch bei starken
elektrischen Feldern und somit großen
Konzentrationsgradienten sichergestellt ist, dass die zu
analysierende Substanz in die Nähe der Fängermoleküle
gelangt.
Bezugszeichenliste
200 Sensor
201 Elektrode
202 Elektrode
203 Isolatorschicht.
204 Elektroden-Anschluss
205 Elektroden-Anschluss
206 immobilisierte DNA-Sondenmoleküle
207 Analyt
208 DNA-Stränge
(A) erste Elektrode
(B) zweite Elektrode
1 Elektrode
2 Elektrode
An advantage of the sensor and method according to the invention is that it enables rapid qualitative and quantitative determination of (bio) organic oligomers and polymers, in particular DNA, with increased detection sensitivity. A further advantage of the sensor and method according to the invention is that even with strong electrical fields and thus large concentration gradients, it is ensured that the substance to be analyzed comes close to the capture molecules. LIST OF REFERENCE NUMBERS 200 sensor
201 electrode
202 electrode
203 insulator layer.
204 electrode connection
205 electrode connection
206 immobilized DNA probe molecules
207 analyte
208 strands of DNA
(A) first electrode
(B) second electrode
1 electrode
2 electrodes
Claims (14)
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| DE2002114719 DE10214719A1 (en) | 2002-04-03 | 2002-04-03 | Sensor for the qualitative and quantitative determination of (bio) organic oligomers and polymers, analysis methods for this as well as methods for producing the sensor |
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Applications Claiming Priority (1)
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