Anwendungen von Silizium sind aufgrund der herausragenden Rolle von Silizium in der Halbleitertechnologie und den vorteilhaften Eigenschaften dieses Materials in modernen Technologien weit verbreitet. Hierbei wurden verschiedenste Versuche unternommen, die Oberfläche von Silizium mit Hilfe des Abscheidens von Molekülen und/oder Molekülaggre- gaten auf der Oberfläche für unterschiedliche Anwendungszwecke zu fumktionalisieren. Eine Funktionalisierung der Oberfläche bedeutet in diesem Zusammenhang insbesondere, daß die die Oberfläche bildenden Moleküle über Eigenschaften verfügen, die sie in nachweisbare Wechselwirkungen mit auf der Oberfläche oder benachbart zur Oberfläche angeordneten Molekülen treten lassen. Hierzu gehört beispielsweise die Nutzung einer funktionalisierten Siliziumoberfläche zur Untersuchung biologischer und/oder chemischer Aktivität von Mole- külen Ionen und/oder Elementen. Der Nachweis der Wechselwirkung erfolgt mit Hilfe eines physikalischen Wandlers, beispielsweise einer Elektrode oder einer optischen Einrichtung.

Derartige Einrichtungen werden auch als Biosensoren bezeichnet.

Als Biosensor wird allgemein eine Anordnung bezeichnet, in der biologisch aktive Kompo- nenten, beispielsweise ein Protein, ein DNS-Abschnitt, ein Biomimetikum oder eine ganze Zelle, mit einem physikalischen Wandler (Transduktor) gekoppelt oder in diesen integriert ist.

Mit Hilfe des physikalischen Wandlers wird infolge einer Wechselwirkung des biologisch aktiven Elements mit einer Testkomponente einer Testsubstanz ein Meßsignal erzeugt, wel- ches dann als Meßgröße meßtechnisch erfaßt werden kann. Die Meßgröße kann abhängig von dem ausgehenden Meßsignal bei bekannten Biosensoren optischer, elektrochemischer, kalo- rimetrischer, piezoelektrischer oder magnetischer Natur sein. Biosensoren eröffnen die Mög- lichkeit, Wechselwirkungen zwischen biologisch aktiven Komponenten zu untersuchen, um beispielsweise Informationen über Verbindungen mit bekannter Bioaktivität oder über die

Bioaktivität von Proben mit bekannter oder unbekannter chemischer Zusammensetzung zu gewinnen (vgl. Keusgen :"Biosensors : new approaches in drug discovery", Naturwissen- schaften, 89 (2002) 433-444).

Über die Nutzung von Siliziumsubstraten mit einer funktionalisierten Oberfläche im Zusam- menhang mit einem Biosensor hinaus sind weitere vielfältige Anwendungen für derartig ge- staltete Schichtanordnungen möglich. Die Funktionalisierung der Oberfläche des Silizium- substrats dient hierbei ganz allgemein der Änderung der physikalischen und/oder biologischen Eigenschaften der beschichteten Oberfläche. Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind eine elektronische Passivierung, eine Änderung der elektronischen Eigenschaften, die Ausbildung reaktiver Oberflächen und die Ausbildung sensitiver Oberflächen, bei denen neben der Nut- zung als Biosensor auch die Anbindung anderer Moleküle möglich ist, beispielsweise eines Farbstoffs. Darüber hinaus kann eine beschichtete Siliziumsubstratoberfläche als Zwischen- schicht in der Photovoltaik oder bei elektronischen Bauelementen, insbesondere organischen Transistoren oder lichtemittierenden Dioden, genutzt werden. In Verbindung mit der Halblei- ter-Chiptechnologie kann mit Hilfe der Beschichtung der Siliziumoberfläche eine Bioverträg- lichkeit hergestellt werden.

Die Selektivität eines Biosensors hängt von der oder den vom jeweiligen Biosensor umfaßten biologisch aktiven Komponenten ab, die mit den zu untersuchenden Testkomponenten wech- selwirken. Nur Testkomponenten, die mit der vom Biosensor umfaßten biologisch aktiven Komponente wechselwirken, verursachen ein meßbares Signal. Die überwiegenden Anzahl der bekannten Biosensoren weisen elektrochemische Wandler (Transduktoren) auf. Die ver- wendeten Wandler können in amperometrische, potentiometrische, konduktometrische und kapazitive Wandler eingeteilt werden. Amperometrische Biosensoren detektieren bei einem konstant gehaltenen Potential Änderungen eines Stromflusses über den Biosensor, wenn La- dungstransfer in Form von Elektronen zwischen einer biologisch aktiven Komponente und einer Elektrode erfolgt. In einer typischen Meßanordnung für einen amperometrischen Bio- sensor wird beispielsweise ein Enzym auf einer Oberfläche einer Elektrode immobilisiert und ein gelöstes biochemisches Substrat zugegeben. Wenn das Enzym mit dem Substrat intera- giel-t, fließt ein Strom, der abhängig von der Konzentration des Analyten ist. Potentiometri-

sche Biosensoren detektieren bei konstant gehaltenem Strom, der üblicherweise gleich null gehalten wird, eine Veränderung der Spannung. Im Vergleich zu amperometrischen Biosenso- ren kann hier die biologisch aktive Komponente, beispielsweise ein Enzym, auf der Oberflä- che einer pH-sensitiven Vorrichtung aufgebracht sein. Bei konduktometrischen Biosensoren wird die Änderung der Leitfähigkeit zwischen zwei Elektroden detektiert. Bewirkt eine Wechselwirkung zwischen der zu untersuchenden Testkomponente und der vom Biosensor umfaßten biologisch aktiven Komponente eine Änderung der Dielektrizitätskonstante, können auch Kapazitätsmessungen für die physikalische Wandlung des Meßsignals verwendet wer- den.

Zum Abscheiden von Molekülen auf Siliziumoberflächen sind elektrochemische Verfahren bekannt. Aus der Druckschrift US 6,485, 986 ist ein Verfahren zum Bilden einer kovalent ge- bundenen Monoschicht organischer Substituenten auf einem Siliziumsubstrat bekannt. Hier- bei wird auf einer Siliziumoberfläche eine organische Lösung mit den Substituenten aufge- bracht. Mittels des Anlegens eines elektrischen Potentials über Elektroden werden die Sub- stituenten dann auf der Siliziumoberfläche abgeschieden. Ein weiteres Verfahren, bei dem eine elektrochemische Abscheidung zum Beschichten einer Siliziumoberfläche genutzt wird, ist aus der Druckschrift EP 1 271 633 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird auf eine H-terminierte Siliziumoberfläche (H-Wasserstoff) eine Lösung von Diazoniumverbindungen aufgebracht und ein kathodisches Potential angelegt, um Diazoniumionen elektrochemisch abzuscheiden und eine Siliziumoxidation zu verhindern.

Darüber hinaus ist ein Verfahren zum Abscheiden auf einer H-terminierten Siliziumoberflä- che bekannt (vgl. Strother et al. :"Covalent attachment of oligodeoxyribonucleotides to ami- ne-modified Si (001) surfaces", Nucleid Acids Research, 2000 (18) 3535-3541), bei dem ul- traviolettes Licht zum Auslösen einer Reaktion genutzt wird, um Moleküle auf einer Siliziu- moberfläche abzuscheiden. Im Rahmen der Photoreaktion werden Siliziumradikale auf der Siliziumoberfläche gebildet.

Aufgabe der Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer Anordnung mit mehreren Schichten, bei der. eine Halbleiteroberfläche zur Funktionalisierung mit einer orga-

nischen Substanz beschichtet wird, sowie eine Mehrschichtanordnung mit beschichteter Halbleiteroberfläche anzugeben, die mit Hilfe einfacher Mittel und kostengünstig ausgeführt werden können.

Weiterhin ist es Ziel der Erfindung, einen verbesserten Biosensor auf Basis der Mehr- schichtanordnung sowie ein verbessertes Verfahren zum Messen von Eigenschaften einer Testkomponente, die mit einer oder mehreren biologisch aktiven Komponenten des Biosen- sors wechselwirken, mit Hilfe des Biosensors anzugeben, die eine mit Hilfe einfacher appara- tiver Mittel ausführbare Ermittlung von Informationen über Eigenschaften der Testkompo- nente einer Testsubstanz ermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die unabhängigen Ansprüche 1, 22,34, 35 und 43 gelöst.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird beim Herstellen einer Anordnung mit mehreren Schichten unter Einfluß eingestrahlten Lichtes eine organische Schicht auf einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats gebildet, indem auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats ein eine organische Substanz enthaltendes Medium aufgebracht und die organische Substanz abge- schieden wird. Beim Abscheiden der organischen Substanz wird mittels Anlegen einer elek- trischen Spannung eine Potentialdifferenz zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Medium erzeugt.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in Anpaßbarkeit des Herstellungsverfahrens an unterschiedlichste Anforderungen, indem die Abscheidung der organischen Substanz unter Bedingungen ausgeführt wird, die sich als eine Kombination von Beaufschlagung mit einge- strahltem Licht und einer elektrischen Spannung ergeben.

Die Medium mit der organischen Substanz kann vor und/oder nach dem Aufbringen mit Licht bestrahlt werden, wobei die Wellenlänge des Lichts in Abhängigkeit von der verwendeten photoreaktiven Substanz, wobei die organische Substanz und/oder das Halbleitersubstrat photoreaktiv sein können, ausgewählt wird, um Photoradikale zu bilden. Auch während des

Aufbringens des Mediums kann eine Lichtbestrahlung vorgesehen sein. Wenn die Photoradi- kale in dem Medium gebildet werden, so scheiden sich die entstehenden Photoradikale dann auf der terminierten Oberfläche des Halbleitersubstrats ab, wobei die Photoradikale hierbei kovalente Bindungen mit Elementen des Halbleitersubstrats im Bereich der Oberfläche bil- den, so daß auf der terminierten Oberfläche des Halbleitersubstrats eine organische Schicht gebildet wird.

Der Begriff Photoradikale in der hier verwendeten Bedeutung bezieht sich auf photochemisch erzeugte/gebildete, reaktionsfähige Verbindungen bzw. Molekülreste, Atome oder Ionen, ins- besondere Radikale und Elektronenmangelverbindungen.

Das Medium kann von der organischen Substanz selbst oder von einer Lösung der organi- schen Substanz gebildet werden. Das Arbeiten ohne Schutzgasatmosphäre wird bei einer Weiterbildung der Erfindung dadurch erleichtert, daß als Lösung ein wäßriger Elektrolyt ver- wendet wird.

Gegenüber dem Stand der Technik besteht die Möglichkeit, daß die chemischen, physikali- schen und/oder biologischen Eigenschaften des Halbleitersubstrats mit Hilfe einer elektri- schen Spannung gezielt steuerbar sind. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, die Oxidation des Halbleitersubstrats zu behindern. Zum Beispiel hat die Oxidation eines Siliziumsubstrats die nachteilige Wirkung zur Folge, daß die elektrische Durchlässigkeit des Materials zumin- dest verringert wird. Eine vollständige Oxidation schränkt die Verwendung eines solchen Substrats für elektrochemische Messungen ein. Die Nutzung der elektrischen Spannung, ins- besondere eines nicht anodischen, elektrochemischen Potentials, während der Abscheidung der organischen Substanz verhindert die Bildung von Oxid im Bereich der Oberfläche des Halbleitersubstrats. Wegen der Unterbindung der Oxid-Bildung wird ein störender Einfluß des Oxids, insbesondere hinsichtlich einer eingeschränkten Leitfähigkeit, über die hergestellte Mehrschichtanordnung verhindert. Im Vergleich zu bekannten Verfahren, bei denen die Oxid- Bildung, insbesondere die Siliziumoxid-Bildung, beispielsweise mit Hilfe der Ausführung des Verfahrens zum Abscheiden unter einer Schutzgasatmosphäre (vgl. Strother et al. :"Covalent attachment of oligodeoxyribonucleotides to amine-modified Si (001) surfaces", Nucleid Acids

Research, 2000 (18) 3535-3541) verhindert wird, ist die Nutzung der elektrischen Spannung apparativ mit Hilfe einfacher Mittel und kostengünstig umsetzbar. So werden beispielsweise auch keine Vakuumapparaturen benötigt.

Die bevorzugte Nutzung des nicht anodischen Potentials hat darüber hinaus den Vorteil, daß das Potential eine gerichtete Anbindung der organischen Substanz mit Dipolmoment an die Halbleiteratome des Substrats unterstützen kann.

Die Verwendung von Halbleitern (beispielsweise Silizium), insbesondere einkristallinem Sili- zium, als Basissubstrat ist im Vergleich zu anderen leitfähigen Substraten, beispielsweise ein- kristallinem Gold, wesentlich kostengünstiger. Die Oberfläche von Silizium ist im Vergleich zu Gold selbstpassivierend. Kratzer oder Oberflächendefekte führen bei Silizium nicht zu einem Kurzschluß von Strom über die Lösung. Die Siliziumoberfläche wird im Bereich der Defekte sofort durch Oxidation mit einer gegen null gehenden Leitfähigkeit passiviert, so daß der Strom weiterhin vorrangig über die organische Schicht fließt bzw. der Potentialabfall über die organische Schicht erhalten bleibt. Darüber hinaus ist die Oberfläche des Siliziumsub- strats bis in den Bereich von Atomlagen strukturierbar. Die terminierte Oberfläche kann ato- mar glatt ausgebildet werden, was eine definierte und hinsichtlich der Oberflächengeometrie der Siliziumsubstratoberfläche gerichtete Anbindung der Photoradikale erleichtert.

Vielfach ist es erwünscht, die Reaktion zwischen Halbleitersubstrat und organischer Substanz zeitlich zu steuern, um die Abscheidung zu optimieren. Hierbei sind Substanzen von Vorteil, die erst aufgrund einer gezielten Beaufschlagung mit Licht reagieren. Vorzugsweise können das Halbleitersubstrat und/oder die organische Substanz photoreaktiv sein. Beispielsweise läßt sich so verhindern, daß das Substrat und/oder die organische Substanz bereits vor dem Ab- scheidungsprozess selbständig reagieren.

Bei einer Fortbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das die elektrische Spannung, insbesondere das nicht anodische Potential, zur gezielten Ausrichtung der Photoradikale in der organischen Schicht eingestellt wird. Hierdurch ist eine Möglichkeit geschaffen, die An- bindung der Photoradikale an die Halbleitersubstrat-Oberfläche gezielt zu beeinflussen, bei-

spielsweise in Abhängigkeit von der verwendeten photoreaktiven Substanz und/oder um nicht gewünschte Nebenreaktionen zu vermeiden.

Die bei einer Ausführungsform vorgesehene Ausbildung kovalenter Bindungen der organi- schen Substanz mit der Halbleiterschicht kann die Stromleitung über die Schichtanordnung mit der organischen Schicht und der Halbleitersubstratschicht sowie die Schichtstabilität un- terstützen, insbesondere hinsichtlich einer Oxidation der Oberflächen. Darüber hinaus treten hierdurch keine rekombinationsaktiven Defekte auf. Des weiteren wird eine hohe Haft-und Standfestigkeit der Schichtanordnungen unterstützt.

Eine besonders einfache Herstellung der Schichtanordnung wird dadurch erreicht, daß das Medium als eine Lösung der organischen Substanz aufgebracht wird. Hierdurch wird das Anlegen einer elektrischen Spannung gefördert. Weiterhin sind Lösungen in der Regel optisch durchlässig und ermöglichen so die gleichzeitige Beaufschlagung des Substrats und der orga- nischen Substanz in der Lösung mit Licht. Die Lösung kann entweder die organische Sub- stanz enthalten, diese selber darstellen oder eine Kombination aus beiden bilden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß beim Bilden der kovalenten Bin- dungen HL-N-Bindungen (HL-Halbleitersubstrat) zwischen der organischen Substanz und dem Halbleitersubstrat gebildet werden, was zu einer weiteren Verbesserung der Leitfähigkeit über die Anordnung mit mehreren Schichten führt Eine mit Hilfe einfacher apparativer Mittel ausführbare Möglichkeit zur Kontrolle der Schichtabscheidung auf dem Halbleitersubstrat ist bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, daß über das Halbleitersubstrat eine Photospannung und/oder eine elektrische Leitfähigkeit und/oder eine Photolumineszenz der Oberfläche gemessen wird.

Eine Kopplung von unterschiedlichen Spezies an die Schichtanordnung mit dem Halbleiter- substrat und der hierauf abgeschiedenen organischen Schicht wird bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, daß die organische Schicht als eine Anbin- dungsschicht zum Ankoppeln von Spezies gebildet wird. Hierbei kann es sich um Moleküle,

Ionen und/oder Elemente sowie Komponenten handeln, die aus diesen zusammengesetzt sind.

Die Spezies können in diesem Fall sogenannte Photolinker bzw. Crosslinker sein.

Um die hergestellte Anordnung mit den mehreren Schichten für Anwendungen zur Immobili- sierung von Molekülen, Ionen und/oder Elementen mit biologisch aktiven Eigenschaften aus- zugestalten, sieht eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung vor, daß als organische Sub- stanz zum Bilden der Anbindungsschicht Moleküle verwendet werden, die mindestens eine Ankopplungsgruppe für biologisch aktive Komponenten aufweisen. Hierdurch wird die Ober- fläche des Halbleitersubstrats mit einer bestimmten Eignung versehen, nämlich derart, daß biologisch aktive Komponenten gebunden werden können.

Bevorzugt kann bei einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß mit Hilfe einer chemischen Reaktion und/oder nicht-kovalenten Wechselwirkungen die biologisch aktive Komponente an die mindestens eine Ankopplungsgruppe angekoppelt wird. Hierdurch ist es möglich, die Oberfläche des Halbleitersubstrats für die Untersuchung der biologisch aktiven Komponenten zu funktionalisieren. Die biologisch aktiven Komponenten sind über die An- bindungsschicht an das Halbleitersubstrat gekoppelt.

Zweckmäßig kann bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, daß als organi- sche Substanz, insbesondere photoreaktive Substanz, eine Arylazid-Verbindung, ein Benzo- phenon-Derivat und/oder ein Diazirin-Derivat verwendet wird. Besonders bevorzugt werden als organische Substanz Halogen-Arylazid-Verbindungen verwendet, beispielsweise Fluor- Arylazid-Derivate. Diese Verbindungsklasse kann in verschiedenen Formen mit Ankopp- lungsgruppen versehen werden, die einerseits während der photoinduzierten Abscheidungs- prozesse stabil sind, d. h. es treten auch verminderte intramolekulare Reaktionen auf, und an- dererseits die Fähigkeit aufweisen, abhängig von der Ankopplungsgruppe, unterschiedliche Moleküle, Ionen und/oder Elemente zu binden.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, daß als Halbleitersubstrat ein Siliziumsubstrat verwendet wird. Als Substrat wird ein Silizium-Einkristall, polykristallines Silizium, poröses Silizium oder amorphes Siliziummaterial verwendet, bevorzugt mit einer 1-

1-1-Oberflächenorientierung bzw. Vorzugsorientierung, wodurch die Abscheidung von ge- schlossenen, kompakten organischen Schichten unterstützt wird. Der Begriff Siliziumsubstrat umfaßt auch Siliziumverbindungen, Siliziumlegierungen und Siliziummaterial mit eingela- gerten Fremdatomen/-ionen (Dotierung).

Um auf der Oberfläche des Halbleitersubstrats gerichtete Moleküle und eine hohe Packungs- dichte zu erreichen, sieht eine bevorzugte Fortbildung der Erfindung vor, daß das Halbleiter- substrat mit einer atomar glatten Oberfläche verwendet wird.

Vorteilhaft kann eine Ausführungsform der Erfindung vorsehen, daß die organische Schicht als eine geschlossene Schicht gebildet wird. Hierdurch wird ein möglichst großer Bereich der terminierten Oberfläche des Halbleitersubstrats passiviert, und auch die funktionalisierte Oberfläche ist möglichst umfangreich.

Um die Schichtanordnung für verschiedene Anwendungen vorzubereiten, kann bei einer Aus- führungsform der Erfindung vorgesehen sein, daß die organische Schicht lithographisch strukturiert werden. Sich hieraus ergebende Anwendungsmöglichkeiten sind beispielsweise dem Übersichtsartikel von Stewart et al. :"Chemical and Biological Applications of Porous Silicon Technology", Adv. Mater., 12 (2000), 859-869 zu entnehmen.

Eine molekulare Strukturierung der Oberfläche der hergestellten Schichtanordnung, die bei- spielsweise bei der Verwendung der hergestellten Schichtanordnung als Sensor für Glukose oder dergleichen wichtig ist, wird bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung da- durch erreicht, daß die organische Schicht mit Hilfe eines Imprinting-Verfahrens bearbeitet wird.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, daß in der organischen Schicht Quanten-Dots gebildet werden. Auf diese Weise kann die organische Schicht mit vor- bestimmten optischen Eigenschaften versehen werden, beispielsweise für einen Einsatz der Mehrschichtanordnung in der Lasertechnik oder einem Quantencomputer.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Halbleitersubstrat eine 1-1-1-Oberflächenorientierung aufweist, wodurch im Bereich der terminierten Oberflä- che des Halbleitersubstrats im wesentlichen senkrecht stehende Bindungen zu Molekülen zur Verfügung gestellt werden.

Bevorzugt ist die terminierte Oberfläche des Halbleitersubstrats H-terminiert, wodurch eine bereits erprobte Technologie zur Terminierung der Oberfläche nutzbar ist.

Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft einen Biosensor zum Erfassen eines biologischen Objekts mit einer Halbleitersubstratschicht und einer organischen Anbindungsschicht, die mittels Abscheiden einer organischen Substanz, insbesondere von Photoradikalen, auf einer terminierten Oberfläche der Halbleitersubstratschicht gebildet ist, wobei die organische An- bindungsschicht über kovalente Bindungen an die Halbleitersubstratschicht gebunden sind, die an die Halbleitersubstratschicht gebundene organische Anbindungsschicht mindestens eine Ankopplungsgruppe für biologisch aktive Komponenten umfaßt und jeweils eine oder mehrere biologisch aktive Komponenten an die mindestens Ankopplungsgruppe angekoppelt sind. Ein derartiger Biosensor entwickelt die hiermit verbundenen Vorteile aufgrund seiner konstruktiven Gestaltung unabhängig von dem zur Herstellung genutzten Verfahren. Der Bio- sensor kann nicht nur mit Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens hergestellt werden, son- dern auch unter Nutzung anderer Herstellungsverfahren. Die hierdurch entstehenden Merk- male des Biosensors weisen die in Verbindung mit zugehörigen Verfahrensansprüchen ge- nannten Vorteile entsprechend auf.

An dem Biosensor kann eine Meßeinrichtung zum Messen einer elektrischen Meßgröße über die Schichtanordnung, insbesondere der elektrischen Leitfähigkeit, vorgesehen sein.

Es kann vorgesehen sein, den Biosensor mit der Anordnung von mehreren Schichten für be- stimmte Meßanforderungen anzupassen, insbesondere eine elektrische Leitfähigkeitsmessung.

Zu diesem Zweck verfügt der Biosensor einen mit der biologisch aktiven Komponente in Verbindung stehenden Wechselwirkungsabschnitt, in welchem eine Testsubstanz mit einer biologischen Testkomponente zum Wechselwirken mit der biologisch aktiven Komponente

eingebracht werden kann, und eine Anschlußelektrode, die mit der Testsubstanz in dem Wechselwirkungsabschnitt elektrisch leitend verbindbar ist, sowie mindestens eine weitere Anschlußelektrode gebildet ist, die mit der Halbleitersubstratschicht elektrisch leitend ver- bunden ist, wobei mit Hilfe der mindestens einen Anschlußelektrode und der weiteren An- schlußelektrode Anschlußmittel zum Ankoppeln an einen elektrischen Stromkreis gebildet sind, so daß zwischen der mindestens einen Anschlußelektrode und der weiteren Anschluße- lektrode über die Anordnung mit der Halbleitersubstratschicht sowie der organischen Anbin- dungsschicht und dem Wechselwirkungsabschnitt eine elektrische Meßgröße, beispeilsweise eine elektrische Leitfähigkeit, die sich infolge des Wechselwirkens der Testkomponente der Testsubstanz in dem Wechselwirkungsabschnitt mit der biologisch aktiven Komponente ge- gebenenfalls ändert, abgegriffen werden kann.

Der Biosensor ist sehr einfach aufgebaut und besitzt eine große Empfindlichkeit, da elektri- sche Meßgrößen direkt über die Schichten gemessen werden können. Als elektrische Meß- größe kommt vorzugsweise die elektrische Leitfähigkeit in Frage, als Meßgröße kann aber auch die Kapazität, die Dielektrizität, die Spannung und/oder der elektrische Strom genutzt werden.

Die Halbleitersubstratschicht ist hierbei insbesondere im Bereich der abgeschiedenen organi- schen Schicht bzw. in dem Bereich, in welchem die Leitfähigkeit gemessen wird, im wesent- lichen oxidfrei gebildet, ggf. mit einer nicht geschlossenen Oxidschicht versehen, bei der es sich im Fall der Verwendung einer Siliziumsubstratschicht um eine nicht geschlossene Silizi- umoxidschicht handeln kann. Als Substrat wird dann ein Silizium-Einkristall, polykristallines Silizium, poröses Silizium oder amorphes Siliziummaterial verwendet, bevorzugt mit einer 1- 1-1-Oberflächenorientierung bzw. Vorzugsorientierung, was die Abscheidung von geschlos- senen, kompakten organischen Schichten ermöglicht. Der Begriff Siliziumsubstrat umfaßt auch Siliziumverbindungen, Siliziumlegierungen und Siliziummaterial mit eingelagerten Fremdatomen/-ionen (Dotierung). Dies gilt für andere Halbleitersubstrate entsprechend. Test- komponenten können insbesondere Moleküle, Ionen und/oder Elemente sowie hieraus zu- sammengesetzte Komponenten sein.

Die Nutzung der Anordnung auf Basis der Halbleitersubstratschicht, insbesondere einer Sili- ziumsubstratschicht, hat den Vorteil, daß Halbleiter, insbesondere Silizium, nicht toxisch, im Vergleich zu im Stand der Technik verwendeten Metallen, beispielsweise Gold, kostengünstig verfügbar und leicht mit Hilfe von Standardtechnologien strukturierbar sind. Die Oberfläche von Silizium ist im Vergleich zu Gold selbstpassivierend. Kratzer oder Oberflächendefekte führen bei Silizium nicht zu einem Kurzschluß von Strom über die Lösung. Die Siliziumober- fläche wird im Bereich der Defekte sofort durch Oxidation mit einer gegen null gehenden Leitfähigkeit passiviert, so daß der Strom weiterhin vorrangig über die organische Schicht fließt bzw. der Potentialabfall über die organische Schicht erhalten bleibt. Aus der Halblei- tertechnologie sind geeignete Technologien zur Bereitstellung einer gewünschten Oberfläche des Siliziumsubstrats bekannt. Beispielsweise ist es vorteilhaft, eine H-terminierte Oberfläche zu verwenden.

Es besteht darüber hinaus der Vorteil, daß eine elektrische Messung, beispielsweise im Ver- gleich zu optischen Messungen, mit Hilfe sehr einfacher apparativer Mittel und mit großer Empfindlichkeit ausgeführt werden kann.

Eine zweckmäßige Weiterbildung sieht vor, daß der Wechselwirkungsabschnitt als ein von der Testsubstanz durchströmbarer Raum mit einer Zuflußöffnung und einer Abflußöffnung gebildet ist, der von der Testsubstanz in flüssiger oder gasförmiger Form durchströmt werden kann. Hierdurch ist ein fortdauernder Austausch der Testsubstanz beim Nutzen des Biosen- sors zum Messen ermöglicht.

Vorzugsweise ist die organische Anbindungsschicht mit den Linkermolekülen mit Hilfe einer durch Licht induzierten Photoreaktion erzeugt, wobei insbesondere die Linkermoleküle und/oder das Halbleitersubstrat photoreaktiv sind und Photoradikale bilden. Der Begriff Pho- toradikale bezieht sich, wie bereits erläutert, auf photochemisch erzeugte/gebildete reaktions- fähige Verbindungen bzw. Molekülreste, Atome oder Ionen, insbesondere Radikale oder Elektronenmangelverbindungen. Gegenüber bekannten Verfahren, bei denen in einer Schutz- gasumgebung gearbeitet werden muß, ermöglicht die Nutzung eines nicht anodischen, elek-

trochemischen Potentials und von Photoradikalen als Linkermoleküle eine vereinfachte Her- stellung der Anbindungsschicht.

Eine optimierte Leitfähigkeit wird bei einer bevorzugten Ausgestaltung dadurch erreicht, daß die chemischen Bindungen zwischen der organischen Anbindungsschicht und der Halbleiter- substratschicht HL-N-Bindungen (HL-Halbleitersubstrat), insbesondere Si-N-Bindungen, umfassen.

Zweckmäßig kann bei einer Ausführungsform vorgesehen sein, daß die organische Substanz auf Basis einer Arylazid-Verbindung, eines Benzophenon-Derivats und/oder eines Diazirin- Derivats gebildet ist. Besonders bevorzugt werden als Linker Halogen-Arylazid-Verbin- dungen verwendet, beispielsweise Fluor-Arylazid-Derivate. Diese Verbindungsklasse kann in verschiedenen Formen mit Ankopplungsgruppen versehen werden, die einerseits während der photoinduzierten Abscheidungsprozesse stabil sind, d. h. es treten auch keine intramolekula- ren Reaktionen auf, und andererseits die Fähigkeit aufweisen, abhängig von der Ankopp- lungsgruppe, unterschiedliche Moleküle, Ionen und/oder Elemente zu binden.

Die Leitfähigkeitsmessung kann zweckmäßig mit Hilfe einer Strommessung oder einer Po- tentialmessung ausgeführt werden. Hierbei ist es vorteilhaft, eine der beiden Größen konstant zu halten. Die Strommessung ist bei konstantem elektrochemischen Potential vorteilhaft, da sie im Vergleich zur Potentialmessung empfindlicher ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Abscheiden auf einer Ober- fläche eines Siliziumsubstrats ; Fig. 2 eine grafische Darstellung der Änderung einer Photospannung beim Ätzen einer Siliziumoxid-Schicht auf dem Siliziumsubstrat bei konstantem nicht anodischen Potential ;

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Änderung einer Photospannung beim Abscheiden auf dem Siliziumsubstrat bei konstantem nicht anodischen Potential ; Fig. 4 eine grafische Darstellung der Änderung einer Photospannung beim Abscheiden von Peptid-Molekülen auf dem beschichteten Siliziumsubstrat bei konstantem nicht anodischen Potential ; Fig. 5 eine Strukturformel von TFPAM-6 ; Fig. 6 eine schematische Darstellung einer Mehrschichtanordnung ; Fig. 7 eine schematische Darstellung einer Meßanordnung mit einem Biosensor ; Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Anordnung mehrerer Schichten ; Fig. 9 eine grafische Darstellung einer Strom-Zeit-Kurve in einer Puffer-Lösung bei kon- stanter Spannung ; Fig. 10 eine grafische Darstellung einer Strom-Zeit-Kurve in einer gepufferten Lösung mit biotinyliertem Peptid und Streptavidin bei konstanter Spannung ; Fig. 11 eine grafische Darstellung einer Strom-Zeit-Kurve mit einer Puffer-Lösung aus biotinyliertem Peptid und Streptavidin bei konstanter Spannung ; und Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Biosensors mit Anschlußelektroden.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 wird im folgenden ein Ausführungsbeispiel zum Her- stellen einer Anordnung mit mehreren Schichten beschrieben, wobei eine Basisschicht von einem Siliziumsubstrat gebildet wird. Hierbei zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Abscheiden auf einer Oberfläche des Siliziumsubstrats.

Ausgangsmaterial ist ein einkristalliner p-Si (111) Wafer 1, 0,5-1, 5 Qcm, bedeckt mit einem natürlichen Oxid. Der Wafer 1 wird nach Standardmethoden Kern 1 & 2 gereinigt. Auf der Rückseite des Wafers 1 wird das Oxid mit Hilfe von 5% HF-Lösung vollständig entfernt und eine Indium-Gallium-Paste aufgetragen (Rückseitenkontakt). Der Wafer 1 wird auf eine Me- tallplatte 2 gelegt, welche elektrisch mit einem Potentiostaten 3 verbunden ist. Ein nach unten und oben hin offenes Teflongefäß 4 wird mittels in der Metallplatte 2 befindlichen Schrauben

auf die Vorderseite des Wafers 1 gepreßt, wobei sich ein Viton-Dichtring 5 zwischen Wafer 1 und Teflongefäß 4 befindet. Hierdurch entsteht ein nach unten hin geschlossenes Gefäß 6 mit der Siliziumoberfläche als Boden, in welches eine Lösung gegeben werden kann. Zwei Gold- drähte 7,8 ragen vom Rand der oberen Öffnung des Gefäßes 6 her in die Lösung und sind mit dem Potentiostaten 3 elektrisch verbunden, wobei einer der Golddrähte 7 als Referenzelektro- de und der andere der beiden Golddrähte 8 als Gegenelektrode dienen. Der Wafer 1 stellt die Arbeitselektrode dar (drei Elektroden-Aufbau), und das Potential der Siliziumoberfläche kann bei leitfähiger Lösung am Potentiostaten als nicht anodisches Potential eingestellt werden.

Am Potentiostaten 3 wird ein elektrochemisches Potential von-1 V voreingestellt und von Ruhepotential auf potentiostatisch geschaltet.

Bei Beleuchtung der Siliziumoberfläche des Wafers 1 mit Hilfe eines gepulsten Lasers 9 (362 nm) wird über eine dritte Elektrode 10 (Golddraht), die in die Lösung eintaucht, eine Ände- rung der Photospannung gemessen. Die Photospannung ist ein Maß für die Bandverbiegung an der Siliziumoberfläche, welche abhängig von Ladungen an der Grenzfläche Silizi- um/Lösung ist. Ein Oszillograph 11 zeigt die zwischen Goldelektrode 8 und Siliziumwafer 1 gemessene Photospannungsänderung bei einem Lichtimpuls an, und das Maximum der Ände- rung kann über einen Rechner 12 ausgelesen werden.

Das Gefäß 6 wird mit 40% NH4F (Ammoniumfluorid) gefüllt. Das Ammoniumfluorid ätzt das Siliziumoxid auf dem Wafer 1 und führt zu einer atomar glatten, terassierten, Wasserstoff terminierten (H-terminiert) Siliziumoberfläche mit einer 1-1-1-Oberflächenorientierung. Fig.

2 zeigt eine Messung der maximalen Photospannungsänderung in Abhängigkeit von der Zeit seit Beginn des Ätzens. Bei einem konstant angelegtem Potential von-IV (vgl. obere Kurve in Fig. 2) nimmt die maximale Photospannungsänderung von etwa-50 mV auf etwa-100 mV beim Entfernen des Oxids zu und bleibt beim Ätzen der H-terminierten Oberfläche nahe- zu konstant. Nach einigen Minuten wird das Ammoniumfluorid vollständig abgepumpt. Das angelegte elektrochemische Potential von-1 V verhindert während der Abscheidung die Bil- dung von Siliziumoxid an der Siliziumoberfläche in Kontakt mit der Lösung und ermöglicht hierdurch die Abscheidung auf einer oxidfreien Siliziumoberfläche auch ohne Schutzgasat- mosphäre, selbst in wäßrigen Elektrolyten.

Eine Lösung von Molekülen einer photoreaktiven Substanz in NMP (N-Methylpyrrolidon) wird in das Gefäß 6 gefüllt. Beleuchtung mit Hilfe des 362 nm Laserlichts führt über eine Radikalreaktion zum Austausch von Molekülen der photoreaktiven Substanz mit Wasserstoff- atomen auf der Siliziumoberfläche, so daß auf der Siliziumoberfläche eine Anbindungsschicht gebildet wird. Fig. 3 zeigt eine Messung der maximalen Änderung der Photospannung bei konstantem nicht anodischen Potential (vgl. obere Kurve in Fig. 3) während der Abscheidung von Molekülen der photoreaktiven Substanz auf der Siliziumoberfläche in Abhängigkeit von der Zeit. Die maximale Änderung der Photospannung nimmt von etwa-150 mV auf etwa-30 mV in weniger als einer Stunde ab. Nach etwas mehr als einer Stunde (75 min) wird die Lö- sung von Molekülen der photoreaktiven Substanz in NMP vollständig abgepumpt. Reste von nicht gebundenen Molekülen im Gefäß 6 werden durch mehrmaliges Spülen des Gefäßes 6 mit NMP und Ethanol (füllen und abpumpen) entfernt. Nach diesem Verfahrensschritt ist die Siliziumoberfläche beschichtet. Bei Verwendung einer für die jeweilige Anwendung geeig- neten photoreaktiven Substanz ist die Siliziumoberfläche dann anwendungsspezifisch funk- tionalisiert. Die Verwendung des nicht anodischen Potentials zur Verhinderung einer Oxidie- rung der Siliziumoberfläche ist in den folgenden Schritten nicht mehr nötig. Es kann mit be- liebigen Lösungen gearbeitet werden, beispielsweise basisch-physiologischen Puffern.

Eine Schichtanordnung, welche ein Siliziumsubstrat mit einer funktionalisierten Oberfläche aufweist, die mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens unter Verwendung einer geeigneten photoreaktiven Substanz beschichtet ist, kann in vielfältigen Anwendungen genutzt werden.

Die Funktionalisierung der Oberfläche des Siliziumsubstrats dient hierbei ganz allgemein der Änderung der physikalischen, biologischen und/oder chemischen Eigenschaften der be- schichteten Oberfläche. Anwendungsmöglichkeiten umfassen insbesondere eine elektronische Passivierung, eine Änderung der elektronischen Eigenschaften, die Ausbildung reaktiver Oberflächen und die Ausbildung sensitiver Oberflächen, bei denen neben der Nutzung als Biosensor auch die Anbindung anderer Moleküle möglich ist, beispielsweise eines Farbstoffs.

Darüber hinaus kann eine beschichtete Siliziumsubstratoberfläche als Zwischenschicht in der Photovoltaik oder bei Dioden genutzt werden. In Verbindung mit der Halbleiter- Chiptechnologie können bei Integration der mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens gebilde- ten Schichtanordnung in Bauelemente eine Bioverträglichkeit der beschichteten Siliziumober-

fläche sowie die Vorteile der heutigen Siliziumtechnologie (Lithografie, integrierte Schal- tungstechnik, ... ) genutzt werden.

In das Gefäß 6 wird dann Natriumphosphat-Puffer pH 7,4 mit gelösten Peptid-Molekülen ge- füllt. Die Peptid-Moleküle reagieren chemisch mit den aus den Photoradikalen abgeschiede- nen organischen Molekülen, die an der Siliziumoberfläche gebunden sind, so daß auf der Sili- ziumoberfläche, vermittelt durch die an die Siliziumoberfläche gebundenen Photoradikale, eine biologisch aktive Schicht mit Peptid-Molekülen gebildet wird. Fig. 4 zeigt eine Messung der maximalen Änderung der Photospannung bei konstantem elektrochemischen Potential (vgl. obere Kurve in Fig. 4) während der Abscheidung (Anbindung) von Peptid-Molekülen auf der mit Molekülen der organischen Substanz bedeckten Siliziumoberfläche abhängig von der Zeit nach dem Einfüllen der Peptid-Puffer Lösung. Die maximale Änderung der Pho- tospannung nimmt von etwa-60 mV auf etwa-100 mV in weniger als 3 Stunden zu und än- dert sich dann kaum noch. Danach wird die Lösung vollständig abgepumpt und die nicht ge- bundenen Peptid-Moleküle aus dem Gefäß 6 durch mehrmaliges Spülen mit Natriumphos- phat-Puffer pH 7,4 entfernt.

Das verwendete gepulste Laserlicht ist nicht unbedingt zur Erzeugung der Photoradikale not- wendig, sondern für die Messung der Photospannung. Ausreichend für die Erzeugung der Photoradikale ist die Bestrahlung mit einer kostengünstigeren Lichtquelle, beispielsweise ei- ner Lampe, die Licht mit der benötigten Wellenlänge ausstrahlt. Die in den Fig. 3 und 4 dar- gestellten Ergebnisse spiegeln die Veränderung der Bandverbiegung an der Siliziumoberflä- che bei den Abscheidungsprozessen wieder. Diese sind den Reaktionskurven bei der Ausbil- dung chemischer Bindungen ähnlich. Bei bekannter Abhängigkeit zwischen solchen Verände- rungen und chemischen Reaktionen läßt sich auf diese Weise direkt auf die gerade ablaufende chemische Reaktion schließen. Vorteilhaft an der Verwendung des gepulsten Laserlichts ist die Möglichkeit der Photospannungsmessung und damit, daß bei bekannter Korrelation zwi- schen Bandverbiegung an der Siliziumoberfläche und der gerade ablaufenden chemischen Reaktion etwa auch langsame chemischen Reaktionen in Echtzeit durch Messung der Pho- tospannung zu beobachten wären.

Fig. 5 zeigt die Strukturformel von N- (4-azido-2, 3,5, 6-tetrafluorobenzyl) -6-maleimidyl- hexanamid (TFPAM-6). Es handelt sich hierbei um ein als Photolinker nutzbares Molekül, welches über eine Ankopplungsgruppe zum Anbinden von Molekülen verfügt, beispielsweise biologisch aktiven Molekülen. Bei der Radikalbildung infolge der Lichtbestrahlung wird N2 aus der Azido-Gruppe abgespalten, so daß das entstandene Radikal über das verbleibende Nitren eine kovalente Bindung mit dem Silizium eingehen kann. Geeignete organische Sub- stanzen sind beispielsweise Arylazid-Verbindungen, ein Benzophenon-Derivat und/oder ein Diazirin-Derivat. Auch mehrere dieser Verbindungs-/Derivatarten können umfaßt sein. Be- sonders bevorzugt werden Halogen-Arylazid-Verbindungen. Derartige Verbindungen können in verschiedenen Formen mit Ankopplungsgruppen hergestellt werden.

Die unterschiedlichen Ankopplungsgruppen ermöglichen selektive Reaktionen mit nur aus- gewählten biologisch aktiven Komponenten. Bei den biologisch aktiven Komponenten kann es sich beispielsweise um Peptide, Proteine, Kohlenhydrate, Lipide, Biomimetika, Organel- len, ganze Zellen, Gewebe, Nukleinsäuren, Pharmaka oder dergleichen handeln. Möglich ist auch, eine Lipidschicht aufzubringen, in die dann in einem folgenden Schritt ein Transmem- branprotein, beispielsweise Rhodopsin, eingebracht wird. Die Abscheidung der biologisch aktiven Komponenten kann hierbei auch in basischen Lösungen erfolgen, was die Stabilität vieler biologisch reaktiver Moleküle wesentlich unterstützt. Beim Abscheiden der biologisch aktiven Moleküle schützt die abgeschiedene Anbindungsschicht aus den Photoradikalen die Oberfläche des Siliziumsubstrats in basischen Elektrolyten vor Ätzreaktionen am Silizium- substrat und einem sich hieraus ergebenden Aufrauhen der Oberfläche des Siliziumsubstrats sowie vor einem Ablösen der organischen Schicht durch Unterätzung. Die mittels photoche- mischer Reaktion erzeugten Photoradikale der photoreaktiven Substanz sind als Moleküle kovalent gebunden und sorgen für eine hohe Haftfestigkeit und chemische Stabilität der An- bindungsschicht auf dem Siliziumsubstrat.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Mehrschichtanordnung 60 mit einer Silizi- umsubstratschicht 61, einer hierauf angeordneten organischen Schicht 62 aus den an Siliziu- matome der Siliziumsubstratschicht 61 gebundenen Photoradikalen sowie einer auf der orga- nischen Schicht 62 aufgelagerten Schicht 63 mit biologisch aktiven Molekülen. Die Schicht

63 kann kovalent, über eine Salzbindung, über elektrostatische Wechselwirkung, hydrophobe Wechselwirkung, Van-der-Waals Wechselwirkung oder in ähnlicher Weise gebunden sein.

Die Mehrschichtanordnung 60 kann beispielsweise als Biosensor zur Untersuchung von che- mischen, physikalischen und/oder biologischen Eigenschaften der biologisch aktiven Mole- küle genutzt werden.

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Meßanordnung zum Ausführen einer elektri- schen Leitfähigkeitsmessung an einem Biosensor. Der verwendete Biosensor umfaßt in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 eine Schichtanordnung mit einem einkristallinen Silizium- Wafer 100 mit atomar glatter Oberfläche und 1-1-1-Oberflächenorientierung, bedeckt mit einem organischen Schichtsystem 102, welches unmittelbar auf dem Wafer 100 eine Schicht 102a mit Linkermolekülen (Crosslinker) und hierauf abgeschieden eine Schicht 102b mit biologisch aktiven Komponenten, beispielsweise Peptide (ein nicht homooligomerisierender Leucin-Zipper) umfaßt, wobei die biologisch aktiven Komponenten mit Hilfe der Linkermo- leküle an den Wafer 100 über kovalente chemische Bindungen gekoppelt sind.

Gemäß Fig. 7 ist auf der Rückseite des Silizium-Wafers 100 eine Indium-Gallium Paste auf- getragen, über welche ein guter elektrischer Kontakt zu einem unterliegenden Metallteller 103 besteht. Der Metallteller 103 ist mit einem Potentiostaten 104 verbunden, welcher bevorzugt einen Rechner in Form eines üblichen Personalcomputers umfaßt oder mit diesem verbunden ist. Auf der mit organischen Substanzen beschichteten Vorderseite des Silizium-Wafers 100 ist ein nach oben und unten hin offenes Teflongefäß 105 angeordnet. Ein Viton-Dichtring 106 zwischen Teflongefäß 105 und Silizium-Wafer 100 sorgt dafür, daß beim Befüllen des Gefä- ßes 105 mit einer Lösung, welche im Fall der Durchführung einer Messung eine biologische Testsubstanz ist, keine Lösung ausläuft. Somit stellt der beschichtete Silizium-Wafer 100 den Boden des Gefäßes 105 dar. Das Teflongefäß 105 wird über im Metallteller 103 befestigte Schrauben fixiert. In dem Gefäß 105 ist oberhalb des organischen Schichtsystems 102 ein Wechselwirkungsabschnitt 107 gebildet, in welchem die biologische Testsubstanz zu Meß- zwecken eingebracht wird, so daß Moleküle in der Testsubstanz mit den biologisch aktiven Komponenten in dem Schichtsystem 102 wechselwirken können.

In das Gefäß 105 ragen von ober her bis in den Wechselwirkungsabschnitt 107 zwei als An- schlußelektroden gebildete Golddrähte 108,109, welche mit dem Potentiostaten 104 elek- trisch verbunden sind. Hierbei dient ein Golddraht 108 als Referenzelektrode, ein Golddraht 109 als Gegenelektrode, und der beschichtete Silizium-Wafer 100 stellt eine Arbeitselektrode dar (drei Elektroden-Aufbau). Bei leitfähiger Lösung (biologische Testsubstanz) im Gefäß 105 wird ein konstantes Potential von etwa-1 V am Potentiostaten 104 eingestellt. Fig. 9 zeigt eine Messung des von der Leitfähigkeit abhängigen Stromes in Abhängigkeit von der Zeit nach dem Einbringen der Puffer-Lösung in dem Wechselwirkungsabschnitt. Bei einem konstant angelegtem Potential von-1 V ist der Strom konstant und kleiner 1 pA.

Nach Zugabe von Streptavidin zu der Pufferlösung (vgl. Fig. 10) sinkt der Strom in kurzer Zeit wieder auf einen Wert kleiner 1 iA. Streptavidin bindet nicht an das Peptid, mit welchem der Silizium-Wafer 100 beschichtet ist (Negativkontrolle). Nach mehrmaligem Spülen des Gefäßes 105 (Lösung einfüllen und vollständig abpumpen) mit Pufferlösung führt Einfüllen von Lösung mit biotinyliertem Peptid Nr. 3 und Streptavidin in Puffer zu einem starken An- stieg des Stromes auf einen Wert von größer 3 pA (vgl. Fig. 11). Das biotinylierte Peptid Nr.

3, das über die Biotinmarkierung an Streptavidin binden kann, bindet an das Peptid mit wel- chem der Silizium-Wafer 100 beschichtet ist. Der Biosensor zeigt diese Wechselwirkung als Leitfähigkeitsänderung zeitabhängig in Echtzeit in Form eines erheblich größeren Stromflus- ses an.

Fig. 12 zeigt eine schematische Darstellung eines Biosensors 160 mit einer Mehrschicht- anordnung 162, die eine Siliziumsubstratschicht 161, eine hierauf abgeschiedene Schicht 163 mit Linkermolekülen, die über kovalente chemische Bindungen mit dem Silizium der Silzi- umsubstratschicht 161 verbunden sind, und eine auf der Schicht 163 angeordnete weitere Schicht 164 mit biologisch aktiven Komponenten umfaßt. Oberhalb der weiteren Schicht 164 ist ein Wechselwirkungsabschnitt 165 gebildet, in welchem eine Testsubstanz mit einer Test- komponente, beispielsweise als Lösung oder Suspension, eingebracht werden kann, so daß die Testkomponente in Wechselwirkung mit der biologisch aktiven Komponente der weiteren Schicht 164 treten kann. Der Wechselwirkungsabschnitt 165 weist zwei Öffnungen 166,167 auf, so daß der Wechselwirkungsabschnitt 165 von der Testsubstanz durchströmt werden

kann. Eine Anschlußelektrode 168 ist an dem Wechselwirkungsabschnitt 164 angebracht.

Eine weitere Anschlußelektrode 169 steht mit der Siliziumsubstratschicht 161 in elektrischem Kontakt und ist beispielsweise mit Hilfe einer elektrisch leitenden Paste ohne Siliziumoxid angebracht oder ist mittels Bedampfens einer Siliziumoxid freien Oberfläche mit Gold reali- siert. Mit Hilfe der Anschlußelektrode 168 und der weiteren Anschlußelektrode 169, die zweckmäßig aus einem geeigneten Metall, beispielsweise Gold, gebildet sind, sind An- schlußmittel zum Anschließen des Biosensors 160 an einen elektrischen Stromkreis 170 ge- bildet, welcher seinerseits nach Fig. 12 eine Meßeinrichtung 171, welche wahlweise eine An- zeigeeinrichtung umfaßt, und eine elektrische Potentialquelle 172 aufweist. Die umfaßte An- zeigeeinrichtung kann beispielsweise eine optische Anzeige sein, die durch farbliche Ände- rung das Erfassen einer bestimmten elektrischen Leitfähigkeit und/oder einer Leitfähigkeit- sänderung ermöglicht, was jeweils einer bestimmten Wechselwirkung zwischen der Testkom- ponete in der Testsubstanz und der biologisch aktiven Komponente in der weiteren Schicht 164 entsprechen kann. Mit Hilfe des elektrischen Stromkreises können Meßsignale für die elektrische Leitfähigkeit und deren Änderung zwischen der Anschlußelektrode 168 und der weiteren Anschlußelektrode 169 über die Mehrschichtanordnung 162 und den Wechselwir- kungsabschnitt 165 gemessen werden. Wahlweise können die erfaßten Meßwerte in einem elektronischen, magnetischen oder optischen Speicher 173, welcher in die Meßeinrichtung integriert oder hiervon getrennt ausgeführt ist, in geeigneter Form gespeichert werden, so daß die Meßwerte für ein späteres Auslesen und Auswerten mit einer geeigneten Einrichtung, bei- spielsweise einem Computer, zur Verfügung stehen.

Die erfaßten Meßwerte liefern Informationen über eine vorhandene oder nicht ausgebildete (Negativtest) Wechselwirkung zwischen der Testkomponente der Testsubstanz in dem Wech- selwirkungsabschnitt 165 und der biologisch aktiven Komponente in der weiteren Schicht 164. Der elektrische Stromkreis 170 kann meßtechnisch vom Fachmann für den jeweiligen Anwendungsfall individuell angepaßt werden, insbesondere hinsichtlich des benötigten elek- trischen Potentials und der benötigten Meßgeräte. Der Biosensor 160 und der elektrische Stromkreis 170, auch einschließlich des elektronischen Speichers 173, können insbesondere für mobile Anwendungen als ein biosensorisches Meßsystem integriert sein, beispielsweise in Form eines Einzelchips.

Die in Fig. 10 beobachtbare Bindung zwischen der immobilisierten biologisch aktiven Kom- ponente und der gelösten Testkomponente ist auf mehrgestaltige Wechselwirkungen in der Lösung zurückzuführen. Zum einen finden Konformationsänderungen der immobilisierten Komponente unter Ausbildung einer helikalen Sekundärstruktur statt und es erfolgt eine Bin- dung über hydrophobe Wechselwirkungen und über elektrostatische Wechselwirkungen (Salzbrücken) mit dem im Puffer gelösten Peptid Nr. 3. Diese Wechselwirkungen sind von mehreren Faktoren abhängig, etwa von dem Lösungsmittel, der Ionenstärke, dem pH-Wert und der Temperatur. Weiterhin ist Peptid Nr. 3, das seinerseits bei der Bindung auch Konfor- mationsänderungen eingeht, mit einem niedermolekularen Molekül, Biotin, markiert, über das es in Wechselwirkung in Form von Bindung mit dem sich in der Lösung befindlichen Protein Streptavidin steht.

Mit Hilfe des beschriebenen Biosensors ist es möglich, alle denkbaren biologischen und bio- chemischen Wechselwirkungen zu detektieren, bei denen es infolge der Wechselwirkungen zwischen der immobilisierten biologisch aktiven Komponente und der Testkomponente in der Lösung oder der Suspension zu einer Leitfähigkeitsänderung kommt. Hierzu können etwa Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Testkomponenten gehören, zum Beispiel : Protein und Protein, Protein und Nukleinsäure, Protein und Lipid, Protein (z. B. ein Lektin) und Koh- lenhydrat (z. B. ein Saccharid), Protein und niedermolekularer Stoff (z. B. Protein und Metalli- on bei Zinkfinger-Proteinen), Protein und Ligand (z. B. Protein und Peptid ; Protein und Farb- stoff ; Antikörper und Antigen ; Rezeptor und Hormon ; Protein und Biomimetikum ; Protein und Pharmkon ; Enzym und Substrat oder Substrat-Inhibitor ; Apo-Enzym und prosthetische Gruppe ; Transportsytern und Spezies), wobei nicht-kovalente Wechselwirkungen (durch Wasserstoffbrücken, hydrophobe Wechselwirkungen, Van-der-Waals-Wechselwirkungen, Metall-Komplexierung, Metallbindung oder elektrostatische Wechselwirkungen (z. B. elek- trostatische Bindungen wie Ionenbindungen bzw. Salzbindung)) und kovalente Bindungen stattfinden können. Ziel eines solchen Vorgehens bei nicht-kovalenten Bindungen kann es sein, die Wechselwirkungen quantitativ (etwa durch Bestimmung der Bindungskonstanten oder Größen der Bindungskinetik) und/oder qualitativ (z. B. Art der Wechselwirkung und/oder Abhängigkeit von Temperatur, pH-Wert oder Ionenstärke) zu beschreiben. Weitere beobach- tete detektierbare Wechselwirkungen sind z. B. Nukleinsäure und Testkomponente, Peptid und

Testkomponente, Lipid und Testkomponente, Kohlenhydrat und Testkomponente, Pharmakon und Testkomponente, Metall-Chelat und Testkomponente, Metall und Testkomponente, Iono- phor und Ion, Organelle und Testkomponente, Virus und Testkomponente, Zelle und Test- komponente, Gewebe und Testkomponente.

Ist die Belegung der Oberfläche (z. B. auf einer atomar glatten Oberfläche) bekannt, können so auch unbekannte Analytkonzentrationen in der Lösung bestimmt werden (bspw. durch Auf- bringen eines Nickel-Chelats, der an den Histidin-Tag eines gelösten Proteins bindet).

Es können im Verlauf der Wechselwirkungen auch chemische Bindungen verändert werden, z. B. können kovalente Bindungen gebildet (etwa die kovalente Bindung beim Ausbilden einer Disulfidbrücke) oder gebrochen werden. Zu den Wechselwirkungen, die beobachtet werden können, zählen insbesondere alle möglichen biokatalytischen Prozesse und zwar insbesondere solche von Enzymen, katalytischen Nukleinsäuren, Organellen, Zellen oder Geweben, die mit Substraten, Cofaktoren, Inhibitoren oder Aktivatoren wechselwirken.

Ziel dieses Vorgehens kann es sein, Größen der Enzymkinetik zu bestimmen. Durch die en- zymatische Substratumsetzung kann bei bekannter Belegung der Oberfläche mit Enzym oder Substrat (atomar glatte Oberfläche) auf unbekannte Analytkonzentration (Substrat oder En- zym) geschlossen werden. Ein enzymatischer Prozeß kann beispielsweise die Phosphorylie- rung (bzw. Dephosphorylierung) oder Glykosilierung eines Proteins sein. Weiterhin können Konformationsänderungen von räumlichen Strukturen, insbesondere der Protein-Tertiär-oder Quartärstruktur) beobachtet werden, z. B. Proteinfaltung oder Strukturänderungen von Protein- Ligand Komplexen durch Temperaturerhöhung (daraus lassen sich thermodynamische Grö- ßen von Molekül-Molekül Wechselwirkungen ableiten).

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.