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July 2013
Philipp Kruppa
Entwicklung eines chronocoulometrischen hoch integrierten CMOS-DNA-Wasseranalysesystems
Es wurde ein hoch integriertes CMOS-DNA-Wasseranalysesystem entwickelt, dass über 6 Anschlusspins digital betrieben werden kann.
Das zu Grunde liegende elektrochemische Nachweisverfahren EDDA (engl. electrically detected displacement assay) zeichnet sich durch eine hohe Sensitivität und einen hohen dynamischen Bereich aus. Das Nachweisverfahren wurde in der Analyseplattform für Sensorchip-Messungen verwendet und diente als Grundlage für das Sensordesign.
Der mit 396 Sensorelektroden realisierte DNA-Sensorchip basiert auf dem chronocoulometrischen Detektionsverfahren.
Vorteilhaft wirkte sich die durch EDDA zur Verfügung stehende Chronocoulometrie auf die vereinfachte Auslegung der Transducer aus. So wurden für dieses Messprinzip flächige Elektrodenstrukturen mit CMOS-kompatiblen Fertigungsprozessen realisiert, die im Vergleich zu anderen Elektrodenstrukturen (Kamm-/Fingerelektroden) unter Verwendung der Photolithographie sehr einfach zu strukturieren sind. Das angewandte elektrochemische Transducerverfahren des CMOS-Chips ist durch die immanente Aufintegration des Messsignals (Ladungsumsetzung – „Coulomb“ als Funktion über die Zeit – „Chrono“) und die durch die monolithische Integration ermöglichte Signalverstärkung direkt unter der Sensorelektrode sehr sensitiv. Die Sensorelektroden wurden dafür mit auf die zu detektierenden Mikroorganismen abgestimmten Fängermoleküle funktionalisiert.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden anwendungsspezifische Schaltungsblöcke für den Betrieb der elektrochemischen Sensoren und die Auswertung des analogen Signals entwickelt. Die Realisierung umfasst die Optimierung der Sensor-/Rasterschaltung, die Entwicklung eines monolithisch integrierten Potentiostaten, die Implementierung eines 12 Bit A/D-Wandlers, die Arrayschaltungen und die serielle Schnittstelle für den Betrieb des Sensorchips unter den komplexen Randbedingungen aus dem Analysesystem. Mittels elektrischen, elektrochemischen und DNA-Messungen wurde die Funktion des Sensorchips systematisch nachgewiesen.
Es wurde eine innerhalb weniger Millisekunden individuell ablaufende vollautomatisierte elektrochemischen DNA-Detektion gezeigt. Verschiedene elektrochemische Analyseverfahren wie Zyklovoltammetrie und Chronocoulometrie wurden durchgeführt, und der Nachweis eines flexiblen und multifunktionalen Sensorchips erbracht.
Das zu Grunde liegende elektrochemische Nachweisverfahren EDDA (engl. electrically detected displacement assay) zeichnet sich durch eine hohe Sensitivität und einen hohen dynamischen Bereich aus. Das Nachweisverfahren wurde in der Analyseplattform für Sensorchip-Messungen verwendet und diente als Grundlage für das Sensordesign.
Der mit 396 Sensorelektroden realisierte DNA-Sensorchip basiert auf dem chronocoulometrischen Detektionsverfahren.
Vorteilhaft wirkte sich die durch EDDA zur Verfügung stehende Chronocoulometrie auf die vereinfachte Auslegung der Transducer aus. So wurden für dieses Messprinzip flächige Elektrodenstrukturen mit CMOS-kompatiblen Fertigungsprozessen realisiert, die im Vergleich zu anderen Elektrodenstrukturen (Kamm-/Fingerelektroden) unter Verwendung der Photolithographie sehr einfach zu strukturieren sind. Das angewandte elektrochemische Transducerverfahren des CMOS-Chips ist durch die immanente Aufintegration des Messsignals (Ladungsumsetzung – „Coulomb“ als Funktion über die Zeit – „Chrono“) und die durch die monolithische Integration ermöglichte Signalverstärkung direkt unter der Sensorelektrode sehr sensitiv. Die Sensorelektroden wurden dafür mit auf die zu detektierenden Mikroorganismen abgestimmten Fängermoleküle funktionalisiert.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden anwendungsspezifische Schaltungsblöcke für den Betrieb der elektrochemischen Sensoren und die Auswertung des analogen Signals entwickelt. Die Realisierung umfasst die Optimierung der Sensor-/Rasterschaltung, die Entwicklung eines monolithisch integrierten Potentiostaten, die Implementierung eines 12 Bit A/D-Wandlers, die Arrayschaltungen und die serielle Schnittstelle für den Betrieb des Sensorchips unter den komplexen Randbedingungen aus dem Analysesystem. Mittels elektrischen, elektrochemischen und DNA-Messungen wurde die Funktion des Sensorchips systematisch nachgewiesen.
Es wurde eine innerhalb weniger Millisekunden individuell ablaufende vollautomatisierte elektrochemischen DNA-Detektion gezeigt. Verschiedene elektrochemische Analyseverfahren wie Zyklovoltammetrie und Chronocoulometrie wurden durchgeführt, und der Nachweis eines flexiblen und multifunktionalen Sensorchips erbracht.
Keywords: EDDA; Chronocoulometrie; Biochip; Sensorchip; DNA; CMOS
Selected Topics of Electronics and Micromechatronics Ausgewählte Probleme der Elektronik und Mikromechatronik
Edited by Prof. Dr. Gerhard Wachutka †, Prof. Dr. Doris Schmitt-Landsiedel † and Prof. Dr. rer. nat. Gabriele Schrag, München
Volume 44
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