DE102004031167A1 - Process for the production of biochips from porous substrates - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Biochips aus porösen Substraten, worin die in einem entsprechenden Assay als Sonden bzw. Fängermoleküle eingesetzten biologisch-chemischen Substanzen zunächst auf die Porenoberflächen eines relativ langen, stabförmigen, porösen Substrats aufgebracht werden, das anschließend in kleine fertige Biochips vereinzelt wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Homogenität der einzelnen Chips verbessert und die Fertigungsgeschwindigkeit erhöht werden.The present invention relates to a method for the production of biochips from porous substrates, wherein the biological-chemical substances used in a corresponding assay as probes or capture molecules are first applied to the pore surfaces of a relatively long, rod-shaped, porous substrate, which subsequently into small finished Biochips is isolated. By the method according to the invention, the homogeneity of the individual chips can be improved and the production speed can be increased.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Biochips aus porösen Substraten, worin die in einem entsprechenden Assay als Sonden bzw. Fängermoleküle eingesetzten biologisch-chemischen Substanzen zunächst auf die Porenoberflächen eines relativ langen, stabförmigen, porösen Substrats aufgebracht werden, das anschließend in kleine fertige Biochips vereinzelt wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Homogenität der einzelnen Chips verbessert und die Fertigungsgeschwindigkeit erhöht werden.The The present invention relates to a process for the preparation of Biochips of porous Substrates in which in a corresponding assay as probes or Catcher molecules used Biochemical substances first on the pore surfaces of a relatively long, rod-shaped, porous substrate be applied, then in small finished biochips is isolated. By the method according to the invention, the homogeneity of the individual Chips are improved and the production speed is increased.
Poröse Substrate eignen sich aufgrund ihrer vorteilhaften optischen und fluidischen Eigenschaften sehr gut als Substrat für DNA- und Protein-Mikroarrays. Technisch aufwendig ist dabei aber das Aufbringen einer großen Anzahl von biologischchemischen Substanzen (> 100) wie z.B. DNA, Antikörper und Proteine. Die biologischen Substanzen werden in der Regel in einem geeigneten Puffer gelöst und Spot für Spot in einem sequentiellen Prozeß auf die Oberfläche des porösen Substrats mittels Dispensiertechnik aufgebracht. Durch die sequentielle Natur ist dieser Prozeß sehr zeitintensiv. Besonders für Arrays mit hoher Spotanzahl ist es jedoch wünschenswert, den Dispensierprozeß zu parallelisieren.Porous substrates are suitable because of their advantageous optical and fluidic Properties very good as a substrate for DNA and protein microarrays. But technically complex is the application of a large number of biological substances (> 100), e.g. DNA, antibodies and Proteins. The biological substances are usually in one solved appropriate buffer and Spot for Spot in a sequential process on the surface of the porous Substrate applied by dispensing technique. By the sequential nature This process is very time-consuming. Especially for However, high number of spots arrays would be desirable to parallelize the dispensing process.
Bisher wird die biologisch-chemische Substanz durch verschiedene „Spotting-Verfahren" wie z.B. Reservoir-Nadel-, Pin-and-Ring- oder Piezoverfahren, bei der eine biologischchemische Substanz wie z.B. ein zuvor synthetisiertes Oligonukleotid als Mikrotropfen lokal auf der Substratfläche abgesetzt wird, aufgebracht. Auf jedem Chip werden nacheinander verschiedene Spots abgesetzt. Das Spotten kann durch die Verwendung von mehreren solcher Nadeln parallelisiert werden. Dies stellt aber an die Logistik der zu spottenden Substanzen höhere Anforderungen. Ein weiteres Problem ist die Homogenität der Spots. Bei vielen Nadeln kann nicht sichergestellt werden, daß die abgesetzten Flüssigkeitsmengen bei allen Nadeln identisch sind.So far the biological-chemical substance is prepared by various "spotting processes" such as reservoir needle, Pin-and-ring or piezoprocessing, involving a biochemical Substance such as a previously synthesized oligonucleotide as a microdrop locally on the substrate surface is deposited, applied. On each chip will be consecutive various spots sold. Spotting can be done by using be parallelized by several such needles. This is but higher demands on the logistics of the substances to be mocked Another one Problem is the homogeneity of the Spots. For many needles can not be sure that the remote Liquid quantities at are identical to all needles.
Ein weiterer Ansatz, zu höherem Durchsatz zu gelangen, ist die Verwendung eines miniaturisierten Dispensierkopfes, der bis zu 384 Spots gleichzeitig absetzen kann (siehe wO 01/62377). Jede einzelne Dispensierdüse ist über einen Schlauch mit einem Reservoir verbunden. Der technische Aufwand, um beispielsweise Substrat und Dispensierkopf plan-parallel zueinander auszurichten (Minimierung des Keilfehlers), ist jedoch außerordentlich hoch. Bei nur unzureichender Justierung sind keine reproduzierbaren und homogenen Spots erhältlich.One another approach, to higher Throughput is the use of a miniaturized Dispensierkopfes, which can settle up to 384 spots simultaneously (see w0 01/62377). Each dispensing nozzle is via a hose with a reservoir connected. The technical effort to, for example, substrate and Align dispensing head plane-parallel to one another (minimization the wedge error), but is extraordinary high. In case of insufficient adjustment are not reproducible and homogeneous spots available.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu ermöglichen, welches die vorstehenden Probleme überwindet.Of the The present invention is therefore based on the object, a method to enable which overcomes the above problems.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst.These The object is achieved by the embodiments characterized in the claims solved.
Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Verfahren bereitgestellt, die dadurch gekennzeichnet sind, daß die in einem entsprechenden Assay als Sonden bzw. Fängermoleküle eingesetzten biologisch-chemischen Substanzen zunächst auf die Porenoberflächen eines stabförmigen porösen Substrats aufgebracht werden, das anschließend in kleine, fertige Biochips vereinzelt wird. Durch diese Vorgehensweise kann die Homogenität der einzelnen Biochips verbessert und die Fertigungsgeschwindigkeit erhöht werden.According to the present The invention provides methods which are characterized that the in a corresponding assay used as probes or capture molecules biochemical Substances first on the pore surfaces a rod-shaped porous Substrate are applied, then in small, finished biochips is isolated. By doing so, the homogeneity of the individual Biochips improved and the production speed increased.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von einzelnen Biochips aus einem stabförmigen, porösen Substrat bereitgestellt, umfassend die Schritte:
- (i) Bereitstellen eines stabförmigen porösen Substrats, das Poren mit einem Durchmesser im Bereich von zwischen 1 μm und 100 μm und eine Querschnittsfläche aufweist, welche den Abmessungen eines zu fertigenden, einzelnen Biochips entspricht;
- (ii) Beschichten der Porenoberflächen des stabförmigen porösen Substrats mit als Fängermoleküle fungierenden chemischbiologischen Verbindungen, und
- (iii) scheibenweise Sägen des stabförmigen porösen Substrats derart, daß vereinzelte, fertige Biochips mit einer Dicke im Bereich von 100 bis 1.000 μm erhalten werden.
- (i) providing a rod-shaped porous substrate having pores with a diameter in the range of between 1 μm and 100 μm and a cross-sectional area corresponding to the dimensions of a single biochip to be manufactured;
- (ii) coating the pore surfaces of the rod-shaped porous substrate with chemical-biological compounds acting as catcher molecules, and
- (iii) slicing the rod-shaped porous substrate so as to obtain discrete, finished biochips having a thickness in the range of 100 to 1,000 μm.
Das in Schritt (i) eingesetzte makroporöse Substrat weist vorzugsweise einen Porendurchmesser von 1 μm bis 50 μm, mehr bevorzugt 1 bis 20 μm auf. Der Abstand von Porenmitte zu Porenmitte (Pitch), d.h. zweier zueinander benachbarter bzw.The The macroporous substrate used in step (i) preferably has a pore diameter of 1 micron up to 50 μm, more preferably 1 to 20 μm. The distance from pore center to pore center, i. two to each other neighboring or
angrenzender Poren beträgt üblicherweise 1 bis 100 μm, vorzugsweise 2 bis 12 μm. Die Porendichte liegt üblicherweise im Bereich von 104 bis 108/cm2. Die Länge des stabförmigen porösen Substrats unterliegt keiner spezifischen Beschränkung, liegt aber aus Prozeßgründen üblicherweise im Bereich von ca. 1 cm bis 30 cm. Die Querschnittsfläche des stabförmigen, porösen Substrats entspricht den Abmessungen eines zu fertigenden, einzelnen Biochips und beträgt insofern üblicherweise 1 cm × 1 cm. Die Poren können in hexagonaler oder quadratischer Anordnung vorliegen. Ferner können die Poren beispielsweise im wesentlichen rund oder ellipsenförmig gestaltet sein. Das Material des stabförmigen porösen Substrats kann insbesondere aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Glas oder makroporösem Silizium ausgewählt werden, wobei letzteres besonders bevorzugt ist.Adjacent pores is usually 1 to 100 microns, preferably 2 to 12 microns. The pore density is usually in the range of 10 4 to 10 8 / cm 2 . The length of the rod-shaped porous substrate is not subject to any specific limitation, but is usually in the range of about 1 cm to 30 cm for process reasons. The cross-sectional area of the rod-shaped, porous substrate corresponds to the dimensions of a single biochip to be manufactured and is therefore usually 1 cm × 1 cm. The pores may be in hexagonal or square arrangement. Further, for example, the pores may be substantially round or elliptical be designed. The material of the rod-shaped porous substrate may in particular be selected from silicon oxide, aluminum oxide, glass or macroporous silicon, the latter being particularly preferred.
In Schritt (ii) erfolgt das Beschichten der Porenoberflächen des stabförmigen, porösen Substrats mit als Fängermoleküle fungierenden chemisch-biologischen Verbindungen bzw. Biomolekülen. Das ortsspezifische Anbinden von solchen chemisch-biologischen Verbindungen bzw. Biomolekülen an die Porenoberflächen erfolgt üblicherweise mittels Dispensiertechniken, gegebenenfalls durch Pumptechniken unterstützt. So kann in Schritt (ii) eine Lösung von Biomolekülen unter Ausnutzen der Kapillarkraft mittels mindestens einer Nadel oder Nadelanordnung in die Poren des eingesetzten Substrats beschickt bzw. gefüllt werden. Beispielsweise kann ein Überschuss an Flüssigkeit mit einer Nadel oder einem Instrument, welches eine Multiplizität solcher Nadeln und Flüssigkeiten aufweist, über die Porenöffnung so beschickt werden, dass sich diese Pore durch die Kapillarwirkung mit Flüssigkeit füllt. Nach der gewünschten Reaktionszeit kann die Flüssigkeit durch Anlegen von Überdruck an die Porenöffnung entfernt werden.In Step (ii), the coating of the pore surfaces of the rod-shaped, porous Substrate with acting as catcher molecules chemical-biological compounds or biomolecules. The site-specific attachment Of such chemical-biological compounds or biomolecules to the pore surfaces is usually carried out by means of dispensing techniques, possibly by pumping techniques supported. Thus, in step (ii), a solution of biomolecules taking advantage of the capillary force by means of at least one needle or needle assembly fed into the pores of the substrate used or filled become. For example, a surplus on liquid with a needle or an instrument which has a multiplicity of such needles and liquids has, over the pore opening be charged so that this pore by the capillary action with liquid crowded. After the desired Reaction time can through the liquid Applying overpressure removed to the pore opening become.
Als Biomoleküle, die in Schritt (ii) ortsspezifisch an die Porenoberflächen gekoppelt bzw. gebunden werden, kommen insbesondere DNA, RNA, PNA, (bei Nukleinsäuren und ihren chemischen Derivaten können z.B. Einzelstränge, Triplex-Strukturen oder Kombinationen hiervon vorliegen), Saccharide, Peptide, Proteine (z.B. Antikörper, Antigene, Rezeptoren), Derivate der kombinatorischen Chemie (z.B. organische Moleküle), Zellbestandteile (z.B. Organellen), Zellen, Mehrzeller sowie Zellverbände in Frage. Soll der fertige Biochip im Rahmen eines EIA oder ELISA verwendet werden, so werden als Biomoleküle insbesondere spezifische Antikörper verwendet. Das Anbinden bzw. Koppeln der Fängermoleküle wie insbesondere Oligonukleotide bzw. DNA-Moleküle an das Substratmaterial kann über Linkermoleküle nach den im Stand der Technik üblichen Verfahren erfolgen, beispielsweise mittels Behandeln des porösen Substratmaterials bei Verwendung von Epoxysilanen als Linkermoleküle durch anschließende Reaktion der terminalen Epoxidgruppen mit terminalen primären Aminogruppen oder Thiolgruppen von Oligonukleotiden bzw. DNA-Molekülen, die in entsprechenden Analyseverfahren als immobilisierte bzw. fixierte Fängermoleküle für die im zu untersuchenden Analyten vorliegenden Zielmoleküle fungieren. Dabei können beispielsweise die als Fängermoleküle verwendbaren Oligonukleotide unter Verwendung der Synthesestrategie, wie in Tet. Let. 22, 1981, Seiten 1859 bis 1862, beschrieben, hergestellt werden. Die Oligonukleotide können dabei während des Herstellungsverfahrens entweder an der 5-oder der 3-Endstellung mit terminalen Aminogruppen derivatisiert werden. Eine weitere Möglichkeit der Anbindung solcher Fängermoleküle an die Innenwandoberflächen der Poren kann durchgeführt werden, indem das Substrat zunächst mit einer Chlorquelle, wie Cl2, SOCl2, COCl2 oder (COCl)2, gegebenfalls unter Verwendung eines Radikalinitiators wie Peroxide, Azoverbindungen oder Bu3SnH, behandelt wird und anschließend mit einer entsprechenden nucleophilen Verbindung, wie insbesondere mit Oligonukleotiden bzw. DNA-Molekülen, die terminale primäre Aminogruppen oder Thiolgruppen aufweisen, umgesetzt werden (siehe WO 00/33976).As biomolecules which are coupled or bound site-specifically to the pore surfaces in step (ii), in particular DNA, RNA, PNA (in the case of nucleic acids and their chemical derivatives, eg single strands, triplex structures or combinations thereof can be present), saccharides, peptides , Proteins (eg antibodies, antigens, receptors), derivatives of combinatorial chemistry (eg organic molecules), cell components (eg organelles), cells, multicellular cells and cell aggregates. If the finished biochip is to be used in the context of an EIA or ELISA, in particular specific antibodies are used as biomolecules. The binding or coupling of the capture molecules such as in particular oligonucleotides or DNA molecules to the substrate material can be carried out via linker molecules according to the methods customary in the prior art, for example by treating the porous substrate material using epoxysilanes as linker molecules by subsequent reaction of the terminal epoxide groups Terminal primary amino groups or thiol groups of oligonucleotides or DNA molecules, which function in corresponding analysis methods as immobilized or fixed capture molecules for the present in the analyte target molecules. In this case, for example, the oligonucleotides which can be used as catcher molecules can be synthesized using the synthesis strategy as described in Tet. Let. 22, 1981, pages 1859-1862. The oligonucleotides can be derivatized during the preparation process either at the 5 or the 3-terminal position with terminal amino groups. Another way of attaching such capture molecules to the inner wall surfaces of the pores can be carried out by first exposing the substrate to a chlorine source such as Cl 2 , SOCl 2 , COCl 2 or (COCl) 2 , optionally using a free radical initiator such as peroxides, azo compounds or Bu 3 SnH, and then with a corresponding nucleophilic compound, in particular with oligonucleotides or DNA molecules having terminal primary amino groups or thiol groups are reacted (see WO 00/33976).
In Schritt (iii) erfolgt die Vereinzelung der dann fertigen Biochips durch scheibenweise Sägen des stabförmigen, porösen Substrats, so daß vereinzelte, fertige Biochips mit einer Dicke im Bereich von 100 bis 1.000 μm, vorzugsweise 250 bis 450 μm erhalten werden. Das derart funktionalisierte, stabförmige, poröse Substrat kann auf eine in einem Sägerahmen gespannte Sägefolie, wie z.B. eine für derartige Zwecke üblicherweise verwendete Mylar®-Folie, angeordnet werden, wonach das Aussägen der einzelnen Chips aus dem stabförmigen Substrat gemäß üblichen Techniken erfolgt. Das scheibenweise Sägen hat zur Folge, daß auf den Schnittkanten (Ober- und Unterseite der Chips) im Gegensatz zu „gespotteten" porösen Substraten vorteilhafterweise keine biologischen Moleküle immobilisiert sind.In step (iii), the then finished biochips are separated by sawing the rod-shaped, porous substrate so that individual, finished biochips having a thickness in the range from 100 to 1000 .mu.m, preferably 250 to 450 .mu.m are obtained. The functionalized such rod-shaped, porous substrate, as are a Mylar ® film commonly used for such purposes arranged on a tensioned in a sawing frame sawing film for example, whereafter the sawing of the individual chips is carried out from the rod-shaped substrate according to conventional techniques. The slicing sawing has the consequence that advantageously no biological molecules are immobilized on the cut edges (top and bottom of the chips) in contrast to "spotted" porous substrates.
Der Sägeprozeß sollte kompatibel zu der biologischen Beschichtung sein. Dies kann beispielsweise durch das Füllen der Poren vor dem Sägen mit Substanzen erreicht werden, welche die Oberfläche nicht angreifen, nach dem Sägen durch ein Lösungsmittel wieder vollständig aus den Poren ausgewaschen werden können, aber dennoch im Sägeprozeß die Oberfläche in den Poren vor Sägewasser und Partikeln schützt. Geeignete Substanzen hierfür sind beispielsweise langkettige Polyalkylenglykole wie insbesondere Polyethylenglykol (PEG) und Polyvinylalkohole.Of the Sawing process should be compatible with the biological coating. This can be, for example through the filling the pores before sawing can be achieved with substances that the surface is not attack, after sawing through a solvent completely again can be washed out of the pores, but still in the sawing process, the surface in the Pores in front of sawing water and protects particles. Suitable substances for this are, for example, long-chain polyalkylene glycols such as in particular Polyethylene glycol (PEG) and polyvinyl alcohols.
In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann das stabförmige poröse Substrat mit Poren im Bereich
von zwischen 1 μm
und 100 μm
und einer Querschnittsfläche
von beispielsweise 1 cm × 1 cm,
welche den späteren
Biochip-Abmessungen entspricht, und einer Länge von beispielsweise zwischen
1 cm bis 30 cm, in Schritt (ii) durch eine fluidische Maske an den
beiden durchlässigen
Stirnflächen
des stabförmigen,
porösen
Substrats fluidisch kontaktiert werden (siehe
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, in den Poren lokal die Synthese zu verhindern, indem die Pore verschlossen wird, d.h. die Poren lokal und definiert zu verschließen, so daß kein Synthesereagenz in die Poren gelangen kann. An der verdeckten Stelle findet dann keine Synthese statt. Hierzu kann das stabförmige, poröse Substrat mit Poren im Bereich von zwischen 1 μm und 100 μm und einer Querschnittsfläche von beispielsweise 1 cm × 1 cm, welche den späteren Biochip-Abmessungen entspricht, und einer Länge von beispielsweise zwischen 1 cm bis 30 cm, in Schritt (ii) mit einer entsprechend konfigurierten Maske bedeckt werden. Diese Maske verhindert lokal, daß chemische Substanzen in die Poren gelangen. Damit ist es beispielsweise auch möglich, durch sequenzielles Auflegen von Masken in lokal unterschiedlichen Bereichen unterschiedliche Oligonukleotide zu synthetisieren. Hierzu kann eine entsprechend oberflächenstrukturierte Maske aus elastomerem Material in Kontakt mit der Stirnfläche des stabförmigen, makroporösen Substrats gebracht werden. Bei einseitiger Aufbringung eines Flüssigkeitstropfens einer Lösung von Biomolekülen breitet sich die Flüssigkeit durch Kapillarkräfte in den durch die Maskenstruktur determinierten Poren aus.A other embodiment The present invention provides, in the pores, the synthesis locally to prevent by the pore is closed, i. the pores local and defined to close, so that no synthesis reagent in the Pores can get. At the hidden place then finds no Synthesis takes place. For this purpose, the rod-shaped, porous substrate with pores in the area of between 1 μm and 100 μm and a cross-sectional area for example, 1 cm × 1 cm, which the later Biochip dimensions, and a length of, for example, between 1 cm to 30 cm, in step (ii) with a correspondingly configured Mask are covered. This mask locally prevents chemical Substances enter the pores. That's it, for example possible, by sequentially placing masks in locally different ones Areas to synthesize different oligonucleotides. For this can be a corresponding surface-structured Mask of elastomeric material in contact with the face of the rod-shaped, macroporous Substrate are brought. With one-sided application of a liquid drop a solution of biomolecules the liquid spreads by capillary forces in the pores determined by the mask structure.
Die Maske kann zum Beispiel aus einem flexiblen Kunststoff wie einem elastomeren Material sein, das kompatibel zu der Synthesechemie (Entschützungsreagenz, Oxalsäure in Wasser im Fall der Phosphoramidit-Chemie) ist. Vorzugsweise ist das elastomere Material aus Polydialkylsiloxanen, Polyurethanen, Polyimiden und vernetzten Novolak-Harzen ausgewählt. Mehr bevorzugt ist das elastomere Material Polydimethylsiloxan (PDMS). PDMS weist eine geringe Oberflächenenergie auf und ist chemisch inert. Zudem ist PDMS homogen, isotrop und bis 300 nm optisch transparent.The For example, a mask can be made of a flexible plastic such as a be elastomeric material that is compatible with synthetic chemistry (Deprotection, oxalic acid in water in the case of phosphoramidite chemistry). Preferably the elastomeric material of polydialkylsiloxanes, polyurethanes, Polyimides and crosslinked novolak resins selected. More preferably that is elastomeric material polydimethylsiloxane (PDMS). PDMS has one low surface energy and is chemically inert. In addition, PDMS is homogeneous, isotropic and up 300 nm optically transparent.
Es
sind verschiedene Ausführungsformen unter
Variierung der Maskenfläche
und der Chipfläche
anwendbar. So kann die Maske Löcher
enthalten (Lochmaske) (siehe
Werden nämlich beispielsweise 100 Chips pro stabförmigen Substrat vorgesehen, so können, insofern die Fluidikmasken die Dimension eines Chips aufweisen, leicht 100 Masken, die für die Synthese notwendig sind, auf einem „Maskenwafer" untergebracht werden. Anders sieht es bei planaren Substraten aus. Um 100 Chips herzustellen, die sich auf einem einzigen 6" Wafer befinden, sind 100 Stück 6" Masken notwendig. Die Herstellung solcher Masken ist jedoch teuer, da jeder Fluidikmaske eine lithographische Maske zugrunde liegt.Become namely for example, 100 chips are provided per rod-shaped substrate, so, so far the fluidic masks have the dimension of a chip, easily 100 Masks for the synthesis are necessary to be housed on a "mask wafer". The situation is different with planar substrates. To make 100 chips, based on a single 6 "wafer 100 pieces of 6 "masks are necessary. However, the production of such masks is expensive because each fluidic mask a lithographic mask is based.
Ein solcher Stempel bzw. Gußform bzw. Maske aus elastomerem Material mit einer Reliefstruktur kann beispielsweise durch Replikatformen hergestellt werden, indem der flüssige Polymervorläufer eines Elastomers über eine Vorlage (Master) mit einer entsprechend vorbestimmten Oberflächenreliefstruktur gegossen wird, wie es aus der Softlithographie bekannt ist; siehe z.B. Xia et al., Angewandte Chemie, 1998, 110, Seiten 568 bis 594. Durch das Aufbringen einer solchen Stempelmaske mit Reliefstruktur kann eine Art geschlossener Kapillarstruktur bzw. mindestens Teile von Kanälen bzw. Kapillaren, die mindestens einen Einlass und nach Durchlaufen mindestens einer Pore, vorzugsweise eines Bereichs von Poren, einen Auslass aufweisen, erzeugt werden. Die Maske kann so strukturiert sein, daß die gebildeten Kanäle dabei gerade oder mäanderförmig sowie durchgehend oder kammartig geformt sind.One such stamp or mold or mask of elastomeric material having a relief structure can For example, be prepared by replica molds by the liquid polymer precursors of a Elastomers over a template (master) with a correspondingly predetermined surface relief structure is poured, as is known from soft lithography; please refer e.g. Xia et al., Angewandte Chemie, 1998, 110, pages 568-594. By applying such a stamp mask with relief structure may be a kind of closed capillary structure or at least parts of channels or capillaries that have at least one inlet and after passing at least a pore, preferably a region of pores, an outlet have generated. The mask can be structured that the formed channels while straight or meandering as well are formed continuously or comb-like.
Es ist auch möglich, auf die Stirnflächen des stabförmigen Substrates eine strukturierte Dichtung aufzubringen, die benachbarte Bereiche des Substrats fluidisch entkoppelt. Die Maske wird dann auf die Dichtung gepresst und verhindert, daß chemische Substanzen lokal nicht in die Poren gelangen können.It is possible, too, on the faces of the rod-shaped Substrates apply a structured seal, the adjacent Portions of the substrate fluidically decoupled. The mask then becomes Pressed on the seal and prevents chemical substances locally can not get into the pores.
Die als Fängermoleküle vorgesehenen Oligonukleotide werden dann wieder direkt in den nunmehr zugänglichen Poren synthetisiert, wobei die Synthese in den Poren des ganzen Stabs und damit auf vielen „Chips" gleichzeitig stattfindet. Anschließend wird das stabförmige poröse Substrat wieder scheibenweise getrennt.The intended as catcher molecules Oligonucleotides are then returned directly to the now accessible Pores are synthesized, with synthesis in the pores of the whole Stabs and thus on many "chips" takes place simultaneously. Subsequently becomes the rod-shaped porous Substrate again separated by slices.
In einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von einzelnen Biochips aus einem porösen Substrat bereitgestellt, umfassend die Schritte:
- (a) justiertes Aneinanderstapeln einer Vielzahl von porösen Substraten bzw. Chips mit einer Einzeldicke im Bereich von 100 bis 1.000 μm zu einem stabförmigen makroporösen Substrat;
- (b) reversibles Verbinden der einzelnen Substrate durch Tempern des erzeugten stabförmigen makroporösen Substrats bei einer Temperatur im Bereich von 80°C bis 200°C;
- (c) Beschichten der Porenoberflächen des in Schritt (b) erzeugten stabförmigen, porösen Substrats mit als Fängermoleküle fungierenden chemisch-biologischen Verbindungen, und
- (d) mechanisches Vereinzeln des stabförmigen, porösen Substrats derart, daß fertige Biochips mit einer Dicke im Bereich von 100 bis 1.000 μm erhalten werden.
- (a) aligned stacking of a plurality of porous substrates or chips having a single thickness in the range of 100 to 1000 microns to a rod-shaped macroporous substrate;
- (b) reversibly bonding the individual substrates by annealing the formed rod-shaped macroporous substrate at a temperature in the range of 80 ° C to 200 ° C;
- (c) coating the pore surfaces of the rod-shaped porous substrate produced in step (b) with chemical-biological compounds functioning as catcher molecules, and
- (d) mechanically dicing the rod-shaped porous substrate so as to obtain finished biochips having a thickness in the range of 100 to 1,000 μm.
Die in Schritt (a) eingesetzten Substrate bzw. vereinzelten Chips weisen vorzugsweise einen Porendurchmesser von 1 μm bis 50 μm, mehr bevorzugt 1 bis 20 μm auf. Der Abstand von Porenmitte zu Porenmitte (Pitch), d.h. zweier zueinander benachbarter bzw. angrenzender Poren beträgt üblicherweise 1 bis 100 μm, vorzugsweise 2 bis 12 μm. Die Porendichte liegt üblicherweise im Bereich von 104 bis 108/cm2. Die Länge des daraus erzeugten stabförmigen porösen Substrats unterliegt keiner spezifischen Beschränkung, liegt aber üblicherweise aus Prozeßgründen im Bereich von ca. 1 cm bis 30 cm. Die Querschnittsfläche der einzelnen Substrate bzw. Chips und damit auch des stabförmigen porösen Substrats entspricht den Abmessungen eines zu fertigenden, einzelnen Biochips und beträgt insofern üblicherweise 1 cm × 1 cm. Die Poren können in hexagonaler oder quadratischer Anordnung vorliegen. Ferner können die Poren beispielsweise im wesentlichen rund oder ellipsenförmig gestaltet sein. Das Material kann beispielsweise aus Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Glas oder makroporösem Silizium ausgewählt sein.The substrates or individual chips used in step (a) preferably have a pore diameter of from 1 .mu.m to 50 .mu.m, more preferably from 1 to 20 .mu.m. The distance from the center of the pore to the center of the pore (pitch), ie, two adjacent or adjacent pores, is usually 1 to 100 μm, preferably 2 to 12 μm. The pore density is usually in the range of 10 4 to 10 8 / cm 2 . The length of the rod-shaped porous substrate produced therefrom is not specifically limited, but is usually in the range of about 1 cm to 30 cm for process reasons. The cross-sectional area of the individual substrates or chips and thus also of the rod-shaped porous substrate corresponds to the dimensions of a single biochip to be manufactured and is therefore usually 1 cm × 1 cm. The pores may be in hexagonal or square arrangement. Further, the pores may be designed, for example, substantially round or elliptical. The material may for example be selected from silica, alumina, glass or macroporous silicon.
In den Schritten (a) und (b) werden somit polierte Einzelchips reversibel zu einem Stab gebondet. Dazu werden die Chips justiert gestapelt und durch einen Temperprozeß verbunden. Die Haltekräfte der Bondverbindung sind gering (nur Wasserstoffbrücken, Van der Waals Kräfte), so daß die Verbindung ohne mechanische Beschädigung wieder gelöst werden kann. Die durch den Temperprozeß erreichte Verbindung der einzelnen Chips muß nur fluidisch abdichten, um sicherzustellen, daß keine Flüssigkeit zwischen die einzelnen Chips läuft.In Thus, in steps (a) and (b), polished single chips become reversible bonded to a rod. For this, the chips are stacked adjusted and connected by a tempering process. The holding forces the bond is low (only hydrogen bonds, Van the Waals forces), so that the connection without mechanical damage solved again can be. The achieved by the annealing process compound of single chips only has to fluidically seal to ensure that no fluid between the individual Chips are running.
Nach der Synthese oder Beschichtung mit Biomolekülen, wie oben beschrieben, erfolgt dann die mechanische Vereinzelung des Stapels in Einzelchips.To synthesis or coating with biomolecules, as described above, then the mechanical separation of the stack is done in single chips.
Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß nach der biologischen Beschichtung bzw. der Immobilisierung der Fängermoleküle der Sägeprozeß entfallen kann.One Advantage of this method is that after the biological coating or the immobilization of the catcher molecules of the sawing process omitted can.
Die Figuren zeigen:The Figures show:
In
Jeder
Bereich der Stirnfläche
kann über
die Zuleitungen (
In
- 1010
- stabförmiges, poröses Substratrod-shaped, porous substratum
- 1111
- Porepore
- 1212
- Stirnflächen des SubstratsEnd faces of the substrate
- 2020
- fluidische Maskefluidic mask
- 3030
- Zuleitungen für die einzelnen Bereiche auf dem Chipleads for the individual areas on the chip
- 4040
- Biomolekülebiomolecules
- 5050
- Lochmaskeshadow mask
- 5151
- Stempelmaskestamp mask
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