DE10211900A1

DE10211900A1 - Biosensor for detecting macromolecular biopolymers and method for producing a biosensor for detecting macromolecular biopolymers

Info

Publication number: DE10211900A1
Application number: DE10211900A
Authority: DE
Inventors: Thomas Haneder; Roland Thewes; Guenter Schmid; Hagen Klauk
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-03-18
Filing date: 2002-03-18
Publication date: 2003-10-16
Also published as: WO2003079016A1

Abstract

Der Biosensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren ist ein Sensor mit mindestens einer Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren, mit mindestens einer Erfassungseinheit zum Erfassen eines Detektionssignals, mit dem die Existenz makromolekularer Biopolymere angezeigt wird, und mit einer mit der Erfassungseinheit gekoppelten Auswerteschaltung für das Signal. Dabei weist die Auswerteschaltung mindestens ein Bauelement mit einer halbleitenden Schicht mit einem organischen Material auf.The biosensor for detecting macromolecular biopolymers is a sensor with at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers, with at least one detection unit for detecting a detection signal with which the existence of macromolecular biopolymers is indicated, and with an evaluation circuit for the signal coupled to the detection unit. The evaluation circuit has at least one component with a semiconducting layer with an organic material.

Description

Die Erfindung betrifft einen Biosensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren und ein Verfahren zur Herstellung eines Biosensors zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren. The invention relates to a biosensor for detecting macromolecular biopolymers and a process for Manufacture of a biosensor for the detection of macromolecular biopolymers.

Das Wissen über die molekularen und biochemischen Grundlagen z. B. über die Entstehung von Krankheiten hat durch die Entschlüsselung des menschlichen Erbguts im Rahmen des Humanen Genom-Projekts in den letzten Jahren sprunghaft zugenommen. Von Interesse sind zur Zeit hier insbesondere mit den Begriffen "Functional Genomics" bzw. "Proteomics" verbundene Verfahren, bei denen entweder z. B. die in einer Zelle vorhandenen oder zu einem bestimmten Zeitpunkt exprimierten Gene oder die entsprechenden Proteine untersucht und nachgewiesen werden. Knowledge of the molecular and biochemical basics z. B. about the emergence of diseases through Decoding of the human genome within the framework of the Human genome project has skyrocketed in recent years increased. Of particular interest are currently here with the terms "functional genomics" or "proteomics" related processes, in which either z. B. the one Cell existing or at a specific time expressed genes or the corresponding proteins examined and be proven.

Für die Untersuchung z. B. des Expressionsmusters einer Zelle anhand von Nukleinsäuren oder allgemein zum Nachweis von Nukleinsäuren werden heute meistens optische Verfahren eingesetzt. Dazu werden vorzugsweise kleine Mengen an unterschiedlichen als Fängermoleküle dienenden einzelsträngigen Nukleinsäuremoleküle punktförmig in einem geordneten Raster (Array) von z. B. einigen 10, 100 oder 1000 Punkten (Dots) auf einer Oberfläche beispielsweise aus Glas, Kunststoff, Gold oder auch anderen Materialien immobilisiert (siehe beispielsweise [1], [2]). Anschließend wird ein Analyt (d. h. eine zu untersuchende Flüssigkeit), der mit einem Fluoreszenzfarbstoff markierte Nukleinsäuren enthält, über diese Oberfläche gepumpt. Dabei können Nukleinsäuren mit zu ihnen komplementären Fängermolekülen doppelsträngige Hybridmoleküle an der Oberfläche des Trägersubstrates ausbilden. Nach Anregung der Fluoreszenz-Markierung mittels eines Lasers und nachfolgender Messung des optischen Fluoreszenzsignals wird aufgrund der erfassten, emittierten Lichtstrahlen bestimmt, ob ein nachzuweisender DNA-Strang mit der entsprechend vorgegebenen Sequenz in dem Analyten enthalten ist oder nicht. For the investigation z. B. the expression pattern of a cell based on nucleic acids or generally for the detection of Today nucleic acids are mostly optical processes used. For this purpose, small amounts of are preferably used different serving as catcher molecules single-stranded nucleic acid molecules punctiform in one ordered raster (array) of z. B. some 10, 100 or 1000 Dots on a surface made of glass, for example, Plastic, gold or other materials immobilized (see for example [1], [2]). Then an analyte (i.e. a liquid to be examined), which with a Fluorescent dye contains labeled nucleic acids via pumped this surface. Nucleic acids can also be used complementary capture molecules double-stranded Hybrid molecules on the surface of the carrier substrate form. After excitation of the fluorescence label using of a laser and subsequent measurement of the optical Fluorescence signal is emitted due to the detected Light rays determine whether a DNA strand to be detected has the corresponding predetermined sequence in the analyte is included or not.

Proteine können ebenfalls mit optischen Erfassungsverfahren erfasst werden, die auf der Immobilisierung eines Fängermoleküls auf einer Oberfläche eines beliebigen Substrates z. B. aus Glas, Siliziumdioxid, anderen Oxiden, Metal oder Kunstoffen, z. B. Kohlenwasserstoffen wie Polyethylen, Polypropylen oder Polystyrol, Polyestern wie Polyethylennaphthalat oder -terephthalat, Polycarbonaten, Polyurethanen, Polyacrylaten, Epoxidharze, biologisch abbaubaren Polylactaten, hochtemperaturstabilen Kunststoffen, wie Polyimiden, Polybenzoxazolen oder -imidazolen beruhen, Geeignet sind auch jegliche Verbundwerkstoffe, wie glasfaserverstärkte Epoxidharze oder beschichtete Metalloberflächen. Auch hierbei werden Markierungen, die ein optisches Signal wie ein Fluoreszenz-Signal aussenden, mit Hilfe einer Anregungseinheit wie einem Laser und einer externen Erfassungseinheit für die emittierte Strahlung erfasst (vgl. z. B. [3], [4]). Proteins can also be used with optical detection methods recorded on the immobilization of a Catcher molecule on any surface Substrates z. B. made of glass, silicon dioxide, other oxides, Metal or plastic, e.g. B. hydrocarbons such as Polyethylene, polypropylene or polystyrene, polyesters such as Polyethylene naphthalate or terephthalate, polycarbonates, Polyurethanes, polyacrylates, epoxy resins, organic degradable polylactates, high temperature stable plastics, such as polyimides, polybenzoxazoles or imidazoles, Any composite materials, such as glass fiber reinforced epoxy resins or coated Metal surfaces. Again, markings that are a send out optical signal like a fluorescence signal with Using an excitation unit such as a laser and a external detection unit for the emitted radiation recorded (see e.g. [3], [4]).

Diese optischen Verfahren sind in der Regel sehr aufwändig, da z. B. eine sehr genaue Justierung des Erfassungsmittels zum Erfassen der emittierten Lichtstrahlen erforderlich ist, damit diese Lichtstrahlen positionsspezifisch bzgl. der Position auf dem Chip, von der das Signal stammt, erfasst werden können. Ferner sind diese Verfahren auch deshalb nachteilig, weil die Fluoreszenzstrahlung durch externe Spektrometer nachgewiesen wird. Diese sind teuer und aufwändig im Betrieb. These optical processes are usually very complex, there z. B. a very precise adjustment of the detection means for Detection of the emitted light rays is required so that these light rays are position-specific with respect to Position on the chip from which the signal originates can be. Furthermore, these procedures are also why disadvantageous because the fluorescence radiation by external Spectrometer is detected. These are expensive and complex in operation.

Andere Vorschläge gehen dahin, makromolekulare Biopolymere an Oberflächen elektronisch durch Messung von durch redox-aktive Markierungen hervorgerufenen Strömen oder durch Impedanzmessung nachzuweisen. Dadurch entfällt sowohl die aufwändige optische Anordnung (Laser, Scanner, Justiervorrichtungen) für das Auslesen der Substrat- Oberflächen als auch das Nachbearbeiten der dabei entstehenden Fluoreszenzbilder der reaktiven Oberflächen. Man erhält statt dessen direkt ein elektrisches Signal, das graphisch dargestellt und weiterverarbeitet werden kann. Other suggestions go to macromolecular biopolymers Surfaces electronically by measuring redox-active Marks caused by currents or by Evidence of impedance measurement. This eliminates both the complex optical arrangement (laser, scanner, Adjustment devices) for reading the substrate Surfaces as well as reworking the resulting fluorescence images of the reactive surfaces. you instead receives an electrical signal directly can be displayed graphically and processed further.

So ist z. B. aus [5] ein Verfahren zum Erfassen von DNA- Molekülen bekannt, bei dem zur Erfassung Biosensoren eingesetzt werden, die auf Elektrodenanordnungen beruhen. So z. B. from [5] a method for detecting DNA Molecules known to be used to detect biosensors are used, which are based on electrode arrangements.

Fig. 2a und Fig. 2b zeigen einen solchen Sensor, wie er in [5] beschrieben ist. Der Sensor 200 weist zwei Elektroden 201, 202 aus Gold auf, die in einer Isolatorschicht 203 aus Isolatormaterial eingebettet sind. An die Elektroden 201, 202 sind Elektroden-Anschlüsse 204, 205 angeschlossen, an denen das an der Elektrode 201, 202 anliegende elektrische Potential zugeführt werden kann. Die Elektroden 201, 202 sind als Planarelektroden angeordnet. Auf jeder Elektrode 201, 202 sind DNA-Sondenmoleküle 206 immobilisiert (vgl. Fig. 2a). Die Immobilisierung erfolgt mit Hilfe der sogenannten Gold-Thiol- Bindung. Auf den Elektroden 201, 202 ist der zu untersuchende Analyt 207, aufgebracht. Der Analyt kann dabei beispielsweise eine elektrolytische Lösung mit verschiedenen DNA-Moleküle sein. Die Ankopplung der DNA-Moleküle ist jedoch nicht auf die Gold-Thiol-Bindung beschränkt, sondern es kann prinzipiell jede starke Metall-Ligandkopplung ausgenutzt werden (Ni-Amin-Liganden, Mo-Schwefel oder Mo-Phosphor etc.) Fig. 2a and Fig. 2b show such a sensor, as described in [5]. The sensor 200 has two electrodes 201 , 202 made of gold, which are embedded in an insulator layer 203 made of insulator material. Electrode terminals 204, 205 are connected to the electrodes 201, 202, where the can be supplied to the electrode 201, 202 electric potential applied. The electrodes 201 , 202 are arranged as planar electrodes. DNA probe molecules 206 are immobilized on each electrode 201 , 202 (cf. FIG. 2a). The immobilization takes place with the help of the so-called gold-thiol bond. The analyte 207 to be examined is applied to the electrodes 201 , 202 . The analyte can be, for example, an electrolytic solution with different DNA molecules. However, the coupling of the DNA molecules is not limited to the gold-thiol bond, but in principle any strong metal-ligand coupling can be used (Ni-amine ligands, Mo-sulfur or Mo-phosphorus, etc.)

Sind in dem Analyt 207 DNA-Stränge 208 mit einer Sequenz enthalten, die zu der Sequenz der DNA-Sondenmoleküle 206 komplementär ist, so hybridisieren diese DNA-Stränge 208 mit den DNA-Sondenmolekülen 206 (vgl. Fig. 2b). If the analyte 207 contains DNA strands 208 with a sequence that is complementary to the sequence of the DNA probe molecules 206 , these DNA strands 208 hybridize with the DNA probe molecules 206 (cf. FIG. 2b).

Eine Hybridisierung eines DNA-Sondenmoleküls 206 und eines DNA-Strangs 208 findet nur dann statt, wenn die Sequenzen des jeweiligen DNA-Sondenmoleküls 206 und des entsprechenden DNA- Strangs 208 zueinander komplementär sind. Ist dies nicht der Fall, so findet keine Hybridisierung statt. Somit ist ein DNA-Sondenmolekül einer vorgegebenen Sequenz jeweils nur in der Lage einen bestimmten, nämlich den DNA-Strang mit jeweils komplementärer Sequenz zu binden, d. h. mit ihm zu hybridisieren. Hybridization of a DNA probe molecule 206 and a DNA strand 208 only takes place if the sequences of the respective DNA probe molecule 206 and the corresponding DNA strand 208 are complementary to one another. If this is not the case, no hybridization takes place. Thus, a DNA probe molecule of a given sequence is only able to bind to a specific one, namely the DNA strand with a complementary sequence, ie to hybridize with it.

Findet eine Hybridisierung statt, wie in Fig. 2b ersichtlich, so verändert sich neben anderen elektrischen Parametern auch die Kapazität zwischen den Elektroden. Diese Änderung der Kapazität kann als Messgröße für die Erfassung von DNA- Molekülen herangezogen werden. If hybridization takes place, as can be seen in FIG. 2b, the capacitance between the electrodes changes in addition to other electrical parameters. This change in capacity can be used as a measurement variable for the detection of DNA molecules.

Weiterhin sind Sensoren bekannt, bei denen ein Reduktions- /Oxidations-Recycling-Verfahren zum Erfassen makromolekularer Biopolymere verwendet wird (vgl. z. B. [6, 7]. Furthermore, sensors are known in which a reduction / Oxidation recycling process to capture macromolecular Biopolymers is used (cf. e.g. [6, 7].

Dieses Reduktions-/Oxidations-Recycling-Verfahren, im weiteren auch als Redox-Recycling-Verfahren bezeichnet, wird anhand der folgenden Fig. 4a bis Fig. 4c näher erläutert. Fig. 4a zeigt einen Biosensor 400 mit einer ersten Elektrode 401 und einer zweiten Elektrode 402, die auf einem Substrat 403 als Isolatorschicht aufgebracht sind. , Hereinafter also referred to this reduction / oxidation recycling process as a redox recycling process is illustrated by the following FIGS. 4a to Fig. 4c in detail. Fig. 4a shows a biosensor 400 having a first electrode 401 and a second electrode 402 which are applied as an insulator layer on a substrate 403rd

Auf der ersten Elektrode 401 aus Gold ist ein Haltebereich, ausgestaltet als Halteschicht 404, aufgebracht. Der Haltebereich dient zum Immobilisieren von DNA-Sondenmolekülen 405 auf der ersten Elektrode 401. A holding area, designed as a holding layer 404 , is applied to the first electrode 401 made of gold. The holding area serves to immobilize DNA probe molecules 405 on the first electrode 401 .

Auf der zweiten Elektrode ist kein solcher Haltebereich vorgesehen. There is no such holding area on the second electrode intended.

Sollen mittels des Biosensors 400 DNA-Stränge mit einer Sequenz erfasst werden, die komplementär zu der Sequenz der DNA-Sondenmoleküle 405 ist, so wird der Sensor 400 mit einer zu untersuchenden Lösung 406, derart in Kontakt gebracht, dass in der zu untersuchenden Lösung 406 eventuell enthaltene DNA-Stränge mit der komplementären Sequenz zu der Sequenz der DNA-Sondenmoleküle 405 hybridisieren können. If 400 DNA strands with a sequence that is complementary to the sequence of the DNA probe molecules 405 are to be detected by means of the biosensor 400 , the sensor 400 is brought into contact with a solution 406 to be examined such that in the solution to be examined 406 any DNA strands contained can hybridize with the complementary sequence to the sequence of the DNA probe molecules 405 .

Fig. 4b zeigt den Fall, dass in der zu untersuchenden Lösung 406 die zu erfassenden DNA-Stränge 407 enthalten sind und an die DNA-Sondenmoleküle 405 hybridisiert sind. FIG. 4b shows the case that in the examined solution 406 contained to be detected DNA strands 407 and are hybridized to the DNA probe molecules 405 are.

Die DNA-Stränge 407 in der zu untersuchenden Lösung sind mit einem Enzym 408 markiert, mit dem es möglich ist, im weiteren beschriebene Moleküle in Teilmoleküle zu spalten. The DNA strands 407 in the solution to be examined are marked with an enzyme 408 , with which it is possible to split molecules described below into partial molecules.

Üblicherweise ist eine erheblich größere Anzahl von DNA- Sondenmolekülen 405 vorgesehen, als zu ermittelnde DNA- Stränge 407 in der zu untersuchenden Lösung 406 enthalten sind. Usually, a significantly larger number of DNA probe molecules 405 is provided than the DNA strands 407 to be determined are contained in the solution 406 to be examined.

Nachdem die in der zu untersuchenden Lösung 406 eventuell enthaltenen DNA-Stränge 407 mit dem Enzym 408 mit den immobilisierten DNA-Sondenmolekülen hybridisiert haben, erfolgt eine Spülung des Biosensors 400, wodurch die nicht hybridisierten DNA-Stränge entfernt werden und der Biosensor 400 von der zu untersuchenden Lösung 406 gereinigt wird. After the DNA strands 407 possibly contained in the solution 406 to be examined have hybridized with the enzyme 408 with the immobilized DNA probe molecules, the biosensor 400 is rinsed, as a result of which the non-hybridized DNA strands are removed and the biosensor 400 from it investigating solution 406 is cleaned.

Dieser zur Spülung verwendeten Spüllösung oder einer in einer weiteren Phase eigens zugeführten weiteren Lösung 412 wird eine elektrisch ungeladene Substanz beigegeben, die Moleküle 409 enthält, die durch das Enzym an den hybridisierten DNA- Strängen 407 in ein erstes Teilmolekül einer negativen ersten elektrischen Ladung und in ein zweites Teilmolekül einer positiven zweiten elektrischen Ladung gespalten werden können. An electrically uncharged substance is added to this rinsing solution used for rinsing or to another solution 412 which is supplied in a further phase, and which contains molecules 409 which, by means of the enzyme on hybridized DNA strands 407, result in a first sub-molecule of a negative first electrical charge and in a second sub-molecule of a positive second electrical charge can be split.

Die negativ geladenen Teilmoleküle werden, wie in Fig. 4c gezeigt ist, zu der positiv geladenen Anode gezogen, wie durch den Pfeil 411 in Fig. 4c angedeutet ist. The negatively charged submolecules, as shown in FIG. 4c, are drawn to the positively charged anode, as indicated by the arrow 411 in FIG. 4c.

Die negativ geladenen ersten Teilmoleküle 410 werden an der ersten Elektrode 401, die als Anode ein positives elektrisches Potential aufweist, oxidiert und werden als oxidierte Teilmoleküle 413 an die negativ geladene Kathode, d. h. die zweite Elektrode 402 gezogen, wo sie wieder reduziert werden. The negatively charged first partial molecules 410 are oxidized at the first electrode 401 , which has a positive electrical potential as an anode, and are drawn as oxidized partial molecules 413 to the negatively charged cathode, ie the second electrode 402 , where they are reduced again.

Die reduzierten Teilmoleküle 414 wiederum wandern zu der ersten Elektrode 401, d. h. zu der Anode. The reduced sub-molecules 414 in turn migrate to the first electrode 401 , ie to the anode.

Auf diese Weise wird ein elektrischer Kreisstrom generiert, der näherungsweise proportional ist zu der Anzahl der jeweils durch die Enzyme 408 erzeugten Ladungsträger. In this way, an electrical circuit current is generated which is approximately proportional to the number of charge carriers generated by the enzymes 408 in each case.

Der elektrische Parameter, der bei dieser Methode ausgewertet wird, ist die Änderung des elektrischen Stroms dI/dt als Funktion der Zeit t, wie dies in dem Diagramm 500 in Fig. 5 dargestellt ist. The electrical parameter that is evaluated in this method is the change in electrical current dI / dt as a function of time t, as shown in diagram 500 in FIG. 5.

Die für die vorstehenden Verfahren eingesetzten Biosensoren basieren auf Substraten/Chips, die aus anorganischen halbleitenden Materialien wie Silizium hergestellt werden. Dabei kann das halbleitende Material entweder als reines Trägermaterial für die Sensoren genutzt werden, oder es werden im Rahmen des Halbleiter-Herstellungsprozesses zusätzlich zu Erfassungseinheiten wie Elektroden integrierte Schaltungen z. B. mittels der CMOS-Technologie hergestellt. Die letztgenannte Sensorart kann man aufgrund der integrierten Schaltungen auch als aktive Sensoren bezeichnen. Diese Sensoren besitzen gegenüber passiv arbeitenden Sensoren den Vorteil, auch schwache Sensorsignale direkt On-Chip verstärken, be- und verarbeiten zu können. Damit kann z. B. ermöglicht werden, aktive Sensoren mit signifikant kleinerer Sensorfläche und/oder wesentlich höherer Empfindlichkeit gegenüber passiven Varianten herzustellen. The biosensors used for the above procedures are based on substrates / chips made from inorganic semiconducting materials such as silicon. The semiconducting material can either be pure Carrier material can be used for the sensors, or it are part of the semiconductor manufacturing process in addition to detection units such as electrodes integrated Circuits z. B. manufactured using CMOS technology. The latter type of sensor can be based on the integrated circuits also as active sensors describe. These sensors are passive towards working sensors the advantage, even weak ones Amplify, process and process sensor signals directly on-chip to be able to. So z. B. enabled active Sensors with a significantly smaller sensor area and / or much higher sensitivity to passive To produce variants.

Allerdings sind zur Herstellung solcher aktiven Halbleiter- Sensoren relativ teure CMOS-Prozesse erforderlich. Dies lässt sie ungeeignet für bestimmte biotechnologische und biochemische Anwendungen erscheinen, denn diese Anwendungen erfordern in der Regel einen Sensor, der nur einmal verwendet wird und somit preisgünstig sein sollte. Ein Grund für die nur einmalige Verwendung von Sensoren liegt darin, dass man mögliche chemische/biologische Querkontamination der genutzten Flächen von Versuch zu Versuch und daraus resultierende falsche Ergebnisse ausschließen will. However, for the production of such active semiconductor Sensors require relatively expensive CMOS processes. This leaves them unsuitable for certain biotechnological and biochemical applications appear because these applications usually require a sensor that is only once is used and should therefore be inexpensive. A reason for the one-time use of sensors is that you have possible chemical / biological cross-contamination of the areas used from trial to trial and from it want to exclude resulting incorrect results.

Biosensoren auf Basis passiver Halbleiter-Chips, d. h. Sensoren, die keine integrierten Schaltungselemente aufweisen, erfordern großflächige Erfassungselemente, um ein bestimmtes Maß an Empfindlichkeit und Dynamik garantieren zu können. Der Wegfall z. B. eines CMOS-Prozesses verringert zwar die Herstellungskosten solcher Biosensoren gegenüber aktiven Halbleiter-Chips. Allerdings können solche Sensoren grundsätzlich nicht die Leistungsfähigkeit von Sensoren mit aktiven Chips erreichen. Ferner sind die Anforderungen an die für Betrieb und Auslesung erforderlichen externen Geräte wesentlich größer, und die Störungsanfälligkeit durch eingestrahlte elektromagnetischer Strahlung z. B. durch in der Nähe befindlicher Netzteile handelsüblicher elektronischer Geräte ist größer. Biosensors based on passive semiconductor chips, i. H. Sensors that do not have integrated circuit elements have large-area detection elements in order to certain degree of sensitivity and dynamics guarantee can. The elimination of z. B. a CMOS process reduced compared to the manufacturing costs of such biosensors active semiconductor chips. However, such sensors can basically not with the performance of sensors reach active chips. Furthermore, the requirements are the external devices required for operation and reading much larger, and due to the susceptibility to failure radiated electromagnetic radiation z. B. by in nearby power supplies more commercially available electronic equipment is bigger.

Eine andere Möglichkeit, die z. B. der sogenannte eSENSOR von der Firma Motorola nutzt, besteht darin, auf Leiterplatten Goldelektroden aufzubringen. Über der Leiterplatte wird eine zur Oberfläche offene Mikrofluidik-Kammer angebracht, in die der Analyt gepumpt werden kann. Von den einzelnen Elektroden gehen elektrische Verbindungen isoliert zum Rand der Leiterplatte, wo sich Kontakte befinden. Darüber kann die Verbindung zu einem separaten elektronischen Auslesegerät hergestellt werden [vgl. 8, 9]. Durch aufwändige Verfahren bei der Präparation der Oberfläche und der biochemischen Markierung des Analyten kann erreicht werden, dass das Lesegerät einen Unterschied im Lesestrom zwischen solchen Elektroden feststellen kann, auf denen eine Reaktion stattgefunden hat und solchen, an deren Oberfläche keine Reaktion stattgefunden hat. Another possibility, the z. B. the so-called eSENSOR from Motorola uses PCBs Apply gold electrodes. There will be a attached to the surface open microfluidic chamber in which the analyte can be pumped. From the individual electrodes electrical connections go insulated to the edge of the PCB where contacts are located. About that Connection to a separate electronic reading device are produced [cf. 8, 9]. Through complex procedures in the preparation of the surface and the biochemical Labeling of the analyte can be achieved that the Reading device a difference in reading current between such Electrodes can determine on which a reaction has taken place and those on the surface of which none Reaction has taken place.

Das Prinzip des eSENSORs ist aufgrund der externen Anordnung der Messelektronik jedoch erstens wesentlich unempfindlicher und zweitens weniger robust gegenüber elektromagnetisch eingestrahlten Störungen als ein Sensor, bei dem eine Signalverarbeitung auf dem Sensor stattfindet. Darüber hinaus müssen die Elektrodenflächen relativ groß sein, um ein messbares und vor allem vom Sensor ableitbares Signal zu erhalten. The principle of the eSENSOR is due to the external arrangement measurement electronics, however, first of all much less sensitive and second, less robust to electromagnetic radiated interference as a sensor in which a Signal processing takes place on the sensor. About that in addition, the electrode areas must be relatively large in order a measurable signal that can be derived from the sensor receive.

Nachteilig für passive Halbleiter-Sensoren und Sensoren gemäß dem eSENSOR-Prinzip ist ferner, dass mit der benötigten Fläche auch das für eine Messung und erfolgreiche Erfassung erforderliche Probenvolumen ansteigt. Bei nur kleinen verfügbaren Probenvolumina sind solche Sensoren daher nur schlecht, wenn überhaupt geeignet. A disadvantage for passive semiconductor sensors and sensors according to the eSENSOR principle is also that with the required area also for a measurement and successful Collection required sample volume increases. At only Small available sample volumes are such sensors therefore only bad, if at all suitable.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen alternativen Sensor für die Erfassung von makromolekularen Biopolymeren bereitzustellen. The problem underlying the invention is an alternative Sensor for the detection of macromolecular biopolymers provide.

Das Problem wird durch den Biosensor und das Verfahren zur Herstellung eines Biosensors mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. The problem is caused by the biosensor and the method Manufacture of a biosensor with the features according to the independent claims solved.

Ein solcher Biosensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren ist ein Sensor mit mindestens einer Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren, mit mindestens einer Erfassungseinheit zum Erfassen eines Detektionssignals, mit dem die Existenz makromolekularer Biopolymere angezeigt wird, sowie mit einer mit der Erfassungseinheit gekoppelten Auswerteschaltung für das Signal, wobei die Auswerteschaltung mindestens ein Bauelement mit einer halbleitenden Schicht mit einem organischen Material aufweist. Such a biosensor for the detection of macromolecular Biopolymer is a sensor with at least one unit for Immobilize macromolecular biopolymers with at least one detection unit for detecting a Detection signal with which the existence of macromolecular Biopolymers appears, as well as with one with the Detection unit coupled evaluation circuit for the Signal, the evaluation circuit having at least one component with a semiconducting layer with an organic Has material.

Einfach ausgedrückt beruht das vorliegende Verfahren auf der Erkenntnis, dass die Verwendung von elektrischen Bauelementen mit mindestens einer halbleitenden Schicht mit einem organischen Material, z. B. einer Schicht mit einem organischen halbleitenden Material, in einer Auswerteschaltung eine Reihe von Vorteilen birgt. So können derartige Sensoren mit erheblich geringerem prozesstechnischen Aufwand hergestellt werden als Sensoren auf Basis anorganischer Halbleiter. Die Anzahl der erforderlichen Prozessschritte kann von etwa 300 für Sensoren auf Siliziumbasis auf ca. 50 bei den vorliegenden Sensoren verringert werden. Andererseits bietet der Einsatz einer auf dem Sensor befindlichen Auswerteschaltung den Vorteil der "On-Chip"-Signalverarbeitung, die eine hohe Empfindlichkeit beim Messen durch aktive elektrische Komponenten in unmittelbarer Nähe der Erfassungseinheiten bietet. Im Vergleich zu Sensoren auf Basis eines anorganischen Halbleiters wie Silizium, die ebenfalls eine on-Chip- Signalverarbeitung ermöglichen, ist die Produktion des Biosensor der Erfindung allerdings wesentlich preisgünstiger. Die vorliegende Erfindung eröffnet somit den Weg zu einem Sensor, der aufgrund der Kostensituation als Einwegprodukt eingesetzt werden kann. Simply put, the present method is based on the Realization that the use of electrical components with at least one semiconducting layer with one organic material, e.g. B. a layer with a organic semiconducting material, in one Evaluation circuit has a number of advantages. So can such sensors with significantly less Process engineering effort are produced as sensors based on inorganic semiconductors. The number of Process steps required can range from around 300 for sensors based on silicon to about 50 in the present sensors be reduced. On the other hand, the use of one the evaluation circuit located the sensor the advantage of "On-chip" signal processing, which is high sensitivity when measuring by active electrical components in offers close proximity to the registration units. in the Comparison to sensors based on an inorganic Semiconductor such as silicon, which is also an on-chip Enable signal processing is the production of the Biosensor of the invention, however, much cheaper. The present invention thus opens the way to one Sensor that due to the cost situation as a disposable product can be used.

Die halbleitende Schicht des Bauelements kann eine Schicht sein, die ein organisches inertes Polymermaterial als ein (elektrisch inertes) Matrixmaterial aufweist, in das anorganische halbleitende Partikel eingebettet sind. Bei dieser Schicht werden die Halbleiter-Eigenschaften folglich von anorganischen halbleitenden Materialien erfüllt. Dabei kann jedes bekannte anorganische halbleitende Material eingesetzt werden. Allerdings finden, unter anderem aus Kostengründen, vorzugsweise gängige Halbleitermaterialien wie Silizium, Siliziumcarbid, Germanium, Galliumarsenid, Galliumnitrid, Indiumphosphid, Cadmiumselenid oder Mischungen davon Anwendung in der vorliegenden Erfindung. Ein besonders bevorzugtes Material ist polykristallines Silizium, das unter anderem als Abfall in der Herstellung von Silizium- Einkristallen beim Zonenschmelzen anfällt und das für die Verwendung als anorganisches Halbleitermaterial hier lediglich zerkleinert werden muss. Das Halbleitermaterial kann dotiert oder undotiert sein. The semiconducting layer of the component can be a Layer that is an organic inert polymer material as has an (electrically inert) matrix material in which inorganic semiconducting particles are embedded. at this layer therefore the semiconductor properties of inorganic semiconducting materials. there can be any known inorganic semiconducting material be used. However, find out, among other things Cost reasons, preferably common semiconductor materials such as Silicon, silicon carbide, germanium, gallium arsenide, Gallium nitride, indium phosphide, cadmium selenide or mixtures thereof application in the present invention. A special one preferred material is polycrystalline silicon, which is under other than waste in the manufacture of silicon Single crystals occur during zone melting and that for them Use as an inorganic semiconductor material here only needs to be crushed. The semiconductor material can be doped or undoped.

Die Partikelgröße des hier verwendeten anorganischen halbleitenden Materials beträgt im allgemeinen zwischen 100 µm und 1 nm, vorzugsweise zwischen 50 µm und 0,1 µm oder 0,05 µm. So können z. B. auch n- und p-leitfähige Nanopartikel, wie in [10] beschrieben, die in eine organische Matrix eingebettet sind, verwendet werden. The particle size of the inorganic used here semiconducting material is generally between 100 microns and 1 nm, preferably between 50 µm and 0.1 µm or 0.05 µm. So z. B. also n- and p-conductive nanoparticles, as described in [10], which is in an organic matrix are embedded, used.

Als elektrisch inertes organisches Matrixmaterial kann prinzipiell jedes der Polymermaterialien verwendet werden, die nachfolgend als Polymermaterialien zur Ausbildung des Gate-Dielektrikums bei Transistoren oder als Trägermaterial des Biosensor genannt werden. Can be used as an electrically inert organic matrix material basically any of the polymer materials are used the following as polymer materials for the formation of Gate dielectric for transistors or as a carrier material of the biosensor.

Die Schicht, in die die anorganischen halbleitenden Partikel in ein organisches Matrixmaterial eingebettet sind, kann ferner ein unterstützendes halbleitendes organisches Material (als Matrixmaterial) enthalten. Dieses Material können die oben genannten organischen halbleitende Polymere wie Polythiophen, Polyanilin, Poly-p-phenylen und dgl., sein. Gleichfalls können auch monomere bzw. niedermolekulare, unterstützende (halbleitende) organische Additive wie Pentazen oder Oligothiophene (beispielsweise mit 1 bis 10 Thiophen-Einheiten, vorzugsweise 6 Thiophen-Einheiten) als derartiges organisches Material enthalten sein. Der Anteil solcher unterstützenden Polymere und Additive in der halbleitenden Schicht beträgt in der Regel ungefähr 0,5 bis 25 Vol.-%, vorzugsweise maximal 10 Vol.-%. The layer in which the inorganic semiconducting particles can be embedded in an organic matrix material also a supporting semiconducting organic material (as matrix material) included. They can use this material organic semiconducting polymers such as above Polythiophene, polyaniline, poly-p-phenylene and the like. Likewise, monomeric or low molecular weight, supporting (semiconducting) organic additives such as Pentazen or oligothiophenes (e.g. with 1 to 10 Thiophene units, preferably 6 thiophene units) as such organic material may be included. The amount such supporting polymers and additives in the semiconducting layer is usually about 0.5 to 25 vol .-%, preferably at most 10 vol .-%.

Zum anderen kann die halbleitende Schicht des Bauelements der Auswerteschaltung ein organisches halbleitendes Material aufweisen, d. h. in diesem Fall werden die Halbleitereigenschaften des Schicht durch das organische Material bewirkt. Hierbei sei angemerkt, dass die nachfolgend für diesen Zweck offenbarten organischen Halbleitermaterialien auch in eine anorganische Halbleitermaterialien enthaltende Matrix aufgenommen werden können. On the other hand, the semiconducting layer of the component can Evaluation circuit an organic semiconducting material have d. H. in this case the Semiconductor properties of the layer through the organic Material causes. It should be noted that the following organic disclosed for this purpose Semiconductor materials also in an inorganic Matrix containing semiconductor materials are included can.

In folgenden wird die Erfindung weitestgehend unter Bezugnahme auf Bauelemente mit Schichten, die ein organisches halbleitendes Material aufweisen, erläutert. Die dort gemachten Aussagen treffen selbstverständlich auch für ein Bauelement zu, das eine Schicht aus organischem Matrixmaterial und darin eingebetteten anorganische Halbleiterpartikeln aufweist. In the following, the invention is largely as follows Reference to components with layers that are organic have semiconducting material, explained. These statements made naturally also apply to Component too, which is a layer of organic Matrix material and inorganic embedded in it Has semiconductor particles.

Das Bauelement der Auswerteschaltung mit der organischen halbleitenden Schicht kann sowohl ein passives Bauelement wie ein Widerstand oder ein Kondensator als auch ein aktives Bauelement wie eine Diode oder ein Transistor sein. The component of the evaluation circuit with the organic semiconducting layer can be a passive component as well a resistor or a capacitor as well as an active one Component like a diode or a transistor.

Selbstverständlich kann die Auswerteschaltung auch mehrere passive und/oder aktive Bauelemente mit zumindest einer organischen Schicht aufweisen. Of course, the evaluation circuit can also have several passive and / or active components with at least one have organic layer.

Eine solche Diode kann z. B. nur eine Schicht mit einem n- oder p-halbleitenden organischen Material oder sowohl eine Schicht aus einem n-leitenden und eine Schicht aus einem p- leitenden organischen Halbleitermaterial aufweisen (vgl. [11, 12]). Als p-halbleitendes organisches Material kann z. B. das Polymer Polyvinylcarbazol (vgl. [11]), Polythiophen, insbesondere die regioregulären Vertreter, wie RR-Poly-3- hexyl-thiophen oder RR-Poyl-3-octyl-thiophen, Phthalocyanine wie Kupferphthalocyanin oder p-Halbleiter auf der Basis von kondensierten aromatischen Ringsystemen wie Pentazen, Anthracen oder Tetracen verwendet werden. Geeignete n- halbleitende organische Materialien basieren z. B. auf elektronenarmen aromatischen Verbindungen. Beispiele sind die Amidoderivate des Naphthalintetracarbonsäuredianhydrids oder fluorierte Derivate des Phthalocyanins oder Thiophens wie z. B. Bis(N-1,1-Dihydro-pentadecafluorooctyl)naphthalin- bisimid bzw. Bis(N-1,1-Dihydroheptafluoroproyl)naphthalin- bisimid [13] oder Hexadecaflurokupferphthalocyanine [14]. Such a diode can e.g. B. only one layer with an n- or p-semiconducting organic material or both one Layer of an n-type and a layer of a p- have conductive organic semiconductor material (cf. [11, 12]). As p-semiconducting organic material z. B. that Polymer polyvinyl carbazole (cf. [11]), polythiophene, especially the regional representatives, like RR-Poly-3- hexyl-thiophene or RR-poly-3-octyl-thiophene, phthalocyanines such as copper phthalocyanine or p-semiconductors based on condensed aromatic ring systems such as pentazene, Anthracene or tetracene can be used. Suitable n semiconducting organic materials are based e.g. B. on electron-poor aromatic compounds. Examples are Amido derivatives of naphthalene tetracarboxylic acid dianhydride or fluorinated derivatives of phthalocyanine or thiophene such as z. B. bis (N-1,1-dihydro-pentadecafluorooctyl) naphthalene bisimide or bis (N-1,1-dihydroheptafluoroproyl) naphthalene bisimide [13] or hexadecafluro copper phthalocyanines [14].

Widerstände oder Kondensatoren mit organischen halbleitenden Materialien können z. B. analog zu den in Fig. 4 bzw. Fig. 6 von [11] beschriebenen Widerständen oder Kondensatoren aufgebaut sein. Diese (passiven) Bauelemente können, wie in [11] beschrieben, mit Hilfe von Inkjet-Techniken hergestellt werden. Ganz allgemein können diese aber auch durch Standardlithographie- und Metallisierungsverfahren hergestellt werden. Resistors or capacitors with organic semiconducting materials can e.g. B. be constructed analogously to the resistors or capacitors described in FIG. 4 or FIG. 6 of [11]. As described in [11], these (passive) components can be manufactured using inkjet techniques. In general, however, these can also be produced using standard lithography and metallization processes.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Biosensors ist das mindestens eine Bauelement der Auswerteschaltung ein Transistor. Dabei ist ein Transistor bevorzugt, bei dem die Schicht mit dem organisch halbleitenden Material den Body- Bereich des Transistors bildet. Insbesondere wird für die Auswerteschaltung ein Transistor bevorzugt, der ein organischer Dünnfilm-Transistor ist. Unter dem Body-Bereich wird dabei der Bereich verstanden, in dem sich der Kanal des Transistors ausbilden kann. In a preferred embodiment of the biosensor at least one component of the evaluation circuit Transistor. A transistor is preferred in which the Layer with the organic semiconducting material the body Area of the transistor forms. In particular, for the Evaluation circuit preferred a transistor, the one is organic thin film transistor. Under the body area the area is understood in which the channel of the Can form transistor.

Derartige Transistoren sind prinzipiell z. B. aus [15] bis [17] bekannt. Sie können zum einen Transistoren sein, bei denen lediglich eine Schicht mit halbleitendem organischen Material vorhanden ist, wie die z. B. in [15] und [16] beschriebenen. Such transistors are in principle z. B. from [15] to [17] known. On the one hand, they can be transistors, at which is just a layer with semiconducting organic Material is present, such as the z. B. in [15] and [16] . described

Bei diesen Transistoren ist auf einem geeigneten Substrat zunächst eine metallische Gate-Elektrode (z. B. aus Nickel) aufgebracht (vgl. Fig. 1), über der sich eine Schicht aus einem Dielektrikum sowie die Kontakte für Source und Drain befinden. Das Dielektrikum kann dabei aus einem anorganischen Isolatormaterial wie Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid bestehen. Allerdings ist es auch möglich, die Schicht des Dielektrikums aus oder mit einem dielektrischen Kunststoffmaterial wie Polyvinylphenol, Polyvinylidenfluorid etc. oder Polyvinylalkohol auszubilden. Die Kontakte (Elektroden) für Source und Drain können beispielsweise aus Palladium oder Platin hergestellt sein. In the case of these transistors, a metallic gate electrode (for example made of nickel) is first applied to a suitable substrate (see FIG. 1), over which there is a layer made of a dielectric and the contacts for source and drain. The dielectric can consist of an inorganic insulator material such as silicon dioxide or silicon nitride. However, it is also possible to form the layer of the dielectric from or with a dielectric plastic material such as polyvinylphenol, polyvinylidene fluoride etc. or polyvinyl alcohol. The contacts (electrodes) for source and drain can be made of palladium or platinum, for example.

Zwischen Source und Drain befindet sich (als einzige organische elektrisch aktive Schicht) eine Schicht aus dem organischen Halbleiter Pentazen, die folglich den Body- /Kanalbereich des Transistors bildet. Gegebenenfalls kann über dieser halbleitenden Schicht eine Passivierungsschicht aus einem elektrisch isolierenden anorganischem Material wie Siliziumdioxid oder einem isolierenden Polymermaterial wie Polyvinylalkohol, Polyvinylphenol, Polyvinylidenfluorid etc. ausgebildet sein. Between source and drain is (the only one organic electrically active layer) a layer from the organic semiconductors pentazen, which consequently / Channel area of the transistor forms. If necessary a passivation layer over this semiconducting layer made of an electrically insulating inorganic material such as Silicon dioxide or an insulating polymer material such as Polyvinyl alcohol, polyvinylphenol, polyvinylidene fluoride etc. be trained.

Die Transistoren können jedoch auch vollständig aus organischen Materialien, vorzugsweise organischen Polymer- und Oligomer-Materialien gebildet werden. However, the transistors can also be completely switched off organic materials, preferably organic polymer and oligomer materials are formed.

So können z. B. wie in [17] beschrieben, auf einem Substrat Source, Gate und Drain-Elektrode aus einem elektrisch leitenden Polymermaterial wie Poly(3,4-ethylendioxythiophen), das mit Polystryolsulfonsäure (PEDOT/PSS) dotiert ist, bestehen. Der Body-Bereich kann wiederum z. B. aus Pentazen oder einem Oligomermaterial wie Poly(9,9-dioctylfluoren-co- bithiophen) (F8T2) hergestellt sein. So z. B. as described in [17], on a substrate source, gate and drain electrode made of an electrically conductive polymer material such as poly ( 3 , 4- ethylenedioxythiophene), which is doped with polystyrene sulfonic acid (PEDOT / PSS). The body area can in turn z. B. from pentazene or an oligomer material such as poly (9,9-dioctylfluorene-co-bithiophene) (F8T2).

Die Schicht des Gate-Dielektrikums sowohl dieser Transistoren als auch die der oben beschriebenen Transistoren, bei denen organische und anorganische Materialien kombiniert werden, kann aus einem dielektrischen organischen Polymermaterial bestehen. Beispiele für hier einsetzbare Polymermaterialien sind gängige dielektrische synthetische Kunststoffe wie Epoxidharze, Polyalkylene wie Polyethylen- oder Polypropylenharze, Polyvinylalkohole, Polystyrole, Polyurethane, Polyimide, Polybenzoxazole, Polythiazole, Polyether, Polyetherketone, Polyacrylate, Polyterephthalate, Polyethylennaphthalat, Polycarbonate aller Art und andere bekannte derartige Kunststoffe, wie sie beispielsweise in [18] beschrieben sind. Die verwendeten organischen Polymere können dabei vorzugsweise trockenbare und härtbare Materialien, vorzugsweise IR- und/oder UV-härtbare Polymere wie Polystyrole, Epoxidharze, Polyalkylene, Polyimide, Polybenzoxazole, Polyacrylate sein. The layer of the gate dielectric of both of these transistors as well as that of the transistors described above, in which organic and inorganic materials are combined, can be made of a dielectric organic polymer material consist. Examples of polymer materials that can be used here are common dielectric synthetic plastics such as Epoxy resins, polyalkylenes such as polyethylene or Polypropylene resins, polyvinyl alcohols, polystyrenes, Polyurethanes, polyimides, polybenzoxazoles, polythiazoles, Polyethers, polyether ketones, polyacrylates, polyterephthalates, Polyethylene naphthalate, all kinds of polycarbonates and others known plastics of this type, as described, for example, in [18] are described. The organic polymers used can preferably be dryable and curable Materials, preferably IR and / or UV curable polymers such as polystyrenes, epoxy resins, polyalkylenes, polyimides, Be polybenzoxazoles, polyacrylates.

Die Verwendung von Transistoren, die zum Teil oder vollständig aus organischen Materialien bestehen, bietet den Vorteil, dass sie und somit auch entsprechenden Schaltungen durch Drucktechniken wie Tintenstrahldruck hergestellt werden können, was eine erhebliche Vereinfachung des Herstellungsprozesses sowie eine Verringerung der Kosten mit sich bringt. The use of transistors, some or are made entirely of organic materials Advantage that they and therefore corresponding circuits be made by printing techniques such as ink jet printing can, which is a significant simplification of the Manufacturing process as well as a reduction in costs brings itself.

Darüber hinaus bietet die Verwendung derartiger Transistoren gegenüber den gängigen Silizium-Transistoren die Möglichkeit hoher Betriebsspannungen von z. B. > 10 V. Dies ist bei dem hier offenbarten Biosensor insofern von Vorteil, als dadurch elektrophoretische Prozesse bei der Erfassung der makromolekularen Biopolymere ausgenutzt werden können, wobei die dafür benötigten Spannungen von den zur Verfügung stehenden Bauelementen problemlos gehandhabt werden können, da diese auch mit relativ hohen Spannungen arbeiten. Dies ist z. B. bei den Standard-Transistoren in modernen CMOS-Prozessen nicht mehr der Fall, die Betriebsspannungen für die Standarddevices liegen dort unterhalb von 2 V. In addition, the use of such transistors offers compared to the common silicon transistors high operating voltages of e.g. B.> 10 V. This is with the the biosensor disclosed here is advantageous in that it does so electrophoretic processes in the acquisition of the Macromolecular biopolymers can be used, whereby the voltages required for this from the available standing components can be handled easily, since they also work with relatively high voltages. This is z. B. with the standard transistors in modern CMOS processes no longer the case, the operating voltages for the Standard devices are below 2 V.

Mit Hilfe der Elektrophorese kann z. B. auf planaren Sensoren die Anreicherung und (Auf)-Konzentration von Biomolekülen in der Nähe der Elektrodenflächen betrieben werden und damit auch die z. B. für den Vorgang der Hybridisierung notwendige Zeitdauer signifikant verkürzt werden. Sofern der Hybridisierungsvorgang auf planaren Biosensoren ausschließlich diffusionsgesteuert abläuft, sind Hybridisierungszeiten bis zu einigen Tagen bekannt, so dass dieser Vorgang in der Tat einen wesentlichen Zeitfaktor darstellt und der vorliegende Biosensor einen Vorteil gegenüber konventionellen Sensoren aufweist. With the help of electrophoresis z. B. on planar sensors the enrichment and (up) concentration of biomolecules in be operated in the vicinity of the electrode surfaces and thus also the z. B. necessary for the process of hybridization Time can be significantly reduced. If the Hybridization process on planar biosensors is only diffusion-controlled Hybridization times up to a few days are known, so that this process is in fact a significant time factor represents and the present biosensor an advantage compared to conventional sensors.

Als organisches halbleitendes Material kann bei dem hier beschriebenen Biosensor prinzipiell jedes organische Material eingesetzt werden, das elektrische Eigenschaften und Verhalten eines Halbleiter-Materials zeigt. Vorzugsweise wird das halbleitende organische Material aus der Gruppe ausgewählt, die aus Pentazen, Anthrazen, Tetrazen, Oligothiophen, Polythiophen, Polyanilin, Poly-p-phenylen, Poly-p-phenyl-vinylen, Polypyrrol, Phthalocyanin, Porphyrin und Derivaten davon besteht. Daraus wird ersichtlich, dass das halbleitende Material ein "molekulares System" wie Pentazen, Anthracen, Tetracen, Phthalocyanin, Porphyrin oder Oligothiophen sein kann oder ein "polymeres System" (eine oder mehrere Polymerverbindungen) wie z. B. Polythiophen, Polyanilin, Poly-p-phenylen, Poly-p-phenylvinylen, Polypyrrol sein kann. As an organic semiconducting material, here described biosensor in principle any organic material be used, the electrical properties and Behavior of a semiconductor material shows. Preferably the semiconducting organic material from the group selected from pentazene, anthracene, tetrazene, Oligothiophene, polythiophene, polyaniline, poly-p-phenylene, Poly-p-phenyl-vinylene, polypyrrole, phthalocyanine, porphyrin and derivatives thereof. This shows that the semiconducting material like a "molecular system" Pentazen, Anthracen, Tetracen, Phthalocyanin, Porphyrin or Can be oligothiophene or a "polymeric system" (a or more polymer compounds) such. B. polythiophene, Polyaniline, poly-p-phenylene, poly-p-phenylvinylene, polypyrrole can be.

Ein weiteres Beispiel für ein in Monomerform vorliegendes molekulares System sind die Fullerene wie C₆₀-, C₇₀-, C₇₆- (Buckminster)-Fullerene. Ein Beispiel für geeignete Derivate eines der oben genannten Materialien sind das zuvor schon genannte Poly(9,9-dioctylfluoren-co-bithiophen) oder Poly(3- alkyltiophene) wie Poly(3-hexyl-thiophen) oder Poly(3- octyl-thiophen). Ein Beispiel für Oligothiophene sind Verbindungen mit 1 bis 10 Thiophen-Einheiten, vorzugsweise 6 Thiophen-Einheiten. Beispiele für halbleitende Phthalocyanine oder Porphyrine sind die entsprechenden (metallorganischen) Komplexe des Kupfers wie Kupferphthalocyanin oder Perfluorokupferphthalocyanin. Es ist im Sinne der Erfindung möglich, die halbleitenden organischen Materialien alleine, oder, falls gewünscht, auch als Mischungen aus mindestens zwei solcher Materialien einzusetzen. Another example of a molecular system in monomer form are the fullerenes such as C ₆₀ -, C ₇₀ -, C ₇₆ - (Buckminster) fullerenes. An example of suitable derivatives of one of the above materials are the previously mentioned poly (9,9-dioctylfluorene-co-bithiophene) or poly (3-alkyl tiophene) such as poly (3-hexyl-thiophene) or poly (3-octyl) thiophene). An example of oligothiophenes are compounds with 1 to 10 thiophene units, preferably 6 thiophene units. Examples of semiconducting phthalocyanines or porphyrins are the corresponding (organometallic) complexes of copper, such as copper phthalocyanine or perfluorocopper phthalocyanine. For the purposes of the invention, it is possible to use the semiconducting organic materials alone or, if desired, as mixtures of at least two such materials.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Biosensors besteht die gesamte Auswerteschaltung aus Transistoren mit zumindest einer Schicht aus einem organischen halbleitenden Material. Eine solche Schaltung kann z. B. ca. 10 oder einige wenige 10 Transistoren enthalten, falls, wie in [19] beschrieben, nur simple Schaltmatrizen aufgebaut werden sollen. Im Falle der Integration komplizierterer Schaltungen wie Verstärker etc., was zu einem Performancegewinn führt und somit die bevorzugte Lösung ist, kann die Auswerteschaltung zwischen ca. 50 und einigen 100 Transistoren enthalten. Beispiele für derartige Auswerteschaltungen sind in [20] offenbart. In a preferred embodiment of the biosensor the entire evaluation circuit of transistors with at least a layer of an organic semiconducting material. Such a circuit can e.g. B. about 10 or a few 10th If described as described in [19], transistors only contain simple switching matrices are to be built. In case of Integration of more complicated circuits such as amplifiers etc., which leads to a performance gain and thus the preferred Solution is, the evaluation circuit can be between approx. 50 and some 100 transistors included. Examples of such Evaluation circuits are disclosed in [20].

Unter Erfassen wird im Sinne der Erfindung sowohl der qualitative als auch quantitative Nachweis von makromolekularen Biopolymeren in einem (zu untersuchenden) Analyten verstanden. Dies bedeutet, dass der Begriff "Erfassen" ebenfalls einschließt, die Abwesenheit von makromolekularen Biopolymeren im Analyten festzustellen. Under detection is in the sense of the invention both qualitative as well as quantitative detection of macromolecular biopolymers in one (to be investigated) Understand analytes. This means that the term "Capture" also includes the absence of determine macromolecular biopolymers in the analyte.

Dabei kann ein nachzuweisendes Biopolymer einerseits ein Molekül sein, dass mittels eines Fängermoleküls, das sich auf einer Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren befindet, erfasst wird. Andererseits kann ein zu erfassendes Molekül auch aus einer Probe/einem Analyt heraus auf eine Einheit zum Immobilisieren aufgebracht werden und dann mit einem Molekül, das (spezifische) Bindungsaffinität für das nachzuweisende Molekül aufweist, unter Verwendung des hier offenbarten Biosensors nachgewiesen werden. On the one hand, a biopolymer to be detected can Be a molecule that uses a catcher molecule that is on a unit for immobilizing macromolecular Biopolymers is detected. On the other hand, one can detecting molecule also from a sample / analyte applied to an immobilization unit and then with a molecule that has (specific) binding affinity for the molecule to be detected, using the biosensor disclosed here can be detected.

Unter einer "Erfassungseinheit zum Erfassen eines Detektionssignals" wird hier eine Einheit verstanden, die in der Lage ist, ein Detektionssignal zu erfassen, mit dem die Existenz makromolekularer Biopolymere angezeigt wird. Ein solches Signal wird mittelbar oder unmittelbar durch die Ausbildung eines Komplexes aus zu erfassendem makromolekularen Biopolymer und einem geeigneten Fängermoleküls hervorgerufen. Ein Beispiel für ein unmittelbar hervorgerufenes Detektionssignal ist eine Kapazitätsänderung, die zwischen zwei Elektroden durch eine Komplexbildung aus Fängermolekül und zu erfassendem Molekül (z. B. Ausbildung eines doppelsträngigen Nukleinsäuremoleküls oder eines Antigen-Antikörper-Komplexes) verursacht wird (vgl. Fig. 2). Ein Beispiel für ein Detektionssignal, das mittelbar durch eine Komplexbildung hervorgerufen wird, ist Fluoreszenzstrahlung, die von einer an einem der beiden Bindungspartner befindlichen Markierung emittiert wird, oder ein elektrischer Kreisstrom, der durch eine redox-aktive Markierung initiiert wird (vgl. Figur). A “detection unit for detecting a detection signal” is understood here to mean a unit that is able to detect a detection signal with which the existence of macromolecular biopolymers is indicated. Such a signal is caused indirectly or directly by the formation of a complex of the macromolecular biopolymer to be detected and a suitable capture molecule. An example of an immediately generated detection signal is a change in capacitance, which is caused between two electrodes by a complex formation of the capture molecule and the molecule to be detected (e.g. formation of a double-stranded nucleic acid molecule or an antigen-antibody complex) (cf. FIG. 2). , An example of a detection signal that is indirectly caused by complex formation is fluorescence radiation, which is emitted by a label located on one of the two binding partners, or an electrical circuit current, which is initiated by a redox-active label (see figure).

Daraus wird ersichtlich, dass bei dem Biosensor der Erfindung als Erfassungseinheit jede geeignete Einheit eingesetzt werden kann, die ein Detektionssignal vorzugsweise physikalisch oder chemisch erfassen kann, und zur weiteren Auswertung an eine Auswerteschaltung weiterleiten kann. From this it can be seen that in the biosensor of the invention any suitable unit is used as the registration unit can be a detection signal preferably can record physically or chemically, and further Can forward evaluation to an evaluation circuit.

Beispiele für solche Erfassungseinheiten sind Elektroden, die z. B. bei Impedanzmessungen oder Messungen eines oben genannten elektrischen Kreisstromes eingesetzt werden können. Andere Beispiele sind Photodioden oder Charge Coupled Devices (CCDs, CCD-Kameras), die zur Erfassung von emittierter Strahlung wie Fluoreszenz- oder Chemilumineszenz-Strahlung, Anwendung finden können. Examples of such detection units are electrodes that z. B. in impedance measurements or measurements one above mentioned electrical circuit current can be used. Other examples are photodiodes or charge coupled devices (CCDs, CCD cameras) used to capture emitted Radiation such as fluorescence or chemiluminescence radiation, Can find application.

Bei der z. B. auf eine Photodiode zurückgreifenden Ausgestaltung des Biosensors wird zur Erfassung der Biopolymere ein elektrisches Signal verwendet, das die Folge der ersten Stufe der Erfassungseinheit ist, die ein optisches Signal wie ein Fluoreszenz- oder Chemilumineszenzsignal in ein elektrisches Signal umsetzt. Dieses elektrische Signal (in) der Erfassungseinheit ist vorzugsweise ein elektrischer Strom wie ein Photostrom oder eine Spannung wie eine Photospannung bei der Photodiode. Die Erfassung dieses optischen Signals und die nachfolgende Auswertung mittels der Auswerteschaltung kann z. B. durch Integration des elektrischen Signals über mehrere Minuten erfolgen. In the z. B. fall back on a photodiode Design of the biosensor is used to record the Biopolymers used an electrical signal that resulted the first stage of the registration unit, which is an optical Signal such as a fluorescent or chemiluminescent signal in converts an electrical signal. This electrical signal (in) the detection unit is preferably an electrical one Current like a photocurrent or a voltage like one Photo voltage at the photodiode. Capturing this optical signal and the subsequent evaluation using the Evaluation circuit can, for. B. by integrating the electrical signal over several minutes.

Die als Erfassungseinheit eingesetzte Photodiode weist in einer bevorzugten Ausgestaltung ein halbleitendes organisches Material (als das "aktive" Material) auf. Dieses Material kann eine organische Polymerverbindung wie Poly-p- phenylenvinylen (PVP) und eine andere vorstehend in Zusammenhang mit den halbleitenden Bodymaterialien genannte Polymerverbindung sein oder ein Molekül/"molekulares System" wie PV-Oligomere, Fluorenderivate und dergleichen sein (vgl. oben). Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass sowohl die Erfassungseinheit als auch in die Auswerteschaltung aus Materialien bestehen, die mit einem Druckverfahren als Herstellungsverfahren kompatibel sind und somit eine verhältnismäßig einfache Fertigung erlauben. The photodiode used as the detection unit has in a preferred embodiment, a semiconducting organic Material (as the "active" material). This material can be an organic polymer compound such as poly-p- phenylene vinylene (PVP) and another above in Relation to the semiconducting body materials Be a polymer compound or a molecule / "molecular system" such as PV oligomers, fluorene derivatives and the like (cf. above). This configuration has the advantage that both the Registration unit as well as in the evaluation circuit Materials are made using a printing process called Manufacturing processes are compatible and therefore a allow relatively simple manufacture.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Photodiode darüber hinaus eine Filterschicht auf, die zur Verringerung oder zum Abhalten der Anregungsstrahlung dient. Es ist auch möglich, die Filterschicht über die ganze Fläche des Sensors auszubilden und nicht nur über die individuellen Photodioden. Möglich ist es auch, mit der Filterschicht denjenigen Bereich des Sensors komplett abzudecken, in dem Photodioden realisiert sind. In a further advantageous embodiment, the In addition, the photodiode has a filter layer which is used for Reduction or to prevent the excitation radiation. It is also possible to apply the filter layer over the entire area of the sensor and not just the individual Photodiodes. It is also possible with the filter layer completely cover that area of the sensor in which Photodiodes are realized.

Für diese Filterschicht werden wiederum vorzugsweise organische Materialien wie organische Farbstoffe verwendet werden. Beispiel zur Ausbildung einer Filterschicht geeignete Materialien sind Nitro und Nitroso-, Azo-, Di- und Triarylmethan, Xanthen-, Acridin-, Phenoxazin-, Phenothiazin-, Phenazin- oder Indigofarbstoffe. Die Filterwirkung ist abhängig von der verwendeten Anregungsstrahlung und kann auf das jeweilige gewählte System angepasst werden. Im allgemeinen liegt die Anregungsstrahlung im Bereich von 250 nm bis 900 nm. Die Filterschicht ist daher so gestaltet ist, dass sie für den jeweilig gewählten Bereich undurchlässig ist. Vorzugsweise wird Licht/elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge kleiner als 500 nm oder 550 nm durch die Filterschicht abgehalten/abgeschirmt, d. h. die Filterschicht ist vorzugsweise als "Blaufilter" ausgestaltet. In turn, are preferred for this filter layer used organic materials such as organic dyes become. Example suitable for forming a filter layer Materials are nitro and nitroso, azo, di and Triarylmethane, xanthene, acridine, phenoxazine, phenothiazine, Phenazine or indigo dyes. The filter effect is depending on the excitation radiation used and can on the selected system can be adjusted. in the the excitation radiation is generally in the range of 250 nm up to 900 nm. The filter layer is therefore designed that they are impermeable to the respectively selected area is. Light / electromagnetic radiation is preferably used a wavelength less than 500 nm or 550 nm through the Filter layer held / shielded, d. H. the filter layer is preferably designed as a "blue filter".

Unter "Einheit zum Immobilisieren" wird im Sinne der Erfindung eine Anordnung verstanden, die eine Oberfläche aufweist, auf der erste Moleküle, die entweder Fängermoleküle oder zu erfassende Moleküle sein können, immobilisiert werden können, d. h. eine Oberfläche, an die Fängermoleküle durch physikalische oder chemische Wechselwirkungen binden können. Diese Wechselwirkungen schließen hydrophobe, ionische oder elektrostatische Wechselwirkungen und kovalente und komplexierende Bindungen ein. Beispiele für geeignete Oberflächen-Materialien, die für mindestens eine Einheit zur Immobilisierung verwendet werden können, sind Metalle wie Gold, Kunststoffe wie Polyethylen- oder Polypropylen oder anorganische Stoffe wie Siliziumdioxid. Falls die Oberfläche der Einheit zum Immobilisieren an sich nicht geeignet für eine Immobilisierung der ersten Moleküle ist, kann sie durch geeignete Funktionalisierung für die Immobilisierung modifiziert werden. Eine solche Funktionalisierung kann z. B. durch eine Ausbildung und Derivatisierung einer Monoschicht wie in [3] auf Seite 25, Zeile 2 bis Seite 31, Zeile 5 oder [21], Fig. 4 beschrieben erfolgen. Zuvor kann die Oberfläche der Einheit zum Immobilisieren noch durch Verfahren wie Plasmaätzen, Gasphasenabscheidung geeigneter Materialien (z. B. durch chemische oder physikalische Abscheidung, (CVD; PVD) aktiviert werden [vgl. 3, Seite 19]. Werden leitfähige Polymermaterialien für die Einheiten zum Immobilisieren verwendet, kann die Immobilisierung auch wie in [22] beschrieben, erfolgen. For the purposes of the invention, “unit for immobilization” is understood to mean an arrangement which has a surface on which first molecules, which can either be capture molecules or molecules to be detected, can be immobilized, ie a surface to which capture molecules can be physically or chemically Can bind interactions. These interactions include hydrophobic, ionic or electrostatic interactions and covalent and complexing bonds. Examples of suitable surface materials that can be used for at least one immobilization unit are metals such as gold, plastics such as polyethylene or polypropylene or inorganic substances such as silicon dioxide. If the surface of the immobilization unit is not in itself suitable for immobilizing the first molecules, it can be modified for the immobilization by suitable functionalization. Such functionalization can e.g. B. by forming and derivatizing a monolayer as described in [3] on page 25, line 2 to page 31, line 5 or [21], Fig. 4. Prior to this, the surface of the immobilization unit can still be activated by methods such as plasma etching, vapor deposition of suitable materials (eg by chemical or physical deposition, (CVD; PVD) [see FIG. 3, page 19]. Become conductive polymer materials for the units used for immobilization, the immobilization can also be carried out as described in [22].

Ein Beispiel für eine physikalische Wechselwirkung, die eine Immobilisierung der z. B. als Fängermoleküle dienenden ersten Moleküle bewirkt, ist eine Adsorption an der Oberfläche. Diese Art der Immobilisierung kann beispielsweise stattfinden, wenn das Mittel zur Immobilisierung ein Kunststoffmaterial ist, das für die Herstellung von Mikrotiterplatten verwendet wird (z. B. Polypropylen). Allerdings ist eine kovalente Verknüpfung der ersten Moleküle an die Einheit zum Immobilisieren bevorzugt, weil dadurch die Orientierung der Moleküle gesteuert werden kann. Die kovalente Verknüpfung kann über jede geeignete Verknüpfungschemie ("Linker-Chemie") erfolgen (vgl. z. B. [21, Fig. 7]). Wie oben erwähnt, können die ersten Moleküle sowohl Fängermoleküle als auch zu erfassende makromolekulare Biopolymere sein. An example of a physical interaction that an immobilization of the z. B. serves as capture molecules serving first molecules is adsorption on the surface. This type of immobilization can take place, for example, if the immobilization agent is a plastic material that is used for the production of microtiter plates (e.g. polypropylene). However, a covalent linkage of the first molecules to the immobilization unit is preferred because the orientation of the molecules can be controlled thereby. The covalent linkage can take place via any suitable linker chemistry ("linker chemistry") (cf., for example, [21, FIG. 7]). As mentioned above, the first molecules can be both capture molecules and macromolecular biopolymers to be detected.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens ist die mindestens eine Einheit zum Immobilisieren auf einer Erfassungseinheit angeordnet. In one embodiment of the method, the at least one Immobilizing unit on a registration unit arranged.

In einer anderen, bevorzugten Ausführungsform des Biosensors ist die Erfassungseinheit zugleich als die mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren ausgebildet. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann bevorzugt, wenn eine oder mehrere Elektroden z. B. zur Impedanzmessung oder einer oder mehrere Feldeffekt- Transistoren als Erfassungseinheit benutzt werden. In another preferred embodiment of the biosensor is the registration unit at the same time as the at least one Unit for immobilizing macromolecular biopolymers educated. This embodiment is particularly then preferred if one or more electrodes e.g. B. for Impedance measurement or one or more field effect Transistors are used as a detection unit.

In einer Ausgestaltung des Biosensors kann die als Erfassungs- und Immobilisierungseinheit dienende Elektrode aus einem Elektrodenarray bestehen. In one embodiment of the biosensor, the Detection and immobilization unit serving electrode consist of an electrode array.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die als Erfassungseinheit dienende Elektrode als Interdigital- Struktur ausgestaltet sein. Diese Ausführungsform ist insbesondere bei Verwendung des Redox- und des Impedanz- Verfahrens zum Auslesen von Vorteil. In a further embodiment of the invention, the as Detection unit serving as an interdigital Structure. This embodiment is especially when using the redox and impedance Readout method is advantageous.

Allgemein kann eine Elektrode des Biosensors aus jedem Material hergestellt werden, das biokompatibel in dem Sinne ist, das es gegenüber biologischen Medien inert ist, und das ferner den elektrischen Strom leitet und schließlich ggf. mit einem Substratmaterial des Biosensors kompatibel ist. Bevorzugt kann die Elektrode Gold, Palladium, Platin, Titan, TiN, Silber oder ein anderes leitfähiges Metall wie Cu oder Nickel aber auch ein elektrisch leitfähiges organisches Material aufweisen. Beispiele für organische Materialien, die für die Ausbildung von Elektroden verwendet werden können, sind organische dotierte Halbleiter wie mit Champhersulfonsäure dotiertes Polyanilin oder mit Polystyrolsulfonsäure dotierte Polythiophene wie PEDOT/PSS, die auch als leitfähige Material für Source, Drain und Gate- Elektroden der hier verwendeten Transistoren eingesetzt werden können (s. o.). An dieser Stelle sei angemerkt, dass die Kopplung zwischen Erfassungseinheit und dazugehöriger Auswerteschaltung natürlich auch mit Hilfe der eben aufgezählten elektrisch leitfähigen Material geschehen kann, indem eine Verbindung zwischen Erfassungseinheit und Auswerteschaltung mittels dieser Materialien gebildet wird. Dabei können die Elektroden so gestaltet sein, dass sie sensitiv auf den pH-Wert der Lösung reagieren. Für diesen Zweck können z. B. Elektroden aus PEDOT/PSS verwendet werden. Generally, one electrode of the biosensor can be made from any Material is made that is biocompatible in the sense is that it is inert to biological media, and that also conducts the electrical current and eventually with a substrate material of the biosensor is compatible. The electrode can preferably be gold, palladium, platinum, titanium, TiN, silver or another conductive metal such as Cu or Nickel is also an electrically conductive organic Have material. Examples of organic materials that can be used for the formation of electrodes are organic doped semiconductors like with Champhersulfonic acid doped polyaniline or with Polystyrene sulfonic acid doped polythiophenes such as PEDOT / PSS, which is also used as a conductive material for source, drain and gate Electrodes of the transistors used here can be (see above). At this point it should be noted that the coupling between the registration unit and the associated one Evaluation circuit of course also with the help of enumerated electrically conductive material can happen by a connection between the registration unit and Evaluation circuit is formed using these materials. The electrodes can be designed so that they react sensitively to the pH of the solution. For this Purpose can e.g. B. electrodes from PEDOT / PSS can be used.

Als Erfassungseinheit des Biosensors können verschiedene Elektrodenanordnungen verwendet werden, die, ggf. mindestens eine Einheit zum Immobilisieren aufweisen oder als solche ausgestaltet sind. Beispiele für hier einsetzbare Elektrodenanordnungen sind elektrisch leitfähige Gitter oder Netze, elektrisch leitfähige poröse Materialien, Plattenelektrodenanordnung oder eine Interdigitalelektrodenanordnung, wie z. B. aus [5] bekannt ist. Bei einer Interdigitalelektrodenanordnung können mehrere oder alle "Finger" der Anordnung mit Einheiten zum Immobilisieren versehen sein bzw. selbst als diese Einheiten ausgestaltet sein. Various can be used as the detection unit of the biosensor Electrode arrangements are used that, if necessary, at least have a unit for immobilization or as such are designed. Examples of usable here Electrode arrangements are electrically conductive grids or Nets, electrically conductive porous materials, Plate electrode assembly or a Interdigital electrode arrangement, such as. B. known from [5] is. In an interdigital electrode arrangement, several or all "fingers" of the arrangement with units for Immobilize be provided or even as these units be designed.

Ferner können verschiedene Anordnungen der Parallelschaltung von Elektroden in der Elektrodenanordnung vorgesehen sein, beispielsweise können die Elektroden als zylindrische Elemente ausgestaltet sein, die jeweils konzentrisch umeinander angeordnet sind und elektrisch voneinander beispielsweise mittels eines geeigneten Dielektrikums voneinander isoliert sind, so dass sich ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden ausbildet. Furthermore, different arrangements of the parallel connection of electrodes can be provided in the electrode arrangement, for example, the electrodes can be cylindrical Elements are designed, each concentric are arranged around each other and electrically from each other for example by means of a suitable dielectric are isolated from each other so that there is an electric field between the electrodes.

Der Biosensor weist in einer weiteren Ausgestaltung eine Vielzahl von Erfassungseinheiten mit gekoppelter Auswerteschaltung auf, wobei die Erfassungseinheiten vorzugsweise in einer regelmäßigen Anordnung, einem Array, angeordnet sind. Diese Ausgestaltung findet bevorzugt bei Mehrfach- und/oder Parallelbestimmungen Anwendung. In a further embodiment, the biosensor has one Variety of registration units with coupled Evaluation circuit on, the detection units preferably in a regular arrangement, an array, are arranged. This configuration is preferred Multiple and / or parallel determinations Application.

Insbesondere im Falle von Mehrfach- oder Parallel- Bestimmungen ist eine weitere Ausgestaltung des Biosensors vorteilhaft, bei der jede einzelne Erfassungseinheit zur Erfassung des Detektionssignals individuell ansteuerbar ist. Dadurch wird eine Verfälschung des Messergebnis z. B. durch einfallende Störsignale benachbarter Sensorfelder vermieden. Especially in the case of multiple or parallel Determination is a further embodiment of the biosensor advantageous, in which each individual registration unit for Detection of the detection signal can be controlled individually. This will falsify the measurement result z. B. by incoming interference signals from neighboring sensor fields avoided.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die hier offenbarte Gestaltung des Biosensors wegen des Wegfalls einer außerhalb des Reaktionsbereichs angeordneten Erfassungsvorrichtung wie einem Konfokal-Mikroskop nicht nur einen vereinfachten Aufbau bietet. Vielmehr ermöglicht der hier beschriebene Aufbau eine kontinuierliche Messung für jede Erfassungseinheit. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn z. B. Vorgänge, die die Reaktionsdynamik oder -kinetik betreffen, untersucht werden sollen. At this point it should be noted that the here disclosed design of the biosensor due to the elimination of one arranged outside the reaction area Detection device like a confocal microscope not only offers a simplified structure. Rather, the Structure described here is a continuous measurement for each registration unit. This is particularly advantageous if e.g. B. Processes that affect reaction dynamics or kinetics concern, should be examined.

In einer weiteren Ausbildung weist der Biosensor ferner eine Referenzelektrode (Kontrollelektrode) auf. Diese Ausgestaltung ist insbesondere bei der Durchführung von Nachweisverfahren nötig, bei denen absolute elektrische Potentiale an einer als Erfassungseinheit dienenden Elektroden angelegt oder gemessen werden sollen. Die Referenzelektrode, deren Potential stromfrei gemessen wird, liefert hier das Bezugspotential. In reinen elektrochemischen Verfahren (z. B. Redox-Recycling) ist eine derartige Elektrode zur Messung absolut notwendig. In a further embodiment, the biosensor also has one Reference electrode (control electrode). This Design is particularly important when implementing Verification procedures necessary in which absolute electrical Potentials on a serving as an acquisition unit Electrodes should be applied or measured. The Reference electrode, whose potential is measured without current, provides the reference potential here. In pure electrochemical Such an electrode is a process (e.g. redox recycling) absolutely necessary for measurement.

Diese Referenzelektrode besteht vorzugsweise aus AgCl, z. B. in Form eines chlorierten Silberdrahts bzw. einer chlorierten Silberelektrode. Diese kann zum einen direkt auf dem Substratmaterial aufgebracht oder in dieses integriert sein. Zum anderen kann diese Referenzelektrode auch in einem Gehäuse des Sensors oder einer separaten Kammer, die z. B. die Erfassungseinheit von der Auswerteschaltung trennt, angebracht sein. Die Möglichkeit eine solche Silberelektrode auf dem Substratmaterial des Biosensors aufzubringen, stellt einen wesentlichen Vorteil gegenüber der konventionellen Sensoren auf Basis halbleitender anorganischer Materialien dar. Denn Silber oder Gold ist z. B. nur sehr schwer mit den Herstellungsprozessen von aktiven CMOS-Sensoren (Chips) kompatibel, jedoch ohne weiteres mit den hier eingesetzten Materialien und Herstellungsprozessen für Bauelemente mit halbleitenden organischen Materialien sowie den Verfahren zur Ausbildung der Erfassungseinheiten. This reference electrode is preferably made of AgCl, e.g. B. in the form of a chlorinated silver wire or a chlorinated Silver electrode. On the one hand, this can be done directly on the Substrate material applied or integrated into this. On the other hand, this reference electrode can also be in one Housing of the sensor or a separate chamber, the z. B. the Separates the detection unit from the evaluation circuit, to be appropriate. The possibility of such a silver electrode on the substrate material of the biosensor a significant advantage over the conventional Sensors based on semiconducting inorganic materials represents. Because silver or gold is z. B. very difficult with the Manufacturing processes of active CMOS sensors (chips) compatible, but easily with the ones used here Materials and manufacturing processes for components with semiconducting organic materials and the process for Training of registration units.

In einer weiteren Ausgestaltung des Biosensors ist die Erfassungseinheit in einer Mikrofluidik-Kammer angeordnet. Diese trennt nicht nur die Erfassungseinheit von der Auswerteschaltung ab, sondern erlaubt die Durchführung von speziellen biochemischen Nachweisreaktionen. Insbesondere bei Langzeitversuchen oder Versuchen bei höheren Temperaturen (z. B. > 90°C) kann sich eine Trennung der Auswerteschaltung aus Polymertransistoren und der Erfassungseinheiten als günstig erweisen. In diese Kammer kann ferner die oben beschriebene Referenzelektrode integriert sein. Bei der Ausgestaltung in Form eines Arrays aus mehreren Erfassungseinheiten können zudem beliebig gestaltete Kompartimente innerhalb des Bereichs der "aktiven" Sensorfläche, d. h. den Erfassungseinheiten, ausgebildet werden. Weiterhin können sich auch andere Komponenten für eine "on-chip"-Fluidik wie Reservoirs, Ventile, Mikrofluidik- Kanäle, Pumpen, oder Anschlüsse für deren Ankopplung auf oder in dem Sensor integriert befinden. Die Mikrofluidikeinheit kann beispielsweise benutzt werden, um den Analyten während des Hybridisierungsvorgangs über die Oberfläche der Erfassungseinheit zu pumpen oder im Anschluss daran nicht gebundene Analytmoleküle durch eine Spül- oder Reinigungslösung wieder von den Oberflächen der Erfassungseinheiten zu entfernen, bevor der Auslesevorgang stattfindet. In a further embodiment of the biosensor Detection unit arranged in a microfluidic chamber. This not only separates the registration unit from the Evaluation circuit, but allows the execution of special biochemical detection reactions. Especially at Long-term trials or trials at higher temperatures (e.g.> 90 ° C) there may be a separation of the evaluation circuit from polymer transistors and the detection units as prove favorable. In this chamber can also the above described reference electrode can be integrated. In the Design in the form of an array of several Registration units can also be designed as desired Compartments within the range of "active" Sensor area, d. H. the registration units become. Other components can also be used an "on-chip" fluid such as reservoirs, valves, microfluidic Channels, pumps, or connections for coupling to or are integrated in the sensor. The microfluidic unit can be used, for example, to analyze the analyte during of the hybridization process over the surface of the Pump unit or not afterwards bound analyte molecules by a rinsing or Cleaning solution again from the surfaces of the Remove registration units before the reading process takes place.

Bei dem beschriebenen Biosensor ist es ebenfalls möglich, durch eine Mehrlagenmetallisierung eventuell erforderliche Verbindungen der einzelnen Komponenten wie einerseits Erfassungseinheit mit Auswerteschaltung oder auch mehrere Erfassungseinheiten untereinander (über Kreuz) herzustellen. Diese Möglichkeit zur Herstellung über Kreuz hat den Vorteil, dass man die Erfassungseinheiten einzeln adressieren kann, selbst dann, wenn sie matrizenförmig angeordnet sind. Unabhängig von einer Mehrlagenmetallisierung bietet der Einsatz von "Polymerelektronik", d. h. von elektrischen Bauelementen, die organische Materialien aufweisen, die Möglichkeit, zumindest zwei voneinander isolierte leitfähige Materialien (Ebenen) zu verwenden und folglich auch die Möglichkeit für ein Schaltungsdesign, das Auswahlvorgänge in Matrizen erlaubt. With the described biosensor, it is also possible to possibly required by a multilayer metallization Connections of the individual components as on the one hand Registration unit with evaluation circuit or several Manufacture registration units with each other (crosswise). This possibility of cross production has the advantage that the registration units can be addressed individually, even if they are arranged in a matrix. Regardless of multi-layer metallization, the Use of "polymer electronics", i. H. of electrical Components that have organic materials that Possibility of at least two conductive insulated from each other To use materials (levels) and consequently also the Possibility of a circuit design that selects in Matrices allowed.

Die mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren des Biosensors ist vorzugsweise in einem Substrat integriert und/oder auf diesem Substrat aufgebracht. Gleichfalls kann die mindestens eine Erfassungseinheit in einem Substrat, vorzugsweise auf demselben aufgebracht sein und/oder in dem Substrat integriert, eingebettet sein. The at least one unit for immobilizing Macromolecular biopolymers of the biosensor is preferred integrated in a substrate and / or on this substrate applied. Likewise, the at least one Detection unit in a substrate, preferably on the same can be applied and / or in the substrate integrated, embedded.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Biosensors ist ebenfalls die Auswerteschaltung auf demselben Substrat, auf dem sich auch die Erfassungs- und/oder Immobilisierungs- Einheit befindet, aufgebracht bzw. darin integriert. In a preferred embodiment of the biosensor also the evaluation circuit on the same substrate which also includes the registration and / or immobilization Unit is located, applied or integrated therein.

Als Substratmaterial (Trägermaterial) für den Biosensor kann hier prinzipiell jedes Material eingesetzt werden, auf dem die verschiedenen Einheiten des Sensors dauerhaft aufgebracht werden können. Beispiele geeigneter Substratmaterialien sind Isolatoren wie Papier, Kunststofffolien, Keramiken, oder Glas, weiterhin mit einem Isolator oder mit Kunststoff beschichtetes Metall. Beispiele für Substratmaterialien aus geeigneten organischen Polymermaterialien sind gängige dielektrische synthetische Kunststoffe wie Epoxidharze, Polyalkylene wie Polyethylen- oder Polypropylenharze, Polyester, Polystyrole, substituierte Polystryole wie Poly-o- hydroxystyrol, Polyvinylverbindungen wie Polyvinylalkohole oder Polyvinylcarbazole, Polyurethane, Polyimide, Polybenzoxazole, Polythiazole, Polyether, Polyetherketone, Polyacrylate, Polyterephthalate, Polyethylennaphthalate oder Polycarbonate aller Art. Ebenso sind biologisch abbaubare Materialien wie Polylactate geeignet. Die Oberflächeneigenschaften eines derartigen Polymer- oder Glassubstrates können leicht verändert werden, so dass hydrophile oder hydrophobe Flächen entstehen. Dies ist für viele biochemische Sensoren wünschenswert. Can be used as substrate material (carrier material) for the biosensor in principle, any material is used here on which the various units of the sensor permanently applied can be. Examples of suitable substrate materials are Insulators such as paper, plastic films, ceramics, or Glass, still with an insulator or with plastic coated metal. Examples of substrate materials Suitable organic polymer materials are common dielectric synthetic plastics such as epoxy resins, Polyalkylenes such as polyethylene or polypropylene resins, Polyesters, polystyrenes, substituted polystyrenes such as poly-o- hydroxystyrene, polyvinyl compounds such as polyvinyl alcohols or polyvinyl carbazoles, polyurethanes, polyimides, Polybenzoxazoles, polythiazoles, polyethers, polyether ketones, Polyacrylates, polyterephthalates, polyethylene naphthalates or All kinds of polycarbonates. Also biodegradable Suitable materials such as polylactates. The Surface properties of such a polymer or Glass substrates can be easily changed so that Hydrophilic or hydrophobic surfaces are created. This is for many biochemical sensors are desirable.

Als makromolekulare Biopolymere können mit dem vorliegenden Sensor insbesondere Nukleinsäuren, Oligonukleotide, Proteine oder Komplexe aus Nukleinsäuren und Proteinen sowie ganze Zellen erfasst werden. As macromolecular biopolymers can with the present Sensor especially nucleic acids, oligonucleotides, proteins or complexes of nucleic acids and proteins as well as whole Cells are detected.

Unter makromolekularen Biopolymeren werden hier beispielsweise (längerkettige) Nukleinsäuren wie DNA- Moleküle, RNA-Moleküle, PNA-Moleküle oder cDNA-Moleküle oder kürzere Oligonukleotide mit z. B. 10 bis 50 Basen, insbesondere 10 bis 30 Basen verstanden. Die Nukleinsäuren können doppelsträngig sein, jedoch auch zumindest einzelsträngige Bereiche aufweisen oder, zum Beispiel durch vorangehende thermische Denaturierung (Strangtrennung) für ihren Nachweis, als Einzelstränge vorliegen. Die Sequenz der zu erfassenden Nukleinsäuren kann dabei zumindest teilweise oder vollständig vorgegeben, d. h. bekannt sein. Weitere makromolekulare Biopolymere sind Proteine oder Peptide. Diese können aus den üblicherweise in Proteinen vorkommenden 20 Aminosäuren aufgebaut sein, aber auch natürlich nicht vorkommende Aminosäuren enthalten oder z. B. durch Zuckerreste (Oligosaccharide) modifiziert sein oder post-translationale Modifikationen enthalten. Ferner können auch Komplexe aus mehreren unterschiedlichen makromolekularen Biopolymeren erfasst werden, beispielsweise Komplexe aus Nukleinsäuren und Proteinen. Macromolecular biopolymers are here for example (longer chain) nucleic acids such as DNA Molecules, RNA molecules, PNA molecules or cDNA molecules or shorter oligonucleotides with e.g. B. 10 to 50 bases, understood in particular 10 to 30 bases. The nucleic acids can be double-stranded, but at least have single-stranded areas or, for example, by previous thermal denaturation (strand separation) for their proof as single strands. The sequence of the The nucleic acids to be detected can be at least partially or fully specified, d. H. be known. Further Macromolecular biopolymers are proteins or peptides. This can from the 20 Amino acids built up, but of course not contain occurring amino acids or z. B. by sugar residues (Oligosaccharides) may be modified or post-translational Modifications included. Furthermore, complexes can also several different macromolecular biopolymers are detected, for example complexes of nucleic acids and Proteins.

Sollen mit dem Biosensor Proteine oder Peptide als makromolekulare Biopolymere erfasst werden, so werden als Fängermoleküle bevorzugt Liganden verwendet, die die zu erfassenden Proteine oder Peptide spezifisch binden können. Should proteins or peptides be used with the biosensor macromolecular biopolymers are recorded as Capture molecules preferentially use ligands that are too specific proteins or peptides can bind.

Die Fängermoleküle/Liganden sind vorzugsweise durch kovalente Bindungen mit der Einheit zur Immobilisierung verknüpft. The capture molecules / ligands are preferably covalent Bonds linked to the immobilization unit.

Als Liganden für Proteine und Peptide kommen niedermolekulare Enzymagonisten oder Enzymantagonisten, Pharmazeutika, Zucker oder Antikörper oder andere geeignete Moleküle in Betracht, die die Fähigkeit besitzen, Proteine oder Peptide spezifisch zu binden. Low molecular weight ligands are used for proteins and peptides Enzyme agonists or enzyme antagonists, pharmaceuticals, sugar or antibodies or other suitable molecules into consideration, which have the ability to specifically protein or peptides to tie.

Wenn DNA-Moleküle (Nukleinsäuren oder Oligonukleotide) einer vorgegeben Nukleotidsequenz mit dem hier beschriebenen Biosensor erfasst werden, so werden sie vorzugsweise in einzelsträngiger Form erfasst, d. h. sie werden ggf. vor der Erfassung durch Denaturierung wie vorstehend erläutert in Einzelstränge überführt. In diesem Fall werden als Fängermoleküle dann vorzugsweise DNA-Sondenmoleküle mit einer zu dem einzelsträngigen Bereich komplementären Sequenz verwendet. Die DNA-Sondenmoleküle können wiederum Oligonukleotide oder auch längere Nukleotidsequenzen aufweisen, solange diese keine der intermolekularen Strukturen ausbilden, die eine Hybridisierung des Sondenmoleküls mit der zu erfassenden Nukleinsäure verhindern. Allerdings ist es auch möglich, DNA-bindende Proteine oder Agenzien als Fängermolekül einzusetzen. If DNA molecules (nucleic acids or oligonucleotides) are one given nucleotide sequence with that described here Biosensor are detected, so they are preferably in single-stranded form recorded, d. H. they may be before the Detection by denaturation as explained in Single strands transferred. In this case, as Capture molecules are then preferably DNA probe molecules with a sequence complementary to the single-stranded region used. The DNA probe molecules can in turn Oligonucleotides or longer nucleotide sequences as long as these are not intermolecular Form structures that hybridize the Probe molecule with the nucleic acid to be detected prevent. However, it is also possible to be DNA-binding Use proteins or agents as capture molecules.

Anzumerken ist, dass es selbstverständlich möglich ist, mit dem vorliegenden Sensor nicht nur eine einzige Art von Biopolymeren in einer einzelnen Messreihe zu erfassen. Vielmehr können mehrere makromolekulare Biopolymere gleichzeitig oder auch nacheinander erfasst werden. Dazu können auf der Einheit zum Immobilisieren mehrere Arten von Fängermolekülen, von denen jedes eine (spezifische) Bindungsaffinität für ein bestimmtes zu erfassendes Biopolymer aufweist, gebunden werden und/oder es können mehrere Einheiten zum Immobilisieren eingesetzt werden, wobei an jeder von diesen Einheiten nur eine Art von Fängermolekül gebunden wird. It should be noted that it is of course possible to use the present sensor is not just a single type of Capture biopolymers in a single series of measurements. Rather, several macromolecular biopolymers can be used can be recorded simultaneously or in succession. To can immobilize several types of on the unit Capture molecules, each of which has a (specific) Attachment affinity for a particular one to be captured Has biopolymer, are bound and / or it can several units are used for immobilization, where only one type of capture molecule on each of these units is bound.

Das Verfahren zur Herstellung eines Biosensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren weist die Schritte auf, dass auf oder in einem Substrat mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren ausgebildet wird, mindestens eine Erfassungseinheit zum Erfassen eines Detektionssignals, mit dem die Existenz makromolekularer Biopolymeren angezeigt wird, ausgebildet wird, und eine mit der Erfassungseinheit gekoppelte Auswerteschaltung für das Signal aufgebracht wird, wobei die Auswerteschaltung mindestens ein Bauelement mit einer halbleitenden Schicht mit einem organischen Material aufweist. The method of manufacturing a biosensor for detection of macromolecular biopolymers has the steps that on or in a substrate at least one unit for Immobilization of macromolecular biopolymers is, at least one detection unit for detecting a Detection signal with which the existence of macromolecular Biopolymers appear, is formed, and one with the detection unit coupled evaluation circuit for the Signal is applied, the evaluation circuit having at least one component with a semiconducting layer has an organic material.

Bei dem Verfahren können sowohl Schichten ausgebildet werden, die aus organischem halbleitenden Material bestehen, als auch Schichten, bei denen ein anorganisches Halbleitermaterial in eine Matrix aus Polymermaterial eingebettet wird. Both layers can be formed in the method, which are made of organic semiconducting material, as well Layers in which an inorganic semiconductor material in a matrix of polymer material is embedded.

Bei dem Verfahren ist das Bauelement der Erfassungsschaltung vorzugsweise ein Transistor. Bei diesem bildet die Schicht mit dem halbleitenden Material bevorzugt den Body-Bereich des Transistors. In the method, the component is the detection circuit preferably a transistor. This forms the layer with the semiconducting material prefers the body area of the Transistor.

Das Verfahren der Erfindung ist vorteilhaft so gestaltet, dass es vollständig mittels Drucktechniken ähnlich dem Tintenstrahldruck durchgeführt wird. Dies ist z. B. der Fall, wenn alle Einheiten (Erfassungseinheiten, Auswerteschaltung etc.) des Biosensors auf organischen Materialien beruhen. Allerdings ist die Verarbeitung von Metallen wie Gold, Nickel z. B. durch Sputtern, Bedampfen oder elektrochemisches Abscheiden problemlos und einfach zu bewerkstelligen und auch mit Drucktechniken vereinbar. Dies führt insgesamt verglichen mit Sensoren auf Basis anorganischer Halbleiter zu einer deutlichen Verringerung der Prozessschritte und der Herstellungskosten, bei weiterhin ausreichenden Leistungsmerkmalen der hier offenbarten Auswerteschaltung und bzw. des Biosensors. Ferner ist es ausreichend, wenn die Metalle in Form einer härtbaren Suspension aufgedruckt werden. The method of the invention is advantageously designed so that it is completely using printing techniques similar to that Inkjet printing is done. This is e.g. B. the case if all units (registration units, evaluation circuit etc.) of the biosensor are based on organic materials. However, the processing of metals such as gold, nickel z. B. by sputtering, vapor deposition or electrochemical Separate easily and easily to do and also compatible with printing techniques. This compares overall with sensors based on inorganic semiconductors significant reduction in process steps and Manufacturing costs, if sufficient Features of the evaluation circuit disclosed here and or the biosensor. It is also sufficient if the Printed metals in the form of a hardenable suspension become.

In diesem Zusammenhang sei erläutert, wie beispielsweise mit Hilfe des Tintenstrahldrucks ("Drop-on-Demand-Printing") ein solcher Sensor aufgebaut werden kann. In this context it should be explained, for example with Help with inkjet printing ("drop-on-demand printing") such sensor can be built.

Die Gatestrukturen (102) (vgl. Fig. 1) werden hergestellt, indem man eine kolloidale Palladiumstarterlösung auf ein Polyethylennaphthalatsubstrat an diejenigen Stellen druckt, an denen später die Gatestrukturen ausgebildet sein sollen. Nach diesem Druckvorgang werden die aufgedruckten Palladiumkeime mit Nickel stromlos bis auf die gewünschte Schichtdicke verstärkt (ca. 10-50 nm). Das Gatedielektrikum (103) kann anschließend direkt aufgedruckt werden. Beispielsweise eignet sich hierfür eine Lösung von Poly(-4- hydroxystyrol) in Ethanol. Über eine Palladiumsuspension (Partikelgröße 1 µm) in Polystyrol werden Source- (104) und Drain (105) -Kontakte ausgebildet. Der organische Halbleiter (106) kann anschließend vollflächig ausgebildet werden. Wenn die einzelnen Transistoren einen genügend großen Abstand voneinander besitzen, braucht diese Schicht nicht strukturiert zu werden (z. B. Pentazen durch Verdampfen). Eine weitere Goldelektrode für die Immobilisierung der Nukleotide kann im Anschluss durch eine Schattenmaske abgeschieden werden. The gate structures ( 102 ) (cf. FIG. 1) are produced by printing a colloidal palladium starter solution onto a polyethylene naphthalate substrate at those locations where the gate structures are to be formed later. After this printing process, the printed palladium nuclei are electrolessly reinforced with nickel to the desired layer thickness (approx. 10-50 nm). The gate dielectric ( 103 ) can then be printed on directly. For example, a solution of poly (-4-hydroxystyrene) in ethanol is suitable for this. Source ( 104 ) and drain ( 105 ) contacts are formed over a palladium suspension (particle size 1 µm) in polystyrene. The organic semiconductor ( 106 ) can then be formed over the entire surface. If the individual transistors are sufficiently far apart, this layer need not be structured (e.g. pentazene by evaporation). Another gold electrode for immobilizing the nucleotides can then be deposited using a shadow mask.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im weiteren näher erläutert. Embodiments of the invention are in the figures shown and are explained in more detail below.

Es zeigen Show it

Fig. 1a bis 1f Feldeffekt-Transistoren, die in der Auswerteschaltung der Erfindung sowie als Erfassungseinheit eingesetzt werden können; FIG. 1a to 1f field effect transistors, which can be used in the evaluation of the invention as well as a detection unit;

Fig. 2a und 2b eine Skizze zweier Planarelektroden, mittels der ein Verfahren erläutert wird, das mit dem Biosensor der Erfindung zum Nachweis des Vorkommens von DNA-Molekülen in einem Elektrolyt (Fig. 2a) bzw. deren Nichtexistenz (Fig. 2b) durchgeführt werden kann; A sketch of two planar electrodes by means of which a method is explained, the molecules of DNA are carried out in an electrolyte (Fig. 2a) or the non-existence (Fig. 2b) Fig. 2a and 2b with the biosensor of the invention for detecting the presence of can;

Fig. 3a und 3b zwei Ausführungsformen des hier offenbarten Biosensors; FIGS. 3a and 3b show two embodiments of the biosensor disclosed herein;

Fig. 4a bis 4c Skizzen eines Biosensors gemäß dem Stand der Technik, anhand derer einzelne Zustände im Rahmen des Redox-Recycling-Vorgangs erläutert werden; Figures 4a to 4c show sketches of a biosensor in accordance with the prior art, recycling operation redox be explained on the basis of which individual states within the.

Fig. 5 einen Funktionsverlauf eines Kreisstroms, wie er im Rahmen eines Redox-Recycling-Vorgangs zur Erfassung von makromolekularen Biopolymeren genutzt werden kann; Figure 5 is a functional curve of a circuit current as redox recycling operation can be used for detecting macromolecular biopolymers as part of a.

Fig. 6a und 6b eine weitere Ausführungsform des Biosensors der Erfindung; Figs. 6a and 6b another embodiment of the biosensor of the invention;

Fig. 7 eine andere Ausgestaltung des Biosensors der Erfindung; Fig. 7 shows another embodiment of the biosensor of the invention;

Fig. 8 noch eine weitere Ausführungsform des Biosensors der Erfindung; Fig. 8 is yet another embodiment of the biosensor of the invention;

Fig. 9 eine weitere Ausführungsform des Biosensors der Erfindung; Fig. 9 shows another embodiment of the biosensor of the invention;

Fig. 10 noch eine weitere Ausführungsform des Biosensors der Erfindung. Fig. 10, yet another embodiment of the biosensor of the invention.

Fig. 1 zeigt verschiedene Ausgestaltungen eines Feldeffekt- Transistors 100, der als Bauelement in der Auswerteschaltung der Erfindung eingesetzt werden kann. Fig. 1 shows various embodiments of a field effect transistor 100 which may be used as a component in the evaluation circuit of the invention.

Bei dem Feldeffekt-Transistor 100 gemäß Fig. 1a bis Fig. 1c ist auf einem Substrat 101, das z. B. aus Polyethylennaphthalat besteht, ein Gate-Bereich 102 aufgebracht, der aus Nickel besteht. Auf dem Gate-Bereich 102 wiederum befindet sich eine Schicht 103 aus einem dielelektrischen Material wie Siliziumdioxid, die den Gate-Bereich 102 von dem ersten Source/Drain-Bereich 104 und dem zweiten Source/Drain-Bereich 105, die aus Palladium bestehen, trennt. Zwischen den Source/Drain-Bereichen 104, 105 befindet sich eine Schicht 106 aus Pentacen als halbleitendem organischen Material. Die Schicht 106 bildet den Body-Bereich, in dem sich der Kanal des Transistors 100 ausbilden kann. In the field effect transistor 100 in accordance with Fig. 1a to Fig. 1c is, on a substrate 101. B. consists of polyethylene naphthalate, applied a gate region 102 which consists of nickel. In turn, on the gate region 102 there is a layer 103 made of a dielectric material such as silicon dioxide, which separates the gate region 102 from the first source / drain region 104 and the second source / drain region 105 , which consist of palladium , Between the source / drain regions 104 , 105 there is a layer 106 made of pentacene as a semiconducting organic material. Layer 106 forms the body region in which the channel of transistor 100 can form.

Der Feldeffekt-Transistor 100 gemäß Fig. 1d bis Fig. 1f weist auf dem Substrat 101 zunächst eine Schicht 106 aus halbleitendem organischen Material auf. Diese den Body- Bereich des Transistors 100 bildende Schicht 106 weist Tetrazen auf. Der Transistor 100 weist weiterhin einen ersten und einen zweiten Source/Drain-Bereich 104, 105 aus Platin auf. Oberhalb der Source/Drain-Bereiche 104, 105 bzw. des Body-Bereichs 106 befindet sich eine Schicht 103 aus Siliziumdioxid als Dielektrikum, auf der der Gate-Bereich 102 aus Nickel aufgebracht ist. The field effect transistor 100 according to Fig. 1d to Fig. 1f comprises the substrate 101 on a first layer 106 of semiconducting organic material. This layer 106 , which forms the body region of the transistor 100, has tetrazenes. The transistor 100 also has a first and a second source / drain region 104 , 105 made of platinum. Above the source / drain regions 104 , 105 or the body region 106 there is a layer 103 of silicon dioxide as a dielectric, on which the gate region 102 made of nickel is applied.

Die Feldeffekt-Transistoren gemäß Fig. 1 mit der Schicht mit halbleitendem organischen Material lassen sich z. B. mit dem in [15] beschriebenen Verfahren herstellen. Dabei erfolgt bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1a, Fig. 1c und Fig. 1f die Abscheidung der Source/Drain-Bereiche 104, 105 vor der Abscheidung der halbleitenden Schicht 106, während bei den Ausführungsformen nach Fig. 1b, Fig. 1d, und Fig. 1e die halbleitende Schicht 106 vor den Source/Drain-Bereichen 104, 105 aufgebracht wird. The field effect transistors according to FIG. 1 with the layer with semiconducting organic material can, for. B. with the method described in [15]. Here, Fig deposition of the source / drain regions 104 is effected in the embodiments according to Fig. 1a. 1c and Fig. 1f, 105 prior to the deposition of the semiconducting layer 106, while in the embodiments according to Fig. 1b, Fig. 1d, and Fig. 1e, the semiconducting layer 106 is deposited prior to the source / drain regions 104, 105.

Fig. 3a zeigt als erste Ausgestaltung des Biosensors der Erfindung einen Biosensor 300. Bei diesem sind auf einem Substrat 301 aus Polyethylennaphthalat Transistoren der Auswerteschaltung aufgebracht. Der Übersichtlichkeit halber ist von diesen nur ein Transistor 302 gezeigt. Dieser Transistor 302 weist einen zu Fig. 1 analogen Aufbau auf mit einem Gate-Bereich 303 aus Nickel, einer Schicht 304 aus einem dielelektrischen Material wie Siliziumdioxid, einem ersten Source/Drain-Bereich 305 und einem zweiten Source/Drain-Bereich 306, die beide aus Palladium bestehen, sowie einer den Kanalbereich bildenden Schicht 307 mit Pentacen als halbleitendem organischen Material. Ferner besitzt der Transistor 302 noch eine Passivierungschicht 308 aus Polyvinylalkohol. Fig. 3a shows a first embodiment of the biosensor of the invention, a biosensor 300th In this case, transistors of the evaluation circuit are applied to a substrate 301 made of polyethylene naphthalate. For the sake of clarity, only one transistor 302 is shown. This transistor 302 has a structure analogous to FIG. 1 with a gate region 303 made of nickel, a layer 304 made of a dielectric material such as silicon dioxide, a first source / drain region 305 and a second source / drain region 306 both consist of palladium, and a layer 307 forming the channel region with pentacene as the semiconducting organic material. The transistor 302 also has a passivation layer 308 made of polyvinyl alcohol.

Der Biosensor 300 weist ferner eine Elektrode aus Gold als Erfassungseinheit 309 auf, die zugleich eine monomolekulare selbstorganisierende Schicht besitzt (der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt), so dass Fängermoleküle 310 mittels Gold-Schwefel-Kopplung an die selbstorganisierende Schicht binden und somit auf der Elektrode 309 immobilisiert werden. Somit dient die Erfassungseinheit 309 gleichzeitig als Einheit zum Immobilisieren. Die Fängermoleküle 310 sind Oligonukleotide, so dass mit ihrer Hilfe Nukleinsäuren erfasst werden können. Alternativ können die Fängermoleküle 310 auch Proteine wie Antikörper oder z. B. das sogenannte Protein A sein. The biosensor 300 also has an electrode made of gold as the detection unit 309 , which at the same time has a monomolecular self-organizing layer (not shown for the sake of clarity), so that catcher molecules 310 bind to the self-organizing layer by means of gold-sulfur coupling and thus on the electrode 309 be immobilized. Thus, the detection unit 309 also serves as an immobilization unit. The capture molecules 310 are oligonucleotides so that nucleic acids can be detected with their help. Alternatively, the capture molecules 310 can also be proteins such as antibodies or e.g. B. the so-called protein A.

Die Erfassungseinheit 309 ist mit dem Transistor 302 der Auswerteschaltung über eine leitende Verbindung 311, z. B. einer Gold oder Kupferbahn gekoppelt. Dabei erfolgt die Kopplung mit dem Source/Drain-Bereich 305. Alternativ kann die Kopplung auch über den Gatebereich 302 erfolgen. The detection unit 309 is connected to the transistor 302 of the evaluation circuit via a conductive connection 311 , e.g. B. coupled a gold or copper track. The coupling with the source / drain region 305 takes place . Alternatively, the coupling can also take place via the gate area 302 .

Schließlich besitzt der Biosensor 300 eine Kompartimentierung 312, die aus einem Polymer wie Poly(meth)acrylat, d. h. Plexiglas bestehen kann. Diese Kompartimentierung trennt die Erfassungseinheit mit dem dazugehörigen Proben/Reaktionsraum 313 von der Auswerteschaltung. Finally, the biosensor 300 has a compartment 312 , which can consist of a polymer such as poly (meth) acrylate, ie plexiglass. This compartmentalization separates the detection unit with the associated sample / reaction space 313 from the evaluation circuit.

Fig. 3b zeigt eine Draufsicht einer weiteren Ausgestaltung des Biosensors 300. Auf dem Substrat 301 ist ein Transistor 302 der Auswerteschaltung, der wie oben beschrieben mit mindestens einer Schicht mit einem halbleitenden organischen Material aufgebaut, gezeigt. Der Transistor ist über eine elektrisch leitende Verbindung 311, die aus Gold besteht, mit einer als Erfassungseinheit 309 dienenden Ringelektrode verbunden. In Fig. 3b sind ferner weitere Bauelemente 314 der Erfassungseinheit, die sowohl Transistoren 302 als auch z. B. Dioden oder Widerstände mit halbleitenden organischen Schichten sein können, schematisch dargestellt. FIG. 3b shows a plan view of another embodiment of the biosensor 300th A transistor 302 of the evaluation circuit, which, as described above, is constructed with at least one layer with a semiconducting organic material, is shown on the substrate 301 . The transistor is connected via an electrically conductive connection 311 , which consists of gold, to a ring electrode serving as detection unit 309 . In Fig. 3b are further components 314 of the detection unit, which both transistors 302 and z. B. diodes or resistors with semiconducting organic layers, shown schematically.

Mit dem Sensor 300 gemäß Fig. 3 kann z. B. das anhand Fig. 2 gezeigte Impedanzverfahren aber auch das Redox-Recycling- Verfahren nach Fig. 4 durchgeführt werden. With the sensor 300 according to FIG . B. the impedance method shown in FIG. 2 but also the redox recycling method according to FIG. 4 can be carried out.

Fig. 6 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform des Biosensors. Fig. 6a stellt eine Schnittansicht des Biosensors 600 dar, bei dem auf einem Glassubstrat 601 Transistoren 602 mit einem zu der Ausführungsform von Fig. 3a analogen Aufbau der Erfindung aufgebracht sind. Die Transistoren 602 bilden einen Teil der schematisch dargestellten Auswerteschaltung 603 (vgl. Fig. 6b). Einer der Transistoren 602 ist über ein elektrisch leitendes Material 604 wie eine Kupferbahn oder eine Schicht aus PEDOT/PSS mit einer Ringelektrode 605, die als Erfassungseinheit und Einheit zum Immobilisieren dient, verbunden. Fig. 6 shows a further embodiment illustrating the biosensor. FIG. 6a shows a sectional view of the biosensor 600 , in which transistors 602 with a structure of the invention analogous to the embodiment of FIG. 3a are applied to a glass substrate 601 . The transistors 602 form part of the schematically illustrated evaluation circuit 603 (cf. FIG. 6b). One of the transistors 602 is connected via an electrically conductive material 604, such as a copper track or a layer of PEDOT / PSS, to a ring electrode 605 , which serves as a detection unit and unit for immobilization.

Fig. 7 zeigt eine andere Ausgestaltung des Biosensors der Erfindung. Bei diesem Sensor 700 sind auf einem Substrat 701 aus Polyethylennaphthalat Transistoren 702 (mit einem Aufbau entsprechend Fig. 3) einer Auswerteschaltung 704, sowie als Elektroden ausgestaltete Erfassungs- und Immobilisierungs- Einheiten 703 aufgebracht. Die Auswerteschaltung ist mit den Erfassungseinheiten über ein elektrisch leitfähiges Material 705 verbunden. Zusätzlich besitzt der Biosensor 700 eine abschließbare Mikrofluidik-Kammer 706 mit einem Deckel 707 und einer Seitenwand 708, die eine oder mehrere der Erfassungseinheiten 703 umschließt. In die Seitenwand 708 der Mikrofluidik-Kammer 706 kann eine Referenzelektrode aus Silber bzw. Ag/AgCl integriert sein (nicht dargestellt). Die Kammer 706 weist ferner einen Anschluss 709 für ein mikrofluidisches Pumpsystem, d. h. ein System mit dem (geringe) Flüssigkeitsvolumina im µl-Bereich oder kleiner in die Kammer 706 und auf die Erfassungseinheiten 703 transferiert werden können. Fig. 7 shows another embodiment of the biosensor of the invention. In this sensor 700 , transistors 702 (with a structure corresponding to FIG. 3), an evaluation circuit 704 and detection and immobilization units 703 designed as electrodes are applied to a substrate 701 made of polyethylene naphthalate. The evaluation circuit is connected to the detection units via an electrically conductive material 705 . In addition, the biosensor 700 has a lockable microfluidic chamber 706 with a cover 707 and a side wall 708 , which encloses one or more of the detection units 703 . A reference electrode made of silver or Ag / AgCl (not shown) can be integrated into the side wall 708 of the microfluidic chamber 706 . The chamber 706 also has a connection 709 for a microfluidic pump system, ie a system with which (small) liquid volumes in the μl range or smaller can be transferred into the chamber 706 and onto the detection units 703 .

In Figur ist eine weitere Ausgestaltung des Biosensors gezeigt. Bei dem Biosensor 800 ist auf einem Substrat 801 aus Polystyrol eine Auswerteschaltung 802 aus Polymer- Transistoren (d. h. Transistoren mit zumindest einer Schicht mit einem organischen halbleitenden Material) aufgebracht. Die Auswerteschaltung 802 ist mit der Erfassungseinheit 803, die als ein Array aus Elektroden aus Gold ausgestaltet ist, über eine leitende Verbindung 804 gekoppelt. Die Elektroden dienen auch als Einheiten zum Immobilisieren. A further embodiment of the biosensor is shown in FIG. In the biosensor 800 , an evaluation circuit 802 made of polymer transistors (ie transistors with at least one layer with an organic semiconducting material) is applied to a substrate 801 made of polystyrene. The evaluation circuit 802 is coupled to the detection unit 803 , which is configured as an array of electrodes made of gold, via a conductive connection 804 . The electrodes also serve as immobilization units.

Figur zeigt eine weitere Ausführungsform des Biosensors. Bei dieser Ausgestaltung weist der Biosensor 900 ein Substrat 901 aus Polyethylennaphthalat auf. Auf dem Substrat 901 sind eine Vielzahl von Elektroden als Erfassungseinheiten 902, die zugleich als Einheiten zum Immobilisieren fungieren, mit gekoppelter Auswerteschaltung 903 in einer regelmäßigen Anordnung aufgebracht. Der Biosensor 900 wird bevorzugt für die parallele Erfassung einer Vielzahl von makromolekularen Biopolymeren verwendet. Figure shows a further embodiment of the biosensor. In this embodiment, the biosensor 900 has a substrate 901 made of polyethylene naphthalate. A large number of electrodes as detection units 902 , which at the same time function as units for immobilization, are coupled to the substrate 901 with a coupled evaluation circuit 903 in a regular arrangement. The biosensor 900 is preferably used for the parallel detection of a large number of macromolecular biopolymers.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform des Biosensors. Bei dieser Ausgestaltung weist der Biosensor 1000 ein Substrat 1001 aus Polyethylennaphthalat auf. Auf dem Substrat 1001 ist eine Photodiode als Erfassungseinheit 1002 mittels einer Leiterbahn 1004 mit einer Auswerteschaltung 1003, die Polymer-Transistoren gemäß Fig. 1 aufweist, gekoppelt. Die Photodiode 1002 besteht aus einer ITO Elektrode (Indiumzinnoxid, solche ITO beschichteten PEN Substrate sind kommerziell erhältlich), darauf abgeschieden ist ein Poly(phenyl-vinylen)polymer und C₆₀. Die obere Elektrode ist in Aluminium ausgebildet (eine Übersicht über die spektralen Empfindlichkeiten, die bei der Auswahl der geeigneten Materialien berücksichtigt werden sollte, findet sich in [23]). Fig. 10 shows another embodiment of the biosensor. In this embodiment, the biosensor 1000 has a substrate 1001 made of polyethylene naphthalate. On the substrate 1001 , a photodiode as the detection unit 1002 is coupled by means of a conductor track 1004 to an evaluation circuit 1003 which has polymer transistors according to FIG. 1. The photodiode 1002 consists of an ITO electrode (indium tin oxide, such ITO-coated PEN substrates are commercially available), on which is deposited a poly (phenyl-vinylene) polymer and C ₆₀ . The upper electrode is made of aluminum (an overview of the spectral sensitivities that should be taken into account when selecting the suitable materials can be found in [23]).

Der Biosensor 1000 wird für die Erfassung von makromolekularen Biopolymeren mittels eines optischen Detektionssignals, z. B. mittels Fluoreszenzstrahlung, die von einem Fluorophor als Markierung erzeugt wird, verwendet. The biosensor 1000 is used for the detection of macromolecular biopolymers by means of an optical detection signal, e.g. B. by means of fluorescent radiation, which is generated by a fluorophore as a label.

Dabei kann auf einem Bereich der Photodiode, der als Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren dient, ein Material wie Gold aufgebracht sein. This can be done on an area of the photodiode that acts as a unit serves to immobilize macromolecular biopolymers, a material like gold can be applied.

Da die Intensität der Anregungswellenlänge des Fluoreszenzfarbstoffes üblicherweise um Größenordnungen höher ist als die Intensität der abgegebenen Fluoreszenzstrahlung, wird beim Einsatz dieser auf Photodioden basierenden Erfassungseinheit die Anregungswellenlänge bei der Detektion vorzugsweise ausgeblendet werden. Dazu wird, wie auch nachfolgend erläutert, eine Filterschicht auf zumindest einem Teilbereich des Sensors oder auf einer Photodiode ausgebildet. Since the intensity of the excitation wavelength of the Fluorescent dye is usually orders of magnitude higher than the intensity of the emitted fluorescence radiation when using these based on photodiodes Detection unit the excitation wavelength during detection preferably be hidden. This will, as well explained below, a filter layer on at least one Part of the sensor or on a photodiode educated.

Die hier offenbarte Verwendung organischer Moleküle bietet den Vorteil, dass die spektrale Empfindlichkeit der Photodiode durch Material und Diodenaufbau über den gesamten Spektralbereich modifiziert werden kann (für Literatur, siehe z. B. [23]). Für jeden Fluoreszenzfarbstoff (z. B. α-RED Anregung 488 nm, Emission 670 nm; PE-Cy7 Anregung 488 nm, Emission 750 nm) kann ein passendes halbleitendes organisches Polymer (z. B. PPV (Poly-p-phenylenvinylen)) oder Molekül (PV- Oligomere, Fluorenderivate und weitere) gefunden werden, aus dem die Sensordiode aufgebaut werden kann. The use of organic molecules disclosed here offers the advantage that the spectral sensitivity of the Photodiode through material and diode structure over the entire Spectral range can be modified (for literature, see z. B. [23]). For each fluorescent dye (e.g. α-RED Excitation 488 nm, emission 670 nm; PE-Cy7 excitation 488 nm, Emission 750 nm) can be a suitable semiconducting organic Polymer (e.g. PPV (poly-p-phenylene vinylene)) or molecule (PV- Oligomers, fluorene derivatives and others) are found from which can be built up the sensor diode.

Die Palette organischer Farbstoffe (Nitro und Nitroso-, Azo-, Di- und Triarylmethan, Xanthen-, Acridin-, Phenoxazin-, Phenothiazin-, Phenazin-, Indigofarbstoffe) ist so reichhaltig, dass durch die oben genannte zusätzliche optische Filterschicht, die auf dem gesamten Träger, einem Bereich des Träger oder nur auf der Photodiode selbst aufgebracht ist, die Photodiode gegenüber der Anregungswellenlänge weiter abgeschirmt werden kann. Die optische Dichte lässt sich durch die Konzentration des Farbstoffs in der polymeren Schicht stufenlos einstellen. Mischungen von Farbstoffen sind ebenfalls geeignet. The range of organic dyes (nitro and nitroso, azo, Di- and triarylmethane, xanthene, acridine, phenoxazine, Phenothiazine, phenazine, indigo dyes) is so abundant that through the above additional optical filter layer, which on the entire carrier, one Area of the carrier or only on the photodiode itself is applied, the photodiode opposite Excitation wavelength can be shielded further. The optical density can be determined by the concentration of the Infinitely adjust the dye in the polymer layer. Mixtures of dyes are also suitable.

Durch die Verwendung polymerer Materialien sowohl für die Erfassungseinheit als auch für die Auswerteschaltung eröffnet die vorliegende Erfindung den Weg zu einem breit anwendbaren und zugleich kostengünstigen Biosensor. By using polymeric materials for both Registration unit opened as well for the evaluation circuit the present invention paves the way to a broadly applicable and at the same time inexpensive biosensor.

In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
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[5] P. von Gerwen, Nanoscaled Interdigitated Electrode Arrays for Biochemical Sensors, IEEE, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, S. 907-910, 16.-19. Juni 1997
[6] R. Hintsche et al., Microelectrode arrays and application to biosensing devices, Biosensors & Bioelectronics, Vol. 9, S. 697-705, 1994
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[11] WO 99/39373
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[14] B. Crone et. al. Large Scale complementary integrated circuits based an organic transistors, Nature Vol., 403, S. 521-523, 2000
[15] M. G. Kane et al, Analog and Digital Circuits using Organic Thin-Film Transistors an Polyester Substrate, IEEE Electron Device Letters, Vol. 21, Nr. 11, S. 534-536, 2000
[16] C. D. Sheraw et al, Fast Organic Circuits on flexible Polymeric Substrates. IEEE, 2000
[17] R. Sirringhaus et al, High-Resolution Inkjet Printing of All-Polymer Transistor Circuits, Science, Vol. 290, S. 2123-2126
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[19] R. Hintsche et al, Multiplexing of microelectrode arrays in voltammetric measurements, Electroanalysis, 12, Nr. 9, S. 660-665, 2000
[20] WO 01/75462
[21] Mirsky et al., Capacitive monitoring of protein immobilization and antigen-antibody reactions an monomolecular alkylthiol films an gold electrons, Biosensors & Bioelectronics Vol. 12, Nr. 9-10, S. 977-989, 1997
[22] T. Cass, F. S. Ligler, Immobilized Biomolecules in Analysis, S. 195 ff, Oxford University Press, 1998, ISBN 0-19-963636-2
[23] T. A. Skotheim, R. L. Elsenbaumer, J. R. Reynolds in "Handbook of conducting Polymers", Marcel Dekker, Inc. New York, S. 838 ff, 1998 Bezugszeichenliste 100 Feldeffekt-Transistor
101 Substrat
102 Gate-Bereich
103 Schicht aus dielektrischem Material
104 Source/Drain-Bereich
105 Source/Drain-Bereich
106 Schicht mit halbleitendem Material (Body-Bereich)
200 Sensor
201 Elektrode aus Gold
202 Elektrode aus Gold
203 Isolatorschicht
204 Elektrodenanschluss
205 Elektrodenanschluss
206 DNA-Sondenmoleküle
207 Analyt
208 DNA-Strang
300 Biosensor
301 Substrat
302 Feldeffekt-Transistor
303 Gate-Bereich
304 Schicht aus dielektrischem Material
305 erster Source/Drain-Bereich
306 zweiter Source/Drain-Bereich
307 Schicht mit halbleitendem Material
308 Passivierungsschicht
309 Erfassungseinheit
310 Fängermoleküle
311 leitende Verbindung
312 Kompartimentierung
313 Proben/Reaktionsraum
314 weitere Bauelemente der Erfassungseinheit
400 Biosensor
401 Erste Elektrode
402 Zweite Elektrode
403 Isolatorschicht
404 Haltebereich erste Elektrode
405 DNA-Sondenmolekül
406 zu untersuchende Lösung
407 DNA-Strang
408 Enzym
409 Spaltbares Molekül
410 Negativ geladenes erstes Teilmolekül
411 Pfeil
412 Weitere Lösung
413 Oxidiertes erstes Teilmolekül
414 Reduziertes erstes Teilmolekül
500 Diagramm
501 Y-Achse, elektrischer Strom
502 X-Achse, Zeit
503 Stromfluss
504 Anfangswert
600 Biosensor
601 Substrat
602 Transistoren
603 Auswerteschaltung
604 elektrisch leitendes Material
605 Ringelektrode
700 Biosensor
701 Substrat
702 Transistoren
703 Erfassungs- und Immobilisierungs-Einheiten
704 Auswerteschaltung
705 leitfähiges Material
706 Mikrofluidik-Kammer
707 Deckel
708 Seitenwand
709 Anschluss für Pumpsystem
800 Biosensor
801 Substrat
802 Auswerteschaltung aus Polymertransistoren
803 Erfassungseinheit
804 leitende Verbindung
900 Biosensor
901 Substrat
902 Erfassungseinheit
903 mit Erfassungseinheit gekoppelte Auswerteschaltung
1000 Biosensor
1001 Substrat
1002 Photodiode
1003 Auswerteschaltung mit Polymertransistoren
1004 Leiterbahn
The following publications are cited in this document:
[1] http: / / www.affymetrix.com/technology/tech_probe_content. html
[2 http: / / www.affymetrix.com/technology/tech_spotted_content.html
[3] WO 00/04382
[4] NL Thompson, BC Lagerholm, Total Internal Reflection Fluorescence: Applications in Cellular Biophysics, Current Opinion in Biotechnology, Vol. 8, pp. 58-64, 1997
[5] P. von Gerwen, Nanoscaled Interdigitated Electrode Arrays for Biochemical Sensors, IEEE, International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Chicago, pp. 907-910, 16.-19. June 1997
[6] R. Hintsche et al., Microelectrode arrays and application to biosensing devices, Biosensors & Bioelectronics, Vol. 9, pp. 697-705, 1994
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[15] MG Kane et al, Analog and Digital Circuits using Organic Thin-Film Transistors on Polyester Substrate, IEEE Electron Device Letters, Vol. 21, No. 11, pp. 534-536, 2000
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[20] WO 01/75462
[21] Mirsky et al., Capacitive monitoring of protein immobilization and antigen-antibody reactions on monomolecular alkylthiol films on gold electrons, Biosensors & Bioelectronics Vol. 12, No. 9-10, pp. 977-989, 1997
[22] T. Cass, FS Ligler, Immobilized Biomolecules in Analysis, pp. 195 ff, Oxford University Press, 1998, ISBN 0-19-963636-2
[23] TA Skotheim, RL Elsenbaumer, JR Reynolds in "Handbook of conducting Polymers", Marcel Dekker, Inc. New York, pp. 838 ff, 1998 List of reference symbols 100 field-effect transistor
101 substrate
102 gate area
103 layer of dielectric material
104 Source / drain area
105 Source / drain area
106 layer with semiconducting material (body area)
200 sensor
201 gold electrode
202 gold electrode
203 insulator layer
204 electrode connection
205 electrode connection
206 DNA probe molecules
207 analyte
208 strand of DNA
300 biosensor
301 substrate
302 field effect transistor
303 gate area
304 layer of dielectric material
305 first source / drain region
306 second source / drain region
307 layer with semiconducting material
308 passivation layer
309 registration unit
310 capture molecules
311 conductive connection
312 compartmentalization
313 samples / reaction space
314 further components of the registration unit
400 biosensor
401 First electrode
402 Second electrode
403 insulator layer
404 first electrode holding area
405 DNA probe molecule
406 solution to be examined
407 strand of DNA
408 enzyme
409 fissile molecule
410 Negatively charged first submolecule
411 arrow
412 Another solution
413 Oxidized first submolecule
414 Reduced first sub-molecule
500 diagram
501 Y axis, electric current
502 X axis, time
503 current flow
504 initial value
600 biosensor
601 substrate
602 transistors
603 evaluation circuit
604 electrically conductive material
605 ring electrode
700 biosensor
701 substrate
702 transistors
703 registration and immobilization units
704 evaluation circuit
705 conductive material
706 microfluidic chamber
707 lid
708 side wall
709 Connection for pump system
800 biosensor
801 substrate
802 evaluation circuit made of polymer transistors
803 registration unit
804 conductive connection
900 biosensor
901 substrate
902 registration unit
903 evaluation circuit coupled with detection unit
1000 biosensor
1001 substrate
1002 photodiode
1003 evaluation circuit with polymer transistors
1004 conductor track

Claims

1. Biosensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren
mit mindestens einer Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren,
mit mindestens einer Erfassungseinheit zum Erfassen eines Detektionssignals, mit dem die Existenz makromolekularer Biopolymeren angezeigt wird, und
mit einer mit der Erfassungseinheit gekoppelten Auswerteschaltung für das Signal, wobei die Auswerteschaltung mindestens ein Bauelement mit einer halbleitenden Schicht mit einem organischen Material aufweist. 1. Biosensor for the detection of macromolecular biopolymers
with at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers,
with at least one detection unit for detecting a detection signal with which the existence of macromolecular biopolymers is indicated, and
with an evaluation circuit for the signal coupled to the detection unit, the evaluation circuit having at least one component with a semiconducting layer with an organic material.

2. Biosensor nach Anspruch 1, bei dem die halbleitende Schicht ein organisches inertes Polymermaterial als Matrixmaterial aufweist, in das anorganische halbleitende Partikel eingebettet sind. 2. Biosensor according to claim 1, in which the semiconducting layer is an organic inert Has polymer material as the matrix material in the inorganic semiconducting particles are embedded.

3. Biosensor nach Anspruch 1, bei dem die halbleitende Schicht ein organisches halbleitendes Material aufweist. 3. biosensor according to claim 1, where the semiconducting layer is an organic has semiconducting material.

4. Biosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das mindestens eine Bauelement der Auswerteschaltung ein Transistor ist. 4. Biosensor according to one of claims 1 to 3, in which the at least one component of the evaluation circuit is a transistor.

5. Biosensor nach Anspruch 4, bei dem die halbleitende Schicht den Body-Bereich des Transistors bildet. 5. Biosensor according to claim 4, where the semiconducting layer covers the body area of the Transistor forms.

6. Biosensor nach Anspruch 5, bei dem der Transistor ein organischer Dünnfilm-Transistor ist. 6. biosensor according to claim 5, where the transistor is an organic thin film transistor is.

7. Biosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das halbleitende organische Material aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Pentazen, Antrazen, Tetrazen, Oligothiophen, Polythiophen, Polyanilin, Poly-p-phenylen, Poly-p-phenylvinylen, Polypyrrol, Phthalocyanin, Porpyhrin und Derivaten davon besteht. 7. Biosensor according to one of the preceding claims, where the semiconducting organic material from the group selected from pentazene, antrazen, tetrazene, Oligothiophene, polythiophene, polyaniline, poly-p-phenylene, Poly-p-phenylvinylene, polypyrrole, phthalocyanine, porpyhrin and derivatives thereof.

8. Biosensor nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem die gesamte Auswerteschaltung aus Transistoren mit zumindest einer halbleitenden Schicht mit einem organischen Material besteht. 8. biosensor according to one of claims 4 to 7, in which the entire evaluation circuit of transistors with at least one semiconducting layer with an organic Material exists.

9. Biosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Erfassungseinheit zugleich als die mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren ausgebildet ist. 9. biosensor according to one of claims 1 to 8, in which the registration unit at the same time as the minimum a unit for immobilizing macromolecular Biopolymer is formed.

10. Biosensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die mindestens eine Einheit zum Immobilisieren auf der Erfassungseinheit angeordnet ist. 10. Biosensor according to one of claims 1 to 8, in which the at least one immobilization unit the detection unit is arranged.

11. Biosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Erfassungseinheit eine Elektrode, eine Photodiode oder einen Transistor aufweist. 11. Biosensor according to one of the preceding claims, in which the detection unit is an electrode, a photodiode or has a transistor.

12. Biosensor nach Anspruch 11, bei dem die Photodiode ein halbleitendes organisches Material aufweist. 12. Biosensor according to claim 11, where the photodiode is a semiconducting organic material having.

13. Biosensor nach Anspruch 12, der eine Filterschicht zur Verringerung oder zum Abhalten der Anregungsstrahlung von der Photodiode aufweist. 13. Biosensor according to claim 12, which is a filter layer to reduce or keep the Has excitation radiation from the photodiode.

14. Biosensor nach Anspruch 11, bei dem die Elektrode aus einem Elektrodenarray besteht. 14. Biosensor according to claim 11, in which the electrode consists of an electrode array.

15. Biosensor nach Anspruch 11 oder 14, bei dem die Elektrode Gold, Palladium, Platin, Titan, Silber oder ein elektrisch leitfähiges organisches Material aufweist. 15. Biosensor according to claim 11 or 14, where the electrode is gold, palladium, platinum, titanium, silver or an electrically conductive organic material having.

16. Biosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der eine Vielzahl von Erfassungseinheiten mit gekoppelter Auswerteschaltung aufweist. 16. Biosensor according to one of the preceding claims, of a large number of registration units with coupled Has evaluation circuit.

17. Biosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ferner eine Referenzelektrode aufweist. 17. Biosensor according to one of the preceding claims, which also has a reference electrode.

18. Biosensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Erfassungseinheit in einer Mikrofluidik-Kammer angeordnet ist. 18. Biosensor according to one of the preceding claims, in which the detection unit in a microfluidic chamber is arranged.

19. Verfahren zur Herstellung eines Biosensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren, das die Schritte aufweist, dass auf oder in einem Substrat
mindestens eine Einheit zum Immobilisieren von makromolekularen Biopolymeren ausgebildet wird,
mindestens eine Erfassungseinheit zum Erfassen eines Detektionssignals, mit dem die Existenz makromolekularer Biopolymeren angezeigt wird, ausgebildet wird,
und eine mit der Erfassungseinheit gekoppelte Auswerteschaltung für das Signal aufgebracht wird, wobei die Auswerteschaltung mindestens ein Bauelement mit einer halbleitenden Schicht mit einem organischen Material aufweist. 19. A method for producing a biosensor for detecting macromolecular biopolymers, comprising the steps of being on or in a substrate
at least one unit for immobilizing macromolecular biopolymers is formed,
at least one detection unit for detecting a detection signal with which the existence of macromolecular biopolymers is indicated is formed,
and an evaluation circuit coupled to the detection unit is applied for the signal, the evaluation circuit having at least one component with a semiconducting layer with an organic material.

20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das Bauelement der Erfassungsschaltung ein Transistor ist. 20. The method according to claim 19, in which the component of the detection circuit is a transistor is.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die halbleitenden Schicht mit dem organischen Material den Bodybereich des Transistors bildet. 21. The method according to claim 20, in which the semiconducting layer with the organic Material forms the body area of the transistor.