DE10130568A1

DE10130568A1 - Optoelektrisches Analysesystem für die Biotechnologie

Info

Publication number: DE10130568A1
Application number: DE2001130568
Authority: DE
Inventors: Thoralf Gebel; Steffen Howitz
Original assignee: GESIM GmbH; NANOPARC GmbH
Current assignee: Gesim 01454 Grosserkmannsdorf De GmbH; Forschungszentrum Dresden Rossendorf eV
Priority date: 2001-06-27
Filing date: 2001-06-27
Publication date: 2003-01-16
Anticipated expiration: 2021-06-28
Also published as: DE10130568C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Analysesystem für die Biotechnologie und das Verfahren zu dessen Herstellung. Durch das optische System soll eine aufwändige externe Lichteinkopplung vermieden werden, die ortsaufgelöste Anregung von Fluoreszenzreaktionen verbessert werden und durch die Emission von energiereichem Licht Bindungsreaktionen lokal angeregt werden können. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass die Lichtquelle eine durch Ionenstrahlsynthese bei Implantation von Elementen der Gruppe 4 des Periodensystems modifizierte SiO2-Schicht oder durch ein plasmagestütztes Verfahren unter Variation der Stöchiometrie erzeugte SiOx-Schicht enthält, wobei sich nach anschließender thermischer Ausheilung Nanocluster (7) in dieser dielektrischen Schicht (3) bilden, und die derart modifizierte dielektrische Schicht (3) bei elektrischer Anregung über eine Kontaktelektrode (4) und einen Rückkontakt (6) zur Elektrolumineszenz angeregt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Analysesystem für die Biotechnologie und das Verfahren zu dessen Herstellung. Das System soll insbesondere für die Fluoreszenzanalytik in der Biotechnologie eingesetzt werden.
Bioanalytische Systeme gewinnen zunehmende Bedeutung in der Prozesskontrolle bei der Arzneimittelentwicklung und -herstellung, der in-situ Überwachung von Hormonkonzentrationen in Abwässern und in weiteren Anwendungen, die eine schnelle Datenerfassung und -auswertung vor Ort erfordern. Im medizinisch-diagnostischen Bereich besteht ein großer Bedarf an sogenannten point-of-care-testing Verfahren, die eine schnellere und preiswertere Alternative zu konventionellen Laboranalysen darstellen. Gleichzeitig führt die zunehmende Miniaturisierung, insbesondere der Wunsch nach Reduzierung des erforderlichen Probenmaterials, nach Erhöhung der Funktionsdichte auf kleinerem Raum und eines höheren Probendurchsatzes zu einer fortschreitenden Verkleinerung der Messpunkte für optische Analyseverfahren. Das hat aber in der optischen Biosensorik einen vergrößerten apparativen Aufwand in der Detektion zur Folge.
Im Bereich der optischen Bioanalytik ist die Lichtquelle im Hinblick auf die Parallelisierung eines Meßsystems eine begrenzende Größe. Sollen etwa über eine Fläche mehrere Messpunkte gleichmäßig ausgeleuchtet werden, so sind komplizierte Aufweitungs- und Einkoppeloptiken notwendig. Dies führt zu teureren, gegenüber äußeren Störeinflüssen erheblich empfindlicheren Apparaturen. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Abrasterung der einzelnen Messpunkte, was ebenfalls einen erhöhten technischen Aufwand sowie erheblich längere Messdauern nach sich zieht.
Bei der Anwendung von Fluoreszenzmethoden an Nanotiterplatten (NTP)-Systemen kommen beispielsweise sogenannte "Fluoreszenz-Reader" zum Einsatz. Die NTP wird mit einem (aufgeweiteten) Laserstrahl bei 639 nm Wellenlänge in einem 2D- Scanners zeilenweise abgerastert. Anregung und Detektion erfolgen von derselben Seite ("Epi-mode"). Das Fluoreszenzlicht wird (zusammen mit reflektiertem Anregungslicht) über der NTP von einer großen Linse eingesammelt und am dichroitischen Strahlteiler aufgespalten. An dieser Stelle muss darauf hingewiesen werden, dass bei dem verwendeten Aufbau in jedem Bildpunkt jeweils die Gesamtfluoreszenz erfasst wird, die bei der Bestrahlung dieses Punktes entsteht.
Dadurch kann es z. B. zu Verzerrungen der tatsächlichen Fluoreszenzintensität aufgrund von Mehrfachreflexionen in der NTP kommen.
Die Modifikation zum sogenannten bikonfokalen Aufbau würde eine ortsaufgelöste Beobachtung erlauben. Hier wird das Emissionslicht über die Spiegel des 2D-Scanners reflektiert. Eine abbildende Optik lässt das Licht auf eine ortsfeste Lochblende ("pinhole") vor dem Photomultiplier fallen, so dass nur Emissionslicht der beleuchteten Stelle registriert wird. Ein solches System ist aber durch einen sehr komplexen Aufbau gekennzeichnet. Dabei stellen die optischen Aufbauten hohe Anforderungen an die Justage, insbesondere beim Probenhandling, und sind zudem in der Regel nur als stationäre Systeme einsetzbar.
Ein weiteres Problem der Bioanalytik ist die für Analysen erforderliche spezifische Anbindung von bioaktiven Substanzen an funktionalisierte Oberflächen. Zur Realisierung der Ortsauflösung verwendet man dort Methoden des Mikroarraying, in denen durch Plottersysteme Substanzen lokal aufgespottet oder aber aufwendige sequentielle photolithographische Prozessierungen erforderlich werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System vorzuschlagen, mit dem die aufwendige externe Lichteinkopplung vermieden werden kann, die ortsaufgelöste Anregung von Fluoreszenzreaktionen verbessert wird und durch die Emission von energiereichem Licht Bindungsreaktionen lokal angeregt werden können.
Erfindungsgemäß wir die Aufgabe mit den in den Patentansprüchen dargelegten Merkmalen und Methoden der Mikrostrukturtechnik gelöst. Dabei ist wesentlich, dass eine Lichtquelle oder eine Arrayanordnung mehrerer Lichtquellen direkt in einem monolithischen Aufbau integriert sind und das Licht nicht mehr extern eingekoppelt werden muss. Die Verwendung von Lichtemittern auf der Basis von der Elektrolumineszenz aus nanoclusterhaltigen SiO₂ Schichten und die bei deren Herstellung verwendeten Standardverfahren der Silizium-Halbleitertechnologie ermöglichen dabei die Verwendung von hochdichten Arrays bestehend aus einzelnen Elektrolumineszenz Elementen, die durch die einzelne oder gruppierte Ansteuerung eine ortsaufgelöste Anregung der Fluoreszenz ermöglichen.
Dieses System ist leicht parallelisierbar, in den geometrischen Dimensionen deutlich kleiner als bisher verwendete Systeme und zudem kostengünstig in Si-Technologie herstellbar. Der Aufbau in konventioneller Silizium-Technologie ermöglicht die Anwendung photolithographischer Strukturierungsverfahren und damit eine hohe Ortsauflösung, da viele Lichtemitter in der für den jeweiligen Zweck optimalen Größe und Form kostengünstig und mechanisch unempfindlich hergestellt werden können. Große Analyseapparate sind damit ersetzbar, da mit kleinen portablen Geräten Messungen schnell vor Ort ausgeführt werden könnten. Zusätzlich können die Herstellungskosten deutlich gesenkt werden. Durch diese Vorteile ergeben sich Anwendungsmöglichkeiten in der pointof-care Diagnostik, insbesondere beim Einsatz als disposable.
Das beschriebene System eignet sich zur direkten Messung im Durchfluss und kann daher in Mikrosystemen zur Analytik von Flüssigkeiten eingesetzt werden. Weiterhin kann die Anbindung entsprechender bioaktiver Substanzen auf einem derart aufgebauten Emitterarray durch Direktpipettierung mit einem Pipettierroboter oder durch ein konventionelles Verfahren mit lokaler Belegung, Inkubation und anschießenden Reinigungsschritten ausgeführt werden.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Als Lichtquelle werden modifizierte Metall-Oxid-Halbleiter (MOS)-Strukturen verwendet (siehe Abb. 1). In einer Oxidschicht werden dazu gezielt durch Ionenstrahlsynthese Germanium-Nanostrukturen erzeugt, die aufgrund ihrer Eigenschaften elektrisch zur Lichtemission angeregt werden können. Das Spektrum des emittierten Lichtes liegt im violett/blauen Bereich und weist einen Peak bei 390 nm auf.
Die Herstellung der Strukturen erfolgt, indem auf einem Si- Wafer 1 in einer Feldoxidumgebung 2 dünne SiO₂-Schichten 3(50. . .200 nm) durch thermische Trockenoxidation erzeugt werden. Zur Herstellung kann dabei beispielsweise eine LOCOS- Technologie eingesetzt werden. Diese dünnen SiO₂ -Schichten 3 werden mit Ge⁺-Ionen mit Peakkonzentrationen von 1. . .6 at% implantiert und mit einer anschließenden Kurzzeittemperung (1. . .100 s) bei 800. . .1000°C behandelt. Infolge dieser Behandlung bilden sich Nanostrukturen 7 in der implantierten dünnen Oxidschicht 3 aus. Anstelle von Germanium können auch andere Elemente der Gruppe 4 des Periodensystems der Elemente implantiert werden.
Als transparenter Kontakt 4 für die Lichtquelle wird Indium- Zinnoxid (ITO) eingesetzt, wobei die Schichtdicke des Kontakts 50. . .150 nm beträgt. Aufgrund der begrenzten Temperaturstabilität von etwa bis 200°C können anstelle des ITO auch alternative Kontaktmaterialien in Betracht gezogen werden, wie z. B. ultradünne Metallschichten aus Al, oder Au, mit Dicken im Bereich 10-15 nm. Beim Aufbringen von Goldschichten ist ein entsprechender Haftvermittler einzusetzen, z. B. Cr. Die elektrische Kontaktierung der Emitterstrukturen erfolgt an der Oberseite über eine an den transparenten Kontakt 4 angeschlossene Leitbahn 5 und auf der Waferrückseite über die Aluminiumbeschichtung 6. Die Lichtquellen werden durch Anlegen einer Spannung zur Lichtemission angeregt. Die anzulegende Spannung ist dabei abhängig von der Dicke der dünnen Oxidschicht 3 und ist so zu wählen, dass Fowler-Nordheim Tunneln von Elektronen einsetzt, also Feldstärken > 6 MVcm^-1 auftreten. Die Anregung kann dabei auch im Pulsbetrieb erfolgen.
Zum Schutz vor äußeren Einflüssen wird das System durch eine < 1 µm dicke SiO₂-Schicht 8 abgedeckt. Auf die Kontaktschicht 4 des Emitters können entsprechende biosensitive Schichten 9 aufgebracht werden, die für je Spot individuelle Bindungschemie stehen können und so das parallele Suchen nach unterschiedlichen Zielmolekülen im Durchflussmode ermöglichen. Der Kontakt 4 des Lichtemitters im Bereich der Emitterregion kann dabei auch vor dem Aufbringen bioaktiver Schichten 9 durch zusätzliche Beschichtungen oder durch eine Abfolge von lithographischen Prozessschritten in der Oberflächenstruktur so verändert werden, dass spezifische Biomoleküle an der Emitteroberfläche angekoppelt werden können.
Als sensitive Schicht wird z. B. Biotin an die Glasoberfläche der Lichtquelle kovalent immobilisiert. Der Nachweis der Affinitätsbindung erfolgt über fluoreszenzmarkierte Avidinmoleküle. Um eine optimale Fluoreszenzausbeute zu erreichen, ist der Farbstoff auf das Intensitätsprofil der Lichtquelle abzustimmen. Bei der verwendenden Lichtquelle liegt die maximale Intensität bei einer Wellenlänge von ca. 390 nm. Ein möglicher Farbstoff sind die vom Hersteller Molecular Probes vertriebenen Platin Luminescent Microspheres, die bei einer Wellenlänge von 390 nm angeregt werden und bei 650 nm fluoreszieren.
Durch die einfache Anwendung eines Kantenfilters ist die Trennung zwischen Anregungs- und Fluoreszenzwellenlänge möglich. Im Zuge einer integrierten optischen Lösung wird in einem Multischichtaufbau eine entsprechende modifizierte Schicht eingebracht, die die Wellenlängentrennung zwischen einem integrierten Lichtemitter und einem Lichtdetektor bewirkt. Bezugszeichenliste 1 Substrat
2 Feldoxidumgebung
3 dielektrische Schicht (Oxydschicht)
4 transparenter Kontakt
5 Leitbahn
6 Aluminiumbeschichtung
7 Nanocluster

Claims

1. Optoeltronisches Analysesystem für die Biotechnologie, bestehend aus einer Lichtquelle und einer Schicht mit einer funktionalisierten Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels mikrotechnischen Verfahren in einer frei wählbaren Form und Größe auf einem Silizium-Substrat (1) hergestellte Lichtquellen und eine Schicht mit einer funktionalisierten Oberfläche in einem monolithischen Block vereinigt sind.

2. Optoelektronisches Analysesytem für die Biotechnologie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine durch Ionenstrahlsynthese bei Implantation von Elementen der Gruppe 4 des Periodensystems modifizierte SiO2 Schicht oder durch ein plasmagestütztes Verfahren unter Variation der Stöchiometrie erzeugte SiOx Schicht enthält, wobei sich nach anschließender thermischer Ausheilung Nanocluster (7) in dieser dielektrischen Schicht (3) bilden, und die derart modifizierte dielektrische Schicht (3) bei elektrischer Anregung über eine Kontraktelektrode (4) und einen Rückkontakt (6) zur Elektrolumineszenz angeregt wird.

3. Optoelektronisches Analysesytem für die Biotechnologie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Emissionsrichtung liegende Kontaktelektrode (4) der Lichtquelle für das von der Lichtquelle emittierte Licht transparent ist und aus den Materialien Indium- Zinnoxid (ITO) mit der Dicke von 20-150 nm oder Aluminium mit einer Dicke von 10-30 nm oder einem Schichtsystem Chrom/Gold (3-5 nm Cr, 10-20 nm Au) besteht.

4. Optoelektronisches Analysesytem für die Biotechnologie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch intransparente Materialien für die Kontaktelektrode (4) verwendet werden können, indem die Kontaktelektrode (4) dann zusätzlich, mittels lithographischer Strukturierung erzeugte transparente Bereiche (Fenster) innerhalb der Kontraktfläche aufweist.

5. Optoelektronisches Analysesytem für die Biotechnologie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Kontakts (4) des Lichtemitters ohne Störung von deren Lichtdurchlässigkeit und geometrisch auf den Bereich der Emitterregion beschränkt, durch zusätzliche Beschichtungen in der Oberflächenstruktur so verändert wird, dass spezifische Biomoleküle an der Emitteroberfläche angekoppelt werden können.

6. Optoelektronisches Analysesytem für die Biotechnologie nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere strukturierte Lichtquellen mit Abmessungen von 1. . .500 µm als Array angeordnet sind, über jeweils getrennt ansteuerbare Kontaktelektroden (5) verfügen und durch eine elektronische Ansteuerung einzeln oder in Gruppen zur Lichtaussendung aktiviert werden können.

7. Optoelektronisches Analysesytem für die Biotechnologie nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Implantation unterschiedlicher Ionensorten von Elementen der Gruppe 4 des Periodensystems oder die kombinierte Implantation verschiedener Ionensorten der Gruppe 4 des Periodensystems, auf einem Chip unterschiedliche Lichtwellenlängen zur Anregung erzeugt werden können.