DE102006009950A1

DE102006009950A1 - Elektrodenvorrichtung

Info

Publication number: DE102006009950A1
Application number: DE200610009950
Authority: DE
Inventors: Fred Prof. Dr. Lisdat; Wolfgang Dr. Parak; Christian Stoll
Original assignee: TECHNISCHE FACHHOCHSCHULE WILDAU
Current assignee: TECHNISCHE FACHHOCHSCHULE WILDAU
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2007-09-06
Anticipated expiration: 2026-03-04
Also published as: DE102006009950B4; DE102006062735A1

Abstract

Eine Elektrodenvorrichtung, die umfasst: eine Elektrode mit mindestens einer durch Beleuchtung beeinflussbaren elektrischen Eigenschaft und ein Beleuchtungsmittel, um die Elektrode anzusteuern, wobei die Elektrode mehrere diskrete Steuerelemente mit mindestens einer durch Beleuchtung beeinflussbaren Eigenschaft umfasst. Die Steuerelemente sind vorzugsweise Halbleiter-Nanopartikel.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Elektrodenvorrichtung, insbesondere zum Messen oder Beeinflussen elektrischer oder elektrochemische Parameter. Außerdem betrifft sie ein Verfahren zum Messen oder Beeinflussen elektrischer oder elektrochemische Parameter. Weiter betrifft sie eine Anordnung mehrerer an ein Elektrodensubstrat gekoppelter Steuerelemente. Schließlich betrifft die Erfindung einen Nanopartikel und eine Verwendung von an ein Elektrodensubstrat gekoppelten Nanopartikeln als Elektrode.

Stand der Technik

Eine gattungsgemäße Elektrodenvorrichtung ist aus der Patentschrift US 4,591,550 (Hafeman et al.) bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine einstückige flache Elektrode aus einem Halbleitermaterial, die in ein flüssiges Medium eingetaucht ist. Mittels einer ebenfalls in das Medium eingetauchten Referenzelektrode und eines Potentiostats wird die Elektrode auf einem konstanten Potential gehalten. Der Elektrode gegenüber befindet sich ein Leuchtdiodenarray, das unterschiedliche Bereiche der eingetauchten Oberfläche der Halbleiterelektrode beleuchten kann, um in dem jeweils gerade beleuchteten Bereich Elektronen-Loch-Paare zu erzeugen, die z.B. als Fotostrom registriert werden. Der Fotostrom ist abhängig vom elektrochemischen Zustand, z.B. dem pH-Wert, des Mediums in unmittelbarer Nähe des beleuchteten Bereichs. Auf diese Weise soll durch sequenzielles Beleuchten unterschiedlicher Oberflächenbereiche und gleichzeitiges Messen des Fotostroms der Zustand des Mediums ortsaufgelöst ermittelt werden. Es wird auch vorgeschlagen, Proteine, insbesondere Enzyme, an die Elektrode zu binden und ortsaufgelöst nachzuweisen.

Ähnliche Vorrichtungen, bei denen an Stelle der Leuchtdioden ein oder mehrere fokussierte Laserstrahlen als Lichtzeiger zur Beleuchtung der Elektrode verwendet werden, sind unter anderem bekannt aus "Highly integrated surface potential sensors" (M. George, W. J. Parak, H. E. Gaub, Sensors and Actuators B, 69, 200, Seiten 266–275), "Lateral resolution of light-addressable potentiometric sensors: an experimental and theoretical investigation" (W. J. Parak, U. G. Hofmann, H. E. Gaub, J. C. Owicki, Sensors and Actuators A, 63, 1997, Seiten 47–57), und "Investigation of the spatial resolution of the light-addressable potentiometric sensor" (M. George, W. J. Parak, I. Gerhardt, W. Moritz, F. Kaesen, H. Geiger, I. Eisele, H. E. Gaub, Sensors and Actuators, 86, 2000, Seiten 187–196).

Die Patentschrift US 5,751,018 (Alivisatos et al.) offenbart eine Struktur aus Halbleiter-Nanopartikeln, die durch Brückenmoleküle kovalent an die Oberfläche eines metallischen Elektrodensubstrats gebunden sind.

Der Erfindung zugrundeliegendes Problem

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verbesserungen beim Messen oder Beeinflussen elektrischer oder elektrochemischer Parameter bereitzustellen.

Erfindungsgemäße Lösung

Zur Lösung der Aufgabe lehrt die Erfindung eine Elektrodenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12, eine Elektrodenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 und eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Außerdem lehrt die Erfindung zur Lösung der Aufgabe einen Nanopartikel mit den Merkmalen des Anspruchs 15 und eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 16.

Ein erreichbarer Vorteil der Erfindung ist eine im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen verbesserte Ortsauflösung der Elektrodenvorrichtung. Dies ist in vielen Anwendungen wünschenswert. Zum Beispiel können bei einer höheren Ortsauflösung der Elektrodenvorrichtung mehr auf der Elektrode lokalisierte Moleküle unabhängig voneinander beeinflusst oder vermessen werden, beispielsweise um einen Proteinchip zu realisieren, bei dem eine Vielzahl unterschiedlicher an die Elektrode gekoppelter Proteine mittels eines Lichtzeigers gemessen und/oder beeinflusst werden. Bei der bekannten Elektrodenvorrichtung mit einer einstückigen Halbleiterelektrode ist die Ortsauflösung unter anderem durch die Diffusion der durch die Beleuchtung erzeugten Elektronen-Loch-Paare in der Elektrode eingeschränkt. Mit der Erfindung kann die Diffusion von Ladungsträgern begrenzt und so die Ortsauflösung verbessert werden.

Ein anderer erreichbarer Vorteil der Erfindung ist eine Vergrößerung der Oberfläche der Elektrode. Dies kann insbesondere von Nutzen sein, wenn Moleküle oder Molekülkomplexe an die Elektrodenoberfläche angekoppelt werden sollen. Wenn beispielsweise Redoxproteine an die Elektrode gebunden werden, um die Elektrodenvorrichtung als Sensor zu verwenden, kann durch die Erfindung eine höhere Empfindlichkeit erreicht werden.

Es ist ein weiterer mit der Erfindung erreichbarer Vorteil, dass die biologische Aktivität an die Elektrode gekoppelter Moleküle oder Molekülkomplexe, insbesondere Proteine, weniger oder überhaupt nicht beeinträchtigt wird.

Durch Änderung der elektrischen Eigenschaft der Elektrode können elektrische oder elektrochemische Eigenschaften eines an die Elektrode angrenzenden Gegenstands beeinflusst und/oder gemessen werden. In biosensorischen Anwendungen kann sie z.B. zur Detektion von Produkten von enzymatischen Umsatzreaktionen oder zum Nachweis von Mediatoren, die mit einem durch Analytinteraktion veränderten Protein reagieren, verwendet werden. Sie kann auch zur direkten elektrochemischen Kommunikation der Elektrode mit einem redoxaktiven Zentrum eines Proteins eingesetzt werden, beispielsweise um Wasserstoffperoxid, Superoxidradikale, Stickstoffmonoxid oder Katecholamine nachzuweisen. Ein anderer möglicher Einsatzbereich ist die direkte Beeinflussung von Biomolekülen, zum Beispiel als Redoxelektrode für die Elektroreduktion von Cytochrom c oder Hexacyanoferrat (III).

Aufbau und Weiterbildung der erfindugsgemäßen Lösung

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann das Beleuchtungsmittel mindestens zwei unterschiedliche Zustände einnehmen, in denen unterschiedliche Bereiche der Elektrode beleuchtet werden. So kann die Elektrode durch sequenzielles Beleuchten der Bereiche ortsaufgelöst angesteuert werden. Mittels Änderung der elektrischen Eigenschaft in diesem Bereich können ortsaufgelöst elektrische oder elektrochemische Eigenschaften eines an den angesteuerten Bereich angrenzenden Gegenstands, insbesondere eines Moleküls oder Molekülkomplexes wie unten beschrieben, beeinflusst und/oder gemessen werden. Diese Ausführung kann auch eingesetzt werden, um auf der Elektrode angeordnete biologische Untersuchungsobjekte, z.B. Nervenzellen, an beliebigen Stellen elektrisch anzuregen und ihre Reaktion ortsaufgelöst zu messen. Die Vorrichtung kann auch zum elektrochemischen Imaging von Oberflächen oder als ortsauflösender optischer Bildsensor eingesetzt werden.

Die bevorzugte durch Beleuchtung beeinflussbare elektrische Eigenschaft ist die Leitfähigkeit der Elektrode bzw. des Steuerelements.

Die bevorzugte Ausdehnung des Steuerelements ist in mindestens eine Richtung parallel zur Elektrodenoberfläche, vorzugsweise in alle Richtungen parallel zu Elektrodenoberfläche, besonders vorzugsweise in alle drei Raumrichtungen kleiner als die Diffusionslänge freier Ladungsträger in dem Material. Vorzugsweise ist die Ausdehnung kleiner als ein Zehntel, besonders vorzugsweise ein Hundertstel, besonders vorzugsweise ein Tausendstel, besonders vorzugsweise ein Zehntausendstel, besonders vorzugsweise ein Hunderttausendstel, besonders vorzugsweise ein Millionstel der Diffusionslänge. Die Diffusionslänge im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Diffusionslänge freier Ladungsträger in einem im Vergleich zur Diffusionslänge großen Volumen des Materials. Beispielsweise liegt die Diffusionslänge für ein n-dotiertes Siliziummaterial mit einem spezifischen Wiederstand von 10 bis 15 Ohm unter Normalbedingungen bei ca. 100 bis 400 Mikrometern. Die Diffusionslänge bestimmt der Fachmann mit dem in "Direct measurement of minority carrier diffusion length in planar devices" (A. Boudjani, G. Bassou, et al., Solid-State Electronics 38 (2), 1995, Seiten 471–475) angegebenen Verfahren, dessen gesamter diesbezüglicher Inhalt durch Verweis Teil der vorliegenden Offenbarung ist.

Bevorzugte Steuerelemente sind Nanopartikel. Ein Nanopartikel im Sinne der vorliegenden Erfindung hat in wenigstens einer Raumrichtung, vorzugsweise in zwei Raumrichtungen, besonders vorzugsweise in alle drei Raumrichtungen eine Ausdehnung in Nanometerbereich, also weniger als 100 Nanometer, vorzugsweise weniger als 10 Nanometer. Die Ausdehnung beträgt vorzugsweise zwischen 1 und 6 Nanometer, besonders vorzugsweise weniger als 5 Nanometer. Die Nanopartikel können globulär sein, es kommen aber insbesondere auch nicht-globuläre Formen in Frage, zum Beispiel stäbchenförmige oder aus mehreren Stäbchen zusammengesetzte tetrapodförmige Nanopartikel, die im wesentlichen aus vier stäbchenförmigen, an ihren einen Enden zusammenlaufenden Nanopartikeln aufgebaut sind. Die Nanopartikel sind vorzugsweise anorganisch und kolloidal. Für die Erfindung geeignete Nanopartikel und Verfahren zu deren Herstellung werden dem Fachmann unter anderem in "On the development of colloidal nanoparticles towards multifunctional structures and their possible use for biological applications" (T. Pellegrino, S. Kudera, T. Liedl, A. Munoz Javier, L. Manna, W. J. Parak, SMALL 1, 2005, 48–63) und der Patentschrift US 5,751,018 (Alivisatos et al.) offenbart. Der gesamte diesbezügliche Inhalt der vorgenannten Schriften ist durch Verweis Teil der vorliegenden Offenbarung.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfassen die Steuerelemente mindestens ein Halbleitermaterial, vorzugsweise ein Selen-, Schwefel- oder Tellur-basiertes Halbleitermaterial, besonders vorzugsweise CdSe, CdS, CdTe, ZnSe ZnS oder eine Kombination daraus, besonders vorzugsweise CdSe und ZnS, wobei besonders vorzugsweise ein Kern aus CdSe von einer Hülle aus ZnS umgeben ist (Core/Shell-System). Durch die Anregung mit Licht im Wellenlängenbereich der Absorption des Steuerelements können in dem jeweils beleuchteten Bereich der Elektrode lokale Elektronen-Loch-Paare erzeugt werden, was einen Fotostrom zur Folge haben kann. Dieser kann zum ortsaufgelösten Auslesen bzw. Ansteuern der Elektrode verwendet werden.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Steuerelemente Nanopartikel, die ein Halbleitermaterial umfassen, zum Beispiel Quantum-Dots. Bei Quantum-Dots ist es möglich, die Lage der Absorptionskante durch die Größe der Partikel einzustellen. Es ist ein erreichbarer Vorteil dieser Ausführung der Erfindung, dass die Absorptionswel lenlänge so eingestellt werden kann, dass des Licht, das zur Anregung nötig ist, einen mit der Elektrode zu messenden oder zu beeinflussenden Gegenstand möglichst wenig beeinträchtigt, wodurch unter anderem Artefakten entgegengewirkt werden kann.

Die Steuerelemente bilden vorzugsweise eine Schicht, besonders vorzugsweise eine Monoschicht. Die Schicht bedeckt vorzugsweise wenigstens einen Teil der Elektrodenoberfläche. Vorzugsweise umfasst die Elektrode außerdem ein elektrisch leitendes oder halbleitendes Elektrodensubstrat, das mit den Steuerelementen elektrisch wechselwirken kann, damit an die Steuerelemente ein elektrisches Signal angelegt und/oder von ihnen abgenommen werden kann. Das Elektrodensubstrat ist vorzugsweise ein Metall oder eine Metalllegierung, z.B. Gold oder Aluminium. Ein besonders bevorzugtes Elektrodensubstrat ist eine planare Goldelektrode. Die Steuerelemente sind vorzugsweise auf dem Elektrodensubstrat immobilisiert.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sind die Steuerelemente so an das Elektrodensubstrat gekoppelt, dass ein Ladungstransfer zwischen Steuerelement und Elektrodensubstrat stattfinden kann. Die Steuerelemente können direkt oder indirekt, kovalent oder nicht-kovalent an das Elektrodensubstrat gebunden sein. Vorzugsweise werden die Steuerelemente durch Dithiole an das Elektrodensubstrat gebunden. Geeignete Verfahren und Vorrichtungen zum Koppeln der Steuerelemente an das Elektrodensubstrat sowie zum Ausführen der vorliegenden Erfindung geeignete Steuerelement-Elektrodensubstrat-Konstruktionen sind auch aus der Patentschrift US 5,751,018 (Alivisatos et al.) bekannt, deren gesamter diesbezüglicher Inhalt durch Verweis Teil der vorliegenden Offenbarung ist.

Erfindungsgemäße Steuerelemente können auch mehrere Materialien umfassen. In einer Ausführung der Erfindung umfassen die Steuerelemente eine Metallkomponente. So können beispielsweise an den Enden eines stäbchenförmigen Halbleiter-Nanopartikels Metallkügelchen angeordnet sein. Die Kügelchen können auch an den freien Enden eines tetrapodförmigen Halbleiter-Nanopartikels angeordnet sein. Die Halbleiter-Nanopartikel bestehen vorzugsweise aus CdSe, CdS, CdTe, ZnSe oder einer Kombination dieser Materialien, die Metallkügelchen vorzugsweise aus Gold und sind vorzugsweise epitaktisch auf die freien Enden des Halbleiter-Nanopartikels aufgewachsen. Goldlieferant können beispielsweise organometallische Verbindungen wie Chlorotriphenylphosphingold sein. Geeignete Verfahren und Vorrichtungen zum Aufwachsen von Gold auf Nanokristalle findet der Fachmann unter anderem in "Selective growth of metal tips onto semiconductor quantum rods and tetrapods" (T. Mokari et al., Science, 2004, 304, Seiten 1787–1790), dessen gesamter diesbezüglicher Inhalt durch Verweis Teil der vorliegenden Offenbarung ist. Die Steuerelemente können an eine Goldoberfläche des Elektrodensubstrats gekoppelt werden, indem die Thiol-Enden auf der Goldoberfläche gebundener Dithiole an eine Goldkomponente der Steuerelemente binden. Tetrapods sind vorzugsweise mit drei Beinen durch ihre Metallkügelchen an das Elektrodensubstrat gekoppelt, währen das vierte Bein von der Elektrode weg weist. Da die Gold-Thiol-Bindung recht stabil ist, kann die obige Ausführung der Erfindung dazu beitragen, die Steuerelemente besser an die Elektrodensubstratoberfläche zu binden. Es ist ein erreichbarer Vorteil dieser Ausführung der Erfindung, dass höhere Ströme zwischen Partikel und Elektrodensubstrat fließen können. Ein weiterer erreichbarer Vorteil ist eine verbesserte Stabilität der Elektrode.

An ein bevorzugtes Steuerelement ist mindestens ein Molekül oder Molekülkomplex gebunden, um eine elektrische oder elektrochemische Eigenschaft des Moleküls oder Molekülkomplexes auszulesen oder zu beeinflussen. Das bevorzugte Steuerelement ist ein erfindungsgemäßer Nanopartikel, der ein Halbleitermaterial umfasst. Bevorzugte Moleküle bzw. Molekülkomplexe sind Peptide, Proteine oder Proteinkomplexe. Bevorzugte, an die Steuerelemente der erfindungsgemäßen Elektrodenvorrichtung gebundene Proteine sind Rezeptoren und Enzyme, besonders vorzugsweise Redoxproteine wie z.B. Cytochrome c, Cytochrom c' und Azurin, aber auch allgemein Hämproteine und Kupferproteine. Die Moleküle oder Molekülkomplexe können direkt oder indirekt, kovalent oder nicht-kovalent an das Steuerelement gebunden sein.

Vorzugsweise ist das Molekül oder der Molekülkomplex so an das Steuerelement gekoppelt, dass ein Ladungstransfer stattfinden kann. Wenn das Steuerelement dort, wo die Moleküle oder Molekülkomplexe gebunden werden sollen, zunächst mit hydrophoben Stabilisatormolekülen bedeckt ist, kann es vorteilhaft sein, die Oberfläche in einem ers ten Schritt hydrophil zu machen, weil viele geeignete Moleküle oder Molekülkomplexe hydrophil sind. Vorzugsweise geschieht dies durch wenigstens teilweisen Ligandenaustausch, besonders vorzugsweise in wässriger Lösung. Bevorzugte neue Liganden sind Carboxy-terminierte Thiole und/oder gemischte Schichten mit Hydroxy- bzw. Carboxy-Endgruppen. Solche Liganden haben sich insbesondere beim Anbinden von Cytochrom c als vorteilhaft erwiesen. Besonders bevorzugt sind Mercaptobernsteinsäure und Mercaptopropionsäure. Diese Liganden binden vorzugsweise mit ihrer Thiol-Gruppe an die Oberfläche des Steuerelements und verdrängen dabei die hydrophoben Stabilisatormoleküle während die Carboxyl-Gruppe der Liganden in die Lösung zeigt. Mit Hilfe einer EDC-Aktivierung der Carboxyl-Gruppe kann ein Protein kovalent über seine Amino-Gruppe an die Carboxyl-Gruppe gebunden werden, wie z.B. beschrieben in "Bioconjugate Techniques" (G. T. Hermanson, 1996, Academic press, San Diego), dessen gesamter diesbezüglicher Inhalt durch Verweis Teil der vorliegenden Offenbarung ist. Azurin wird vorzugsweise durch aliphatische oder aromatische Gruppen an die Steuerelemente gebunden, besonders vorzugsweise an Nanopartikel, die mindestens eines der Materialien aus der Gruppe CdSe, CdS CdTe, ZnSe und ZnS umfassen. Es ist ein erreichbarer Vorteil der vorgenannten Ausführungen der Erfindung, dass die Moleküle oder Molekülkomplexe nahe an die Oberfläche des Steuerelements gebunden werden können.

Dadurch, dass das Steuerelement in einer bevorzugten Ausführung der Erfindung sowohl mit dem Elektrodensubstrat als auch mit dem Molekül oder Molekülkomplex leitend verbunden ist, kann erreicht werden, dass ein durch das Steuerelement vermittelter Ladungstransfer zwischen Molekül und Elektrodensubstrat stattfindet. Dieser Ladungstransfer kann durch die beleuchtungsbedingte Änderung einer elektrischen Eigenschaft des Steuerelements moduliert, vorzugsweise ein- oder ausgeschaltet werden. Der Ladungstransfer findet vorzugsweise mittels eines durch die Beleuchtung induzierten Fotostroms in dem Steuerelement statt. Durch die Erfindung kann demzufolge eine lokal schaltbare Elektrode zum Auslesen der elektrochemischen Antwort eines and die Elektrode gebundenen Moleküls oder Molekülkomplexes realisiert werden. Die Beleuchtungsintensität ist bei einer bevorzugten Elektrodenvorrichtung moduliert, z.B. sinusförmig oder in Pulsform. Besonders bevorzugt wird die Elektrode im Lock-in-Verfahren dazu synchron ausgelesen und/oder angesteuert, um das Signal-Rauschverhältnis zu verbessern.

Die Elektrode ist bei bestimmungsgemäßem Gebrauch vorzugsweise von einem Medium umgeben, zum Beispiel einer wässrigen Lösung, besonders vorzugsweise einer Pufferlösung, zum Beispiel einer Phosphatpufferlösung. Das Auslesen der Moleküle geschieht vorzugsweise durch Anlegen eines elektrischen Potentials, z.B. durch einen Potentiostat, zwischen dem Elektrodensubstrat und dem Medium und der Registrierung der Stromantwort, vorzugsweise durch voltammetrische oder amperemetrische Analyse. Durch Anlegen des elektrischen Potentials ist es auch möglich, Oxidations- oder Reduktionsreaktionen in dem Molekül auszulösen oder das Molekül in anderer Weise zu beeinflussen.

Leckströmen durch direkten Kontakt des Mediums mit der Elektrodensubstratoberfläche kann entgegengewirkt werden, indem die Elektrodensubstratoberfläche möglichst dicht mit Steuerelementen bedeckt wird. Auch durch Zugabe eines Alkyl-Thiols, das bevorzugt an die freie Goldoberfläche, nicht aber an eine freie CdSe-Oberfläche bindet, kann Leckströmen entgegengewirkt werden. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Elektrode zur Unterdrückung von Leckströmen mit einer Polymerschicht bedeckt. Die Steuerelemente sind in diesem Fall vorzugsweise Tetrapods, die nur mit ihrem von der Elektrode weg weisenden Bein aus der Polymerschicht herausragen und mit der Lösungen in Kontakt stehen. Geeignete Vorrichtungen und Verfahren sind dem Fachmann unter anderem bekannt aus "Preparation of asymmetric nanostructures through site selective modification of tetrapods" (H. Liu und A. P. Alivisatos, Nano Letters, 2004, 4 (12), Seiten 2397–2401), dessen gesamter diesbezüglicher Inhalt durch Verweis Teil der vorliegenden Offenbarung ist.

Die Moleküle oder Molekülkomplexe wechselwirken vorzugsweise mit Substanzen in der Lösung, besonders vorzugsweise unter Elektronenaufnahme oder -abgabe. So sind zum Beispiel reaktive Sauerstoffspezies wie Superoxid geeignete Analytmoleküle für Cytochrom c und Azurin, Wasserstoffperoxid kommt als Analytmolekül für Cytochrom c in Frage, Stickstoffmonoxid für Cytochrom c'. Es ist möglich, die Elektronentransferreak tionen mittels der erfindungsgemäßen Elektrodenvorrichtung nachzuweisen. Dabei kann die Signalkette ausgehend von der reaktiven Spezies über das Protein zur Elektrode mit Hilfe der lichtempfindlichen Steuerelemente lokal an- und ausgeschaltet werden, wodurch ein Auslesen der Protein-Analyt-Wechselwirkung erreicht werden kann.

In einer Ausführung der Erfindung verläuft die Signalkette über mehrere Proteine, Proteinkomplexe oder Peptide, wobei ein am Steuerelement gebundenes/r Protein, Proteinkomplex oder Peptid als Mediator wirkt. Diese Ausführung der Erfindung kann dazu beitragen, dass auch eine Umsetzung mit Proteinen möglich ist, deren Redoxzentrum tiefer in der Proteinstruktur eingebettet ist. Als Mediator kommt zum Beispiel Cytochrom c in Frage, als zweites Protein Cytochrom c-Oxidase oder das Kupferprotein Laccase. In einer Aussführung ist das/der zweite Protein, Proteinkomplex oder Peptid in Lösung, in einer anderen ist es auf dem ersten immobilisiert. Geeignete Anordnungen und Verfahren kennt der Fachmann u.a. aus "Inter-protein communication in cyt. c/lactase-modified polyelectrolyte mulilayer electrodes" (R. V. Dronov, H. Möhwald, D. G. Kurth, M. K. Beissenhirtz, F. Scheller, poster session and exhibition, 3rd International Symposium on Sensor Science in Jülich, Deutschland, vom 18. bis 21 Juli 2005, Seiten 100–101) und "A biofuel cell with electrochemically switchable and tuneable power output" (E. Katz, I. Willner, Journal of the American Chemical Society, 125 (22), 203, Seiten 6803–6813). Der gesamte diesbezügliche Inhalt der vorgenannten Schriften ist durch Verweis Teil der vorliegenden Offenbarung.

In einer anderen Ausführung der Erfindung ist ein niedermolekularer Redoxmediator an dem Steuerelement immobilisiert. Diese Ausführung kann dazu beitragen, dass auch eine Ankopplung an Proteine möglich ist, deren Redoxzentrum tiefer in der Proteinstruktur eingebettet ist. Als Redoxmediator kommen zum Beispiel Ferrocen oder das Chion PQQ in Frage. Der Redoxmediator ist vorzugsweise durch bifunktionale Spacermoleküle auf dem Steuerelement immobilisiert. Besonders vorzugsweise ist er kovalent an eine Thiolschicht des Steuerelements gebunden.

Es ist in vielen Anwendungen wünschenswert, mit einer einzigen Elektrode eine Vielzahl unterschiedlicher Moleküle oder Molekülkomplexe auszulesen und/oder zu beeinflussen, zum Beispiel um eine Vielzahl unterschiedlicher Analytmoleküle parallel nachzuweisen. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst die Elektrode mindestens einen ersten und einen zweiten Bereich, wobei in dem ersten Bereich andere Moleküle oder Molekülkomplexe an die Steuerelemente gebunden sind als im zweiten Bereich. Vorzugsweise umfasst jeder Bereich wenigstens ein Steuerelement, besonders vorzugsweise mehrere Steuerelemente. Eine bevorzugte Elektrode bildet ein Array von Hunderten, Tausenden oder mehr diskreten Bereichen, in denen jeweils andere Moleküle oder Molekülkomplexe gebunden sind. Innerhalb jedes Bereiches sind vorzugsweise eine Mehrzahl gleicher Moleküle oder Molekülkomplexe an die Elektrode gebunden. Grundsätzlich ist die Anzahl der Bereiche nur durch die Ortsauflösung der Elektrodenvorrichtung und die Größe der Moleküle beschränkt. Die Moleküle werden vorzugsweise durch Spotting auf die Elektrode aufgebracht. Ein Beispiel für ein solches Array sind Proteinchips, bei denen Proteine, Proteinkomplexe oder Peptide an die Elektrode gebunden sind, und bei denen die Bereiche vorzugsweise punktförmig und in Zeilen und Spalten auf der Oberfläche der Elektrode angeordnet sind. Die Proteine, Proteinkomplexe oder Peptide werden vorzugsweise mittels weicher Lithographie auf die Elektrode aufgestempelt. Zum Auslesen des Proteinchips wird vorzugsweise ein Lichtpunkt als Lichtzeiger über die Chipoberfläche geführt,. Der bevorzugte Lichtpunkt hat einen Ausdehnung, die höchstens so groß, besonders vorzugsweise kleiner ist als ein Bereich gleicher Proteine, Proteinkomplexe oder Peptide. So können unterschiedliche Proteine, Proteinkomplexe oder Peptide getrennt beleuchtet und durch dazu synchrones Anlegen und/oder Abnehmen von Signalen an die bzw. von der Elektrode angesteuert und/oder ausgelesen werden.

Als Beleuchtungsmittel kommt grundsätzlich jede Einrichtung in Frage, die selektiv Bereiche auf der Oberfläche der Elektrode so beleuchten kann, dass sich mindestens eine elektrische Eigenschaft ändert. Besonders bevorzugte Lichtquellen umfassen Laser. Aber auch Leuchtdioden, Entladungslampen oder konventionelle Glühlampen kommen in Frage. Eine bevorzugte Lichtquelle ist monochromatisch, zum Beispiel ein Laser oder eine mit einem Filter ausgestattete, ursprünglich polychromatische Lichtquelle. In einer Ausführung der Erfindung wird die Lichtwellenlänge so gewählt, dass sie gerade noch ausreicht, um die elektrische Eigenschaft zu ändern. In einer anderen Ausführung der Erfindung wird die Lichtwellenlänge oder der Wellenlängenbereich so gewählt, dass die Absorption durch einen an die Elektrode angrenzenden Gegenstand, insbesondere den durch die Elektrode zu beeinflussenden und/oder zu messenden Gegenstand minimiert wird. Diese Ausführungsformen können dazu beitragen, Artefakten beim Gebrauch der erfindungsgemäßen Elektrodenvorrichtung vorzubeugen.

Das bevorzugte Beleuchtungsmittel umfasst Ablenkmittel, um unterschiedliche Bereiche der Elektrode beleuchten zu können, zum Beispiel Spiegel oder Prismen. Es ist aber auch denkbar, ein Array aus einer Vielzahl vereinzelter Lichtquellen als Beleuchtungsmittel einzusetzen, z.B. ein Leuchtdiodenarray. Ein geeignetes Leuchtdiodenarray ist in der Patentschrift US 4,591,550 (Hafeman et al.) offenbart, deren gesamter diesbezüglicher Inhalt durch Verweis Teil der vorliegenden Offenbarung ist. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird wenigstens ein Teil der Elektrodenoberfläche sequenziell abgetastet, z.B. zeilenweise mit einer Haupt- und Sub-Scanrichtung, und synchron dazu ein Signal an die Elektrode angelegt und/oder von ihr abgenommen, um so nacheinander die abgetasteten Bereiche der Elektrode anzusteuern bzw. auszulesen.

Das oben über Steuerelemente gesagte gilt entsprechend auch für erfindungsgemäße Nanopartikel, die nicht als Steuerelemente wirken.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen
die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen mit weiteren Einzelheiten näher erläutert.
Es zeigen:
1: eine Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Elektrodenvorrichtung,
2: eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen an das Elektrodensubstrat gebundenen Steuerelements und
3: eine zweite Ausführung eines erfindungsgemäßen an das Elektrodensubstrat gebundenen Steuerelements.
Beschreibung eines ersten Ausführungsbeispiels
Die in 1 dargestellte ortsauflösende Elektrodenvorrichtung 1 umfasst eine Elektrode 1 und ein Beleuchtungsmittel 3, um die Elektrodenoberfläche mit einem Lichtstrahl 4 abzutasten. Die Elektrode 2 weist eine planare Goldschicht 5 auf, die mit einer Monoschicht aus CdSe-Quantum-Dots 6 belegt ist. Die Quantum-Dots 6 sind durch Dithiole 7 an die Goldschicht 5 gebunden. Hierzu wird die Goldoberfläche in einem ersten Schritt mit Dithiol funktionalisiert. Dann werden die Quantum-Dots 6, die zuvor mit einem hydrophoben Stabilisatormolekül bedeckt waren, mit der Goldoberfläche in Verbindung gebracht. Beim Kontakt mit den Steuerelementen verdrängt das Thiol an der Kontaktfläche die hydrophoben Stabilisatormoleküle in einer Art Ligandenaustausch und bindet an das Steuerelement.
Die Lichtquelle des Beleuchtungsmittels 3 ist ein Laser mit einer Wellenlänge innerhalb des Absorptionsbereichs der Quantum Dots 6. Der Laserstrahl wird mit einem Linsensystem auf einen Punkt auf der Elektrodenoberfläche fokussiert. Durch ein Spiegelsystem als Ablenkmittel wird der Punkt zeilenweise über die Elektrodenoberfläche geführt.
Auf der von der Goldschicht 5 abgewandten Seite der Quantum-Dots 6 sind Cytochrom c-Proteine 8 durch Mercaptopropionsäure 9 an die Oberfläche der Quantum-Dots 6 gebunden. Dazu werden die anfänglich noch mit hydrophoben Stabilisatormolekülen bedeckten Oberflächen der Quantum-Dots 6 durch Ligandenaustausch in wässriger Lösung mit einer Mercaptopropionsäure-Schicht belegt. Die Säure bindet mit ihrer Thiol-Gruppe an die Oberfläche des Quantum-Dots 6 und mit ihrer Carboxyl-Gruppe an das Protein 8.
Die mit Proteinen belegte Elektrode befindet sich in einer 0,1 M Phosphatpufferlösung 10. zwischen der Goldschicht und der Pufferlösung 10 ist mittels eines Potentiostats 11 und einer in die Pufferlösung eingetauchten Elektrode 12 eine elektrische Spannung angelegt. In den dadurch gebildeten Stromkreis 13 wird während des zeilenweisen Abtastens der Elektrodeoberfläche durch den Lichtpunkt der Photostrom gemessen, der durch die Lichtanregung der gerade beleuchteten Quantum-Dots 6 und den Ladungstransfer zwischen Proteinen und Goldschicht in dem Stromkreis 13 hervorgerufen wird.
In einem angeschlossenen Rechner werden der Ort und der an diesem Ort gemessene Strom einander zugeordnet und miteinander verknüpft.
Beschreibung zweier weiterer Ausführungrbeispiele
2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Elektrode, bei der anstelle der CdSe-Quantum-Dots 6 hantelförmige Au-CdSe-Au-Nanopartikel an die Oberfläche der Goldschicht 5 durch die Vermittlung von Dithiolmolekülen 7 gebunden sind. Ein hantelförmiger Au-CdSe-Au-Nanopartikel besteht aus einem stäbchenförmigen CdSe-Nanokristall 14 mit auf dessen Enden epitaktisch aufgewachsenen Goldkügelchen 15. Der Nanopartikel ist an allen Stellen, an den er nicht durch Dithiolmoleküle 7 an die Goldoberfläche gebunden ist mit hydrophoben Stabilisatormolekülen 16 bedeckt.
3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Elektrode, bei der anstelle der CdSe-Quantum-Dots 6 CdSe-Tetrapods 17 zum Einsatz kommen. Die Tetrapods sind aus vier stäbchenförmigen CdSe-Nanokristallen aufgebaut, die an ihren einen Enden zusammenlaufen. In 3 sind nur drei dieser stäbchenförmigen Nanokristalle dargestellt. An den vier freien Enden des Tetrapods sind epitaktisch Goldkügelchen 15 aufgewachsen. An drei seiner Enden, von denen zwei dargestellt sind, ist der Tetrapod durch die Vermittlung von Dithiolmolekülen 7 an die Oberfläche der Goldschicht 5 gebunden. Ein viertes Ende zeigt von der Goldschicht weg. Der Tetrapod ist an allen Stellen, an denen er nicht durch Dithiolmoleküle 7 an die Goldoberfläche gebunden ist, mit hydrophoben Stabilisatormolekülen 16 bedeckt. Um das Puffermedium 10 von der Goldschicht 5 zu isolieren, ist die Elektrode 2 mit einer Polymerschicht 18 bedeckt, sodass nur das von der Polymerschicht wegweisende Bein des Tetrapods in das Medium 10 reicht.

Claims

Elektrodenvorrichtung (1), die umfasst: – eine Elektrode (2) mit mindestens einer durch Beleuchtung beeinflussbaren elektrischen Eigenschaft und – ein Beleuchtungsmittel (3), um die Elektrode (2) anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (2) mehrere diskrete Steuerelemente (6) mit mindestens einer durch Beleuchtung beeinflussbaren elektrischen Eigenschaft umfasst.
Elektrodenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Beleuchtungsmittel (3), mindestens zwei unterschiedliche Zustände einnehmen kann, in denen unterschiedliche Bereiche der Elektrode (2) beleuchtet werden, um die Elektrode (2) ortsaufgelöst anzusteuern.
Elektrodenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelemente (6) Nanopartikel sind.
Elektrodenvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelemente (6) eine langgestreckte Form oder die Form eines Tetrapods aufweisen.
Elektrodenvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelemente (6) ein Halbleitermaterial umfassen.
Elektrodenvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (2) außerdem ein elektrisch leitendes oder halbleitendes Elektrodensubstrat (5) umfasst, das mit den Steuerelementen (6) elektrisch wechselwirken kann.
Elektrodenvorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Steuerelemente (6) mit mindestens einem Molekül oder Molekülkomplex (8) verbunden ist, um mittels der Elektrode (2) eine elektrische oder elektrochemische Eigenschaft des Moleküls oder Molekülkomplexes (8) auszulesen und/oder zu beeinflussen.
Elektrodenvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Molekül oder der Molekülkomplex (8) so mit dem Steuerelement (6) verbunden ist, dass ein durch das Steuerelement (6) vermittelter Ladungstransfer zwischen dem Molekül oder Molekülkomplex (8) und der Elektrode (2) stattfinden kann.
Elektrodenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (2) an ein wässriges Medium (10) angrenzt oder von einem wässrigen Medium (10) umgeben ist.
Elektrodenvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Spannung zwischen Medium (10) und Elektrode (2) angelegt ist.
Elektrodenvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrode (2) mindestens einen ersten und einen zweiten Bereich umfasst, wobei in dem ersten Bereich andere Moleküle oder Molekülkomplexe (8) an die Steuerelemente (6) gekoppelt sind als im zweiten Bereich.
Verfahren zum Messen oder Beeinflussen elektrischer oder elektrochemischer Parameter, das die Schritte umfasst: – Bereitstellen einer Elektrode (2) mit mindestens einer durch Beleuchtung beeinflussbaren elektrischen Eigenschaft und – Beleuchten der Elektrode (2), dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bereitstellens der Elektrode (2) die Elektrode (2) mehrere diskrete Steuerelemente (6) aufweist, die eine durch den Schritt des Beleuchtens beeinflussbare elektrische Eigenschaft aufweisen.
Elektrodenvorrichtung (1), die umfasst: – eine Elektrode (2) mit mindestens einer durch Beleuchtung beeinflussbaren elektrischen Eigenschaft und – ein Beleuchtungsmittel (3), um die Elektrode (2) anzusteuern, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Peptid, Protein oder Proteinkomplex mittels mindestens eines Carboxy-terminierten Thiolmoleküls an die Elektrode gekoppelt ist.
Anordnung (2) mit mehreren an ein Elektrodensubstrat (5) gekoppelten diskreten Steuerelementen (6) mit mindestens einer durch Beleuchtung beeinflussbaren Eigenschaft dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Peptid, Protein oder Proteinkomplex an die Steuerelemente (6) gekoppelt ist.
Nanopartikel mit mindestens einer durch Beleuchtung beeinflussbaren elektrischen Eigenschaft, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Peptid, Protein oder Proteinkomplex an den Nanopartikel gekoppelt ist.
Verwendung von an ein Elektrodensubstrat (5) gekoppelten Nanopartikeln mit mindestens einer durch Beleuchtung beeinflussbaren elektrischen Eigenschaft als Elektrode zum Messen und/oder Beeinflussen elektrischer oder elektrochemischer Parameter.