DE102006017153B3

DE102006017153B3 - Verfahren zur Herstellung von Oberflächenstrukturen und Element mit Oberflächenstruktur zur Verwendung für Biosensoren oder die Herstellung von Zellleitstrukturen

Info

Publication number: DE102006017153B3
Application number: DE200610017153
Authority: DE
Inventors: Bernd Prof. Dr.rer.nat.habil. Schultrich; Frank Dipl.-Ing. Sonntag
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-04-04
Filing date: 2006-04-04
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2026-04-05
Also published as: WO2007115541A3; WO2007115541A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Oberflächenstrukturen und Element mit Oberflächenstruktur zur Verwendung für Biosensoren und die Herstellung von Zellleitstrukturen. Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung zu vereinfachen und eine reproduzierbare Strukturierung zu ermöglichen. Erfindungsgemäß wird ein Substrat mit einer Schicht aus überwiegend tetraedisch gebundenem amorphen Kohlenstoff versehen. Durch lokales Beschießen mit einer Strahlung wird eine lokale Umwandlung des amorphen Kohlenstoffs in graphitische Bindungsstrukturen erreicht, was zur Bildung von zueinander beabstandeten Bereichen mit größerem Volumen und/oder größerer elektrischer Leitfähigkeit führt. Auf solche Bereiche wird eine metallische Beschichtung aufgebracht, auf die wieder Fängermoleküle über an sich bekannte Bindungsmechanismen abgeschieden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Oberflächenstrukturen für eine selektive Verankerung von Makromolekülen zur Verwendung für Biosensoren und ein Element mit Oberflächenstruktur. Sie kann aber auch für die Herstellung von Zellleitsrukturen eingesetzt werden, da sich an selektive Fängermoleküle auch passend Gegenstücke anlagern lassen. So können auch Füßchen von Zellen (Lamellipoidien) dort ankoppeln. Durch Variation von Abständen und Dichte einer Oberflächenstruktur kann die Ausrichtung von Zellen beeinflusst werden (Tissue Engineering).

Ein zukunftsträchtiges Konzept zur molekularen Diagnostik in Medizin und Biotechnologie beruht auf selektiven Fängermolekülen, an denen sich nur die zu identifizierenden Makromoleküle anlagern. Diese Anlagerungen bewirken Zustandsänderungen, die als Signal für die Anwesenheit der zu identifizierenden Makromoleküle im zu untersuchenden Stoffgemisch dienen. Es sind eine Vielzahl von Biosensoren bekannt, die dieses Konzept verwenden, nur beispielhaft wird auf die DE 10 2004 019 357 A1 verwiesen.

Das angeführte Konzept setzt voraus, dass die Fängermoleküle einzeln und in einem hinreichenden Abstand, der eine gegenseitige Beeinflussung mit Verminderung der Selektivität ausschließt, verankert werden. Beispielhaft ist eine Verankerung über Goldcluster möglich, an die Thiolkomplexe angelagert werden, an die wiederum die Fängermoleküle angebunden werden. Es sind jedoch auch andere Bindungsmechanismen möglich, z.B. mittels einer dreidimensionalen Matrix (Hydrogel), mit denen Fängermoleküle immobilisiert werden können. Dabei müssen die Abmessungen der Goldcluster unter 10 nm (z.B. Durchmesser), vorzugsweise um 5 nm und ihre Abstände oberhalb von 10 nm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 10 μm liegen. Es ist daher schwierig, die geforderten Abmessungen der Metall-, d.h. der Goldschichten zu erzielen. Üblicherweise werden im Stand der Technik Goldschichten mit Mitteln der Fotolithografie strukturiert, allerdings liegen die erwähnten erforderlichen Abmessungen deutlich unter den in der Mikroelektronik realisierbaren Strukturen. Eine weitere Möglichkeit ist die Abscheidung selbstorganisierter Goldschichten, wobei bei der PVD-Abscheidung von Gold mit niederenergetischen Teilchenstrahlen, z.B. Aufdampfen, Sputtern, das Schichtwachstum bei niedrigen Substrattemperaturen von inselförmigen Keimen ausgeht, die bei geeigneter Prozessführung im Nanobereich liegen. Allerdings besteht eine extreme Abhängigkeit von den Abscheidebedingun gen und dem Ausgangszustand der Substratoberfläche, so dass die Herstellung sehr aufwendig ist.

Außerdem sind aus US 6,841,249 B2 ein Verfahren zur Behandlung von Diamantoberflächen und eine solche Oberfläche bekannt. Dabei werden Ionen mit mindestens drei positiven Ladungsträgern als Ionenstrahl auf die Diamantoberfläche gerichtet, um zumindest einen Bereich der Oberfläche elektrisch leitend zu machen.

Die in DE 103 06 076 A1 beschriebene technische Lösung betrifft Quantenpunkte aus elektrisch leitendem Kohlenstoff, ein Verfahren zur Herstellung und Anwendungen.

Die WO 03/010338 A1 beschreibt ein Detektionsverfahren für DNA, bei dem auf einer Arbeitselektrodenoberfläche Fängermoleküle mit Analytmolekülen hybridisiert werden. Bei der Detektion wird die elektrochemische Änderung der Arbeitselektrodenoberfläche mit einem elektrochemischen Verfahren bestimmt.

Aus EP 1 122 309 A1 ist ein Träger zur Immobilisierung von DNA o. ä. bekannt. DNA kann dabei auf der Oberfläche eines Trägers immobilisiert sein, die aus Kohlenstoff in einer Modifizierung gebildet ist.

Immobilisierte biologische Membranen, die mit einer Trägerstruktur, auf der eine Metallschicht ausgebildet ist, einer Alkanethiol Monoschicht und einer biologischen Membran die auf die Monoschicht aufgebracht ist, sind aus US 5,919,576 bekannt.

Das US 5,540,828 betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines elektrochemischen Sensors und Biosensors mit einer Polymer modifizierten Oberfläche mit dem amperometrisch die Konzentration eines in einer Probe enthaltenen Analyten bestimmt werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Elements mit Oberflächenstrukturen zur Verwendung für Biosensoren und das Element selber zu schaffen, bei denen in einfacher und reproduzierbarer Weise eine Strukturierung der für eine Verankerung von Fängermolekülen notwendige metallische, insbesondere Goldbeschichtung, mit geringen Abmessungen der Metallcluster und geringen Abständen möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs und des Nebenanspruchs gelöst.

Dadurch, dass ein Substrat mit einer amorphen Kohlenstoffschicht mit dominierender Diamantbindung beschichtet wird und lokal mit einem Ionen-, Laser- oder Elektronenstrahl beschossen wird, wodurch eine lokale Phasenumwandlung des Kohlenstoffs in die graphitische Gleichgewichtsstruktur geschieht, und dadurch zueinander beabstandete Bereiche mit größerem Volumen und/oder größerer elektrischer Leitfähigkeit erzeugt werden, kann auf oder an die Bereiche in gezielter Weise eine metallische Beschichtung aufgebracht werden, die aufgrund der Abmessungen der Bereiche auch die geforderten Abmessungen erfüllen kann.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich. Vorteilhaft ist, einen Beschuss mit schweren Hochenergie-Ionen zu verwenden, da die Ionen Schichten bis zu Dicken von mehreren Mikrometern in geradlinigen Kanälen durchqueren lassen. Dabei können die statistischen Abstände der Kanäle und damit der graphitisierten Bereiche durch die Ionendosis in weiten Grenzen gezielt eingestellt werden.

In einem anderen Ausführungsbeispiel werden vorteilhafter Weise die Bereiche durch gezielte Elektroneninjektion mittels eines fein fokussierten Elektronenstrahls z.B. aus der Spitze eines Raster-Tunnelmikroskops erzeugt, wobei hier nicht eine Großanlage für die Erzeugung von hochenergetischen Schwerionen benötigt wird, sondern ein Mikrosystem, wie das Raster-Tunnelmikroskop verwendet werden kann.

In vorteilhafter Weise können die graphitisierten Bereiche, die aufgrund der Volumenvergrößerung als kleine Hügel ausgebildet sind, durch eine Schrägbeschichtung, d.h. mit einem gerichteten Strahl von Metallatomen oder -ionen beschichtet werden. Das Metall, z.B. Gold, lagert sich an den hervorragenden Hügeln ab, während die anderen Gebiete der Kohlenstoffschicht im Wesentlichen frei bleiben bzw. durch eine kurze Ätzbehandlung von Metallanlagerungen befreit werden können.

In vorteilhafter Weise kann auch die metallische Beschichtung durch eine elektrochemische Abscheidung vorgenommen werden, da dabei die unterschiedliche Leitfähigkeit zwischen der amorphen Kohlenstoffschicht und den lokalen Bereichen mit der graphitischen Bindungsstruktur ausgenutzt werden können.

Eine vorteilhafte Variante kann darin bestehen, dass die Bereiche mit den graphitischen Bindungsstrukturen zumindest teilweise entfernt werden, wodurch Vertiefungen entstehen, die gesamte Oberfläche mit einer metallischen Beschichtung versehen wird, und dann die Beschichtung bis auf die in den Vertiefungen, z.B. durch einen einfallenden Ionenstrahl wieder abgetragen wird. Dabei können die entstehenden Vertiefungen bzw. Kavitäten zu anderen Zwecken vorteilhaft verwendet werden.

Im Folgenden soll das Verfahren zur Herstellung eines Elements mit Oberflächenstruktur zur Verwendung für Biosensoren sowie das Element noch näher beschrieben werden.

Auf ein Substrat, z.B. ein Siliziumsubstrat wird eine amorphe Kohlenstoffschicht mit dominierender Diamantbindung, d.h. ein tetraedrisch gebundener amorpher Kohlenstoff als eine glatte homogene Schicht mit einer Schichtdicke zwischen 2 nm und 2000 nm, z.B. mittels eines gepulsten Hochstromvakuumbogens mit Teilchenfilterung abgeschieden. Dabei stellen diese Strukturen des amorphen Kohlenstoffs unter Normaldruck einen metastabilen Nichtgleichgewichtszustand dar, der bestrebt ist, sich z.B. bei Erwärmung die graphitische Gleichgewichtsstruktur umzuwandeln. Es sei darauf hingewiesen, dass Diamant die Hochdruckmodifikation des Kohlenstoffs ist.
Um diese Umwandlung in die graphitische Gleichgewichtsstruktur durchzuführen, wird in einem Ausführungsbeispiel die aufgebrachte Kohlenstoffschicht lokal, d.h. an begrenzten Stellen, mit schweren Hochenergie-Ionen, z.B. Uran oder Gold mit Teilchenenergien um 1 GeV beschossen. Dabei können bei Durchgang der hochionisierten Ionen durch die Kohlenstoffschicht die nuklearen Wechselwirkungen gegenüber den elektronischen Anregungen vernachlässigt werden. Die Ionen durchqueren geradlinig die Schicht an den jeweiligen Stellen und hinterlassen einen Kanal mit ei nem hochangeregten Elektronengas. Dieses gibt seine Energie in kurzer Zeit an das Kohlenstoffgitter ab. Dieses wird dadurch entlang des Ionenkanals kurzzeitig auf Temperaturen von einigen tausend Kelvin aufgeheizt und bei der sofort einsetzenden Abkühlung durch Wärmeleitung in das umgebende Material, bilden sich anstelle der ursprünglichen Diamantbindungen graphitische Bindungsstrukturen. Graphit hat eine geringere Dichte, also ein größeres Volumen als Diamant und eine größere Leitfähigkeit. Dementsprechend markiert sich jeder Ionen-Einschusskanal durch einen kleinen Hügel mit einem Durchmesser von zwischen 1 bis 10 nm, bevorzugt von 5 nm und einer Höhe zwischen 1 bis 10 nm, bevorzugt von etwa 3 nm. Die statistischen Abstände der entstehenden Bereiche mit graphitischen Bindungsstrukturen, d.h. der Hügel, können durch die Ionendosis in weiten Grenzen gezielt eingestellt werden, wobei für mittlere Abstände von 0,1–10 μm Ionendosen zwischen 10¹⁰ und 10⁶ Ionen/cm² verwendet werden Die Abstände können durch Ionendosis beeinflusst werden.
In einem anderen Ausführungsbeispiel werden die Bereiche mit graphitischer Bindungsstruktur gezielt mit einem < 100 nm fein fokussierten Elektronenstrahl im Vakuum oder einer Schutzgasatmosphäre lokal beaufschlagt. Dabei wird der Elektronenstrahl mittels eines Mikrohandhabungssystems, z.B. einem Rastertunnelmikroskop (STM) mindestens zweidimensional in Bezug zur Oberfläche der Kohlenstoffschicht positioniert. Dabei wird der Elektronenstrahl zwischen einer Spitze des Mikrohandhabungssystems und der Kohlenstoffschicht bzw. dem Substrat ausgebildet, wobei zwischen Spitze und Schicht eine Potentialdifferenz vorhanden ist. Die Abstände der modifizierten Bereiche können durch die Positionierung gezielt eingestellt werden.
Das wie oben bearbeitete Element besteht somit in einem Zwischenzustand aus dem Substrat mit der darauf aufgebrachten amorphen Kohlenstoffschicht, wobei in der amorphen Kohlenstoffschicht mit Abstand zueinander eine Mehrzahl von Bereichen mit graphitischer Bindungsstruktur vorhanden ist, die sich als eine Mehrzahl von aus der Kohlenstoffschicht herausragenden Hügeln dokumentieren. Diese Hügel werden entsprechend einem Ausführungsbeispiel mit einer metallischen Beschichtung, vorzugsweise einer Goldbeschichtung versehen, wobei jedoch auch andere, ähnlich wie Gold wirkende Metalle, z.B. Platin oder Palladium verwendbar sind. Für die Aufbringung der Goldbeschichtung auf die Hügel sind verschiedene Verfahren möglich. Zum einen wird eine Schrägbeschichtung derart vorgenommen, dass im Wesentlichen nur die hervorragenden Nanohügel getroffen werden. Dazu wird ein gerichteter Strahl von Goldatomen oder -ionen, vorzugsweise ein Goldplasma eines Vakuumbogens mit Teilchenfilterung oder ein Ionenstrahl verwendet, der eine Ablagerung von Gold an der dem Strahl zugewandten Seite der Nanohügel bewirkt. Um eine gleichmäßige Beschichtung der Hügel zu erzielen, kann das Substrat gedreht werden. Falls sich trotz der schrägen Beschichtung auf anderen Gebieten der Kohlenstoffschicht Goldatome abscheiden, können diese durch eine kurze Ätzbehandlung, vorzugsweise durch Plasma- oder Ionenätzen entfernt werden.
In einem anderen Aufbringungsverfahren wird die Tatsache ausgenutzt, dass die Leitfähigkeit der graphitisierten Nanobereiche größer ist als die der übrigen Kohlenstoffschicht. Es wird eine elektrochemische Abscheidung von Gold vorgenommen, wobei die verwendeten Potentiale an die Leitfähigkeit der Nanobereiche an gepasst werden. Auf diese Weise werden nur die Bereiche, die als Hügel ausgebildet sein können, mit einer Goldbeschichtung versehen.
In einen anderen Variante der Erfindung werden nicht die Hügel mit einer Goldbeschichtung versehen, sondern die graphitisierten Bereiche werden z.B. in einem Sauerstoffplasma zumindest teilweise herausgeätzt, da sie leichter entfernbar sind als die übrige Kohlenstoffschicht. Die Hügel werden somit zu Vertiefungen in der Kohlenstoffschicht. Anschließend wird beispielsweise durch Bedampfung die gesamte Oberfläche des Substrats bzw. der Kohlenstoffschicht mit einer Goldbeschichtung versehen und in einem nächsten Schritt wird ein schräg einfallender Ionenstrahl aufgebracht, der das Gold bis auf das in den Vertiefungen sitzende wieder entfernt.
Schließlich werden Fängermoleküle auf die strukturierte Goldbeschichtung aufgebracht, die beispielsweise Nukleinsäure, Proteine, Zuckermoleküle, Antikörper usw. sein können. Bei Verwendung einer Goldstruktur kann das Immobilisieren der Fängermoleküle unter Verwendung der besonders vorteilhaften Gold-Schwefel-Kopplung realisiert werden, indem beispielsweise eine Thiolendgruppe der Fängermoleküle mit der Goldstruktur chemisch gekoppelt wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Oberflächenstrukturen für eine selektive Verankerung von Makromolekülen zur Verwendung für Biosensoren oder die Herstellung von Zellleitstrukturen, folgende Schritte umfassend: Beschichten eines Substrats mit einer Schicht aus überwiegend tetraedisch gebundenem amorphem Kohlenstoff, lokales Beschießen der Kohlenstoffschicht mit einem Ionen-, Laser- oder Elektronenstrahl für eine lokale Phasenumwandlung des amorphen Kohlenstoffs in graphitische Bindungsstrukturen des Kohlenstoffs zur Bildung von zueinander beabstandeten Bereichen mit größerem Volumen und/oder größerer elektrischer Leitfähigkeit, Aufbringen einer metallischen Beschichtung an oder auf die Bereiche, Abscheiden von Fängermolekülen an der metallischen Beschichtung der Bereiche über an sich bekannte Bindungsmechanismen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffschicht mit Hochenergieionen mit Energien oberhalb von 100 MeV beschossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Einstellung unterschiedlicher Abstände der Bereiche die Ionendosis des Ionenstrahls eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für mittlere Abstände von 0,1 bis 10 μm der Bereiche Ionendosen zwischen 10¹⁰ und 10⁶ Ionen/cm² eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffschicht mit einem auf kleiner als 100 nm fein fokussierten Elektronenstrahl beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die als kleine Hügel ausgebildeten Bereiche mit einem schräg zur Höhe der Hügel gerichteten Strahl von Metallatomen oder -ionen beschichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit einem Metallplasma eines Vakuumbogens mit Teilchenfilterung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit einem Ionenstrahl durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Beschichtung durch elektrochemische Abscheidung unter Ausnutzung der auf die Bereiche begrenzten Leitfähigkeit der Kohlenstoffschicht durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche mit den graphitischen Bindungsstrukturen zur Herstellung von Vertiefungen zumindest teilweise entfernt werden, die gesamte Oberfläche der Kohlenstoffschicht mit einer metallischen Beschichtung ver sehen wird und die Beschichtung bis auf die in den Vertiefungen abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche vorzugsweise mit einem Sauerstoffplasma herausgeätzt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Beschichtung bis auf die Vertiefungen mittels eines schräg einfallenden Ionenstrahls wieder abgetragen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als metallische Beschichtung Gold, Platin oder Palladium gewählt wird.
Element mit Oberflächenstruktur zur Verwendung für Biosensoren oder die Herstellung von Zellleitstrukturen mit einem Substrat, auf dem eine amorphe Kohlenstoffschicht abgeschieden ist, wobei in der Kohlenstoffschicht durch lokale Phasenumwandlung des Kohlenstoffs untereinander beabstandete begrenzte Bereiche vorgesehen sind, die ein gegenüber der amorphen Kohlenstoffschicht vergrößertes Volumen und/oder eine erhöhte Leitfähigkeit aufweisen und wobei auf oder an den Bereichen eine metallische Beschichtung aufgebracht ist, an der über bekannte Bindungsmechanismen Fängermoleküle verankerbar sind.
Element nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenstoffschicht tetraedisch gebundenen amorphen Kohlenstoff aufweist.
Element nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff schicht eine Schichtdicke von 2 nm bis 2000 nm aufweist.
Element nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstände zwischen den Bereichen statistisch verteilt sind, wobei mittlere Abstände zwischen 0,1 und 10 μm vorgesehen sind.
Element nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche als kleine Hügel mit einem Durchmesser zwischen 1 nm und 10 nm und einer Höhe zwischen 1 nm und 10 nm ausgebildet sind.
Element nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierten Bereiche zur Bildung von Vertiefungen zumindest teilweise entfernt sind und die metallische Beschichtung an den Flächen der Vertiefung abgeschieden ist.