DE102004014537A1

DE102004014537A1 - Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102004014537A1
Application number: DE102004014537A
Authority: DE
Inventors: Karl Prof.-Dr. Brunner; Gerhard Prof.-Dr. Abstreiter; Marc Dr. Tornow; Sanjiv Dr. Sharma
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2005-10-13
Also published as: JP2005274574A; US20050212016A1

Abstract

Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten, der Isoliermaterial umfaßt, das einen Hohlraum zum Aufnehmen eines Analyten teilweise umgibt, welcher Hohlraum am Boden und wenigstens teilweise an seinen Seiten durch das Isoliermaterial definiert ist, und einen Feldeffekttransistor (FET) ohne Gate, der in einem Abstand von dem Boden des Hohlraums gebildet ist, wobei die Fühloberfläche desselben dem Analyten zugewandt ist.

Description

Die Erfindung betrifft chipintegrierte Detektoren zum Analysieren von Flüssigkeiten.

Die internationale Anmeldung WO 00/51180 offenbart einen Silizium-auf-Isolator-Sensor mit einer Siliziumoxid-Fühloberfläche. Drain und Source eines FET sind auf einer Seite einer Siliziumoxidschicht gebildet, die das Substrat bildet, und die andere Seite der Siliziumoxidschicht wird mit dem Analyten in Kontakt gebracht.

Die Patentveröffentlichung DE 102 21 799 A1 offenbart einen lokalen Silizium-auf-Isolator-Biosensor mit flacher Oberfläche, der zum Fühlen auf Adsorptionsbasis verwendet wird. Biofunktionalisierte Strukturen der Oberfläche werden zum lokalen Biofühlen verwendet.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen hochempfindlichen, miniaturisierten Biosensorchip zum Analysieren von Flüssigkeiten vorzusehen.

Diese Aufgabe wird durch einen Biosensorchip zum Analysieren von Flüssigkeiten erreicht, der Isoliermaterial umfaßt, das teilweise einen Hohlraum zum Aufnehmen eines Analyten umgibt, welcher Hohlraum am Boden und wenigstens teilweise an seinen Seiten durch das Isoliermaterial definiert ist, und einen Feldeffekttransistor (FET) ohne Gate, der in einem Abstand von dem Boden des Hohlraums gebildet ist, wobei die Fühloberfläche desselben dem Analyten zugewandt ist.

Wenn die Analytflüssigkeit in den Hohlraum eingeführt wird, wird die Fühloberfläche des Kanals des FET durch die Flüssigkeit beeinflußt. Die Veränderung des Stroms, der durch den FET fließt, oder des Widerstandes durch den FET, bevor die Flüssigkeit den Kanal des FET beeinflußt und wenn die Flüssigkeit den Kanal des FET beeinflußt, wird dann zum Analysieren der Flüssigkeit bewertet.

Dieser Biosensorchip hat eine minimale Größe, da der FET Teil des Gehäuses oder der Wände des Hohlraums ist, der den Analyten aufnimmt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Hohlraum als Kanal gebildet.

Gemäß einer Ausführungsform hat der Hohlraum eine Öffnung, die der Bodenseite im wesentlichen gegenüberliegt.

Das Material, das den Boden des Hohlraums definiert, kann Si sein, und darauf kann eine Passivierungsschicht vorgesehen sein. Das Material, das die Bodenseite des Hohlraums definiert, und das Material der vergrabenen Schicht, das einen weiteren Teil des Hohlraums definiert, kann SiO₂ sein. Der FET ist vorzugsweise in der oberen flachen Siliziumschicht gebildet.

Ein oder mehrere FETs können vorhanden sein, die sich teilweise über der Öffnung des Hohlraums erstrecken. Die ein oder mehreren FETs können die Öffnung überbrücken. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, wenn der Hohlraum die Form eines Kanals hat. Der FET oder die FETs können so angeordnet sein, daß der Fühlbereich (die Fühlbereiche) des Kanals (der Kanäle) des FET (der FETs) die Öffnung überbrückt (überbrücken).

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch eine Gateelektrode zum Vorspannen des Gates des FET vorgesehen sein. Auch in diesem Fall ist der Analyt das Gate des FET. Die zusätzliche Gateelektrode dient vielmehr dazu, den Kanal des FET durch einen feststehenden Betrag vorzuspannen, um den Arbeitsbereich des FET einzustellen.

Eine dünne positive Passivierungsschicht kann auf dem Fühlbereich (den Fühlbereichen) des FET (der FETs) auf gesputtert oder gewachsen sein. Diese Passivierungsschicht dient auch als Schutz gegenüber Korrosion des Fühlbereiches.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung hat der kanalartige Hohlraum eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung. Es kann ein Einlaßreservoir und ein Abfallreservoir für den kanalartigen Hohlraum vorgesehen sein.

Diese bevorzugte Ausführungsform ist eine neuartige FET-Konstruktion, die mit Mikrofluidikstrukturen integriert ist. Es ist eine neue Kombination aus einem Mikrofluidiksystem und einem Detektorsystem, die alle auf einer Plattform, nämlich auf einem Chip, integriert sind.

Bei dieser Ausführungsform kann eine entfernbare Abdeckplatte zum Abdecken irgendeines weiteren offenen Teils des kanalartigen Hohlraums vorgesehen sein. Diese entfernbare Abdeckplatte kann Öffnungen als Zugang zu dem Hauptreservoir und dem Abfallreservoir haben.

Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung hat der kanalartige Hohlraum eine mäanderartige Form. Diese Entwicklung ergibt den Vorteil, daß ein relativ langer Kanal auf einem kleinen Chip erreicht werden kann. Dies kann von Vorteil sein, wenn die Wanderlänge zum Trennen von Komponenten verwendet wird, die in dem Analyten enthalten sind.

Gemäß der Erfindung sind Pumpmittel zum Befördern des Analyten von dem Hauptreservoir zu dem Abfallreservoir vorgesehen.

Gemäß einer anderen Entwicklung der Erfindung sind elektrokinetische Mittel zum Befördern des Analyten durch den kanalartigen Hohlraum vorgesehen. Solche elektrokinetischen Mittel können ein elektrisches Mittel zum Anwenden einer Spannung quer über einen Teil oder die Gesamtheit der Länge des kanalartigen Hohlraums umfassen.

Bei Betrieb dienen die geladenen Analyten und das Medium, genauer gesagt, die Pufferlösung (Elektrolytmedium, das auf einem spezifischen elektrischen Potential gehalten wird) und die geladenen Arten, die seitlich oder unter der dotierten und vorzugsweise passivierten oberen Siliziumschicht passieren, als Gateelektrode.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Einlaßöffnung von Kanälen und/oder Kanäle des Biosensors bewußt so konstruiert, um turbulente Flüsse zu verstärken, um das Vermischen des Analyten selbst oder des Analyten und der Pufferlösung zu erleichtern.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein zweiter kanalartiger Hohlraum vorhanden, der im wesentlichen rechtwinklig zu dem hauptkanalartigen Hohlraum vorgesehen ist und an einem Kreuzungspunkt mit ihm in Verbindung steht. Jeder kanalartige Hohlraum steht mit einem Haupt- oder Einlaßreservoir und mit einem Abfallreservoir in Verbindung.

Diese Weiterentwicklung ergibt ein "Lab-on-Chip", also ein Labor auf einem Chip.

Das Einlaßreservoir eines der kanalartigen Hohlräume kann den Analyten aufnehmen, und das andere Einlaßreservoir kann eine Pufferlösung aufnehmen. Beide Flüssigkeiten werden an dem Kreuzungspunkt gemischt, und dadurch kann die elektrophoretische Migration in dem hauptkanalartigen Hohlraum stromabwärts des Kreuzungspunktes gesteuert und detektiert werden.

Eine zusätzliche Gateelektrode kann wieder zum Vorspannen des Kanals des FET vorgesehen sein.

Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zweigt sich von einem hauptkanalartigen Hohlraum eine Anzahl von Zweigkanälen ab und ist wenigstens ein Mittel zum Messen der elektrischen Ladung der Flüssigkeit in einer Zone jedes Zweigkanals in einem Abstand von dem hauptkanalartigen Hohlraum vorhanden.

Dies stellt ein verschiedenes Labor auf einem Chip dar, das speziell zum Analysieren von Proteinen geeignet ist.

Vorzugsweise sind elektrische Mittel zum variablen Anwenden einer Vorspannung quer über die Länge oder einen Teil der Länge der Zweigkanäle vorhanden. Die elektrischen Mittel können die Zweigkanäle vorspannen, um eine Bewegung der Flüssigkeiten von dem hauptkanalartigen Hohlraum in die Zweigkanäle zu verhindern.

Die elektrischen Mittel können die Zweigkanäle vorspannen, um die Bewegung der Flüssigkeiten von dem hauptkanalartigen Hohlraum zu dem fernen Ende der Zweigkanäle zu unterstützen.

Die Meßmittel können FETs sein, die die Zweigkanäle queren können. Vorzugsweise überbrücken die Kanäle der FETs die Zweigkanäle.

Es können mehrere Meßmittel an jedem Zweigkanal vorgesehen sein.

Die Erfindung wird nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 ein mehrschichtiges SOI-Substrat zeigt;
2 einen Sensorchip zusammen mit der Abdeckplatte zeigt;
3 eine Querschnittsansicht des Sensors zeigt;
4 Draufsichten auf den Sensorchip für Labor-auf-Chip-Anwendungen zeigt;
5 eine Querschnittsansicht des Chips an den Trenn- und Detektionszonen zeigt;
6 einen integrierten Detektor mit abstimmbarem Lateraltransistor zeigt;
7 einen integrierten Detektor mit abstimmbarem Lateraltransistor auf beiden Seiten des Mikrokanals zeigt;
8 die DNA-Trennung auf entropischer Basis zeigt;
9 eine Draufsicht auf einen Proteinchip auf Sensorbasis zeigt;
10a & b die Arbeitsweise und Multidetektion auf dem Proteinchip zeigen;
11 die Abdeckplatte für den Proteinchip zeigt;
12 die Querschnittsansicht des Proteinchips mit drei sichtbaren Zweigkanälen zeigt;
13 säulenartige physische Strukturen zur Trennung auf Größenbasis zeigt;
14 SEM-Bilder der durch Mikroherstellung gefertigten Struktur zeigt;
15 Bilder zeigt, die zum Erläutern des elektroosmotischen Pumpens verwendet werden;
16 ein Bild zeigt, das zum Erläutern des Klemminjektionsmodus verwendet wird;
17 SEM-Bilder von realisierten Brückenstrukturen zur Detektion zeigt.
Die Erfindung wird nun beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Komponenten mit denselben Bezugszeichen versehen sind.
1 zeigt das mehrschichtige Silizium-auf-Isolator-Substrat. 2 ist die Grundmaterial-Siliziumschicht mit Abmessungen zwischen 400 und 800 Mikrometern. 4 bezeichnet die vergrabene Oxid- (buried oxide) oder box-Oxidschicht mit einer Dicke zwischen 50 nm und 20 Mikrometern. 6 bezeichnet die obere Siliziumschicht mit einer Dicke zwischen 50 nm und 400 nm. 8 bezeichnet die natürliche Oxidschicht.
2 zeigt das Schema einer lokalen Sensorabdeckplatte und des Sensorchips. In dem Chip bezeichnet 1 den Chip insgesamt, 3 das Probenreservoir, 5 das Abfallreser voir, 7 die Metallkontakte, 9 den Mikrokanal, 10 die obere Siliziumschicht, die mit Ladungsträgern dotiert ist. In der Abdeckplatte bezeichnet 11 das Zugangsloch zu dem Abfallreservoir, 13 das Zugangsloch zu dem Probenabfallreservoir, 15 Nuten für Metallkontakte, 17 Löcher für Schrauben.
3 zeigt die Querschnittsansicht des Sensorchips an der Transistorzone. In der Querschnittsansicht bezeichnet 2 die Grundmaterial-Siliziumschicht, 4 die box-Oxidschicht, 18 den Mikrokanal, 20 die obere Siliziumschicht, die mit Ladungsträgern dotiert ist, 22 die Passivierungsschicht, 24 die abgeschiedenen Metallkontakte, 26 die passivierte Schicht auf der Grundmaterial-Siliziumschicht.
4A und 4B zeigen die Draufsicht auf den Sensorchip für Labor-auf-Chip-Anwendungen. 5 bezeichnet das Abfallreservoir, 7 die Metallkontakte, 10 die obere Siliziumschicht, die mit Ladungsträgern dotiert ist, 9 den Mikrokanal, 23 das Probenabfallreservoir, 3 das Probenreservoir, 21 das Pufferreservoir, 22 die Passivierungsschicht.
Es sei erwähnt, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen einzelnen Ausführungsformen begrenzt ist, sondern sich vielmehr auf kombinierte Merkmale derselben erstreckt.
5A zeigt die Querschnittsansichten längs der Linie B-B von 4 an der Injektionszone, und 5B zeigt die Querschnittsansichten längs der Linie C-C an der Detektionszone von 4A. 2 bezeichnet die Grundmaterial-Siliziumschicht, 4 bezeichnet die box-Oxidschicht, 6 die obere Siliziumschicht, 18 den Mikrokanal, 20 die obere Siliziumschicht, die mit Ladungsträgern dotiert ist, 22 die Passivierungsschicht, 24 den abgeschiedenen Metallkontakt, 26 die passivierte Schicht auf der Grundmaterial-Siliziumschicht.
6 zeigt ein Schema für integrierte Detektoren mit einem abstimmbaren Lateraltransistor. 2 bezeichnet die Grundmaterial-Siliziumschicht, 25 die Analyten, 4 die box-Oxidschicht, 20 die obere Siliziumschicht, die mit Ladungsträgern dotiert ist, 43 die Source, 45 ein Hilfsgate, 47 das Drain. Gemäß der Erfindung wird der Analyt als Gate des FET verwendet. Mit der Hilfsgateelektrode 45 kann der Transistorkanal vorgespannt werden, um die Arbeitszone des Transistors bei Bedarf zu verschieben.
7 zeigt einen ähnlichen Lateraltransistor, wobei die Transistoren jedoch auf beiden Seiten des Mikrokanals integriert sind. Die Bein-Enden sind dieselben wie in 6.
8 zeigt die DNA-Trennung auf entropischer Basis durch einen Sensorchip. 43 bezeichnet die Source, 45 ein Gate, 47 das Drain und 48 die DNA-Moleküle.
9 zeigt die Draufsicht auf einen Proteinchip auf Sensorbasis. 41 bezeichnet den Abfallgraben, 39 die FET-Detektionszone, 37 den Mikrokanal mit Siebmatrix, 35 den Mikrokanal mit pI-Gradient-Matrix, 23 das Probenabfallreservoir, 33 den Mikrokanal, 27 das Probenreservoir in dem Proteinchip, 29 das Matrixreservoir für die Trennung in der 1. Dimension, 31 das Äquilibrierungsreservoir.
10A und 10B zeigen die Arbeitsweise und Multidetektion auf dem Proteinchip. Die Figuren stellen die Funktionen der Kanäle dar. Die Legenden sind jenen ähnlich, die oben in 8 verwendet wurden.
11 zeigt die Abdeckplatte für den Proteinchip. 13 bezeichnet das Zugangsloch für das Probenreservoir, 36 das Zugangsloch auf der Abdeckplatte zum Einführen des pI-Gradient-Mediums, 38 das Zugangsloch auf der Abdeckplatte zum Einführen des Äquilibrierungsmediums, 11 das Zugangsloch zum Abfallreservoir, 15 einen Zugangsspalt für Metallkontakte, 17 Schraubenpositionen.
12 zeigt die Querschnittsansicht des Proteinchips, wobei nur die ersten drei Kanäle gezeigt sind. 2 bezeichnet die Grundmaterial-Siliziumschicht, 4 die box-Oxidschicht, 20 die obere Siliziumschicht, die mit Ladungsträgern dotiert ist, 24 die Metallkontakte, 37 den Mikrokanal mit Siebmatrix.
13A zeigt einen Proteinchip mit säulenartigen physischen Strukturen als Matrix zum Ausführen einer Trennung auf Sieb- oder Größenbasis. 37 bezeichnet den Mikrokanal, 51 die säulenartigen Strukturen zur Trennung auf Größenbasis, während die anderen Legenden dasselbe wie in den 10 und 1 bezeichnen. 13B zeigt die Seitenansicht des Proteinchips, wobei die ersten drei Kanäle mit säulenartigen Strukturen gezeigt sind. Die Legenden für das Bild sind dieselben wie oben in 12 beschrieben.
14A und 14B zeigen Rasterelektronenmikroskopie-[Scanning Electron Microscopy (SEM)]-Bilder einer hergestellten Mikrovorrichtung. Die Mikrokanäle sind 30 μm breit und 3 μm tief, während die Reservoire einen Durchmesser von 1 mm und eine Tiefe von 3 μm haben. 50 bezeichnet die Kreuzung der Mikrokanäle, 9 einen Mikrokanal, 21 das Pufferreservoir.
15 zeigt das elektro-osmotische Pumpen von Rhodamin-Farbstoff.
16 zeigt den Abklemminjektionsmodus, der beim Einführen eines Rhodamin-Pfropfens oder einer Rhodamin-Zone in den Trennkanal beobachtet wird.
17 zeigt SEM-Bilder der realisierten brückenartigen Strukturen als Transistoren zur Wandlung der unter ihnen passierenden Ladung. 57 bezeichnet die brückenartige Struktur auf dem Mikrokanal, 9 den Mikrokanal, 21 das Reservoir.
Herstellung der Vorrichtung:
Lokaler Sensor
Die vorgeschlagene Erfindung umfaßt im wesentlichen einen Sensormikrochip, der auf einer Halterung (vorzugsweise aus Teflon) ruht und mit einer Abdeckplatte (aus polymerer Substanz wie beispielsweise PDMS, PMMA oder Polyimid) bedeckt ist. Der Sensorchip umfaßt zwei Hauptreservoire, nämlich ein Probenreservoir und ein Abfallreservoir, die durch einen Mikrokanal verbunden sind. Der betreffende Analyt (die betreffenden Analyten) wird (werden) durch Pumpen oder durch elektrokinetische Mittel hin zu dem Abfallreservoir manipuliert, und die inkorporierten FETs fühlen die passierenden geladenen Analyten.
Herstellung von Strukturen:
Das Reservoir und die Mikrokanäle werden durch Photolithographie oder Naß- oder Trockenätztechniken hergestellt. Die Photolithographieschritte werden angewendet, um Strukturen von einer Chrommaske auf den Sensorchip zu übertragen. Bei der Naßätztechnik wird bei dem ersten Schritt die obere Siliziumschicht durch ein Gemisch aus HNO₃ (69%) und HF (1,5%) in dem Verhältnis 70:30 entfernt, und bei dem nächsten Schritt wird das Photoresist entfernt, und die Siliziumdioxidschicht (box-Oxidschicht) wird unter Verwendung von 5%igem HF geätzt, wovon bekannt ist, daß er gegenüber Siliziumoxid sehr selektiv ist. Der Chip kann in Abhängigkeit von dem zur Manipulation der Analytenprobe verwendeten Modus passiviert oder nicht passiviert sein.
Falls eine Pumpe verwendet wird, ist keine Passivierung erforderlich. Falls ein elektrokinetischer Modus zur Probenmanipulation zum Einsatz kommt, ist eine Passivierung wünschenswert, da Silizium ein niedriges Durchbruchpotential hat, eine passivierte Schicht mit einer Dicke von 200 nm aus trockenem Siliziumoxid eine gute Passivierung ergibt und die Struktur elektrischen Feldstärken in der Größenordnung von 440 V/cm oder noch mehr standhalten kann, wie es durch uns schon bewiesen worden ist.
Die Detektion der betreffenden Analyten erfolgt durch die Feldeffekttransistoren, die auf derselben Plattform monolithisch integriert sind. Die FETs könnten an frei aufgehängten Brücken über den Mikrokanälen angeordnet sein (3) oder auf der einen (6) oder auf beiden der oberen Siliziumschichten (7) hergestellt sein, die über den unterätzten Kanälen hängen.
Herstellung von Detektor-Ia-Plane-Gate-Feldeffekttraasistoren:
Ladungsträger können in eine zuvor undotierte obere Siliziumschicht entweder durch Diffusionsdotierung (Dotierungsstoff zum Aufschleudern und Annealen) oder durch Ionenimplantation des Substrates vor der Musterverarbeitung (gesamter Wafer) oder durch Betreiben der Vorrichtung mit einer back-gate-Spannung des, wodurch Träger auf invertierte MOSFET-(Metall-Oxid-Halbleiter-FET)-Weise akkumuliert werden, eingeführt werden. Die Operation nach letzterer Operationsweise funktioniert nur bei nichtunterätzten FET-Strukturen. Alternativ kann die obere Si-Schicht mit einer dotierten Si-Schicht z. B. durch Anwendung der Molekularstrahlepitaxie (MBE) epitaxial überwachsen sein. FET-Strukturen werden aus dieser Schicht entweder unter Einsatz von photolithographischen Standardtechniken hergestellt, wie oben beschrieben, und zwar bis zu seitlichen Abmessungen von ∼1 μm. Um eine verstärkte räumliche Auflösung und verstärkte Empfindlichkeit im Falle der In-Plane-Gate-(IPG)-FET-Operation zu erreichen, d. h., bei typischen Strukturgrößen bis hinab zu 30-100 nm, müssen lithographische Techniken mit hoher Auflösung in Kombination mit selektiven Dotier- oder Trockenätztechniken zum Einsatz kommen. Diese können die Elektronenstrahllithographie zur Resistätzmaskenmusterung, die Ionenimplantation oder -diffusion für maskiertes Dotieren und das Plasmaätzen wie etwa das reaktive Ionenätzen (RIE) umfassen. Alternativ können IPG-FET-Strukturen direkt durch einen fokussierten Ionenstrahl (FIB) oder durch Fokuslaserstrahloxidation (R. A. Deutschmann, M. Huber et al., Microelectronic Engineering 48 (1999) 367-370) in überhängende Si-Strukturen geschrieben werden. Nach der Herstellung im Mikro- und Submikrometerbereich werden die Strukturen durch das Wachsen von 200 nm Trockenoxid passiviert. Zum Erhalten der Source- und Drainzonen wird wieder die Photolithographie eingesetzt, um die Oxidschicht (passivierte Schicht) zu entfernen, wonach die Source- und Drainzonen durch Metallabscheidung (TiAu) definiert werden. In einer brückenartigen Stütze für die IPG-FET-Detektoren werden Source und Drain an den zwei Enden der Brücke gebildet. Die Brücke wird darüber und darunter mit Siliziumdioxid passiviert, und diese Zone bildet die Gatezone.
Labor-auf-Chip-Vorrichtung auf Sensorbasis:
Herstellung:
Die Herstellung dieser Vorrichtung erfolgt durch Schritte, die denen ähnlich sind, die in dem Sensor-Abschnitt beschrieben wurden, wobei die Konstruktion der Chrommaske gemäß der Anforderung modifiziert wird.
Proteinchipvorrichtung auf Sensorbasis:
Herstellung:
Die Herstellung dieser Vorrichtung erfolgt durch Schritte, die denen ähnlich sind, die in dem Sensor-Abschnitt beschrieben wurden, wobei die Konstruktion der Chrommaske gemäß der Anforderung modifiziert wird.
Arbeitsweise der Vorrichtungen:
1. Lokaler Sensor:
Arbeitsweise:
Der Analyt würde in die Reservoire eingeführt und dann von dem Probenreservoir hin zu dem Abfallreservoir manipuliert. Wenn die geladenen Analyten unter der Brücke passieren, wobei sie mit der Oberfläche in Kontakt gelangen, würde eine Veränderung des Oberflächenpotentials beobachtet, was zu einer Veränderung der Bandstruktur und somit der Ladungsverteilung des Siliziummaterials führen würde, das seine Leitfähigkeit verändert, die als elektrisches Signal gemessen wird. IPG-FETs gestatten die Feinabstimmung ihrer Empfindlichkeit gegenüber Oberflächenpotentialveränderungen durch das Einstellen der elektrischen Breite des Transistorkanals (d. h., seines Arbeitspunktes) durch die planaren elektrischen Felder. Unter Verwendung von LabView oder einem anderen Schnittstellenprogramm werden die Protokolle in einem automatisierten Format erstellt.
2. Labor-auf-Chip-Vorrichtung auf Sensorbasis:
Arbeitsweise:
Die Probe, die mehrere Analyten umfaßt, wird in das Probenreservoir eingeführt, und die Probe wird elektrokinetisch hin zu dem Probenabfallreservoir mobilisiert. Eine Pufferlösung von dem Pufferreservoir wird in senkrechte Richtung getrieben, so daß ein feiner Pfropfen der Probe in die längere Mikrokanalsektion eingeführt wird, wodurch die Trennung der individuellen Analyten auf der Basis der differentiellen elektrophoretischen Mobilität erleichtert wird. Die passierenden Analytbänder werden durch die Feldeffekttransistoren gefühlt, die auf derselben Plattform angeordnet sind, und auf ähnliche Weise detektiert, wie es zuvor in Abschnitt 1 beschrieben wurde.
Die Mikrostrukturen auf solchen Chips auf Sensorbasis könnten einfache Kreuzungskanäle sein, die in Reservoiren enden, die in 4A gezeigt sind, oder mehrere Kanäle, die spiralig gewunden sind, um längere Trennlängen für einen gegebenen Bereich zu erleichtern, wie in 4B gezeigt. Ähnlich könnten die Detektoren in brückenartigen Strukturen angeordnet oder lokalisiert sein (4 und 5), oder in mehreren brückenartigen Strukturen oder auf Siliziumstrukturen, die über den Mikrokanälen hängen, wie in den 6 und 7 gezeigt.
Darüber hinaus können andere Detektionstechniken wie etwa eine optische Detektion oder die Massenspektrometrie mit dem Sensorchip gekoppelt sein, wobei der Chip auf Sensorbasis in diesem Fall lediglich als Plattform für Vorreaktionen wie etwa die Derivatisierung, Injektion und Trennung und andere damit verbundene manuelle Techniken dient.
Verschiedene Parameter in Zuordnung zu der Injektion (wie etwa die Potentialparameter), der Trennung (wie etwa die Trennungspotential- und Pufferbedingungen) und der Detektion werden optimiert und auf spezifische Analytmatrizen zugeschnitten. Außerdem wird die Vorrichtung gemäß der Anwendung unter Verwendung von Programmier- und Schnittstellensoftware automatisiert.
3. Proteinchipvorrichtung auf Sensorbasis:
Arbeitsweise:
Das Proteingemisch wird in einer Pufferlösung vorbereitet und in das Probenreservoir eingeleitet (27 in 8). Die Matrix (Trägerampholyten oder "Immobiline") für die Trennung in der ersten Dimension auf der Basis der isoelektrischen Punkte wird in das andere Reservoir eingeführt (29 in 8). Bei dem ersten Schritt wird der Trennungskanal der ersten Dimension (35 in 8) mit der isoelektrischen Fokussiermatrix gefüllt und die Bildung des pH-Gradienten erleichtert. Die Proteine werden dann durch elektrokinetische Mittel in diesen Kanal eingeführt und können sich auf der Basis ihrer isoelektrischen Punkte (pI-Wertel fokussieren. Dies gewährleistet die Trennung von Proteinen auf der Basis ihres isoelektrischen Punktes. Gegenpotentiale werden in den Kanälen der zweiten Dimension in einer Richtung angewendet, die zu den Kanälen der ersten Dimension entgegengesetzt ist, um zu gewährleisten, daß während der Trennung in der ersten Dimension kein Durchschlagen der Proteinprobe in den Kanal der zweiten Dimension auftritt. Proteine, die in der ersten Dimension getrennt wurden, werden dann der Trennung auf Größenbasis in der zweiten Dimension unterzogen (9).
Die in der ersten Dimension auf der Basis ihrer isoelektrischen Punkte getrennten Proteine werden elektrokinetisch mit einem oberflächenaktiven Stoff wie etwa einer Natriumdodecylsulfat-(SDS)-Lösung gespült, so daß die gleiche Ladung auf allen Proteinen inkorporiert wird, wobei der Größenfaktor als Haupttrennfaktor zurückbleibt. Die mit SDS behandelten Proteine werden dann elektrokinetisch in senkrechte Richtung bewegt. Die sich bewegenden Proteine werden durch die Siebmatrix in den Kanälen der zweiten Dimension (37 in 9) sortiert, die ein Gel oder physische säulenartige Strukturen umfassen kann (12, 13). Die Proteine, die eine negative Ladung tragen, werden durch die Feldeffekttransistoren detektiert, die in derselben Plattform in einem brückenartigen (8, 9, 11) oder anderen Format (12, 13) angeordnet sind. Die einmal optimierten Protokollprozeduren werden dann in einem automatisierten Format unter Verwendung von speziellen Schnittstellenprogrammen wie etwa LabView ausgeführt.
Simulationen zu der elektrophoretischen Migration von Proteinen durch eine gegebene Matrix würde die Korrelation der Migrationsgeschwindigkeiten mit der Molekülmasse und somit das Identifizieren des Proteins ermöglichen.
Der Chip gemäß der vorliegenden Erfindung kann zum Analysieren eines breiten Bereiches von Proben wie z. B. von biochemischen, Umwelt-, klinischen oder forensischen Proben verwendet werden.

Claims

Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten mit: Isoliermaterial, das einen Hohlraum zum Aufnehmen eines Analyten teilweise umgibt, welcher Hohlraum an dem Boden und wenigstens teilweise an seinen Seiten durch das Isoliermaterial definiert ist, und einem Feldeffekttransistor (FET) ohne Gate, der in einem Abstand von dem Boden des Hohlraums gebildet ist, wobei die Fühloberfläche desselben dem Analyten zugewandt ist.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum als Kanal gebildet ist.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Öffnung des Hohlraums der Bodenseite im wesentlichen gegenüberliegt.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, das den Boden des Hohlraums definiert, Si umfaßt, das eine Passivierungsschicht auf sich hat.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, das die Bodenseite des Hohlraums definiert, und das Material der vergrabenen Schicht, das einen weiteren Teil des Hohlraums definiert, SiO₂ umfaßt.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der FET in einer flachen Schicht gebildet ist.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die FET-Zone von dem Rest des Substrates durch Isolationsgrenzen isoliert ist.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß sich einer oder mehrere FETs teilweise über der Öffnung des Hohlraum erstrecken.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere FETs die Öffnung überbrücken.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühlbereich (die Fühlbereiche) des Kanals (der Kanäle) des FET die Öffnung überbrücken.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gateelektrode zum Vorspan nen des Gates des FET vorgesehen ist, wobei das Gate des FET die Öffnung überbrückt.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine dünne Passivierungsschicht auf dem Fühlbereich (den Fühlbereichen) des FET (der FETs) aufgesputtert ist.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der kanalartige Hohlraum eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung hat.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einlaßöffnung von Kanälen und/oder Kanäle des Biosensors bewußt so konstruiert sind, um turbulente Flüsse zu verstärken.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der kanalartige Hohlraum ein Haupt- oder Einlaßreservoir und ein Abfallreservoir hat.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine entfernbare Abdeckplatte zum Abdecken des offenen Teils des kanalartigen Hohlraums vorgesehen ist.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die entfernbare Abdeckplatte Öffnungen zum Zugriff auf das Hauptreservoir und das Abfallreservoir hat.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckplatte aus einer polymeren Substanz hergestellt ist.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem der Ansprüche 10 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß der kanalartige Hohlraum eine mäanderartige Form hat.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß Pumpmittel zum Befördern des Analyten von dem Hauptreservoir zu dem Abfallreservoir vorgesehen sind.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß elektrokinetische Mittel zum Befördern des Analyten durch den kanalartigen Hohlraum vorgesehen sind.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß elektrokinetische Mittel ein elektrisches Mittel zum Anwenden einer Spannung quer über einen Teil oder die Gesamtheit der Länge des kanalartigen Hohlraums umfassen.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 22, gekennzeichnet durch einen zweiten kanalartigen Hohlraum, der im wesentlichen senkrecht zu dem hauptkanalartigen Hohlraum orientiert ist und mit ihm an einem Kreuzungspunkt in Verbindung steht.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß jeder kanalartige Hohlraum mit einem Haupt- oder Einlaßreservoir und mit einem Abfallreservoir in Verbindung steht.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptreservoir von einem der kanalartigen Hohlräume zum Einlassen des Analyten vorgesehen ist und das andere Hauptreservoir zum Einlassen einer Pufferlösung vorgesehen ist.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Gateelektrode zum Vorspannen des Kanals des FET vorgesehen ist.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem der Ansprüche 2 bis 26, gekennzeichnet durch einen hauptkanalartigen Hohlraum, von dem sich eine Anzahl von Zweigkanälen abzweigt, und durch wenigstens ein Mittel zum Messen der elektrischen Ladung der Flüssigkeit in einer Zone jedes Zweigkanals in einem Abstand von dem hauptkanalartigen Hohlraum.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Mittel zum variablen Anwenden einer Vorspannung quer über die Länge oder einen Teil der Länge der Zweigkanäle vorhanden sind.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Mittel die Zweigkanäle vorspannen können, um eine Bewegung der Flüssigkeiten von dem hauptkanalartigen Hohlraum in die Zweigkanäle zu verhindern.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Mittel die Zweigkanäle vorspannen können, um die Bewegung der Flüssigkeiten von dem hauptkanalartigen Hohlraum zu dem fernen Ende der Zweigkanäle zu unterstützen.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem der Ansprüche 27 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel FETs sind.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die FETs die Zweigkanäle queren.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle der FETs die Zweigkanäle überbrücken.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Flüssigkeiten nach irgendeinem der Ansprüche 27 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßmittel an jedem Zweigkanal vorhanden sind.
Chipintegrierter Detektor nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch zum Analysieren von Makromolekülen wie etwa Proteinen, wobei säulenartige Strukturen als physische Siebe dienen, die eine Trennung auf Größenbasis ausführen.
Chipintegrierter Detektor zum Analysieren von Makromolekülen wie etwa einer DNA, wobei der Chip dünne und dicke Zonen für die Trennung auf Entropiebasis hat.
Chipintegrierter Detektor, bei dem eine Mikrofluidikkomponente und ein Detektor auf derselben Plattform integriert sind und das Detektionsprinzip auf dem Feldeffektphänomen basiert.
Chipintegrierter Detektor, bei dem das Layout die Trennung von Proteinen in zwei Dimensionen erleichtert, d. h., die Trennung auf der Basis des isoelektrischen Fokussierens als erste und die Trennung auf Größenbasis als zweite, woran sich die nachfolgende Detektion durch die Detektoren anschließt, die in derselben Plattform integriert sind.