Beschreibung
Biosensorchip-Dispensier-A ordnung und Verfahren zum Dispensieren einer zu dispensierenden Lösung unter Verwendung der Dispensier-Anordnung auf einem Biosensorchip
Die Erfindung betrifft eine Biosensorchip-Dispensier-Anordnung und ein Verfahren zum Dispensieren einer zu dispensierenden Lösung unter Verwendung der Dispensier-Anordnung auf einem Biosensorchip
Auf Substrate miniaturisierte Bio-/Chemo-Arrays dienen dem Nachweis bestimmter Moleküle in zu untersuchenden Lösungen. Die Sensoren sind in großer Zahl auf einem Halbleitersubstrat, z.B. einem Siliziumchip, der bestimmte elektronische
Funktionen bereitstellt, realisierbar oder auch auf einem Substrat aus Glas, Plastik, oder einem anderen Substratmaterial. Der hohe Parallelisierungsgrad ermöglicht die zeitgleiche parallele Durchführung einer Reihe verschiedener Untersuchungen, so z.B. Untersuchungen auf das Vorhandensein verschiedener Substanzen (d.h. zu erfassender Moleküle) in einer gegebenen, zu untersuchenden Flüssigkeit. Durch diese Eigenschaft ergeben sich für derartige Sensor- Array-Chips mit entsprechendem Auswertesystem vielfältige Anwendungen beispielsweise in der medizinischen Diagnostik, in der Pharmaindustrie zum Beispiel für Hochdurchsatz- Musterungsverfahren ("High Throughput Screening" (HTS) ) , in der chemischen Industrie, in der Lebensmittelanalytik, sowie in der Umwelt- und Lebensmitteltechnik.
Das Grundprinzip vieler bekannter Sensoren besteht darin, dass positionsspezifisch auf einem Substrat aus geeignetem Material zunächst bekannte sogenannte Fängermoleküle zum Beispiel mit
Mikrodispensiertechniken aufgebracht und auf verschiedene Arten immobilisiert werden. Fig.7 zeigt schematisch ein solches Substrat 700 mit n Positionen 701, auf denen jeweils unterschiedliche Fängermoleküle immobilisiert sind. Ein solches Substrat 700 wird üblicherweise zur Diagnose (z.B. zum Testen einer zu untersuchenden Flüssigkeit auf das Vorhandensein unterschiedlicher, zu erfassender Moleküle) zunächst auf allen Positionen mit der zu untersuchenden Flüssigkeit in Kontakt gebracht. In der Regel geschieht ein solches Inkontaktbringen durch Fluten des gesamten Substrats 700 mit der zu untersuchenden Flüssigkeit. Sofern die Fängermoleküle gemäß dem Schlüssel-Schloss-Prinzip, gemäß dem nur diejenigen Moleküle in der zu untersuchenden Flüssigkeit von den Fängermolekülen gebunden werden, für die die letzteren eine Bindungsspezifität besitzen, mit einem in der zu untersuchenden Flüssigkeit vorhandenen Molekül eine spezifische Bindungsreaktion eingehen können, wird das Molekül in der zu untersuchenden Flüssigkeit durch die Fängermoleküle spezifisch gebunden. Ist dies nicht der Fall, so wird das Molekül in der zu untersuchenden Flüssigkeit nicht durch das Fängermolekül gebunden. Ein anschließendes Auswerten der jeweiligen Positionen 701 des Substrats 700 ergibt dann, ob ein Molekül bzw. welches Molekül in der zu untersuchenden Flüssigkeit vorhanden war.
Solche Substrate 700 werden häufig zum Erfassen von Nukleinsäuren in zu untersuchenden Flüssigkeiten verwendet. Wie oben beschrieben erfolgt dies dadurch, dass sowohl das Fängermolekül als auch das zu erfassende Molekül in der zu untersuchenden Flüssigkeit beide Nukleinsäuren, d.h. DNA oder RNA sind, wobei eine spezifische Bindung die vollständige oder mindestens für eine Hybridisierung beider Nukleinsäurestränge
miteinander ausreichende Komplementarität zwischen diesen beiden Molekülen voraussetzt.
Es sind aber auch andere Kombinationen zwischen Fängermolekülen auf dem Substrat 700 und zu erfassenden Molekülen in der zu untersuchenden Flüssigkeit möglich. So können beispielsweise Nukleinsäuren als Fängermoleküle für Nukleinsäuren spezifisch bindende Peptide oder Proteine verwendet werden. Weiterhin bekannt ist die Verwendung von Peptiden oder Proteinen als Fängermoleküle für andere, das
Fängerpeptid bzw. Fängerprotein bindende Proteine oder Peptide zu verwenden. Von sehr großer Bedeutung für die pharmazeutische Industrie ist die Verwendung von niedermolekularen (d.h. weniger als etwa 1.700 g/Mol Molekulargewicht) chemischen Verbindungen als Fängermoleküle für diese niedermolekulare Verbindungen bindende Proteine oder Peptide sowie umgekehrt, d.h. die Verwendung von Proteinen und Peptiden als Fängermoleküle für eventuell in einer zu untersuchenden Flüssigkeit vorhandene, niedermolekulare Verbindungen.
Zum Nachweis der erfolgten Bindung zwischen dem auf dem Substrat aufgebrachten Fängermolekül und dem in der zu untersuchenden Flüssigkeit vorhandenen, zu erfassenden Molekül ist es bekannt, ein optisches Nachweisverfahren oder ein elektronisches Nachweisverfahren zu verwenden.
Bei einem bekannten optischen Verfahren wird an die in der zu untersuchenden Lösung vorhandenen Moleküle spezifisch ein Fluoreszenzmarkierungsstoff ("Label") gebunden, der bei Beaufschlagen mit beispielsweise UV-Licht zum Leuchten angeregt werden kann. In der Regel ist diese Bindung eine chemisch kovalente Bindung. Wird nun das Substrat nach dem
Inkontaktbringen mit der zu untersuchenden Flüssigkeit und nach einem weiteren Spülschritt, in dem in der zu untersuchenden Flüssigkeit zwar vorhandene, jedoch nicht gebundene Moleküle entfernt werden, mit Licht beaufschlagt, so kann aufgrund der Kenntnis der Lokalisierung der jeweiligen Fängermoleküle bestimmt werden, an welchen Positionen des Substrats eine spezifische Bindung stattgefunden hat und an welchen Positionen keine spezifische Bindung stattgefunden hat. Aufgrund der genauen Kenntnis der verwendeten Fängermoleküle kann auf die Existenz bzw. die fehlende Existenz bestimmter, zu erfassender Moleküle in der zu untersuchenden Flüssigkeit geschlossen werden.
Das optische Nachweisverfahren weist im Vergleich zu einem bekannten elektrischen Nachweisverfahren insbesondere den Nachteil auf, dass ein relativ kompliziertes und teures optisches System zur Auswertung verwendet werden muss. Dies erschwert z.B. den Einsatz eines solchen optischen Nachweisverfahrens in einer Arztpraxis.
Ferner ist es zum Nachweis der erfolgten Bindung bekannt, ein elektrisches Nachweis erfahren einzusetzen. Beispiele eines solchen elektrischen Nachweisverfahrens sind aus [1] , [2] , [3], [4], [5], [6], [7] und [8] bekannt.
Bei sowohl optischen als auch bei elektrischen Nachweisverfahren werden Fängermoleküle auf vorgegebene Bereiche eines Substrats immobilisiert. In der Regel erfolgt diese Immobilisierung durch Aufbringen einer diese Fängermoleküle enthaltende Lösung mittels Dispensiertechnik auf den vorgegebenen Bereich des Substrats. Die in dieser Lösung vorhandenen Fängermoleküle können dann mit dem jeweiligen vorgegebenen Bereich des Substrats reagieren, um
auf diesem immobilisiert zu werden. Bei optischen Nachweisverfahren ist der vorgegebene Bereich oft ein beliebiger, von anderen Bereichen auf dem Substrat diskreter Bereich auf dem Substrat, dessen Beschaffenheit oft identisch ist mit derjenigen des übrigen Substrats. Bei elektrischen Nachweisverfahren ist der vorgegebene Bereich oft eine freiliegende Elektrode auf der Oberfläche des Substrats oder eine Elektrode, die mit einem anderen Material, z.B. mit dem Material des übrigen, die Elektrode umgebenden Substrats, überzogen ist.
Im folgenden wird erläutert, wie das Dispensieren einer Lösung, die zu immobilisierende Fängermoleküle enthält, mittels bekannter Dispensiertechnik auf einen vorgegebenen Bereich eines Substrats idealerweise aufgebracht wird.
In Fig.3A und 3B sind ein Substrat 300, ein vorgegebener Bereich 301 des Substrats 300, eine Dispensiervorrichtung 302 (hier eine Düse) , eine zu dispensierende Lösung 303, große Führungs orSprünge 304, und eine Kavität 306, die oberhalb des vorgegebenen Bereichs 301 durch die großen Führungsvorsprünge 304 gebildet ist, dargestellt.
Fig.3A und 3B zeigen den Fall, dass die Führungsvorsprünge 304 relativ groß ausgebildet sind, so dass sie imstande sind, das dispensierte Volumen der Lösung 303 vollständig aufzunehmen. Fig.3A zeigt einen Tropfen der Lösung 303, der gerade aus der Düse 302 dispensiert wird. Fig.3B zeigt das Ergebnis nach dem Dispensieren der Lösung 303 aus der Düse 302. Es ist anzumerken, dass die Lösung 303 in der Fig.3B den vorgegebenen
Bereich 301 vollständig benetzt, was den Idealfall darstellt.
In Fig.3C und 3D sind ein Substrat 300, ein vorgegebener Bereich 301 des Substrats 300, eine Dispensiervorrichtung 302 (hier eine Düse), eine zu dispensierende Lösung 303, kleine Führungsvorsprünge 305, und eine Kavität 306, die oberhalb des vorgegebenen Bereichs 301 durch die kleinen Führungsvorsprünge 304 gebildet ist, dargestellt.
Fig.3C und 3D zeigen den Fall, dass kleinere Führungsvorsprünge 305 als diejenige in den Fig.3A und 3B vorgesehen sind. Die Fig.3C zeigt den Tropfen der Lösung 303, während dieser aus der Düse 302 gerade dispensiert wird. Die Fig.3D zeigt den Fall nach der Dispensierung des Tropfens der Lösung 303 aus der Düse 302 derart, dass dieser Tropfen jetzt zwischen den Führungsvorsprüngen 305 zwar oberhalb des vorgegebenen Bereichs liegt, jedoch ist das Volumen des Tropfens der Lösung 303 in Fig.3D aufgrund der kleinen Führungsvorsprünge 305 von diesen nicht vollständig aufzunehmen. Aus diesem Grund erstreckt sich der Tropfen der Lösung 303 über die Führungsvorsprünge 305 nach oben hinaus, wobei die Oberflächenspannung der Lösung 303 dazu führt, dass eine im Allgemeinen kugelförmige Form des Tropfens der Lösung 303 oberhalb des vorgegebenen Bereichs 301 beibehalten wird. Es ist anzumerken, dass der in der Fig.3D gezeigte vorgegebene Bereich 301 vollständig, d.h. gleichmäßig, von dem Tropfen der Lösung 303 benetzt ist, was den Idealfall darstellt.
Jedoch ist ein solcher Idealfall mit herkömmlichen Chip- Anordnungen mit Sensorelektroden in der Regel nicht realisierbar. Fig.δA zeigt ein Substrat 800, einen vorgegebenen Bereich 801 auf dem Substrat 800, eine zu dispensierende Lösung 802, große Führungsvorsprünge 803, eine beim Dispensieren eingeschlossene Luftblase 804 zwischen der Lösung 802 und dem vorgegebenen Bereich 801, sowie durch die
großen Führungsvorsprünge 803 gebildete Kavität 806. Fig.8B zeigt ein Substrat 800, einen vorgegebenen Bereich 801 auf dem Substrat 800, eine zu dispensierende Lösung 802, kleine Führungsvorsprünge 805, eine beim Dispensieren eingeschlossene Luftblase 804 zwischen der Lösung 802 und dem vorgegebenen Bereich 801, sowie durch die kleinen Führungsvorsprünge 805 gebildete Kavität 806.
Die Fig.8A entspricht der Fig.3B, wobei allerdings während des Dispensierens eine Luftblase 804 zwischen der Lösung 802 und dem vorgegebenen 801 eingeschlossen wird. Da das Dispensieren bei den oben beschriebenen Anwendungen oftmals mit sehr kleinen Volumen stattfindet (beispielsweise mit Volumen im Nanoliter-Bereich) , kann die Luftblase 804 sich nicht nach oben bewegen, um in die die Lösung 802 umgebende Atmosphäre abgeleitet zu werden. Aus diesem Grund bleibt die Luftblase 804 unterhalb der Lösung 802 in Kontakt mit dem vorgegebenen Bereich 801, so dass dieser Bereich des vorgegebenen Bereichs 801 keine zu immobilisierenden Fängermoleküle in der Lösung 802 kontaktieren kann. Somit werden keine zu immobilisierenden
Fängermoleküle auf jenen Bereich des vorgegebenen Bereichs 801, der unterhalb der Luftblase 804 liegt, immobilisiert, während auf dem Bereich des vorgegebenen Bereichs 801, der die Lösung 802 direkt kontaktiert, zu immobilisierende Fängermoleküle in der Lösung 802 immobilisiert werden.
Somit führt eine unvollständige Benetzung des vorgegebenen Bereichs 801 mit der Lösung 802 zu dem unerwünschten Zustand, dass nach der Immobilisierungsphase ein Teilbereich des vorgegebenen Bereichs 801 immobilisierte Fängermoleküle aufweist, während ein anderer Teilbereich des vorgegebenen Bereichs 801 keine immobilisierten Fängermoleküle aufweist. Im späteren Nachweisverfahren könnte eine solche, ungleichmäßige
Immobilisierung von Fängermolekülen auf dem vorgegebenen Bereich 801 zu unerwünschten Messartefakten führen.
Ein weiterer Nachteil bei solchen Dispensierverfahren im Stand der Technik liegt darin, dass wegen der kleinen Volumen, die bei solchen Dispensierverfahren verwendet werden, das Dispensieren an sich hinsichtlich des gewünschten Dispensierortes oft sehr unpräzise erfolgt. Wie oben erläutert, werden solche Dispensierverfahren im Stand der Technik oft mit sehr kleinen Volumen, zum Beispiel mit Volumen im Nanoliter-Bereich, durchgeführt. Das Volumen der zu dispensierenden Lösung erfährt daher an sich oft aufgrund seines Gewichtes, eine Gewichts raft, die etwa so groß ist wie die Kraft durch den Luftwiderstand, den ein solches Volumen während des Dispensierens erfährt. Nach dem Austreten aus, zum Beispiel, einer Düse bei einem solchen Dispensierverfahren kann also vor dem Ruhen des Volumens der zu dispensierenden Lösung aufgrund dieses Luftwiderstandes zur Seite der Sollflugbahn dieses Volumens zwischen der Düse und dem Substrat wandern, was das genaue Platzieren des Volumens der zu dispensierenden Lösung auf einem bestimmten Ort des Substrats erschwert.
Ferner ist in [9] ein Mikroportionierer für Flüssigkeiten bekannt mit einem Mittel zur Erzeugung einer elektrischen
Potentialdifferenz zwischen der Auslassöffnung einer Kapillare und einem ihr gegenüberliegenden Ort außerhalb der Kapillare, wobei das Mittel derart eingerichtet ist, dass aus der Kapillare austretende Tropfen mittels der elektrischen Potentialdifferenz abgerissen werden.
Weitere Vorrichtungen zum Aufbringen einer Flüssigkeit auf ein Substrat sind in [10] , [11] , [12] sowie [13] beschrieben.
Somit liegt der Erfindung das Problem zugrunde, die räumliche Genauigkeit, mit der ein Volumen der zu dispensierenden Lösung auf ein Substrat dispensiert werden kann, zu verbessern.
Dieses Problem wird mit einer Biosensorchip-Dispensier- Anordnung und einem Verfahren zum Dispensieren einer zu dispensierenden Lösung auf einen vorgegebenen Bereich eines Substrats unter Verwendung der Dispensier-Anordnung auf einem Biosensorchip mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Eine Biosensorchip-Dispensier-Anordnung weist ein Substrat auf. Das Substrat weist eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche auf. Weiterhin weist die Dispensier-Anordnung eine Dispensiervorrichtung zur Aufnahme einer zu dispensierenden Lösung auf. Die Dispensiervorrichtung ist in einem Abstand oberhalb der oberen Oberfläche des Substrats angeordnet derart, dass die zu dispensierende Lösung oberhalb eines vorgegebenen Bereichs der oberen Oberfläche des Substrats dispensiert werden kann, wobei der vorgegebene Bereich der oberen Oberfläche des Substrats derart eingerichtet ist, dass auf ihr Fängermoleküle immobilisierbar sind. Hierbei ist das Substrat elektrisch kontaktiert derart, dass zwischen dem vorgegebenen Bereich und der Dispensiervorrichtung ein elektrisches Potential erzeugt werden kann. Das zwischen dem vorgegebenen Bereich und der Dispensiervorrichtung erzeugte elektrische Potential ermöglicht, dass die Richtung des Dispensierens der zu dispensierenden Lösung zum vorgegebenen Bereich hin gesteuert werden kann.
Die Biosensorchip-Dispensier-Anordnung gemäß der Erfindung bringt den Vorteil, dass durch Anlegen eines elektrischen
Potentials zwischen zumindest dem vorgegebenen Bereich des Substrats und der Dispensiervorrichtung ein Volumen der zu dispensierenden Lösung aktiv in Richtung der Zielposition, das heißt des vorgegebenen Bereiches des Substrats, elektrostatisch hingezogen wird. Somit wird die Flugbahn eines auch sehr kleinen Volumens der zu dispensierenden Lösung aus der Dispensiervorrichtung durch die zwischen dem vorgegebenen Bereich des Substrates und der Dispensiervorrichtung existierenden elektrostatischen Feldlinien bestimmt, wodurch ein seitliches Wandern des Volumens der zu dispensierenden
Lösung ausserhalb der beabsichtigten Flugbahn des Volumens der zu dispensierenden Lösung reduziert und daher die ortsspezifische Genauigkeit, mit der das Volumen der zu dispensierenden Lösung auf das Substrat aufgebracht werden kann, erhöht wird.
Des weiteren wird durch das aktive, elektostatische Hinziehen des Volumens der zu dispensierenden Lösung zu einem bestimmten vorgegebenen Bereich die Gefahr reduziert, dass beim Dispensieren zwischen dem Volumen der zu dispensierenden Lösung und dem vorgegebenen Bereich des Substrats eine Luftblase eingeschlossen wird. Das Volumen der zu dispensierenden Lösung wird effektiv durch die Feldlinien zwischen der Dispensiervorrichtung und dem vorgegebenen Bereich des Substrats auf diesen gezogen, so dass das Volumen der zu dispensierenden Lösung sich an den vorgegebenen Bereich eng anschmiegt, d.h. den vorgegebenen Bereichs des Substrats vollständig und gleichmäßig benetzt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Biosensorchip-Dispensier-Anordnung ist die elektrische Kontaktierung des Substrats derart eingerichtet, dass das elektrische Potential ganzflächig an das Substrat angelegt
werden kann. In diesem Szenario besteht zwischen der gesamten oberen Oberfläche des Substrats und der Dispensiervorrichtung ein für das Steuern eines Volumens der zu dispensierenden Lösung aus der Düse zum Substrat hin maßgebendes Potential, und der vorgegebene Bereich des Substrats, auf den die zu dispensierende Lösung dispensiert werden soll, stellt eine gedanklich abgegrenzte Unterteilung der gesamten oberen Oberfläche des Substrats dar. Demnach trägt der vorgegebene Bereich gemäß diesem Ausführungsbeispiel dieselbe elektrostatische Ladung wie die gesamte obere Oberfläche des Substrats .
Bei einem ganzflächig auf das Substrat angelegten Potential sind vorzugsweise zwei Möglichkeiten hinsichtlich des Aufbaus des Substrats vorgesehen.
Bei der ersten Möglichkeit besteht das Substrat selbst aus einem elektrisch leitfähigen Material, und die elektrische Kontaktierung ist eine unmittelbare elektrische Kontaktierung zwischen dem Substrat selbst und einer mit dem Substrat gekoppelten Spannungsquelle. Mögliche elektrisch leitfähige Materialien, aus denen das Substrat bestehen könnte, sind beispielsweise Polysilizium oder unterschiedliche Metalle wie zum Beispiel Gold.
Da bei diesem Ausführungsbeispiel das Potential ganzflächig auf das Substrat angelegt werden kann, kommen Feldlinien zwischen der Dispensiervorrichtung und der oberen Oberfläche des Substrats nicht nur zwischen dem vorgegebenen Bereich des Substrats, auf den die zu dispensierende Lösung dispensiert werden soll, und der Dispensiervorrichtung, sondern auch zwischen anderen Bereichen auf der oberen Oberfläche des Substrats und der Dispensiervorrichtung zustande . In diesem
Fall wird der Flugweg des dispensierten Volumens der zu dispensierenden Lösung durch die kürzeste Feldlinie zu der oberen Oberfläche des Substrats hin bestimmt. Bei senkrecht zur oberen Oberfläche ausgerichteter Dispensiervorrichtung ist diese kürzeste Feldlinie diejenige Feldlinie, die senkrecht zu dem vorgegebenen Bereich auf der oberen Oberfläche des Substrats verläuft. Aus diesem Grund ist es bei einem solchen Ausführungsbeispiel wichtig, die laterale Position der Dispensiervorrichtung möglichst genau oberhalb des vorgegebenen Bereichs des Substrats, auf den die zu dispensierende Lösung dispensiert werden soll, zu positionieren, so dass die die Flugbahn des zu dispensierenden Lösung bestimmenden Feldlinien zwischen der Dispensiervorrichtung und dem vorgegebenen Bereich des Substrats diejenige Feldlinie aus der Mehrzahl der Feldlinien ist, die am kürzesten ist.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem das Potential ganzflächig auf die obere Oberfläche des Substrats angelegt ist, besteht das Substrat aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material und die elektrische Kontaktierung ist eine mittelbare elektrische Kontaktierung zwischen dem Substrat und einem elektrisch leitfähigen, mit einer Spannungsquelle gekoppelten Körper. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird das Volumen der zu dispensierenden Lösung nicht direkt auf dem elektrisch leitfähigen Material, sondern auf das nicht elektrisch leitfähige Material des Substrats dispensiert. Ein bevorzugtes, nicht elektrisch leitfähiges Material ist Siliziumdioxid oder Siliziunanitrid. Bevorzugte, elektrisch leitfähige Materialien, aus denen der mit der Spannungsquelle gekoppelte Körper geschaffen sein kann, umfassen alle Metalle mit hoher elektrischer Leitfähigkeit. Beispielsweise kann Aluminium, Gold, Platin,
Kupfer, Wolfram oder Palladium als Material für den elektrisch leitfähigen Körper verwendet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dieser elektrisch leitfähige, mit einer Spannungsquelle verbundene Körper innerhalb des Substrates zwischen der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche des Substrats angeordnet.
Der elektrisch leitfähige, mit einer Spannungsquelle verbundene Körper ist gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung unterhalb der unteren Oberfläche des Substrats angeordnet .
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die elektrische Kontaktierung derart geschaffen, dass das elektrische Potential auf nur einen einzelnen vorgegebenen Bereich des Substrats angelegt werden kann. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen nur zwischen dem vorgegebenen Bereich des Substrats und der Dispensiervorrichtung Feldlinien, die ein elektrisches Feld symbolisch darstellen, das ein Volumen der zu dispensierenden Lösung zum Substrat hin zieht. Auf andere Bereiche des Substrats, die nicht der vorgegebene Bereich des Substrats sind, wird entweder kein Potential oder ein das Volumen der zu dispensierenden Lösung abstoßendes Potential angelegt. Da Feldlinien, entlang derer die zu dispensierende Lösung zum Substrat hin angezogen wird, nur zwischen dem gewünschten vorgegebenen Bereich des Substrats und der Dispensiervorrichtung bestehen, ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung die genaue Positionierung der Dispensiervorrichtung oberhalb des vorgegebenen Bereiches des Substrats nicht von der Bedeutung wie bei den
Ausführungsbeispielen der Erfindung, bei welchen das Potential ganzflächig an das Substrat angelegt wird.
Bevorzugt besteht das Substrat aus einem nicht elektrisch leitfähigem Material und der vorgegebene Bereich des Substrats ist eine Elektrode, die mit einer Spannungsquelle gekoppelt ist. Gemäß einem solchen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Elektrode, also der vorgegebene Bereich des Substrats, eine von einer Mehrzahl von Elektroden auf der oberen Oberfläche des Substrats, auf die Positionsspezi isch relativ zu den anderen Elektroden auf der Oberfläche des Substrats ein das Volumen der zu dispensierenden Lösung anziehendes Potential angelegt werden kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Elektrode nicht nur oberhalb der Oberfläche des Substrats, sondern auch unterhalb der oberen Oberfläche des Substrats angeordnet sein. Gemäß einem solchen Ausführungsbeispiel wird die zu dispensierende Lösung nicht direkt auf die Elektrode selbst dispensiert, sondern auf das elektrisch nicht leitfähige Material des Substrats.
Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Elektrode, die den vorgegebenen Bereich des Substrats darstellt, Gold auf. Die Verwendung von Gold ermöglicht nicht nur eine hohe elektrische Leitfähigkeit, sondern auch die Immobilisierung von auf der Elektrode aufgebrachten Fängermolekülen mittels einer bekannten Gold- Schwefel-Kopplung.
Bei allen vorangegangenen Ausführungsbeispielen ist ein geeignetes, nicht elektrisch leitfähiges Material Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid. Je nach Verwendungszweck
können jedoch andere Materialien, z.B. polymerische Materialien wie Polyethylen, Polypropylen, Polyethylen- Polypropylen Block Copolymere, Polystyrol, Aluminiumoxid, Titanoxid, sowie Tantaloxid verwendet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Dispensiervorrichtung eine Düse. Bevorzugt ist die Düse derart eingerichtet, dass die zu dispensierende Lösung in Volumen bis zu einem Nanoliter dispensiert werden kann. Zu Mikrodispensierzwecken sind beispielsweise Piezomikrodüsen bevorzugt .
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält die Dispensiervorrichtung, beispielsweise eine Düse, zu immobilisierende Fängermoleküle. Dadurch, dass die zu dispensierende Lösung auf einen bestimmten vorgegebenen Bereich des Substrats dispensiert wird, werden die in der zu dispensierenden Lösung enthaltenen Fängermoleküle auf dem vorgegebenen Bereich des Substrat ortsspezifisch aufgebracht, so dass diese auf dem Substrat immobilisiert werden können.
Dies setzt voraus, dass die Beschaffenheit des vorgegebenen Bereichs derart ist, dass eine chemische, d.h. kovalente, Bindung zwischen dem zu immobilisierenden Fängermolekül und sich selbst möglich ist. Die Immobilisierung eines in der zu dispensierenden Lösung enthaltenen Fängermoleküls je nach Aufbau des Substrats kann also auf ein entweder elektrisch leitfähiges Material oder ein nicht elektrisch leitfähiges Material erfolgen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird oberhalb der oberen Oberfläche des Substrats eine Dielektrikumschicht angeordnet, so dass die Dielektrikumschicht die obere Oberfläche des Substrats sowie,
falls vorhanden, die auf der oberen Oberfläche des Substrats angeordnete Elektrode bedeckt. Zwar wird dadurch die eventuell auf der Oberfläche des Substrats sich befindliche Elektrode bedeckt, jedoch wird diese durch eine solche Dielektrikumschicht von äußeren Einflüssen beschützt. Ob eine Dielektrikumschicht auf die obere Oberfläche des Substrats aufgebracht wird, hängt beispielsweise also davon ab, wie die zu immobilisierenden Fängermoleküle immobilisiert werden sollen oder auch wie das elektrische Potential zwischen dem vorgegebnen Bereich des Substrats und der
Dispensiervorrichtung der Dispensier-Anordnung erzeugt werden soll.
Eine solche Dielektrikumschicht die auf die obere Oberfläche des Substrats sowie, falls vorhanden, auf die obere Oberfläche des Substrats angeordnete Elektrode aufgebracht werden kann, kann Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid aufweisen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind auf der oberen Oberfläche oder, falls vorhanden, auf der
Dielektrikumschicht seitlich des vorgegebenen Bereiches sich nach oben hin erstreckende Führungsvorsprünge angeordnet .
Solche Führungsvorsprünge weisen Führungsflächen auf, die nach innen hin zum vorgegebenen Bereich führen. Solche
Führungsvorsprünge können verwendet werden, um die zu dispensierende Lösung gezielt oberhalb des vorgegebenen Bereiches des Substrats zu sammeln. Der Effekt der Führungsvorsprünge kommt insbesondere in den Fällen zum tragen, bei denen ein Fehlplatzieren des Volumens der zu dispensierenden Lösung seitlich oberhalb des vorgegebenen Bereichs des Substrats vermieden werden soll. Dies könnte beispielsweise bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel der
Fall sein, bei dem ein Potential ganzflächig auf das Substrat angelegt werden kann, so dass zwischen der
Dispensiervorrichtung und dem Substrat mehrere Feldlinien die Flugbahn eines Volumens der zu dispensierenden Lösung beeinflussen können. Dadurch könnte es zu einem unerwünschten „Wegfliessen" des Volumens der zu dispensierenden Lösung aus dem vorgegebenen Bereich hinaus auf der Oberfläche des Substrats kommen. Ein solches „WegfHessen" sollte daher vermieden werden.
Bei einem Verfahren zum Dispensieren einer zu dispensierenden Lösung auf einen vorgegebenen Bereich eines Substrats unter Verwendung der Dispensier-Anordnung wie oben erläutert, werden die Dispensiervorrichtung und/oder das Substrat relativ zueinander bewegt derart, dass nach vollzogener Bewegung die Dispensiervorrichtung oberhalb des vorgegebenen Bereichs zum Ruhen kommt. Der vorgegebene Bereich des Substrats ist derart eingerichtet, dass auf diesem Fängermoleküle immobilisierbar sind. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die Oberfläche des Substrats in dem vorgegebenen Bereich selbst oder eine auf dem Substrat in dem vorgegebenen Bereich aufgebrachte zusätzliche Schicht derart eingerichtet ist dass auf dieser Fängermoleküle immobilisierbar sind. Ein elektrisches Potential wird zwischen dem vorgegebenen Bereich des Substrats und der Dispensiervorrichtung angelegt. Die
Dispensiervorrichtung wird zum Dispensieren eines Volumens der zu dispensierenden Lösung veranlasst. Man lässt das zwischen der Dispensiervorrichtung und dem vorgegebenen Bereich des Substrats existierende Potential auf das dispensierte Volumen der zu dispensierenden Lösung wirken, so dass ein Volumen der zu dispensierenden Lösung in Richtung des vorgegebenen Bereichs hin gesteuert wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im weiteren näher erläutert.
Es zeigen
Fig.l eine schematische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Biosensorchip-Dispensier-Anordnung, bei dem ein Potential ganzflächig an das Substrat angelegt werden kann;
Fig.2 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Biosensorchip-Dispensier-Anordnung, bei der positionsspezifisch auf das Substrat unterschiedliche Potentialien an unterschiedliche Bereiche des
Substrats angelegt werden können;
Fig.3 eine schematische Darstellung verschiedener
Biosensorchip-Dispensier-Anordnungen gemäß dem Stand der Technik;
Fig.4 eine schematische Darstellung eines
Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Biosensorchip-Dispensier-Anordnung, bei der ein Potential ganzflächig entlang des Substrats mittels eines in dem Substrat sich befindlichen Körpers erzeugbar ist;
Fig.5 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Biosensorchip-Dispensier-Anordnung, bei der ein
Potential ganzflächig entlang des Substrats mittels eines unterhalb des Substrats sich befindlichen Körpers er∑eugbar ist;
Fig.6 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Biosensorchip-Dispensier-Anordnung, bei der
unterschiedliche Potentiale an unterschiedliche vorgegebene Bereiche des Substrats angelegt werden können und bei dem eine Dielektrikumschicht oberhalb der oberen Oberfläche des Substrats aufgebracht ist;
Fig.7 ein adressierbares Substrat mit mehreren vorgegebenen Bereichen gemäß dem Stand der Technik;
Fig.8 eine schematische Darstellung einer unvollständigen Benetzung eines vorgegebenen Bereichs eines Substrats unter Verwendung einer Dispensier-Anordnung gemäß dem Stand der Technik.
Fig.l zeigt ein Substrat 100, vorgegebene Bereiche 101 des Substrats 100, eine Spannungsquelle 102, eine
Dispensiervorrichtung 103 (hier eine Düse 103) , eine zu dispensierende Lösung 104, Feldlinien 105, entlang derer die zu dispensierende Lösung 104 zum Substrat 100 hin angezogen wird, und eine Erdung 106.
In dem in der Fig.l gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Substrat 100 aus einem elektrisch leitfähigem Material, so dass zum Erzeugen eines elektrischen Potentials auf der gesamten Oberfläche des Substrats 100 das Substrat 100 mit einer Spannungsquelle 102 direkt, d.h. unmittelbar, gekoppelt ist. Das Substrat 100 weist mehrere vorgegebene Bereiche 101 auf, wovon, elektrisch gesehen, jeder vorgegebene Bereich 101 elektrisch von der umgebenen oberen Oberfläche des Substrats 100 getrennt ist. Die in der Düse 103 enthaltene, zu dispensierende Lösung 104 steht in elektrischem Kontakt mit der Düse 103. Da die Düse 103 aufgrund der Erdung 106 geerdet ist, ist die in der Düse 103 enthaltene, zu dispensierende Lösung 104 ebenfalls geerdet. Aus diesem Grund besteht zwischen der oberen Oberfläche des Substrats 100 mit den
vorgegebenen Bereichen 101 des Substrats 100 und der zu dispensierenden Lösung 104 ein elektrisches Potential, das durch die mehreren Feldlinien 105 symbolisch dargestellt ist. Da nicht nur zwischen dem gewünschten, hier dem zentralen, vorgegebenen Bereich 101 und der zu dispensierenden Lösung 104 ein elektrisches Feld besteht, sondern auch zwischen der Düse 103 und der oberen Oberfläche den umgebenden Bereichen des Substrats 100 sowie den anderen vorgegebenen Bereichen 101 des Substrats 100, sollte die Düse 103 direkt oberhalb des gewünschten, hier des zentralen, vorgegebenen Bereiches 101 des Substrats 100 positioniert werden, so dass das dispensierte Volumen der zu dispensierenden Lösung 104 entlang der kürzesten Feldlinie, hier der Feldlinie 107, zum gewünschten vorgegebenen Bereich 101 des Substrats 100 gesteuert werden kann.
Fig.2 zeigt ein Substrat 200, einen positiv geladenen, vorgegebenen Bereich 201 des Substrats 200, eine Dispensiervorrichtung 202 (hier eine Düse 202) , eine zu dispensierende Lösung 203, Feldlinien 204, entlang derer die zu dispensierende Lösung 203 zum Substrat 200 hin angezogen wird, Feldlinien 205, entlang derer die zu dispensierende Lösung 203 vom Substrat 200 abgestoßen wird, mehrere negativ geladenen vorgegebenen Bereiche 206 des Substrats 200, und eine Erdung 207.
Das Substrat 200 besteht aus einem nicht elektrisch leitfähigen Material, zum Beispiel aus Si02, so dass die vorgegebenen Bereiche 201, 206 des Substrats 200 elektrisch isoliert voneinander angeordnet sind und bleiben. Aus diesem Grund können verschiedene Potentiale auf verschiedene vorgegebene Bereiche 201, 206 des Substrats 200 angelegt werden.
In der in Fig.2 gezeigten Ausführungsform ist es gewünscht, die zu dispensierende Lösung 203 auf den vorgegebenen Bereich 201 zu dispensieren, wobei auf die vorgegebenen Bereiche 206 des Substrats 200 keine zu dispensierende Lösung 203 dispensiert werden soll. Tritt ein Volumen der zu dispensierenden Lösung 203 aus der Düse 202 heraus, wird dieses aufgrund der zwischen dem vorgegebenen Bereich 201 des Substrats 200 und der Düse 202 existierenden, anziehenden elektrischen Potential entlang den Feldlinien 204 zu dem vorgegebenen Bereich 201 des Substrats 200 hingezogen. Hierbei wird durch die Feldlinien 205, entlang derer die zu dispensierende Lösung 203 vom Substrat 200 abgestoßen wird, vermieden, dass das Volumen der zu dispensierenden Lösung 203 zu anderen Orten, beispielsweise zu den vorgegebenen Bereichen 206 oder zu einem anderen Ort auf der Oberfläche des Substrats
200, hingezogen wird. Hierfür sollte jeder vorgegebene Bereich
201, 206 des Substrats 200 einzeln mit einer Spannungsquelle (hier nicht gezeigt) gekoppelt werden. Demnach erfolgt das Anlegen eines positionsspezifischen Potentials an einen bestimmten vorgegebenen Bereich des Substrats 200, hier an den vorgegebenen Bereich 201, gesteuert mittels eines Computers sowie der einzelnen, zwischen dem vorgegebenen Bereichen 201, 206 und der Spannungsquelle (nicht gezeigt) existierenden Kopplungen.
Fig.4 zeigt ein Substrat 400, mehrere vorgegebene Bereiche 401 auf der oberen Oberfläche des Substrats 400, eine Spannungsquelle 402, eine Dispensiervorrichtung 403 (hier eine Düse 403), eine zu dispensierende Lösung 404, Feldlinien 405, entlang derer die zu dispensierende Lösung 404 zum Substrat 400 hin angezogen wird, einen Körper 406 aus elektrisch
leitfähigem Material, eine Erdung 407 und die kürzeste Feldlinie 408 zwischen der Düse 403 und dem Substrat 400.
Bei dem in der Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel besteht das Substrat 400 aus nicht elektrisch leitfähigem Material und die vorgegebenen Bereiche 401 auf der oberen Oberfläche des Substrats 400 sind als elektrische Bereiche der oberen Oberfläche des Substrats 400 zu verstehen. Wie bereits oben für die Fig.l erläutert, ist es daher wichtig, das die Düse 403 genau oberhalb des gewünschten vorgegebenen Bereiches des Substrats 400, dass heißt oberhalb des in der Fig.4 zentralen vorgegebenen Bereiches 401, positioniert werden muss, so dass das Volumen der zu dispensierenden Lösung 404 entlang der kürzesten Feldlinie 408 zwischen der Düse 403 und dem Substrat 400 zu diesem gewünschten vorgegebenen Bereich 401 des Substrats 400 gesteuert werden kann.
Wie anhand der Plus-Zeichen in der Fig.4 zu sehen ist, ist mittels des zwischen der oberen Oberfläche des Substrats 400 und der unteren Oberfläche des Substrats 400 eingebrachten
Körpers 406 ein Potential ganzflächig auf die obere Oberfläche des Substrats 400 erzeugbar. Der Körper 406 ist direkt mit einer Spannungsquelle 402 gekoppelt und besteht vorzugsweise aus Metallen mit einer hohen Leitfähigkeit, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer, Gold, Platin, Wolfram oder Palladium.
Fig.5 zeigt ein Substrat 500, mehrere vorgegebene Bereiche 501 auf der oberen Oberfläche des Substrats 500, eine Spannungsquelle 502, eine Dispensiervorrichtung 503 (hier eine Düse 503), eine zu dispensierende Lösung 504, Feldlinien 505, entlang derer die zu dispensierende Lösung 504 zum Substrat 500 hin angezogen wird, einen Körper aus elektrisch leitfähigem Material 506 unterhalb der unteren Oberfläche des
Substrats 500, eine Erdung 507 und eine kürzeste Feldlinie 508 zwischen der Düse 503 und dem Substrat 500.
Der in der Fig.5 gezeigte Körper 506 befindet sich unter der unteren Oberfläche des Substrats 500. Ansonsten gilt die Erläuterung für die Fig.4 entsprechend für die Fig.5.
Die Fig.6 zeigt ein Substrat 600, einen gewünschten vorgegebenen Bereich 601, auf den eine zu dispensierende Lösung 603 dispensiert werden soll, eine Dispensiervorrichtung 602, Feldlinien 604, entlang derer die zu dispensierende Lösung 603 zum Substrat 600 hin angezogen wird, Feldlinien 605, entlang derer die zu dispensierende Lösung 603 vom Substrat 600 abgestoßen wird, mehrere vorgegebene Bereiche 606, auf die zu dispensierende Lösung 603 nicht dispensiert werden soll, eine Erdung 607 und eine Dielektrikumschicht 608 auf der oberen Oberfläche des Substrats 600. Die Erläuterung der Fig.2 gilt entsprechend für die Fig.6.
Die Fig.β unterscheidet sich von der Fig.2 darin, dass auf der oberen Oberfläche des Substrats 600 eine Dielektrikumschicht 608 aufgebracht ist. Demnach werden Fängermoleküle, die in der zu dispensierenden Lösung 603 enthalten sind, nicht direkt auf den vorgegebenen Bereich 601 (der für sich vorzugsweise eine Elektrode ist) dispensiert, sondern oberhalb des vorgegebenen Bereichs 601 auf die Dielektrikumschicht 608 dispensiert.
Vorzugsweise könnte die Dielektrikumschicht 608 aus dem selben, nicht elektrisch leitfähigen Material wie das Substrat 600 bestehen. Ein geeignetes, nicht elektrisch leitfähiges Material zu diesem Zweck ist, wie für die Fig.2 bereits erläutert, Siliziumdioxid oder Siliziumnitrid.
Die aufgebrachte Dielektrikumschicht 608 kann zum Schutz der vorgegebenen Bereiche 601, 606 des Substrats 600 vorgesehen sein, so dass Fängermoleküle die in der zu dispensierenden Lösung 603 enthalten sind, nicht direkt auf dem leitenden Material des jeweiligen vorgegebenen Bereichs 601, 606 dispensiert werden, sondern auf die Dielektrikumschicht 608 oberhalb des jeweiligen vorgegebenen Bereichs 601, 606. In dieser Hinsicht kann es auch vorteilhaft sein, die Dielektrikumschicht 608 nicht stoffbündig mit dem Material des Substrat 600 auszubilden, so dass die Dielektrikumschicht 608 nach dem Dispensieren unterschiedlicher Fängermoleküle auf den jeweiligen vorgegebenen Bereichen 601, 606 zur weiteren Auswertung bzw. Erfassung von dem Substrat 600 mit seinen vorgegebenen Bereichen 601, 606 getrennt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Positionsspezifität der vorgegebenen Bereiche 601, 606 des Substrats 600 eine entsprechende Positionsspezifität der jeweils dispensierten Lösung 606 auf der Dielektrikumschicht 608 ergibt. Ein solcher spezifischer Positionstransfer von den jeweiligen vorgegebenen Bereichen 601, 606 des Substrats 600 auf die Dielektrikumschicht 608 bringt den Vorteil mit sich, dass unter Verwendung immer neuer Dielektrikumschichten 608 die Dispensier-Anordnung, bestehend aus dem Substrat 600, den vorgegebenen Bereichen 601, 606, die Düse 602 sowie die Erdung 607, wiederholt verwendbar ist.
Die Fig.7 und die Fig.8 sind bereits in dem einleitenden Teil im Lichte des Standes der Technik erläutert worden.
ie folgenden Referenzen wurden in diesem Dokument zitiert:
[1] M. Paeschke et al . , Electroanalysis 1996, 7, No. 1, p. 1-8
[2] R. Hintzsche et al . , "Microbiosensors using electrodes made in Si-technology" , in "Frontiers in Biosensorics I
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[3] WO 93/22678
[4] DE 196 10 115 AI
[5] US Serial No 60 / 007840
[6] Peter Van Gerwen et al., Transducers '97, p. 907-910
[7] Christian Krause et al . , Langmuir, Vol. 12, No. 25, 1996 p. 6059-6064
[8] V. M. Mirsky, Biosensors & Bioelectronics 1997, Vol. 12 No. 9-10, pp. 977-989
[9] DE 24 54 104 AI
[10] US 3,914,312
[12] DE 42 29 005 AI
[13] US 4,740,799
Bezugszeichenliste
100 Substrat
101 Vorgegebene Bereiche
102 Spannungsquelle
103 Dispensiervorrichtung (hier eine Düse)
104 Zu dispensierende Lösung
105 Feldlinien, entlang derer die zu dispensierende Lösung 104 zum Substrat 100 hin angezogen wird
106 Erdung
107 Kürzeste Feldlinie zwischen der Düse 103 und dem Substrat 100
200 Substrat
201 Positiv geladene, vorgegebene Bereiche
202 Dispensiervorrichtung (hier eine Düse)
203 Zu dispensierende Lösung
204 Feldlinien, entlang derer die zu dispensierende Lösung 203 zum Substrat 200 hin angezogen wird
205 Feldlinien, entlang derer die zu dispensierende Lösung 203 vom Substrat 200 abgestoßen wird
206 Negativ geladene, vorgegebene Bereiche
207 Erdung
300 Substrat
301 Vorgegebene Bereiche
302 Dispensiervorrichtung (hier Düse)
303 Zu dispensierende Lösung 304 Große Führungsvorsprünge 305 Kleine Führungsvorsprünge
306 Durch die Führungsvorsprünge gebildete Kavität
400 Substrat
401 Vorgegebene Bereiche
402 Spannungsquelle
403 Dispensiervorrichtung (hier Düse)
404 Zu dispensierende Lösung
405 Feldlinien, entlang derer die zu dispensierende Lösung 404 zum Substrat 400 hin angezogen wird
406 Körper aus elektrisch leitfähigem Material 407 Erdung
408 Kürzeste Feldlinie zwischen der Düse 403 und dem Substrat 400
500 Substrat
501 vorgegebene Bereiche
502 Spannungsquelle
503 Dispensiervorrichtung (hier Düse)
504 Zu dispensierende Lösung
505 Feldlinien, entlang derer die zu dispensierende Lösung 504 zum Substrat 500 hin angezogen wird
506 Körper aus elektrisch leitfähigem Material
507 Erdung
508 Kürzeste Feldlinie zwischen der Düse 503 und dem Substrat 500
600 Substrat
601 Positiv geladener, vorgegebener Bereich
602 Dispensiervorrichtung (hier eine Düse)
603 Zu dispensierende Lösung
604 Feldlinien, entlang derer die zu dispensierende Lösung 603 zum Substrat 600 hin angezogen wird
605 Feldlinien, entlang derer die zu dispensierende Lösung 603 vom Substrat 600 abgestoßen wird
606 Negativ geladene, vorgegebene Bereiche
607 Erdung
608 Dielektrikumschicht auf der oberen Oberfläche des Substrats
600
700 Chip/Substrat
701 vorgegebene Bereiche
800 Substrat
801 Vorgegebener Bereich
802 Zu dispensierende Lösung
803 Große Führungsvorsprünge
804 Beim Dispensieren eingeschlossene Luftblase
805 Kleine Führungsvorsprünge
806 Durch die Führungsvorsprünge gebildete Kavität