專利名稱：作為生物芯片的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，尤其是一種在小型化實驗室中、例如在所謂的芯片實驗室卡(lab-on-a-chip-Karte)上應(yīng)用的生物芯片。
背景技術(shù)：
生物芯片是可以用于檢測和/或研究最小量的生物材料的裝置。通過生物芯片例如可以將諸如核酸或者蛋白質(zhì)的分子吸附在固定的表面上，并且使得可以自動化地、快速地以及并行地分析樣本。因此，生物芯片原則上包括測試區(qū)、傳感器以及評估電子設(shè)備，其中該評估電子設(shè)備也可以設(shè)置在外部并且可以通過連接端子與芯片上的傳感器耦合。測試區(qū)通常由一類用于吸附樣本的納米貯存器來表征。生物芯片的傳感器的示例由DE 103 08 975 B4已知，在那里公開了一種薄膜諧振器，在該薄膜諧振器中電極層、壓電層和另外的電極層層狀相疊地堆疊。該壓電層例如由氧化鋅構(gòu)成。上電極層(top electrode，上電極)由金構(gòu)成并且具有用于積聚(例如吸附)流體物質(zhì)的積聚面。通過下電極層(bottom electrode，底電極)將薄膜諧振器施加在硅襯底上。為了將硅襯底和薄膜諧振器彼此在聲學(xué)上去耦合，在該硅襯底與該薄膜諧振器之間例如設(shè)置由不同聲阻抗的λ/4厚的層構(gòu)成的聲反射鏡。利用已知的生物芯片可能的是，將具有相對高質(zhì)量的物質(zhì)一例如諸如蛋白質(zhì)或核酸的大分子一吸附到當(dāng)前常見的測試區(qū)上。由于這些分子的質(zhì)量，這些分子引起測試區(qū)的變化的振動特性并且可以被相應(yīng)地檢測到。在具有小質(zhì)量的小分子的情況下，該系統(tǒng)只能差地(也就是以小分辨率)起作用或者根本不起作用。對于較小的分子或原子或離子的檢測來說已知有許多技術(shù)，但是沒有一項技術(shù)基于例如從DE 103 08 975中已知的壓電聲學(xué)(piezoakustisch)薄膜諧振器的系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是改進傳感器，使得質(zhì)量靈敏度被提高。所述任務(wù)的解決方案在這里的說明書、權(quán)利要求以及附圖中公開。因此本發(fā)明的主題是一種具有傳感器和測試區(qū)的生物芯片，其中所述測試區(qū)具有貯存器(也就是吸附層)和位于該貯存器上的薄膜，使得所述薄膜包括雙脂質(zhì)層、細胞、細胞壁和/或細胞膜。已經(jīng)確定的是，細胞膜、細胞壁、細胞和/或雙脂質(zhì)層具有多種多樣的膜蛋白質(zhì)， 這些膜蛋白質(zhì)引起了細胞粘附。所述薄膜對于不同的物質(zhì)具有不同的可透過性，使得只有特定物質(zhì)可以穿透所述薄膜，尤其是當(dāng)所述薄膜還配備有特定的膜蛋白質(zhì)時。該效應(yīng)根據(jù)本發(fā)明被充分用于檢測物質(zhì)。在細胞膜、細胞壁、雙脂質(zhì)層和/或細胞中針對分子、離子和原子存在不同的路徑。其中例如還存在所謂的離子通道，這些離子通道在薄膜中形成孔，這些孔接納例如離子的小分子。已經(jīng)成功地在人工合成的雙脂質(zhì)層中構(gòu)造了離子通道。利用這些離子通道來體會細胞膜可透過性。根據(jù)本發(fā)明，所述雙脂質(zhì)層例如作為平坦的原生質(zhì)膜例如施加在聚合物載體上，所述聚合物載體一方面使所述薄膜穩(wěn)定并且另一方面吸附要檢測的物質(zhì)。根據(jù)一個有利的實施方式，所述薄膜的可透過性與要檢測的物質(zhì)匹配。例如所述薄膜是離子選擇的薄膜。選擇所述薄膜和所述聚合物載體，使得當(dāng)所探求的物質(zhì)滲入到薄膜和聚合物載體中并且吸附在那里時，它們(僅僅聚合物載體，不一定是薄膜)改變所述物質(zhì)的物理特性，使得可以檢測到所述物質(zhì)。例如，所述構(gòu)造的折射率、磁感應(yīng)、粘滯性或者聲可透過性可能由于測試物質(zhì)的存在而改變。該改變?nèi)缓罂梢杂伤鰝鞲衅鳈z測到。根據(jù)一個有利的實施方式規(guī)定，在所述薄膜內(nèi)還設(shè)置蛋白質(zhì)，即所謂的膜蛋白質(zhì)以積聚所探求的分子或離子。根據(jù)本發(fā)明的一個有利的實施方式規(guī)定，所述貯存器形成孔。在此有利的是，多孔的材料是聚合物，尤其是聚合電解質(zhì)多層聚合物、凝膠或者諸如多孔的金屬或陶瓷的其他多孔物質(zhì)，例如多孔的硅、鋁等等。在PEM聚合物載體的情況下優(yōu)選的是，PEM通過疊層方法 (khicht-filr-khicht-Methode)用不同的聚合電解質(zhì)來構(gòu)造。例如這里可以使用諸如聚醚酰亞胺(PEI)、聚烯丙基胺(PAH)、PGA (多谷氨酸)或者PSS (聚苯乙烯磺酸鹽)的聚合電解質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明的一個有利的實施方式，所述傳感器是光學(xué)傳感器、聲學(xué)傳感器、磁傳感器或者機械傳感器，例如場效應(yīng)晶體管、OWL (光波導(dǎo)光模)光譜、QCM (石英晶體微天平) 晶體或者GMR (巨磁阻)傳感器。根據(jù)本發(fā)明的另一有利的實施方式，所述薄膜通過D0PS、D0PA DOPC直接從細胞或者脂質(zhì)中獲得。所述薄膜然后可以直接施加到貯存器的多孔材料上。根據(jù)一個有利的實施方式，在薄膜中還包含蛋白質(zhì)，其中所述蛋白質(zhì)可以通過蛋白脂質(zhì)體直接地作為溶液弓I入或者機械地弓I入。根據(jù)本發(fā)明的傳感器可以是光學(xué)傳感器、聲學(xué)傳感器、磁傳感器或者其他傳感器。根據(jù)一個優(yōu)選的實施方式，所述傳感器是如從DE 103 08 975 B4中已知的聲諧振器。為此將貯存器、尤其是多孔貯存器設(shè)置到那里描述的構(gòu)造上，尤其是設(shè)置在表面片段 (8)上，然后在所述貯存器上施加薄膜。由此，尤其是可以檢測粘滯性的改變或者隨之帶來的聲波滲入深度的改變。同樣良好地可以將具有薄膜的貯存器施加到針對QCM — D或者OWLS技術(shù)的測試區(qū)上。由此，尤其是可以檢測PEM的膨脹或收縮。


在下文中還根據(jù)示出本發(fā)明的示例性實施方式的兩幅圖詳細闡述本發(fā)明 圖1示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的聲諧振器的構(gòu)造，
圖2示出同一實施方式，其中尺寸過大地示出測試區(qū)。
具體實施例方式在圖1中可以看到根據(jù)DE 103 08 975的構(gòu)造，尤其是具有例如聲反射鏡以放大信號的襯底3、在該襯底3上的第一電極6、壓電層4、上電極5和表面片段8。在該表面片段或測試區(qū)8上根據(jù)本發(fā)明設(shè)置了附加層13，該附加層在左側(cè)(X)可以看到是未填充的(即沒有要檢測的物質(zhì))并且在右側(cè)(XX)可以看到被要檢測的物質(zhì)填充。這里示意性地示出聲波14的走向，該聲波在X、即未填充的貯存器中明顯地滲入到層13中，相反該聲波在填充的貯存器(XX)中幾乎消失。這顯示出，在填充的貯存器XX中聲波不像在未填充的貯存器X中那樣滲入得那么深。在圖2中可以更確切地看到該效應(yīng)。再次看到從圖1中已知的構(gòu)造，但是這里更明顯地示出聲波的走向。所述波通過上電極到達測試區(qū)8，其中波在X、即未填充的貯存器的情況下還能作為波一直保持到層的中間，相反波在被要檢測的物質(zhì)填充的貯存器XX中沒有滲入得遠于層的下三分之一。聲諧振器可以檢測填充的材料和未填充的材料的聲可透過性的差別。這通過如下來進行在一種情況下(X)，層的中間三分之一的質(zhì)量由傳感器檢測并且因此影響諧振頻率的改變，而在另一種情況下(XX)，層的中間三分之一的質(zhì)量不被聲波滲透并且由此不影響諧振頻率的移動。要檢測的物質(zhì)例如改變聲波的可透過性§。聲可透過性的改變按照由下式所呈現(xiàn)的規(guī)則來進行
5 "V 2η/ ρω
其中
η 一粘滯性 ρ =密度 {nj —角步頁I^i。因此，附著的物質(zhì)改變粘滯性以及因此改變聲波的可透過性，并且因此引起頻率改變，因為在填充的貯存器中未被穿過的貯存器質(zhì)量與該信號改變成正比。層13、也就是包括薄膜的貯存器的厚度優(yōu)選大于聲波的滲入深度，因此諸如非專門吸附的粒子(如灰塵)的附加質(zhì)量不會影響測量信號。應(yīng)研究的物質(zhì)可以根據(jù)聚合狀態(tài)一液態(tài)、氣態(tài)或者作為固定化合物的溶液一來被檢測。通過本發(fā)明可以用特別高的靈敏度來檢測諸如離子或原子的小分子和最小的分子。這簡單地借助于已知的聲諧振器FBAR或者借助于其他測量被填充層的物理特性的技術(shù)來進行。通過傳感器與貯存器和薄膜的組合，可以研究物質(zhì)(例如生物活性物質(zhì))穿過諸如細胞膜、雙脂質(zhì)層和細胞壁的薄膜的可透過性。
權(quán)利要求
1.一種具有傳感器和測試區(qū)的生物芯片，其中所述測試區(qū)具有貯存器和位于該貯存器上的薄膜，使得所述薄膜包括雙脂質(zhì)層、細胞、細胞壁和/或細胞膜，所述貯存器也就是吸附層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的生物芯片，其中所述貯存器包括多孔的材料。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的生物芯片，其中所述薄膜的可透過性與檢測物質(zhì)匹配。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的生物芯片，其中所述貯存器選自如下材料，所述材料選自由聚合物、凝膠和多孔的陶瓷或金屬材料構(gòu)成的組。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的生物芯片，其中所述傳感器選自由聲學(xué)傳感器、光學(xué)傳感器、磁傳感器和/或機械傳感器構(gòu)成的組。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的生物芯片，其中所述貯存器由多層聚合物構(gòu)成。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的生物芯片，其中所述貯存器上的薄膜直接由細胞或者雙脂質(zhì)層構(gòu)造。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的生物芯片，其中在所述薄膜內(nèi)設(shè)置影響所述薄膜的可透過性的蛋白質(zhì)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的生物芯片，其中所述傳感器是具有壓電層的聲諧振傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的生物芯片，其中所述貯存器和所述薄膜的厚度大于聲波的滲入深度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1一 8之一所述的生物芯片，其中所述傳感器對測試區(qū)的光學(xué)特性的改變有反應(yīng)。
全文摘要
通過本發(fā)明可以特別靈敏地檢測諸如離子或者原子的小分子和最小的分子。這簡單地借助于已知的聲諧振器FBAR或者借助于其他測量被填充層的物理特性的技術(shù)來進行。通過傳感器與貯存器和薄膜的組合，可以研究物質(zhì)(例如生物活性物質(zhì))穿過諸如細胞膜、雙脂質(zhì)層和細胞壁的薄膜的可透過性。
文檔編號G01N27/00GK102472742SQ201080030569
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月7日
發(fā)明者維勒斯 J., 蘇吉哈拉 K., 尼爾施爾 M., 扎姆貝利 T. 申請人:瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院, 西門子公司