DE10228124A1

DE10228124A1 - Biosensor-Array und Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays

Info

Publication number: DE10228124A1
Application number: DE2002128124
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Thewes; Meinrad Dr. Schienle; Christian Paulus; Alexander Frey; Birgit Holzapfl; Franz Dr. Hofmann
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-06-24
Filing date: 2002-06-24
Publication date: 2004-01-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Biosensor-Array und ein Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays. Das Biosensor-Array enthält ein Substrat und eine Mehrzahl von auf dem Substrat angeordnete Biosensor-Felder, von denen jedes einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist. Ferner ist mindestens eine erste Signalleitung und mindestens eine zweite Signalleitung vorgesehen, wobei die mindestens eine erste Signalleitung von der mindestens einen zweiten Signalleitung elektrisch isoliert ist, wobei jeweils der erste Anschluss eines jeden Biosensor-Felds mit genau einer der mindestens einen ersten Signalleitung gekoppelt ist und der zweite Anschluss eines jeden Biosensor-Felds mit genau einer der mindestens einen zweiten Signalleitung gekoppelt ist, und wobei zumindest eine der mindestens einen ersten Signalleitung und zumindest eine der mindestens einen zweiten Signalleitung mit zumindest zwei der Biosensor-Felder gekoppelt ist. Ferner weist das Biosensor-Array eine erste Ansteuereinheit zum Bereitstellen eines ersten elektrischen Ansteuersignals und eine zweite Ansteuereinheit zum Bereitstellen eines zweiten elektrischen Ansteuersignals auf. Eine mit der ersten Ansteuereinheit gekoppelte erste Detektionseinheit und/oder eine mit der zweiten Ansteuereinheit gekoppelte zweite Detektionseinheit ist oder sind derart eingerichtet, dass sie ein aus dem ersten und dem zweiten elektrischen Ansteuersignal resultierendes erstes und/oder zweites elektrisches ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Biosensor-Array und ein Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays.
Aus dem Stand der Technik sind Biosensoren bekannt, die gemäß dem Prinzip des Redox-Recyclings arbeiten (vgl. [1] bis [4]).
In l ist ein Redox-Recycling Biosensor 100 gemäß dem Stand der Technik gezeigt.
Für einen solchen Redox-Recycling Sensor 100 wird ein Vier-Elektrodensystem benötigt, das auf einem Substrat 101 ausgebildet ist. Der Redox-Recycling Biosensor 100 weist eine erste Interdigitalelektrode 102 und eine mit dieser anschaulich fingerförmig verzahnte zweite Interdigitalelektrode 103 auf. Typische Werte für die Breite und den Abstand der Interdigitalelektroden 102, 103 liegen im Bereich zwischen ungefähr 0.5 μm und ungefähr 2 μm.
Auf den Interdigitalelektroden 102, 103 sind Fängermoleküle (nicht gezeigt) immobilisiert, die mit zu erfassenden Partikeln in einer zu untersuchenden Lösung hybridisieren können. Gemäß dem Redox-Recycling-Prinzip werden beim Betrieb des Redox-Recycling Biosensors 100 im Falle eines Sensorereignisses an den Interdigitalelektroden 102, 103 Oxidations- und Reduktionsprozesse elektrochemisch aktivierter Partikel bewirkt. Mittels eines Labelmoleküls, das chemisch an von mit Fängermolekülen hybridisierten zu erfassenden Partikel eines Analyten gebunden ist, werden elektrochemisch aktivierte Partikel erzeugt, wenn der Lösung eine spezielle Komponente zugegeben wird.
Die in 1 gezeigten weiteren Elektroden, nämlich eine Referenzelektrode 104 und eine Gegenelektrode 105, bilden gemeinsam mit einem Differenzverstärker 106 einen Potentiostaten. Ein nicht-invertierender Eingang 106a des Differenzverstärkers 106 ist mit dem elektrischem Massepotential 107 gekoppelt, wohingegen ein invertierender Eingang 106b des Differenzverstärkers 106 mit der Referenzelektrode 104 gekoppelt ist. Ein Ausgang 106c des Differenzverstärkers 106 ist mit der Gegenelektrode 105 gekoppelt. Mittels der Referenzelektrode 104 wird das elektrochemische Potential eines in den Redox-Recycling-Biosensor 100 eingebrachten Elektrolyten gemessen. Mittels der Gegenelektrode 105 wird der Differenzverstärker 106 als Regelverstärker auf ein vorgegebenes elektrisches Potential geregelt. Es ist anzumerken, dass anschaulich das vorgegebene Potential das elektrische Potential an dem nicht-invertierenden Eingang 106a des Differenzverstärkers 106 ist, gemäß dem gezeigten Beispiel das elektrische Massepotential 107.
Für den Betrieb des Redox-Recycling-Biosensors 100 werden an die Interdigitalelektroden 102, 103, die als Generator- bzw. Kollektor-Elektroden betrieben werden, mittels einer ersten Gleichspannungsquelle 108 und mittels einer zweiten Gleichspannungsquelle 109 elektrische Spannungen unterschiedlichen Vorzeichens bezogen auf das Referenzpotential (Massepotential 107) angelegt. Diese Spannungen sollen bezüglich ihres Betrags so hoch gewählt werden, dass die Vorgänge von Oxidation und Reduktion des Redox-Recycling-Stoffs sicher und effizient funktionieren, sie sollen andererseits aber nicht zu hoch gewählt werden, um nicht beabsichtigte elektrochemische Vorgänge (z.B. Elektrolyse) an den Elektroden 102, 103 zu vermeiden.
Es ist anzumerken, dass keine sehr scharfen Schwellwerte für das Einsetzen von Oxidation und Reduktion bestimmter Stoffe existieren. In der Praxis werden Werte gewählt, deren Betrag jeweils ausreichend sicher (typischerweise einige 10 mV) oberhalb dieser Schwellenbereiche liegt. In der Praxis liegen die angelegten Spannungen im Bereich weniger 100 mV (beispielsweise +300 mV und –100 mV) für die in [5] verwendeten Stoffe.
Wie ferner in 1 gezeigt, ist ein mit der ersten Gleichspannungsquelle 108 gekoppeltes erstes Amperemeter 110 und ein mit der zweiten Gleichspannungsquelle 109 gekoppeltes zweites Amperemeter 111 vorgesehen. Mittels des ersten Amperemeters 110 kann ein aus den angelegten Spannungen und den Reduktions-/Oxidationsvorgängen resultierender elektrischer Strom an der zweiten Interdigitalelektrode 103 erfasst werden. Mittels des zweiten Amperemeters 111 kann ein aus den angelegten Spannungen und den Reduktions-/Oxidationsvorgängen resultierender elektrischer Strom an der ersten Interdigitalelektrode 102 erfasst werden. Die Werte dieser Ströme sind ein charakteristisches Maß für die an den Elektroden 102, 103 erfolgten Sensorereignisse und somit für die Konzentration zu erfassender Partikel in einer zu untersuchenden Lösung.
Aus dem Stand der Technik bekannte elektrochemische Sensoren, wie der Redox-Recycling Biosensor 100, sind bisher nur als Einzelsensoren in kleinen "passiven" Arrays, anschaulich als Aneinanderreihung von wenigen Einzelsensoren, oder in "aktiven" Arrays vorgestellt, welche abgesehen von den eigentlichen Biosensoren weitere aktive Bauelemente enthalten, auf denen entweder Schaltmatratzen, vgl. [4], oder aufwändige Schaltungstechnik, vgl. [5], enthalten ist.
Für viele Anwendungen ist es wünschenswert, nicht nur einen Test mit einem Biosensor durchzuführen, sondern viele Tests in einer gegebenen Probe, dem Analyten, zeitlich parallel. Auf entsprechenden Chips realisierbare, miniaturisierte Bio-/ Chemosensor-Arrays dienen dem zeitlich parallelen Nachweis unterschiedlicher zu erfassender Partikel in einem zu untersuchenden Analyten. Die entsprechenden Sensoren sind in großer Anzahl auf einem Substrat realisierbar, beispielsweise auf einem Glas-, Plastik-, Silizium- oder anderen Substrat. Aufgrund des hohen Grades an Parallelisierung ergeben sich für derartige Sensor-Anordnungen einschließlich entsprechendem Auswertesystem vielfältige Anwendungen in der medizinischen Diagnosetechnik, in der Pharmaindustrie (z.B. für das Pharma-Screening, "high throughput screening", HTS), in der chemischen Industrie, in der Lebensmittel-Analytik, in der Umwelt- und Lebensmitteltechnik und -analytik.
Bei der Realisierung von passiven Arrays mit Sensoren gemäß dem Prinzip des Redox-Recyclings (Redox-Zyklieren) stellt sich die Herausforderung, dass die Signale aller Sensoren einem Auslesegerät zuzuführen sind. Sofern zum Beispiel ein passives Substrat mit 8 × 12 = 96, 32 × 48 = 1536 oder allgemein bei einer matrixförmigen Anordnung mit m Zeilen und n Spalten m × n Positionen vorliegt, sind 2 × 96 = 192, 2 × 1536 = 3072 bzw. allgemein 2m × n separate Elektroden-Anschlüsse der Sensoren sowie zwei weitere Anschlüsse für die Referenz- und Gegenelektroden der Potentiostat-Anordnung erforderlich. Jedes Biosensor-Feld sollte separat auslesbar sein, wobei die Anzahl der verwendeten Anschlüsse ("pads") des Chips aus Gründen des Aufwands (für Chip- und Auslesegerät) und vor allen Dingen aus Gründen der Sicherheit bei der Kontaktierung (Signalintegrität) nicht zu hoch sein sollen.
Ein einfacher Ansatz, beispielsweise alle Elektroden-Anschlüsse mit dem Auslesegerät zu koppeln, liefert 2m × n + 2, im Beispiel also 194 oder 3074 Anschlüsse, und ist daher nicht oder nicht befriedigend realisierbar. Ähnliches gilt für den Ansatz, eine Elektrode aller Sensor-Felder gemeinsam zu betreiben und alle verbleibenden Elektroden-Anschlüsse sowie die gemeinsame Elektrode mit dem Auslesegerät zu koppeln. In diesem Falle ist die Anzahl der Anschlüsse zwar geringer, nämlich n × m + 1 + 2 (in dem Beispiel 99 bzw. 1539), jedoch immer noch viel zu groß.
Der Nachteil der in [4], [5] beschriebenen Ansätze, bei welchen aktive Arrays mit einer aufwändigen CMOS-Technik für die einzelnen Sensor-Felder verwendet sind, besteht in den hohen Fertigungskosten gegenüber rein passiven Arrays, bei denen CMOS-Schaltkreise für die Sensorfelder eingespart sind.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Biosensor-Array bereitzustellen, bei dem es mit vertretbarem Aufwand ermöglicht ist, Sensorsignale aus einer Anordnung von miniaturisierbaren Biosensor-Feldern in ausreichender Genauigkeit auszulesen.
Das Problem wird gelöst durch ein Biosensor-Array und durch ein Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
Das erfindungsgemäße Biosensor-Array weist ein Substrat und eine Mehrzahl von auf dem Substrat angeordneten Biosensor-Felder auf, von denen jedes einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist. Ferner enthält das Biosensor-Array mindestens eine erste Signalleitung und mindestens eine zweite Signalleitung, wobei die mindestens eine erste Signalleitung von der mindestens einen zweiten Signalleitung elektrisch isoliert ist. Jeweils der erste Anschluss eines jeden Biosensor-Felds ist mit genau einer der mindestens einen ersten Signalleitung gekoppelt, und der zweite Anschluss eines jeden Biosensor-Felds ist mit genau einer der mindestens einen zweiten Signalleitung gekoppelt. Zumindest eine der mindestens einen ersten Signalleitung und zumindest eine der mindestens einen zweiten Signalleitung ist mit zumindest zwei der Biosensor-Feldern gekoppelt. Ferner ist eine erste Ansteuereinheit zum Bereitstellen eines ersten elektrischen Ansteuersignals und eine zweite Ansteuereinheit zum Bereitstellen eines zweiten elektrischen Ansteuersignals bereitgestellt. Darüber hinaus enthält das Biosensor-Array eine mit der ersten Ansteuereinheit gekoppelte erste Detektionseinheit und/oder eine mit der zweiten Ansteuereinheit gekoppelte zweite Detektionseinheit, die derart eingerichtet ist oder sind, dass sie ein aus dem ersten und dem zweiten elektrischen Ansteuersignal resultierendes erstes und/oder zweites elektrisches Detektionssignal eines ausgewählten Biosensor-Feldes erfasst oder erfassen. Eine Auswahleinheit ist derart eingerichtet, dass sie die erste Ansteuereinheit mit der ersten Signalleitung eines auszuwählenden Biosensor-Felds und die zweite Ansteuereinheit mit der zweiten Signalleitung des auszuwählenden Biosensor-Felds koppelt, womit das Biosensor-Feld ausgewählt wird.
Ferner ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays mit den oben beschriebenen Merkmalen geschaffen. Gemäß dem Verfahren wird die erste Ansteuereinheit mit der ersten Signalleitung eines auszuwählenden Biosensor-Felds und die zweite Ansteuereinheit mit der zweiten Signalleitung des auszuwählenden Biosensor-Felds gekoppelt, womit das mindestens eine Biosensor-Feld ausgewählt wird. Ferner wird der ersten Signalleitung des ausgewählten Biosensor-Felds ein erstes elektrisches Ansteuersignal und der zweiten Signalleitung des ausgewählten Biosensor-Felds ein zweites elektrisches Ansteuersignal bereitgestellt. Darüber hinaus wird ein aus dem ersten oder dem zweiten elektrischen Ansteuersignal resultierendes erstes Detektionssignal an der ersten Signalleitung des ausgewählten Biosensor-Felds und/oder ein aus dem ersten und dem zweiten elektrischen Ansteuersignal resultierendes zweites Detektionssignal an der zweiten Signalleitung des ausgewählten Biosensor-Felds erfasst.
Eine Grundidee der Erfindung besteht darin, für jeweils eine Mehrzahl von Biosensor-Feldern eines Biosensor-Arrays gemeinsam vorgesehene erste Signalleitungen bzw. zweite Signalleitungen bereitzustellen, wodurch die Anzahl der zum Betreiben des Biosensor-Arrays erforderlichen Signalleitungen erheblich reduziert ist. Dadurch ist es ermöglicht, ein Biosensor-Array (insbesondere auf einem passiven Chip) bei einer relativ geringen Anzahl von Signalleitungen bzw. einer geringen Anzahl von mit den Signalleitungen gekoppelten Pads zu betreiben. Dadurch ist Platz auf dem Biosensor-Array eingespart, was eine höhere Integrationsdichte ermöglicht und die Herstellungskosten verringert. Die erfindungsgemäße Array-Architektur kann jedoch auch bei aktiven Chips eingesetzt werden, da sie es erlaubt, den schaltungstechnischen Aufwand pro Biosensor-Feld gering zu halten, was wiederum die Herstellung hochdichter Arrays ermöglicht. Bei aktiven Biosensor-Arrays sind auf dem Substrat zusätzliche Schaltkreis-Einrichtungen (beispielsweise Vorverstärker, AD-Wandler etc.) bereitgestellt.
Für eine beispielsweise matrixförmige Anordnung der Biosensor-Felder entlang von als Zeilenleitungen vorgesehenen zweiten Signalleitungen und entlang von als Spaltenleitungen vorgesehenen ersten Signalleitungen können z.B. m Spalten wahlweise mit einer anregenden ersten Spannungsquelle der ersten Ansteuereinheit oder mit elektrischem Massepotential gekoppelt werden. Die n Zeilen können wahlweise mit einer zweiten anregenden Spannungsquelle der zweiten Ansteuereinheit oder mit elektrischem Massepotential gekoppelt werden. Das Auswählen der Kopplung der Anschlüsse der Biosensor-Felder mit den Spannungsquellen oder mit dem Massepotential erfolgt mittels der Auswahleinheit.
Beispielsweise kann an genau einer Spaltenleitung eine positive elektrische Spannung als erstes elektrisches Ansteuersignal angelegt werden und kann an genau eine Zeilenleitung eine elektrische Spannung negativen Vorzeichens als zweites elektrisches Ansteuersignal angelegt werden. Nur ein in dem Kreuzungsbereich der ausgewählten Zeile mit der ausgewählten Spalte angeordnetes Biosensor-Feld hat zwischen seinen beiden Anschlüssen (d.h. seinen beiden Elektroden) eine ausreichend große Potentialdifferenz, dass Redox-Recycling-Prozesse auf dem Biosensor-Feld erfolgen können. Alle anderen Biosensor-Felder haben zwischen ihren Anschlüssen eine Potentialdifferenz, die der ersten elektrischen Spannung oder der zweiten elektrischen Spannung entspricht, da der jeweils andere Anschluss auf Massepotential liegt. Dadurch sind an diesen Biosensor-Feldern Redox-Recycling-Prozesse nicht bzw. nicht in aureichendem Maße möglich, um ein detektierbares zeitlich ansteigendes Signal zu generieren.
Tritt bei einem ausgewählten Biosensor-Feld ein Sensorereignis, beispielsweise ein Hybridisierungsereignis, zwischen auf dem Biosensor-Feld immobilisierten Fängermolekülen und zu erfassenden Partikeln eines Analyten auf, können unter Verwendung eines Labels an den zu erfassenden Partikeln, einer in den Analyten eingebrachten chemischen Komponente und einer ausreichend großen elektrischen Potentialdifferenz zwischen den Sensor-Elektroden Redox-Recycling-Prozesse auftreten. Als Folge davon fließt auf der mit dem ausgewählten Biosensor-Feld gekoppelten ersten Signalleitung und auf der mit dem ausgewählten Biosensor-Feld gekoppelten zweiten Signalleitung jeweils ein elektrischer Strom als Detektionssignal. Mittels Erfassens eines Werts oder vorzugsweise beider Werte der Ströme kann auf das Auftreten von Hybridisierungsereignissen geschlossen werden.
Für den Fall einer matrixförmigen Anordnung der Biosensor-Felder mit m Spalten und n Zeilen sind gemäß der Erfindung lediglich n + m + 2 Anschlüsse erforderlich, nämlich m erste Signalleitungen, n zweite Signalleitungen und (optional) zwei weitere Anschlüsse für Referenz- und Gegenelektrode eines Potentiostaten. Für einen Chip mit beispielsweise 8 × 12 = 96 Positionen sind daher lediglich 22 Signalleitungen erforderlich, für einen Chip mit 32 × 48 = 1536 Positionen sind 82 Signalleitungen erforderlich. Dies stellt gegenüber dem Stand der Technik eine erhebliche Aufwandsverringerung dar. Das optimal erreichbare Verhältnis aus Zahl der Anschlüsse normiert auf die Anzahl der Sensor-Positionen auf dem Chip ergibt sich für den Fall n = m, das heißt für ein Sensor-Array mit einer quadratischen Architektur (Zeilenzahl = Spaltenzahl).
Anschaulich ist es erfindungsgemäß ermöglicht, den herstellungstechnischen Aufwand für ein Biosensor-Array dadurch wesentlich zu reduzieren, dass zumindest eine der mindestens einen ersten Signalleitung und mindestens eine der mindestens einen zweiten Signalleitung mit zumindest zwei der Biosensor-Felder gekoppelt ist. Mit anderen Worten sind für eine jeweilige Mehrzahl von Biosensor-Feldern gemeinsame Signalleitungen zum Ansteuern und Detektieren bereitgestellt.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Das Biosensor-Array kann eine Auswerteeinheit aufweisen, die derart eingerichtet ist, dass sie für das mindestens eine ausgewählte Biosensor-Feld basierend auf dem ersten und/oder dem zweiten Detektionssignal ermittelt, ob an dem mindestens einen ausgewählten Biosensor-Feld Sensorereignisse erfolgt sind und/oder in welcher Quantität an dem mindestens einen ausgewählten Biosensor-Feld Sensorereignisse erfolgt sind.
Mindestens eines der Biosensor-Felder kann als elektrochemisches Biosensor-Feld eingerichtet sein. Insbesondere kann zumindest eines der Biosensor-Felder ein Redox-Recycling-Biosensor-Feld sein. Bei einem Redox-Recycling-Biosensor-Feld werden zu erfassende Partikel vorzugsweise mit einem Label versehen, das nach einem erfolgten Hybridisierungsereignis mit auf dem Sensor-Feld immobilisierten Fängermolekülen dazu verwendet wird, eine in die Anordnung einzubringende, bei den verwendeten Potentialen elektrochemisch inaktive Substanz in zwei Teilmoleküle zu spalten, von denen mindestens eines elektrochemisch aktiv ist. Dies führt zu einer Veränderung der elektrischen Eigenschaften der jeweiligen Sensor-Position des Biosensor-Arrays.
Das Biosensor-Feld kann eine erste und eine zweite Elektrode aufweisen, wobei die erste Elektrode mit dem ersten Anschluss und wobei die zweite Elektrode mit dem zweiten Anschluss des Biosensor-Feldes gekoppelt ist. Die erste und die zweite Elektrode ist vorzugsweise eine Interdigitalelektrode. Mit anderen Worten kann die erste und/oder die zweite Elektrode wie die in 1 gezeigte erste oder zweite Interdigitalelektrode 102, 103 ausgestaltet und betreibbar sein.
Die Biosensor-Felder können zu einer Mehrzahl von Biosensor-Gruppen gruppiert sein, derart, dass jede Biosensor-Gruppe wahlweise separat von den anderen Biosensor-Gruppen oder gemeinsam mit zumindest einem Teil der anderen Biosensor-Gruppen betreibbar ist. Anschaulich ist eine Kompartimentierung des Biosensor-Arrays möglich. Ist beispielsweise für eine bestimmte Anwendung ein Teilbereich der Biosensor-Felder ausreichend und werden die anderen Biosensor-Felder für diese Anwendung nicht benötigt, so können die Biosensor-Felder des Teilbereichs zu einer Gruppe gruppiert werden und diese Gruppe separat von den übrigen Biosensor-Feldern betrieben werden.
Das Substrat kann ein Keramik-Substrat, ein Halbleiter-Substrat (insbesondere ein Silizium-Substrat, d.h. ein Silizium-Wafer oder ein Silizium-Chip), ein Glas-Substrat oder ein Plastik-Substrat sein.
Das erste und das zweite elektrische Ansteuersignal sind vorzugsweise elektrische Gleichspannungssignale mit unterschiedlichen Vorzeichen bezogen auf ein Referenzpotential, welches Referenzpotential an zumindest einem Anschluss eines nicht ausgewählten Biosensor-Feldes anliegen kann, und das erste und/oder das zweite elektrische Detektionssignal ist vorzugsweise ein elektrischer Strom.
Es ist alternativ vorgesehen, dass die ersten und zweiten elektrischen Ansteuersignale zueinander gegenphasige Spannungssignale sind. Bedingung für das Auftreten von Redox-Recycling-Prozessen an einem ausgewählten Sensorfeld ist lediglich, dass die Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Ansteuersignal einen gewissen Schwellwert überschreitet.
In der Regel wird an einen Anschluss oder an beide Anschlüsse eines nicht ausgewählten Biosensor-Felds ein elektrisches Referenzpotential (z.B. das Massepotential) angelegt. Es ist jedoch auch möglich, dass zumindest ein nicht ausgewähltes Biosensor-Feld "floatet", d.h. dass die Anschlüsse dieses Biosensor-Felds nicht auf ein definiertes elektrisches Potential gebracht werden.
Die Amplituden und Vorzeichen des ersten und des zweiten elektrischen Ansteuersignals sind vorzugsweise derart gewählt, dass infolge eines an einem Biosensor-Feld erfolgten Sensorereignisses im Wesentlichen nur dann ein signifikantes erstes und/oder zweites Detektionssignal generiert wird, wenn der erste Anschluss des Biosensor-Felds mit der ersten Ansteuereinheit und simultan der zweite Anschluss des Biosensor-Felds mit der zweiten Ansteuereinheit gekoppelt ist. Mit anderen Worten sind die Werte der ersten und zweiten elektrischen Ansteuersignale vorzugsweise derart gewählt, dass ein nicht auszuwählendes Biosensor-Feld, an dessen ersten Anschluss das erste Ansteuersignal angelegt ist und an dessen zweiten Anschluss das zweite Ansteuersignal nicht angelegt ist, nicht fähig ist, Redox-Recycling-Prozesse durchzuführen. Ferner sind die Werte der ersten und zweiten elektrischen Ansteuersignale vorzugsweise derart gewählt, dass ein nicht auszuwählendes Biosensor-Feld, an dessen ersten Anschluss das erste Ansteuersignal nicht angelegt ist und an dessen zweiten Anschluss das zweite Ansteuersignal angelegt ist, nicht fähig ist, Redox-Recycling-Prozesse durchzuführen. Nur diejenigen Biosensor-Felder sind ausgewählt, an deren ersten Anschluss das erste Ansteuersignal und an deren zweiten Anschluss das zweite Ansteuersignal anliegt.
Vorteilhaft ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Biosensor-Arrays als aktiver Sensor-Chip, in dem integrierte Schaltkreise mit beliebigen Funktionen enthalten sein können. In dem Substrat des Biosensor-Arrays kann ein Analog-Digital-Wandler-Schaltkreis integriert sein, der derart eingerichtet ist, dass er ein analoges elektrisches Signal in ein digitales Signal umwandelt und der Auswerteeinheit bereitstellt. Ferner kann eine elektrische Versorgungseinheit in dem Substrat integriert sein, die derart eingerichtet ist, dass sie der ersten und/oder der zweiten Ansteuereinheit und/oder der Auswahleinheit elektrische Spannungssignale und/oder elektrische Stromsignale bereitstellen kann. Darüber hinaus kann in dem Substrat ein Digital-Analog-Wandler-Schaltkreis integriert sein, der derart eingerichtet ist, dass er ein digitales Signal der Versorgungseinheit in ein analoges Signal umwandeln und der Ansteuereinheit und/oder der Auswahleinheit bereitstellen kann. Auch kann eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle zum Anschließen einer externen Vorrichtung auf dem Biosensor-Array vorgesehen sein. Diese kann beispielsweise als digitale I/O-Schnittstelle eingerichtet sein. Ferner kann in dem Substrat eine Verstärkereinheit integriert sein, eingerichtet zum Verstärken des ersten und/oder des zweiten elektrischen Detektionssignals. Aufgrund einer Verstärkung "On-Chip" ist vermieden, dass ein störanfälliges, analoges Signal entlang einer langen Signalleitung verläuft und daher Störungen ausgesetzt ist. Dadurch ist das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert.
Vorzugsweise ist die mindestens eine erste Signalleitung einerseits und die mindestens eine zweite Signalleitung andererseits zumindest teilweise in zwei unterschiedlichen Leiterebenen (z.B. Metallisierungsebenen) in und/oder auf und/oder unter dem Substrat ausgebildet. Die Verwendung zweier unterschiedlicher Leitungsebenen ermöglicht eine elektrisch isolierte Leitungskreuzung zwischen ersten und zweiten Signalleitungen. Die zwei Leitungsebenen (insbesondere Metallebenen) können so realisiert sein, wie es von Prozessen der Mikroelektronik bekannt ist. Dort sind häufig die Metallebenen oberhalb des Bulk-Materials (des Substrats) in Intermetall-Dielelektrika eingebettet. Alternativ ist jedoch auch möglich, dass eine der Leitungsebenen in der gleichen Ebene (und vorzugsweise aus dem gleichen Material) realisiert ist wie die Transducer-Elemente selbst (z.B. Goldmaterial von Interdigitalelektroden). Mit anderen Worten können die Biosensor-Felder in genau einer der Leitungsebenen ausgebildet sein.
Ferner können in einem ersten Leitungsabschnitt, in dem die mindestens eine erste Signalleitung und die mindestens eine zweite Signalleitung von einer gegenseitigen Kreuzung frei sind, die mindestens eine erste Signalleitung und die mindestens eine zweite Signalleitung in derselben Ebene verlaufend ausgebildet sein. Ferner können in einem zweiten Leitungsabschnitt, in dem die mindestens eine erste Signalleitung und die mindestens eine zweite Signalleitung sich gegenseitig kreuzen, die mindestens eine erste Signalleitung und die mindestens eine zweite Signalleitung in unterschiedlichen Ebenen verlaufend ausgebildet sein.
Mit anderen Worten muss eine zweite Leiterebene nicht notwendigerweise vergraben bezüglich einer ersten Leiterebene vorgesehen sein. Es ist auch möglich, beide Ebenen teilweise in derselben Ebene wie die Transducer zu realisieren, und aus dem gleichen Material wie die Transducer herzustellen. Dann ist nur in Kreuzungsbereichen zwischen ersten und zweiten Signalleitungen eine Überbrückung des Kreuzungsbereichs erforderlich, um eine elektrische Isolierung zwischen Ansteuerleitungen und Detektionsleitungen zu gewährleisten. Zwischen den im Überbrückungsbereich in unterschiedlichen Ebenen verlaufenden Leitungsabschnitten ist vorzugsweise ein elektrisch isolierendes Material zwischen den Leitungen zu verwenden.
Vorzugsweise ist der erste Leitungsabschnitt der mindestens einen ersten Signalleitung und/oder der mindestens einen zweiten Signalleitung mit dem zweiten Leitungsabschnitt der mindestens einen ersten Signalleitung und/oder der mindestens einen zweiten Signalleitung mittels mindestens einem im Wesentlichen vertikal zu dem Substrat verlaufend angeordneten elektrischen Kontaktierungselement gekoppelt. Insbesondere sind Vias möglich, um Leitungsabschnitte einer ersten Signalleitung (und/oder einer zweiten Signalleitung), die in unterschiedlichen Ebenen verlaufen, jeweils miteinander zu koppeln.
Die mindestens eine erste Signalleitung und/oder die mindestens eine zweite Signalleitung kann auf einer Unterseite des Substrats oder unterhalb des Substrats verlaufend ausgebildet sein.
Mit anderen Worten kann eine Leitungsebene zum Beispiel auch an der Unterseite eines Substrats (z.B. Leiterplatte) realisiert sein. Hierfür sind Durchkontaktierungen erforderlich. Ferner kann unterhalb des Substrats eine dielektrische Schicht ausgebildet werden, in welche elektrisch leitfähige Strukturen eingebettet werden, um Signalleitungen auszubilden.
Die Biosensor-Felder der erfindungsgemäßen Biosensor-Arrays können in einer im Wesentlichen rechteckigen, vorzugsweise quadratischen, hexagonalen oder dreieckigen Matrix angeordnet sein. Bei einer matrixförmigen rechteckigen Anordnung der Biosensor-Felder mit gleicher Zeilen- und Spaltenzahl (quadratische Matrix) ist ein besonders günstiges Verhältnis der Anzahl von erforderlichen Signalleitungen (bzw. Pads) zu der Anzahl von Biosensor-Feldern ermöglicht.
Die Ansteuereinheit kann eine für alle Biosensor-Felder gemeinsame erste Versorgungseinheit und/oder die zweite Ansteuereinheit kann eine für alle Biosensor-Felder gemeinsame zweite Versorgungseinheit aufweisen, wobei die erste Versorgungseinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an das zumindest eine ausgewählte Biosensor-Feld das erste elektrische Ansteuersignal anlegbar ist, und/oder wobei die zweite Versorgungseinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an das zumindest eine ausgewählte Biosensor-Feld das zweite elektrische Ansteuersignal anlegbar ist.
Mit anderen Worten kann beispielsweise eine einzige gemeinsame Spannungsquelle als erste Versorgungseinheit bzw. eine einzige gemeinsame Spannungsquelle als zweite Versorgungseinheit vorgesehen sein, die unter Verwendung der Funktionalität der Auswahleinheit mit jeweils einem Biosensor-Feld oder einem Teil der Biosensor-Felder (beispielsweise einer Spalte oder Zeile von Biosensor-Feldern) gekoppelt wird, um diesem Biosensor-Feld bzw. diesen Biosensor-Feldern das entsprechende elektrische Ansteuersignal bereitzustellen. Die Verwendung einer einzigen gemeinsamen ersten Versorgungseinheit bzw. einer einzigen gemeinsamen zweiten Versorgungseinheit verringert die Herstellungskosten des Biosensor-Arrays.
Die erste und die zweite Ansteuereinheit können derart eingerichtet sein, dass an zumindest einen Teil der nicht ausgewählten Biosensor-Felder ein elektrisches Referenzsignal anlegbar ist, dessen Wert im Wesentlichen der Mittelwert aus dem ersten und dem zweiten Ansteuersignal ist. An einem ausgewählten Biosensor-Feld können nur dann Redox-Recycling- Vorgänge stattfinden, wenn an dessen ersten Anschluss das erste Ansteuersignal und an dessen zweiten Anschluss das zweite Ansteuersignal mit vorzugsweise entgegengesetztem Vorzeichen angelegt wird, da das Auftreten von Redox-Recycling-Prozessen eine ausreichend große Potentialdifferenz zwischen den Anschlüssen erfordert. Indem als Referenzpotential für die nicht auszuwählenden Biosensor-Felder der arithmetische Mittelwert aus dem ersten und dem zweiten elektrischen Ansteuersignal verwendet wird (oder eine Spannung nahe dem arithmetischen Mittelwert), ist sichergestellt, dass an nicht ausgewählten Biosensor-Feldern unerwünschte Redox-Recycling-Prozesse vermieden sind. Mit anderen Worten wird an einen Anschluss oder an beide Anschlüsse eines nicht ausgewählten Biosensor-Felds häufig ein elektrisches Referenzpotential (z.B. das Massepotential) angelegt. Es ist jedoch auch möglich, dass zumindest ein nicht ausgewähltes Biosensor-Feld "floatet", d.h. dass die Anschlüsse dieses Biosensor-Felds nicht auf ein definiertes elektrisches Potential gebracht sind.
Die erste Ansteuereinheit kann für jeweils eine erste Gruppe von Biosensor-Feldern eine der jeweiligen Gruppe zugehörige erste Versorgungseinheit aufweisen, welche erste Versorgungseinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an die Biosensor-Felder der zugehörigen ersten Gruppe das erste elektrische Ansteuersignal anlegbar ist, und/oder die zweite Ansteuereinheit kann für jeweils eine zweite Gruppe von Biosensor-Feldern eine der jeweiligen Gruppe zugehörige zweite Versorgungseinheit aufweisen, welche zweite Versorgungseinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an die Biosensor-Felder der zugehörigen zweiten Gruppe das zweite elektrische Ansteuersignal anlegbar ist.
Beispielsweise kann bei einer matrixförmigen Anordnung der Biosensor-Felder für jede Spalte von Sensor-Feldern eine gemeinsame Spannungsquelle als den entlang einer Spalte angeordneten Biosensor-Feldern zugehörige Versorgungseinheit vorgesehen sein. Ferner kann für jede Zeile von Sensor- Feldern eine andere gemeinsame Spannungsquelle als den entlang der Zeile angeordneten Biosensor-Feldern zugehörige zweite Versorgungseinheit vorgesehen sein.
Die Ansteuereinheiten bzw. die Auswahleinheit können insbesondere derart eingerichtet sein, dass jeweils eine der Versorgungseinheiten der zugehörigen Gruppe von Biosensor-Feldern ein elektrisches Ansteuersignal bereitstellt, wohingegen die anderen Versorgungseinheiten den zugehörigen Biosensor-Feldern ein Referenzpotential, beispielsweise das elektrische Massepotential, bereitstellen.
Die erste Detektionseinheit kann eine für alle Biosensor-Felder gemeinsame erste Messeinheit (beispielsweise ein Amperemeter) aufweisen, welche erste Messeinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an genau einem ausgewählten Biosensor-Feld das elektrische erste Detektionssignal erfassbar ist. Alternativ oder ergänzend kann die zweite Detektionseinheit eine für alle Biosensor-Felder gemeinsame zweite Messeinheit (beispielsweise ein Amperemeter) aufweisen, welche zweite Messeinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an genau einem ausgewählten Biosensor-Feld das elektrische zweite Detektionssignal erfassbar ist.
Die erste Detektionseinheit kann für jeweils eine dritte Gruppe von Biosensor-Feldern eine der jeweiligen dritten Gruppe zugehörige erste Messeinheit aufweisen, wobei jede der ersten Messeinheiten derart eingerichtet ist, dass mit ihr an genau einem ausgewählten Biosensor-Feld der zugehörigen dritten Gruppe das elektrische erste Detektionssignal erfassbar ist.
Ferner kann die zweite Detektionseinheit für jeweils eine vierte Gruppe von Biosensor-Feldern eine der jeweiligen vierten Gruppe zugehörige zweite Messeinheit aufweisen, wobei jede der zweiten Messeinheiten derart eingerichtet ist, dass mit ihr an genau einem ausgewählten Biosensor-Feld der zugehörigen vierten Gruppe das elektrische zweite Detektionssignal erfassbar ist.
Ferner kann das erfindungsgemäße Biosensor-Array eine Potentiostat-Einrichtung aufweisen, die derart eingerichtet ist, dass mit ihr zumindest einem Teil der Biosensor-Felder ein konstantes elektrisches Potential vorgebbar ist.
Insbesondere kann die Potentiostat-Einrichtung eine Referenzelektrode, eine Gegenelektrode und einen Operationsverstärker aufweisen, wobei ein erster Eingang des Operationsverstärkers mit der Referenzelektrode, ein zweiter Eingang des Operationsverstärkers mit einem Referenzpotential (beispielsweise dem elektrischen Massepotential) und ein Ausgang des Operationsverstärkers mit der Gegenelektrode gekoppelt ist.
Ferner kann für jede Zeile von Biosensor-Feldern eine jeweils eigene erste Gleichspannungsquelle und kann für jede Spalte von Biosensor-Feldern eine jeweils eigene zweite Gleichspannungsquelle bereitgestellt sein. Darüber hinaus kann für jede Zeile von Biosensor-Feldern eine jeweils eigene erste Stromerfasseinheit und kann für jede Spalte von Biosensor-Feldern eine jeweils eigene zweite Stromerfasseinheit bereitgestellt sein. Dann können simultan für alle Biosensor-Felder gemeinsam die Sensorereignisse erfasst werden, indem in allen Zeilen und Spalten Summenströme erfasst werden. Unter Verwendung einer geeigneten Korrelationsrechnung kann aus korrelierten Zeilen- und Spaltenströmen auf die einzelnen Sensorsignale der einzelnen Biosensor-Felder rückgerechnet werden. Dies funktioniert besonders gut, wenn in einem bestimmten Betriebszustand nur sehr wenige oder gar nur ein einziges Biosensor-Feld ein Sensorsignal aufweist. In letzterem Fall ist im Wesentlichen nur in einer Zeilenleitung und in einer Spaltenleitung ein elektrischer Strom erfassbar, so dass auf ein Sensorereignis in dem Biosensor-Feld in dem Kreuzungsbereich der Zeilenleitung mit der Spaltenleitung geschlossen werden kann.
Im Weiteren wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Biosensor-Arrays beschrieben. Ausgestaltungen des Biosensor-Arrays gelten auch für das Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Biosensor-Arrays.
Vorzugsweise wird für das mindestens eine ausgewählte Biosensor-Feld basierend auf dem ersten und/oder dem zweiten Detektionssignal ermittelt, ob an dem mindestens einen ausgewählten Biosensor-Feld Sensorereignisse erfolgt sind und/oder in welcher Quantität an dem mindestens einen ausgewählten Biosensor-Feld Sensorereignisse erfolgt sind.
Sind beispielsweise die Biosensor-Felder als Redox-Recycling-Biosensor-Felder ausgestaltet, und ist als erstes Ansteuersignal eine erste Gleichspannung und als zweites Ansteuersignal eine zweite Gleichspannung mit bezüglich der ersten Gleichspannung inversem Vorzeichen gewählt, so kann ein an einem ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Feld erfolgtes Hybridisierungsereignis dadurch nachgewiesen werden, dass Redox-Recycling-Prozesse an dem ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Feld aufgrund der zwischen den Elektroden dieses Biosensor-Feldes angelegten ausreichend starken Spannung generiert werden. Dies wird mittels Erfassens eines elektrischen Stroms auf einer der Signalleitungen oder auf beiden Signalleitungen erfasst, wobei der Wert und die Zeitabhängigkeit des Stroms Information darüber liefert, ob an dem ausgewählten Biosensor-Feld ein Sensorereignis erfolgt ist bzw. in welcher Menge dort Sensorereignisse erfolgt sind. Dadurch kann ermittelt werden, ob in einem zu untersuchenden Analyten zu erfassende Partikel enthalten sind, und ggf. in welcher Konzentration die zu erfassenden Partikel in dem Analyten enthalten sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Interdigitalelektroden-Anordnung gemäß dem Stand der Technik,
2 ein Sensor-Array gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3A bis 3C Querschnitts-Ansichten eines Redox-Recycling-Biosensor-Felds des in 2 gezeigten Biosensor-Arrays in unterschiedlichen Betriebszuständen,
4 ein Biosensor-Array gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 ein Biosensor-Array gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 ein Biosensor-Array gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
7 ein Biosensor-Array gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung,
8 ein Biosensor-Array gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
9 ein Biosensor-Array gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
10 ein Biosensor-Array gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
11 eine schematische Draufsicht eines Kreuzungsbereichs von drei Signalleitungen gemäß dem in 10 gezeigten Biosensor-Array.
In unterschiedlichen Ausführungsbeispielen sind gleiche Komponenten mit gleichen Bezugsziffern versehen.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 2 ein Redox-Recycling-Biosensor-Array 200 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Das Redox-Recycling-Biosensor-Array 200 weist ein Silizium-Substrat 201 und vier matrixförmig auf dem Silizium-Substrat 201 angeordnete Redox-Recycling-Biosensor-Felder 202 auf, von denen jedes einen ersten Anschluss 203 und einen zweiten Anschluss 204 aufweist. Ferner sind zwei erste Signalleitungen 205 und zwei zweite Signalleitungen 206 vorgesehen, wobei die ersten Signalleitungen 205 von den zweiten Signalleitungen 206 elektrisch isoliert sind. Jeweils der erste Anschluss 203 eines jeden Redox-Recycling-Biosensor-Felds 202 ist mit genau einer der mindestens einen ersten Signalleitung 205 gekoppelt und der zweite Anschluss 204 eines jeden Redox-Recycling-Biosensor-Felds 202 ist mit genau einer der mindestens einen zweiten Signalleitung 206 gekoppelt. Wie in 2 gezeigt, ist jede der ersten Signalleitungen 205 mit zwei der Redox-Recycling-Biosensor-Felder 202 gekoppelt, und es ist jede zweite Signalleitung 206 mit ebenfalls zwei der Redox-Recycling-Biosensor-Felder 202 gekoppelt. Ferner ist eine erste Ansteuereinheit 207 zum Bereitstellen eines ersten elektrischen Ansteuersignals und eine zweite Ansteuereinheit 208 zum Bereitstellen eines zweiten elektrischen Ansteuersignals vorgesehen. Darüber hinaus ist eine mit der ersten Ansteuereinheit 207 gekoppelte erste Detektionseinheit 209 und eine mit der zweiten Ansteuereinheit 208 gekoppelte zweite Detektionseinheit 210 bereitgestellt, die derart eingerichtet sind, dass sie ein aus dem ersten und dem zweiten Ansteuersignal resultierendes erstes und zweites elektrisches Detektionssignal eines ausgewählten Biosensor-Felds erfassen. Ferner ist eine Auswahleinheit 211 bereitgestellt, die derart eingerichtet ist, dass sie die erste Ansteuereinheit 207 mit der ersten Signalleitung 205 eines auszuwählenden Redox-Recycling-Biosensor-Felds 202a und die zweite Ansteuereinheit 208 mit der zweiten Signalleitung 206 des auszuwählenden Redox-Recycling-Biosensor-Felds 202a koppelt, womit das Redox-Recycling-Biosensor-Feld 202a ausgewählt wird. Mittels der Auswahleinheit 211, die in 2 schematisch durch eine erste Schalteinrichtung 211a und eine zweite Schalteinrichtung 211b symbolisiert ist, wird gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel jeweils genau eines der Redox-Recycling-Biosensor-Felder 202 ausgewählt. Hierfür wird mittels der Auswahleinheit 211 das auszuwählende Biosensor-Feld, gemäß dem in 2 gezeigten Szenario das Redox-Recycling-Biosensor-Felds 202a, mit der ersten Ansteuereinheit 207 und mit der zweiten Ansteuereinheit 208 derart gekoppelt, dass an das ausgewählte Redox-Recycling-Biosensor-Feld 202a mittels der ersten Ansteuereinheit 207 ein erstes elektrisches Ansteuersignal angelegt wird, und dass an das ausgewählte Redox-Recycling-Biosensor-Feld 202a mittels der zweiten Ansteuereinheit ein zweites Ansteuersignal angelegt wird. Die erste Schalteinrichtung 211a weist für jede erste Signalleitung 205 einen zugehörigen Schalter auf, der zwischen zwei Stellungen geschaltet werden kann, wobei gemäß einer ersten Schalterstellung die zugehörige erste Signalleitung mit der ersten Ansteuereinheit 209 gekoppelt ist, und wobei gemäß einer zweiten Schalterstellung die jeweilige erste Signalleitung 205 auf elektrischem Massepotential 212 liegt. Analog weist die zweite Schalteinrichtung 211b für jede zweite Zeilenleitung 206 einen Schalter auf, der in einer von zwei möglichen Schalterstellungen vorliegen kann. Gemäß einer ersten Schalterstellung ist die zugehörige zweite Signalleitung 206 mit der zweiten Ansteuereinheit 208 gekoppelt, gemäß einer zweiten Schalterstellung liegt die jeweilige zweite Signalleitung 206 auf elektrischem Massepotential 212. Gemäß dem in 2 gezeigten Szenario ist nur das gemäß 2 linke untere Redox-Recycling-Biosensor-Feld 202 ausgewählt, da gemäß den Schalterstellungen von 2 nur dieses Sensor-Feld an dem ersten Anschluss 203 mit der ersten Ansteuereinheit 207 und an dem zweiten Anschluss 204 mit der zweiten Ansteuereinheit 208 gekoppelt ist. Mittels der ersten Ansteuereinheit 207 wird an den ersten Anschluss 203 des ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Felds 202a eine positive elektrische Spannung angelegt, und mittels der zweiten Ansteuereinheit 208 wird an den zweiten Anschluss 204 des ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Felds 202a eine negative elektrische Spannung angelegt. Daher ist die Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen 203, 204 bei dem ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Feld 202a größer als bei den drei nicht ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Feldern 202. Bei letzteren ist jeweils einer der Anschlüsse 203, 204 auf elektrischem Massepotential 212, und der andere Anschluss 204, 203 ist entweder auf dem von der ersten Ansteuereinheit 207 bereitgestellten positiven elektrischen Potential oder auf dem von der zweiten Ansteuereinheit 208 bereitgestellten negativen elektrischen Potential. Daher reicht nur bei dem ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Feld 202a die Potentialdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen 203, 204 aus, um im Falle eines Hybridisierungsereignisses an dem ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Feld 202a elektrochemische Redox-Recycling-Prozesse in ausreichendem Maße zu generieren.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 3A bis 3C die Ausgestaltung eines der Redox-Recycling-Biosensor-Felder 202, 202a am Beispiel des ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Felds 202a beschrieben.
In 3A ist das ausgewählte Redox-Recycling-Biosensor-Feld 202a mit einer ersten Elektrode 300 und einer zweiten Elektrode 301 gezeigt, die in dem Silizium-Substrat 201 integriert sind. Auf der ersten Elektrode 300 ist ein Haltebereich 302 aus Goldmaterial aufgebracht. Der Haltebereich 302 dient zum Immobilisieren von DNA-Sondenmolekülen 303 als Fängermoleküle auf der ersten Elektrode 300. Auf der zweiten Elektrode 301 ist ein solcher Haltebereich nicht vorgesehen.
Sollen mittels des Redox-Recycling-Biosensor-Felds 202a DNA-Stränge 304 mit einer Basensequenz, die komplementär ist zu der Sequenz der immobilisierten DNA-Sondenmoleküle 303, erfasst werden, so wird das Redox-Recycling-Biosensor-Feld 202a mit einer zu untersuchenden Lösung, nämlich einem Elektrolyt 305, in Kontakt gebracht, derart, dass in der zu untersuchenden Lösung 305 möglicherweise enthaltene DNA-Stränge 304 mit einer zu der Sequenz der DNA-Sondenmoleküle 303 komplementären Sequenz mit den DNA-Sondenmolekülen 303 hybridisieren können.
In 3B ist ein Szenario gezeigt, bei dem in der zu untersuchenden Lösung 305 zu erfassende DNA-Stränge 304 enthalten sind, von denen einer mit einem DNA-Sondenmolekül 303 hybridisiert ist. Die DNA-Stränge 304 in der zu untersuchenden Lösung sind mit einem Enzym-Label 306 markiert, mit dem es möglich ist, im Weiteren beschriebene Moleküle in elektrochemisch aktivierte Teilmoleküle zu spalten. Üblicherweise ist eine erheblich größere Anzahl von DNA-Sondenmolekülen 303 bereitgestellt, als zu erfassende DNA-Stränge 304 in der zu untersuchenden Lösung 305 enthalten sind.
Nachdem die in der zu untersuchenden Lösung 305 enthaltene DNA-Stränge 304 samt dem Enzym-Label 306 mit den immobilisierten DNA-Sondenmolekülen 303 hybridisiert sind, erfolgt vorzugsweise eine spezielle Spülung des Redox-Recycling-Biosensor-Felds 202a. Bei dem Spülen können mit Fängermolekülen nicht hybridisierte DNA-Moleküle entfernt werden. Der zum Spülen verwendeten Spüllösung wird eine elektrochemisch inaktive Substanz beigegeben, die Moleküle enthält, die mittels des Enzyms 306 gespalten werden können in zwei Teilmoleküle 308, von denen mindestens eines elektrochemisch aktiv ist und üblicherweise eine elektrische Ladung aufweist.
Die gemäß dem beschriebenen Ausführungsbeispiel negativ geladenen Teilmoleküle 308 werden, wie in 3C gezeigt, zu der positiv geladenen Elektrode 300 gezogen, was mittels eines Pfeils 309 angedeutet ist. Die negativ geladenen Teilmoleküle 308 werden an der ersten Elektrode 300, an die über dem ersten Anschluss 203 mittels der ersten Ansteuereinheit 207 ein positives elektrisches Potential angelegt ist, oxidiert, und werden als oxidierte Teilmoleküle 310 an die negativ geladene zweite Elektrode 301 gezogen, an die über dem zweiten Anschluss 204 mittels der zweiten Ansteuereinheit 208 ein negatives elektrisches Potential angelegt ist. Dort werden sie wiederum reduziert. Die reduzierten Teilmoleküle 311 wandern wiederum zu der positiv geladenen ersten Elektrode 300. Auf diese Weise wird ein elektrischer Kreisstrom generiert, der proportional ist zu der Anzahl der jeweils mittels der Enzyme 306 erzeugten Ladungsträger.
Für die Funktionalität des ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Felds 202a ist essentiell, dass eine der Elektroden 300 ausreichend stark positiv gegenüber einer der anderen Elektrode 301 geladen ist, so dass die Reduktions- und Oxidationsprozesse ablaufen können. Aus diesem Grund sind die nicht ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Felder 202 aus 2 gemäß dem gezeigten Betriebszustand nicht in der Lage, von den Detektionseinheiten 211, 209 detektierbare ausreichend starke Ströme zu generieren, selbst wenn an ihnen ein Sensorereignis erfolgt ist.
Ein Beispiel für ein für das Redox-Recycling geeignetes chemisches System ist die Verwendung einer Salzlösung als Pufferlösung, einer alkalischen Phosphatase als Labelmolekül 306 und von Para-Aminophenolphosphat als elektrochemisch inaktive Substanz 307. Die mittels des Labels generierte, zu oxidierende Subspezies kann Para-Aminophenol sein, die mittels des Labels generierte, zu reduzierende Subspezies kann Chinonimin sein.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 4 ein Biosensor-Array 400 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Bei dem Biosensor-Array 400 ist eine Vielzahl von Redox-Recycling-Biosensor-Feldern 202 matrixförmig auf einem Silizium-Substrat 201 angeordnet. Das Biosensor-Array 400 weist n Zeilen und m Spalten von matrixförmig angeordneten Redox-Recycling-Biosensor-Feldern 202 auf. Ferner sind, wie in 4 gezeigt, m erste Signalleitungen 205 und n zweite Signalleitungen 206 vorgesehen, das heißt n + m Signalleitungen. Im Kreuzungsbereich jeweils einer ersten Signalleitung 205 mit jeweils einer zweiten Signalleitung 206 ist jeweils ein als Interdigitalelektroden-Anordnung ausgestaltetes Redox-Recycling-Biosensor-Feld 202 angeordnet. Dieses enthält zwei fingerförmig ineinandergreifende Interdigitalelektroden 401, 402, die ähnlich ausgestaltet sind wie die in 1 gezeigten Interdigitalelektroden 102, 103.
Die erste Ansteuereinheit 207 weist eine erste Gleichspannungsquelle Vg 403 und einen weiteren Anschluss auf, an dem ein elektrisches Massepotential 212 bereitgestellt ist. Die erste Schalteinrichtung 211a weist m erste Schalter 404 auf, von denen jeder mit einer der ersten Signalleitungen 205 gekoppelt ist. Eine Spalte von Redox-Recycling-Biosensor-Feldern wird ausgewählt, indem die Redox-Recycling-Biosensor-Felder der Spalte mit der ersten Gleichspannungsquelle Vg 403 gekoppelt werden. Alle anderen Spalten von den Redox-Recycling-Biosensor-Feldern 202 sind aufgrund entsprechend gewählter Schalterstellungen der ersten Schalter 404 mit dem elektrischen Massepotential 212 gekoppelt, wie in 4 gezeigt. Gemäß dem in 4 gezeigten Szenario sind nur die Redox-Recycling-Biosensor-Felder 202 in der zweiten Spalte von links mit der ersten Gleichspannungsquelle Vg 403 gekoppelt.
Eine Zeile von Redox-Recycling-Biosensor-Feldern 202 wird ausgewählt, indem die auszuwählende Zeile, gemäß dem in 4 gezeigten Szenario die zweite Zeile von oben, mit einer zweiten Gleichspannungsquelle Vc 405 der zweiten Ansteuereinheit 208 gekoppelt wird. Dies erfolgt mittels geeigneter Wahl der Schalterstellungen von zweiten Schaltern 406 der zweiten Schalteinrichtung 211b. Ferner enthält die zweite Ansteuereinheit einen Anschluss, der das elektrische Massepotential 212 bereitstellt.
Die erste Detektionseinheit ist als eine erste Stromerfasseinheit Ig 407 zum Erfassen eines elektrischen Stroms einer ausgewählten Spaltenleitung 205 realisiert, und die zweite Detektionseinheit ist als eine zweite Stromerfasseinheit Ic 408 realisiert, mittels der ein auf einer ausgewählten Zeile fließender elektrischer Strom erfasst werden kann.
Ferner weist das Biosensor-Array 400 eine Potentiostat-Einrichtung auf. Dies ist aufgebaut aus einer Referenzelektrode 409 auf dem Substrat 201, einer Gegenelektrode 410 auf dem Substrat 201 und einem Operationsverstärker 411, der außerhalb des Chips ("Off-Chip") angeordnet ist. Ein nicht invertierender Eingang 411a des Operationsverstärkers 411 ist auf einem elektrischen Massepotential 212. Ein invertierender Eingang 411b des Operationsverstärkers 411 ist mit der Gegenelektrode 410 gekoppelt. Gemeinsam bilden diese Komponenten eine Potentiostat-Schaltung. Diese kann vorteilhaft genutzt werden, um einem Analyten, der in das Biosensor-Array 400 eingebracht ist, ein stabiles elektrochemisches Potential niederohmig zuzuweisen. Diese Konfiguration mit einer Potentiostat-Einrichtung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Biosensor-Felder als Redox-Recycling-Biosensor-Felder eingerichtet sind.
Bei dem Biosensor-Array 400 sind die ersten Ansteuerleitungen 205 und die zweiten Ansteuerleitungen 206 in unterschiedlichen Ebenen ausgebildet, so dass elektrisch isolierte Leitungskreuzungen ermöglicht sind. Alle m Spalten können wahlweise mit der ersten Gleichspannungsquelle Vg 403 oder mit elektrischem Massepotential 212 gekoppelt werden. Alle n Zeilen können wahlweise mit der zweiten Gleichspannungsquelle Vc 405 oder mit dem elektrischem Massepotential 212 gekoppelt werden. Mittels der Stromerfassinstrumente Ig 407 und Ic 408 können die elektrischen Ströme, die durch die assoziierten Gleichspannungsquellen 403, 405 fließen, gemessen werden. In der angegebenen Konfiguration können also Generator- und Kollektorstrom charakterisiert werden. Da diese Ströme näherungsweise vom Betrag her gleich groß sind, kann optional auch nur einer der Ströme gemessen werden. Das Erfassen eines Stroms ist ausreichend und stellt eine Realisierung mit einem minimalen Aufwand dar. Das Erfassen beider Ströme ermöglicht ein redundantes Erfassen eines Sensorereignisses und daher eine erhöhte Nachweisempfindlichkeit und Fehlerrobustheit.
Für den Auslesebetrieb wird an genau eine Spalte die positive Spannung Vg und an genau eine Zeile die negative Spannung Vc angelegt. An allen anderen Zeilen und Spalten liegt das elektrische Massepotential 212. Wie in 4 mit "+" und "–" Zeichen skizziert, liegt nur an dem Redox-Recycling-Biosensor-Feld 202a, der in dem Kreuzungsbereich der ausgewählten Zeile 206 und der ausgewählten Spalte 205 liegt, ein hinreichend großes Potentialgefälle an, um sowohl die Vorgänge der Oxidation als auch der Reduktion zu erlauben. An allen anderen Redox-Recycling-Biosensor-Feldern 202 ist die Spannung an mindestens einer der Anschlüsse 203, 204 betragsmäßig kleiner als der Schwellwert, welcher überschritten werden muss, um beide gewünschte elektrochemische Vorgänge in Gang zu setzen. Gegebenenfalls kann hier an einer der Elektroden 401 oder 402 bei Anlegen der Spannungen ein einmaliger kurzer Stromstoss auftreten, der jedoch rasch abklingt, und nicht wie bei dem ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Feld 202a ein kontinuierlich ansteigender Strom ist. An den meisten der Redox-Recycling-Biosensor-Felder 202 der Matrix liegt an beiden Anschlüssen 203, 204 das elektrische Massepotential 212.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 5 ein Biosensor-Array 500 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Generator- und Kollektorstrom, d.h. Ig und Ic, sind bei Redox-Recycling-Biosensor-Feldern betragsmäßig häufig sehr ähnlich, haben jedoch unterschiedliches Vorzeichen. Somit genügt es im Prinzip, nur einen der beiden Ströme zu messen und auszuwerten. Ein auf dieser Tatsache beruhendes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Biosensor-Arrays ist in 5 gezeigt.
Bei dem Biosensor-Array 500 wird an alle Spaltenleitungen 205 mittels der ersten Gleichspannungsquelle Vg 403 die Spannung Vg angelegt. Ferner wird an alle bis auf eine der Zeilenleitungen 206 die Spannung Vg der ersten Gleichspannungsquelle Vg 403 gelegt. Nur an der gemäß 5 zweiten Zeile von oben ist aufgrund der Schalterstellungen der zweiten Schalter 406 eine Kopplung zwischen der zugehörigen zweiten Signalleitung 206 und der zweiten Gleichspannungsquelle Vc 405 hergestellt. Somit liegt an allen Redox-Recycling-Biosensor-Feldern 202 außer den Redox-Recycling-Biosensor-Feldern 202 in der ausgewählten zweiten Zeile 501 die Potentialdifferenz Null. Für alle Redox-Recycling-Biosensor-Felder 202 der ausgewählten Zeile 501 ist die Anforderung an die angelegten Spannungen für das Auftreten von Oxidations- und Reduktions-Prozessen erfüllt. Das heißt, dass alle Redox-Recycling-Biosensor-Felder der ausgewählten Zeile 501 elektrischen Strom liefern können, sofern an ihnen Sensorereignisse stattfinden. Da jedoch nur der elektrische Strom der gemäß 2 zweiten Spalte von Redox-Recycling-Biosensor-Feldern 202 aufgrund der Schalterstellungen der ersten Schalter 404 gemessen wird, wird gemäß dem in 5 gezeigten Szenario nur der elektrische Strom des ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Felds 202a erfasst. Auf diese Weise kann selektiv mittels Einstellens geeigneter Schalterstellungen 404, 406 jedes der Redox-Recycling-Biosensor-Felder 202 innerhalb der Matrix separat ausgewählt werden.
Alternativ können die Funktionen von Zeilen und Spalten vertauscht werden, ebenso die Rollen von Vg und Vc, das heißt dass dann anstatt des Werts Ig der Wert Ic erfasst wird.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 6 ein Biosensor-Array 600 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Bei dem Biosensor-Array 600 ist für jede erste Signalleitung 205, das heißt für jede Spalte von Redox-Recycling-Biosensor-Feldern 202, eine separate erste Gleichspannungsquelle 601 Vy,i mit i = 1, 2, ..., m sowie eine erste Stromerfasseinrichtung 603 Iy,i mit i = 1, 2, ..., m vorgesehen. Ferner ist für jede zweite Signalleitung 206, das heißt für jede Zeile von Redox-Recycling-Biosensor-Feldern 202, jeweils eine separate zweite Gleichspannungsquelle 602 Vx,j mit j = 1, 2, ..., n und eine separate zweite Stromerfasseinrichtung 604 Ix,j mit j = 1, 2, ..., n vorgesehen. Anschaulich ist jede Spalte und jede Zeile mit einer separaten Spannungsquelle und mit einem separaten Strommessinstrument versehen. Je nach Zuweisung von Spannungen an die gezeigten Spannungsquellen kann mit dieser Konfiguration der Betrieb der Sensor-Anordnung aus 4 bzw. aus 5 erreicht werden. Ein Vorteil bei dem Biosensor-Array 600 besteht darin, dass zeilen- oder spaltenweises paralleles Auslesen möglich ist. Anschaulich ist bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel die Auswahleinheit in der Steuerung der Gleichspannungsquellen 601 bzw. 602 integriert, da jede von den Spannungsquellen wahlweise zu- bzw. abgeschaltet werden kann.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 7 ein Biosensor-Array 700 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Bei dem Biosensor-Array 700 ist jede Spalte von Redox-Recycling-Biosensor-Feldern 202, das heißt jede erste Signalleitung 205, mit einer separaten ersten Gleichspannungsquelle 601 und mit einer separaten ersten Stromerfasseinrichtung 603 gekoppelt. Dagegen ist für die unterschiedlichen Zeilen von Redox-Recycling-Biosensor-Feldern 202 jeweils eine gemeinsame dritte Gleichspannungsquelle Vg 701 und vierte Gleichspannungsquelle Vc 702 bereitgestellt, wobei mittels der zweiten Schalter 406 genau eine Zeile von Redox-Recycling-Biosensor-Feldern mit der vierten Gleichspannungsquelle Vc 702 gekoppelt wird, wohingegen alle anderen Zeilen mit der dritten Gleichspannungsquelle Vg 701 gekoppelt sind. Gemäß dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist nur die ausgewählte Zeile 501 mit der vierten Gleichspannungsquelle Vc 702 gekoppelt. Gemäß dem gezeigten Szenario liefern alle ersten Gleichspannungsquellen 601 das elektrische Potential Vg, so dass nur an den Redox-Recycling-Biosensor-Feldern 202 der ausgewählten Zeile 501 eine ausreichend große Potentialdifferenz anliegt, dass Redox-Recycling-Prozesse in hinreichendem Maße auftreten können. Diese Sensorsignale werden zeilenweise ausgelesen, indem jede der ersten Stromerfasseinrichtungen 603 den elektrischen Strom von genau einem zugeordneten Redox-Recycling-Biosensor-Feld der ausgewählten Zeile 501 detektiert.
Gemäß einem ähnlichen Prinzip kann auch jeweils spaltenweise ausgelesen werden.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 8 ein Biosensor-Array 800 gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Das Biosensor-Array 800 weist einen ersten Schaltungsblock 801 und einen zweiten Schaltungsblock 802 auf, sowie eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 803, die mit den beiden Schaltungsblöcken 801, 802 gekoppelt ist. An der Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle 803 kann ein Sensorsignal bereitgestellt sein, beispielsweise ein elektrisches Ansteuersignal oder ein elektrisches Detektionssignal.
Das Biosensor-Array 800 stellt einen sogenannten "aktiven" Chip dar. Darunter wird ein Halbleiter-Substrat verstanden, in dem monolithisch Schaltkreise integriert sind, die unterschiedliche Funktionen aufweisen können. Insbesondere sind die Komponenten Spannungsquellen 403 bzw. 601, Stromerfasseinheiten 407 bzw. 603, Operationsverstärker 411 und Teile der Auswahleinheit 211 in dem ersten Schaltungsblock 801 integriert, und es sind andere Komponenten wie die zweiten Spannungsquellen 405 bzw. 602, Stromerfasseinrichtungen 408 bzw. 604, andere Teile der Auswahleinheit 211, etc. in dem zweiten Schaltungsblock 802 integriert. Ferner sind weitere Komponenten für die Signalvorverarbeitung und die Signalweiterverarbeitung in den Schaltungsblöcken 801, 802 "On-Chip" realisiert. Darüber hinaus weist der Chip des Biosensor-Arrays 800 eine definierte, gemäß den Bedürfnissen der jeweiligen Anwendung konfigurierte (z.B. digitale) Schnittstelle 803 (I/O) auf.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Architektur auf aktiven Chips kann beispielsweise von Vorteil sein, wenn eine große Anzahl relativ kleinflächiger Interdigitalstrukturen verwendet wird, deren Fläche es nicht mehr erlaubt, unterhalb eines jeden Sensors eine aktive Schaltung zum Steuern des jeweiligen Sensors zu realisieren. Ferner ergeben sich besondere Vorteile, wenn die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der "On-Chip" realisierten Schaltungen sehr groß ist. Letzteres gilt insbesondere dann, wenn die Fläche eines Sensor-Elements maßgeblichen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit (beispielsweise das Rauschen) hat.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 9 ein Biosensor-Array 900 gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Das Biosensor-Array 900 ist eine Anordnung von Redox-Recycling-Biosensor-Feldern 202, die als Dreiecks-Matrix mit drei Verdrahtungsrichtungen vorgesehen sind. Ferner ist eine gemeinsame erste Gleichspannungsquelle 403 Vg als erste Ansteuereinheit und eine gemeinsame erste Stromerfasseinrichtung 407 Ig als erste Detektionseinheit vorgesehen. Darüber hinaus ist eine zweite Gleichspannungsquelle 405 Vc und eine damit gekoppelte zweite Stromerfasseinheit 408 Ic als zweite Detektionseinheit vorgesehen. Die Auswahleinheit 211 ist mittels einer Vielzahl von Schaltern 901 mit steuerbaren Schalterstellungen symbolisiert. Die Schalterstellungen sind mittels der Auswahleinheit 211 steuerbar. Ferner sind in 9 erste Leitungen 902, zweite Leitungen 903 und dritte Leitungen 904 derart verlaufend angeordnet, dass in (voneinander elektrisch isolierten) Kreuzungsbereichen der Leitungen 902 bis 904 sich diese in 60°-Winkeln überkreuzen. Insbesondere ist in 9 ein ausgewähltes Redox-Recycling-Biosensor-Feld 202a gezeigt, das infolge der in 9 gezeigten Schalterstellungen der Schalter 901 ausgewählt ist. Ein erster Schalter 901a ist in einer derartigen Schalterstellung, dass der erste Anschluss 203 des ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Feldes 202a mit der ersten Gleichspannungsquelle 403 Vg und mit der ersten Stromerfasseinrichtung 407 Ig gekoppelt ist. Ferner ist ein zweiter Schalter 901b in einer derartigen Schalterstellung, dass der zweite Anschluss 204 des ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Felds 202a mit der zweiten Gleichspannungsquelle Vc 405 und mit der zweiten Stromerfasseinheit 408 Ic gekoppelt ist. Die Schalterstellungen aller anderen Schalter 901 sind in einer derartigen Stellung, dass die an diesen Schalter 901 angrenzenden ersten, zweiten bzw. dritten Signalleitungen 902 bis 904 auf elektrischem Massepotential 212 sind. Mit anderen Worten ist gemäß dem in 9 gezeigten Szenario das ausgewählte Redox-Recycling-Biosensor-Feld 202a das einzige der Redox-Recycling-Biosensor-Felder 202, das sowohl mit der Gleichspannungsquelle 403 Vg, als auch mit der Gleichspannungsquelle 405 Vc gekoppelt ist. Gemäß dem in 9 gezeigten Szenario fungiert die an das ausgewählte Redox-Recycling-Biosensor-Feld 202a angeschlossene erste Leitung 902 als zweite Signalleitung 206, wohingegen die an das ausgewählte Redox-Recycling-Biosensor-Feld 202a angeschlossene zweite Leitung 903 als erste Signalleitung 205 fungiert. Jeder der Schalter 901 weist drei Schalterstellungen auf, so dass die jeweils zugehörigen Leitungen 902 bis 904 wahlweise mit dem elektrischen Massepotential 212, der Gleichspannungsquelle Vg 403 oder der Gleichspannungsquelle Vc 405 gekoppelt werden können. Dadurch ist eine unabhängige Messung auf jeder Position des Sensor-Arrays 900 möglich. Die Konfiguration von 9 entspricht der Konfiguration von 4, jedoch in einer Architektur mit einer Dreiecksmatrix.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 10 ein Biosensor-Array 1000 gemäß einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Das Biosensor-Array 1000 entspricht der Konfiguration von 5, ist jedoch in einer Architektur mit einer Dreiecks-Matrix-förmigen Anordnung der Redox-Recycling-Biosensor-Felder 202 ausgeführt. Gemäß dem in 10 dargestellten Szenario ist der erste Schalter 901a in einer derartigen Schalterstellung, dass die zugehörige zweite Leitung 903 mit der Stromerfasseinheit 407 Ig gekoppelt ist. Ferner ist der zweite Schalter 901b in einer derartigen Stellung, dass die zugehörige erste Leitung 902 als einzige mit der zweiten Gleichspannungsquelle Vc 405 gekoppelt ist. Alle anderen Schalter der Schalter 901 sind in einer solchen Stellung, dass die zugehörigen Leitungen 902 bis 904 mit der ersten Spannungsquelle 403 Vg gekoppelt sind. Dadurch wird zwischen die Anschlüsse 203, 204 des ausgewählten Redox-Recycling-Biosensor-Felds 202a die Potentialdifferenz Vg – Vc angelegt, und es wird der auf der ersten Signalleitung 205 fließende Strom mittels der ersten Stromerfasseinheit 407 erfasst.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 11 beschrieben, wie ein Kreuzungsbereich 1001 zwischen einer der ersten Leitungen 902, einer der zweiten Leitungen 903 und einer der dritten Leitungen 904 unter Verwendung von nur zwei Verdrahtungsebenen realisiert sein kann.
In 11 ist eine erste Metallisierungsebene 1100 und ist eine zweite Metallisierungsebene 1101 in Draufsicht gezeigt. Die erste Metallisierungsebene 1100 ist in einer Richtung senkrecht zu der Papierebene von 11 gegenüber der zweiten Metallisierungsebene 1101 verschoben, das heißt, die Papierebene von 11 ist parallel zu der Oberfläche des Biosensor-Arrays 900. In dem Kreuzungsbereich 1101 treffen sich eine der ersten Leitungen 902, die vollständig in der ersten Metallisierungsebene 1100 vorgesehen ist, eine der zweiten Signalleitungen 903, die vollständig in der zweiten Metallisierungsebene 1101 vorgesehen ist, und eine der dritten Leitungen 904, die, wie in 11 gezeigt, zum Teil in der ersten Metallisierungsebene 1100 und zu einem anderen Teil in der zweiten Metallisierungsebene 1101 vorgesehen ist. Um in dem Kreuzungsbereich 1001 eine elektrische Isolation der Signalleitungen 902 bis 904 voneinander zu ermöglichen, ist die dritte Leitung 904 in 11 in einen ersten Abschnitt 904a, in einem zweiten Abschnitt 904b und in einen dritten Abschnitt 904c aufgeteilt. Der erste Abschnitt 904a und der dritte Abschnitt 904c verlaufen in der zweiten Metallisierungsebene 1101, wohingegen der zweite Abschnitt 904b in der ersten Metallisierungsebene 1100 verläuft. Mittels vertikaler Kontaktierungselemente 1102, die senkrecht zu der Papierebene von 11 verlaufend angeordnet sind, ist der erste Abschnitt 904a mit dem zweiten Abschnitt 904b bzw. der zweite Abschnitt 904b mit dem dritten Abschnitt 904c der dritten Leitung 904 gekoppelt. Dadurch ist es unter Verwendung von nur zwei Metallisierungsebenen ermöglicht, dass drei Leitungen 902 bis 904 einander überkreuzen, ohne dass die elektrische Isolation unterbrochen wird.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass eine matrixförmige Anordnung mit drei (oder mehr) Verdrahtungsrichtungen nicht notwendigerweise mit drei (oder mehr) unabhängigen Verdrahtungsebenen realisiert sein muss. Zwei Verdrahtungsebenen sind in jedem Fall hinreichend, wie in 11 schematisch gezeigt.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:

[1] R. Hintsche et al, "Microelectrode arrays and application to biosensing devices", Biosensors & Bioelectronics, p. 697–705, 1994
[2] R. Hintsche et al., "Microbiosensors using electrodes made in Si-technology" in "Frontiers in Biosensorics I", F. Scheller et al. ed., Birkhäuser, Basel, Switzerland, 1997
[3] M. Paeschke et al, "Highly sensitive electrochemical microsensors using submicrometer electrode arrays", Sensors and Actuators B, p. 394–397, 1995
[4] WO 00/62048
[5] R. Thewes et al., "Sensor Arrays for Fully Electronic DNA Detection on CMOS", Proc. Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC), p. 350, 2002

100: Redox-Recycling-Biosensor
101: Substrat
102: erste Interdigitalelektrode
103: zweite Interdigitalelektrode
104: Referenzelektrode
105: Gegenelektrode
106: Differenzverstärker
106a: nicht-invertierender Eingang
106b: invertierender Eingang
106c: Ausgang
107: Massepotential
108: erste Gleichspannungsquelle
109: zweite Gleichspannungsquelle
110: erstes Amperemeter
111: zweites Amperemeter
200: Redox-Recycling-Biosensor-Array
201: Silizium-Substrat
202: Redox-Recycling-Biosensor-Felder
202a: ausgewähltes Redox-Recycling-Biosensor-Felder
203: erster Anschluss
204: zweiter Anschluss
205: erste Signalleitung
206: zweite Signalleitung
207: erste Ansteuereinheit
208: zweite Ansteuereinheit
209: erste Detektionseinheit
210: zweite Detektionseinheit
211: Auswahleinheit
211a: erste Schalteinrichtung
211b: zweite Schalteinrichtung
212: Massepotential
300: erste Elektrode
301: zweite Elektrode
302: Haltebereich
303: DNA-Sondenmoleküle
304: DNA-Stränge
305: Elektrolyt
306: Enzym-Label
307: Moleküle
308: Teilmoleküle
309: Pfeil
310: oxidierte Teilmoleküle
311: reduzierte Teilmoleküle
400: Biosensor-Array
401: erste Interdigitalelektrode
402: zweite Interdigitalelektrode
403: erste Gleichspannungsquelle
404: erste Schalter
405: zweite Gleichspannungsquelle
406: zweite Schalter
407: erste Stromerfasseinheit
408: zweite Stromerfasseinheit
409: Referenzelektrode
410: Gegenelektrode
411: Operationsverstärker
411a: nicht-invertierender Eingang
411b: invertierender Eingang
411c: Ausgang
500: Biosensor-Array
501: ausgewählte Zeile
600: Biosensor-Array
601: erste Gleichspannungsquellen
602: zweite Gleichspannungsquellen
603: erste Stromerfasseinrichtungen
604: zweite Stromerfasseinrichtungen
700: Biosensor-Array
701: dritte Gleichspannungsquelle
702: vierte Gleichspannungsquelle
800: Sensor-Array
801: erster Schaltungsblock
802: zweiter Schaltungsblock
803: Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle
900: Biosensor-Array
901: Schalter
901a: erster Schalter
901b: zweiter Schalter
902: erste Leitungen
903: zweite Leitungen
904: dritte Leitungen
904a: erster Abschnitt
904b: zweiter Abschnitt
904c: dritter Abschnitt
1000: Biosensor-Array
1001: Kreuzungsbereich
1100: erste Metallisierungsebene
1101: zweite Metallisierungsebene
1102: Kontaktierungselemente

Claims

Biosensor-Array – mit einem Substrat; – mit einer Mehrzahl von auf dem Substrat angeordneten Biosensor-Feldern, von denen jedes einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist; – mit mindestens einer ersten Signalleitung und mit mindestens einer zweiten Signalleitung, wobei – die mindestens eine erste Signalleitung von der mindestens einen zweiten Signalleitung elektrisch isoliert ist; – jeweils der erste Anschluss eines jeden Biosensor-Felds mit genau einer der mindestens einen ersten Signalleitung gekoppelt ist und der zweite Anschluss eines jeden Biosensor-Felds mit genau einer der mindestens einen zweiten Signalleitung gekoppelt ist; – zumindest eine der mindestens einen ersten Signalleitung und zumindest eine der mindestens einen zweiten Signalleitung mit zumindest zwei der Biosensor-Felder gekoppelt ist; – mit einer ersten Ansteuereinheit zum Bereitstellen eines ersten elektrischen Ansteuersignals und mit einer zweiten Ansteuereinheit zum Bereitstellen eines zweiten elektrischen Ansteuersignals, – mit einer mit der ersten Ansteuereinheit gekoppelten ersten Detektionseinheit und/oder mit einer mit der zweiten Ansteuereinheit gekoppelten zweiten Detektionseinheit, die derart eingerichtet ist oder sind, dass sie ein aus dem ersten und dem zweiten elektrischen Ansteuersignal resultierendes erstes und/oder zweites elektrisches Detektionssignal eines ausgewählten Biosensor-Felds erfasst oder erfassen; – mit einer Auswahleinheit, die derart eingerichtet ist, dass sie die erste Ansteuereinheit mit der ersten Signalleitung eines auszuwählenden Biosensor-Felds und die zweite Ansteuereinheit mit der zweiten Signalleitung des auszuwählenden Biosensor-Felds koppelt, womit das Biosensor-Feld ausgewählt wird.
Biosensor-Array nach Anspruch 1, mit einer Auswerteeinheit, die derart eingerichtet ist, dass sie für das mindestens eine ausgewählte Biosensor-Feld basierend auf dem ersten und/oder dem zweiten Detektionssignal ermittelt, ob an dem mindestens einen ausgewählten Biosensor-Feld Sensorereignisse erfolgt sind und/oder in welcher Quantität an dem mindestens einen ausgewählten Biosensor-Feld Sensorereignisse erfolgt sind.
Biosensor-Array nach Anspruch 1 oder 2, bei dem mindestens eines der Biosensor-Felder ein elektrochemisches Biosensor-Feld ist.
Biosensor-Array nach Anspruch 3, bei dem zumindest eines der Biosensor-Felder ein Redox-Recycling-Biosensor-Feld ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Biosensor-Feld eine erste und eine zweite Elektrode aufweist, wobei die erste Elektrode mit dem ersten Anschluss und wobei die zweite Elektrode mit dem zweiten Anschluss des Biosensor-Felds gekoppelt ist.
Biosensor-Array nach Anspruch 5, bei dem die erste und die zweite Elektrode Interdigitalelektroden sind.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Biosensor-Felder zu einer Mehrzahl von Biosensor-Gruppen gruppiert sind derart, dass jede Biosensor-Gruppe wahlweise separat von den anderen Biosensor-Gruppen oder gemeinsam mit zumindest einem Teil der anderen Biosensor-Gruppen betreibbar ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Substrat – ein Keramik-Substrat; – ein Halbleiter-Substrat; – ein Glas-Substrat; oder – ein Plastik-Substrat ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das erste und das zweite elektrische Ansteuersignal elektrische Gleichspannungssignale mit unterschiedlichem Vorzeichen sind und bei dem das erste und/oder zweite elektrische Detektionssignal ein elektrischer Strom ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem die Werte des ersten und des zweiten elektrischen Ansteuersignals derart eingestellt sind, dass infolge eines an einem Biosensor-Feld erfolgten Sensorereignisses im Wesentlichen nur dann ein signifikantes erstes und/oder zweites Detektionssignal generiert wird, wenn der erste Anschluss des Biosensor-Felds mit der ersten Ansteuereinheit und der zweite Anschluss des Biosensor-Felds mit der zweiten Ansteuereinheit gekoppelt ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei dem in dem Substrat – ein Analog-Digital-Wandler-Schaltkreis integriert ist, der derart eingerichtet ist, dass er ein analoges elektrisches Signal in ein digitales Signal umwandeln und der Auswerteeinheit bereitstellen kann; und/oder – eine elektrische Versorgungseinheit integriert ist, die derart eingerichtet ist, dass sie der ersten und/oder der zweiten Ansteuereinheit und/oder der Auswahleinheit elektrische Spannungssignale und/oder elektrische Stromsignale bereitstellen kann; und/oder – ein Digital-Analog-Wandler-Schaltkreis integriert ist, der derart eingerichtet ist, dass er ein digitales Signal der Versorgungseinheit in ein analoges Signal umwandeln und der Ansteuereinheit und/oder der Auswahleinheit bereitstellen kann; und/oder – eine Eingabe-/Ausgabe-Schnittstelle integriert ist; und/oder – eine Verstärkereinheit, eingerichtet zum Verstärken des ersten und/oder des zweiten elektrischen Detektionssignals, integriert ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die mindestens eine erste Signalleitung und die mindestens eine zweite Signalleitung zumindest teilweise in zwei unterschiedlichen Leitungsebenen in und/oder auf und/oder unter dem Substrat ausgebildet sind.
Biosensor-Array nach Anspruch 12, bei dem die Biosensor-Felder in genau einer der Leitungsebenen ausgebildet sind.
Biosensor-Array nach Anspruch 12 oder 13, bei dem in einem ersten Leitungsabschnitt, in dem die mindestens eine erste Signalleitung und die mindestens eine zweite Signalleitung von einer gegenseitigen Kreuzung frei sind, die mindestens eine erste Signalleitung und die mindestens eine zweite Signalleitung in derselben Ebene verlaufend ausgebildet sind, und bei dem in einem zweiten Leitungsabschnitt, in dem die mindestens eine erste Signalleitung und die mindestens eine zweite Signalleitung sich gegenseitig kreuzen, die mindestens eine erste Signalleitung und die mindestens eine zweite Signalleitung in unterschiedlichen Ebenen verlaufend ausgebildet sind.
Biosensor-Array nach Anspruch 14, bei dem der erste Leitungsabschnitt der mindestens einen ersten Signalleitung und/oder der mindestens einen zweiten Signalleitung mit dem zweiten Leitungsabschnitt der mindestens einen ersten Signalleitung und/oder der mindestens einen zweiten Signalleitung mittels mindestens einem im Wesentlichen vertikal zu dem Substrat verlaufend angeordneten elektrischen Kontaktierungselement gekoppelt sind.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem die mindestens eine erste Signalleitung und/oder die mindestens eine zweite Signalleitung auf einer Unterseite des Substrats oder unterhalb des Substrats verlaufend ausgebildet ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die erste Ansteuereinheit eine für alle Biosensor-Felder gemeinsame erste Versorgungseinheit und/oder die zweite Ansteuereinheit eine für alle Biosensor-Felder gemeinsame zweite Versorgungseinheit aufweist, wobei die erste Versorgungseinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an das zumindest eine ausgewählte Biosensor-Feld das erste elektrische Ansteuersignal anlegbar ist, und/oder wobei die zweite Versorgungseinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an das zumindest eine ausgewählte Biosensor-Feld das zweite elektrische Ansteuersignal anlegbar ist.
Biosensor-Array nach Anspruch 17, bei dem die erste und zweite Ansteuereinheit derart eingerichtet sind, dass an zumindest einen Teil der nicht ausgewählten Biosensor-Felder ein elektrisches Referenzsignal anlegbar ist, dessen Wert im Wesentlichen der Mittelwert aus dem ersten und aus dem zweiten Ansteuersignal ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem die erste Ansteuereinheit für jeweils eine erste Gruppe von Biosensor-Feldern eine der jeweiligen Gruppe zugehörige erste Versorgungseinheit aufweist, welche erste Versorgungseinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an die Biosensor-Felder der zugehörigen ersten Gruppe das erste elektrische Ansteuersignal anlegbar ist, und/oder bei dem die zweite Ansteuereinheit für jeweils eine zweite Gruppe von Biosensor-Feldern eine der jeweiligen Gruppe zugehörige zweite Versorgungseinheit aufweist, welche zweite Versorgungseinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an die Biosensor-Felder der zugehörigen zweiten Gruppe das zweite elektrische Ansteuersignal anlegbar ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 19, bei dem die erste Detektionseinheit eine für alle Biosensor-Felder gemeinsame erste Messeinheit aufweist, welche erste Messeinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an genau einem ausgewählten Biosensor-Feld das elektrische erste Detektionssignal erfassbar ist und/oder bei dem die zweite Detektionseinheit eine für alle Biosensor-Felder gemeinsame zweite Messeinheit aufweist, welche zweite Messeinheit derart eingerichtet ist, dass mit ihr an genau einem ausgewählten Biosensor-Feld das elektrische zweite Detektionssignal erfassbar ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 20, bei dem die erste Detektionseinheit für jeweils eine dritte Gruppe von Biosensor-Feldern eine der jeweiligen dritten Gruppe zugehörige erste Messeinheit aufweist, wobei jede der ersten Messeinheiten derart eingerichtet ist, dass mit ihr an genau einem ausgewählten Biosensor-Feld der zugehörigen dritten Gruppe das elektrische erste Detektionssignal erfassbar ist und/oder bei dem die zweite Detektionseinheit für jeweils eine vierte Gruppe von Biosensor-Feldern eine der jeweiligen vierten Gruppe zugehörige zweite Messeinheit aufweist, wobei jede der zweiten Messeinheiten derart eingerichtet ist, dass mit ihr an genau einem ausgewählten Biosensor-Feld der zugehörigen vierten Gruppe das elektrische zweite Detektionssignal erfassbar ist.
Biosensor-Array nach einem der Ansprüche 1 bis 21, mit einer Potentiostat-Einrichtung, die derart eingerichtet ist, dass mit ihr einem in zumindest einen Teil der Biosensor-Felder eingebrachten Elektrolyten ein konstantes elektrisches Potential vorgebbar ist.
Biosensor-Array nach Anspruch 22, bei dem die Potentiostat-Einrichtung eine Referenzelektrode, eine Gegenelektrode und einen Operationsverstärker aufweist, wobei ein erster Eingang des Operationsverstärkers mit der Referenzelektrode, ein zweiter Eingang des Operationsverstärkers mit einem Referenzpotential und ein Ausgang des Operationsverstärkers mit der Gegenelektrode gekoppelt ist.
Verfahren zum Betreiben eines Biosensor-Arrays – mit einem Biosensor-Array – mit einem Substrat; – mit einer Mehrzahl von auf dem Substrat angeordneten Biosensor-Feldern, von denen jedes einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist; – mit mindestens einer ersten Signalleitung und mit mindestens einer zweiten Signalleitung, wobei – die mindestens eine erste Signalleitung von der mindestens einen zweiten Signalleitung elektrisch isoliert ist; – jeweils der erste Anschluss eines jeden Biosensor-Felds mit genau einer der mindestens einen ersten Signalleitung gekoppelt ist und der zweite Anschluss eines jeden Biosensor-Felds mit genau einer der mindestens einen zweiten Signalleitung gekoppelt ist; – zumindest eine der mindestens einen ersten Signalleitung und zumindest eine der mindestens einen zweiten Signalleitung mit zumindest zwei der Biosensor-Felder gekoppelt ist; – mit einer ersten Ansteuereinheit zum Bereitstellen eines ersten elektrischen Ansteuersignals und mit einer zweiten Ansteuereinheit zum Bereitstellen eines zweiten elektrischen Ansteuersignals, – mit einer mit der ersten Ansteuereinheit gekoppelten ersten Detektionseinheit und/oder mit einer mit der zweiten Ansteuereinheit gekoppelten zweiten Detektionseinheit, die derart eingerichtet ist oder sind, dass sie ein aus dem ersten und dem zweiten elektrischen Ansteuersignal resultierendes erstes und/oder zweites elektrisches Detektionssignal eines ausgewählten Biosensor-Felds erfasst oder erfassen; – mit einer Auswahleinheit, die derart eingerichtet ist, dass sie die erste Ansteuereinheit mit der ersten Signalleitung eines auszuwählenden Biosensor-Felds und die zweite Ansteuereinheit mit der zweiten Signalleitung des auszuwählenden Biosensor-Felds koppelt, womit das Biosensor-Feld ausgewählt wird; – wobei gemäß dem Verfahren – die erste Ansteuereinheit mit der ersten Signalleitung eines auszuwählenden Biosensor-Felds und die zweite Ansteuereinheit mit der zweiten Signalleitung des auszuwählenden Biosensor-Felds gekoppelt wird, womit das Biosensor-Feld ausgewählt wird; – der ersten Signalleitung des ausgewählten Biosensor-Felds ein erstes elektrisches Ansteuersignal und der zweiten Signalleitung des ausgewählten Biosensor-Felds ein zweites elektrisches Ansteuersignal bereitgestellt wird; – ein aus dem ersten und dem zweiten elektrischen Ansteuersignal resultierendes erstes Detektionssignal an der ersten Signalleitung des ausgewählten Biosensor-Felds und/oder ein aus dem ersten und dem zweiten elektrischen Ansteuersignal resultierendes zweites Detektionssignal an der zweiten Signalleitung des ausgewählten Biosensor- Felds erfasst wird oder werden.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem für das mindestens eine ausgewählte Biosensor-Feld basierend auf dem ersten und/oder dem zweiten Detektionssignal ermittelt wird, ob an dem mindestens einen ausgewählten Biosensor-Feld Sensorereignisse erfolgt sind und/oder in welcher Quantität an dem mindestens einen ausgewählten Biosensor-Feld Sensorereignisse erfolgt sind.