Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zum spezifischen Erfassen von
Substanzen aus Proben, insbesondere einen Biochip, auf Basis eines
Substrats und einer auf dem Substrat befindlichen Anbindungsschicht,
ein Verfahren für
die Herstellung der Anordnung sowie ihre Verwendung, insbesondere zum
Erfassen von Assoziationsereignissen.The
The invention relates to an arrangement for the specific detection of
Substances from samples, in particular a biochip, based on a
Substrate and a bonding layer located on the substrate,
a procedure for
the manufacture of the arrangement and its use, in particular for
Capture association events.
Anwendungsgebiete
der Erfindung sind, unter anderen, die Umwelttechnik, die Lebensmitteltechnologie,
die pharmazeutische Industrie und die Lebenswissenschaften: die
Biologie, die Biochemie, die Biotechnologie, die Medizin, und die
Medizintechnologie.application areas
of the invention are, inter alia, environmental technology, food technology,
the pharmaceutical industry and the life sciences: the
Biology, biochemistry, biotechnology, medicine, and the
Medical technology.
In
der Natur finden Wechselwirkungen von Molekülen oder kleinen Partikeln
statt, die mit herkömmlichen
Mikroskopen nicht zu beobachten sind. Trotz ihrer geringen Größe können diese
Stoffe Einfluss auf die Gesundheit und das Wohlbefinden des Menschen
nehmen, z. B. bei der Infektion mit einem Virus oder der Mutation
eines körpereigenen
Gens bzw. des resultierenden Genprodukts. Die Präsenz solcher Stoffe kann mit
Hilfe einer biologisch aktiven Anordnung nachgewiesen oder neutralisiert
werden.In
Nature finds interactions between molecules or small particles
instead of using conventional
Microscopes are not observed. Despite their small size, these can
Substances affect the health and well-being of humans
take, for. In the case of infection with a virus or the mutation
of a body's own
Gene or the resulting gene product. The presence of such substances can with
Help of a biologically active arrangement detected or neutralized
become.
Biologisch
aktiven Anordnungen, bestehend aus Trägermaterialien und darauf aufgebrachten/immobilisierten
organischen Verbindungen, insbesondere biologisch aktiven Substanzen,
kommt dabei in der heutigen Biotechnolgie und den sogenannten Life-Sciences
eine herausragende Bedeutung zu. Zweck solcher Träger, die
zumeist auf Grundlage von nicht wasserlöslichen anorganischen oder
organischen Polymeren gebildet sind, ist ganz allgemein die lokale
Fixierung bzw. Immobilisierung sowie die Anreicherung bzw. Aufkonzentration
biologisch aktiver Substanzen, bspw. von Nachweismolekülen oder von
Pharmaka. Dadurch werden auch Oberflächen geschaffen, die für die verschiedensten
Anwendungen, z.B. als Nachweissysteme oder als Pharmakon-Lieferanten,
einsetzbar sind. Stand der Technik sind dabei insbesondere Biochips
und funktionalisierte Mikropartikel (Biopartikel), die spezifisch
Zielstrukturen auf molekularer Ebene erkennen und binden können.biological
active arrangements consisting of support materials and applied / immobilized thereon
organic compounds, in particular biologically active substances,
comes in today's biotechnology and the so-called life sciences
an outstanding importance too. Purpose of such carriers, the
mostly based on non-water-soluble inorganic or
organic polymers are formed is generally the local
Fixation or immobilization and the enrichment or concentration
biologically active substances, for example of detection molecules or of
Pharmaceuticals. This also creates surfaces that are suitable for the most diverse
Applications, e.g. as detection systems or as a pharmacon supplier,
can be used. The state of the art is in particular biochips
and functionalized microparticles (bioparticles) that are specific
Identify and bind target structures at the molecular level.
Ein
Biochip ist ganz allgemein ein starrer Träger, auf dessen Oberfläche biologisch
oder chemisch aktive Substanzen, insbesondere Moleküle, meist durch
elektrostatische, hydrophobe, hydrophile und/oder kovalente Bindung
an die Oberflächenmoleküle des Trägers, immobilisiert
sind. Die Aufgabe der immobilisierten biologisch oder chemisch aktiven Substanzen
ist es, dass sie die Assoziation von bioaktiven Stoffen aus einer
Probe, z.B. einer Testlösung,
mit der sie in Kontakt gebracht werden, ermöglichen. Dadurch können insbesondere
auch bioaktive Stoffe aus einer Lösung sichtbar gemacht werden, wenn
diese mit den immobilisierten biologisch aktiven Substanzen, z.B.
Peptiden, Proteinen oder DNA Wechselwirken bzw. assoziieren.One
Biochip is generally a rigid carrier, on its surface biological
or chemically active substances, in particular molecules, mostly by
electrostatic, hydrophobic, hydrophilic and / or covalent bond
immobilized to the surface molecules of the carrier
are. The task of immobilized biologically or chemically active substances
is it that they are the association of bioactive substances from one
Sample, e.g. a test solution,
with which they are brought into contact. This allows in particular
also bioactive substances can be made visible from a solution, if
these with the immobilized biologically active substances, e.g.
Peptides, proteins or DNA interact or associate.
Ein
Biochip ist in der Regel aus drei Komponenten aufgebaut:
- 1. einem Träger
bzw. Trägersubstrat
mit meist planarer/ebener Oberfläche,
oft in der Form eines Mikroskop-Objektträgers,
- 2. einer Anbindungsschicht, die sich auf der Trägeroberfläche befindet
und
- 3. biologisch oder chemisch aktiven Substanzen bzw. Prüfsubstanzen
die an oder in der Anbindungsschicht immobilisiert sind.
A biochip is usually made up of three components: - 1. a carrier or carrier substrate with a mostly planar / planar surface, often in the form of a microscope slide,
- 2. a bonding layer, which is located on the support surface and
- 3. biologically or chemically active substances or test substances which are immobilized on or in the attachment layer.
Zweck
der immobilisierten biologisch aktiven Substanz bzw. Substanzen
ist dann die spezifische Anziehung und/oder Anreicherung von bioaktiven Stoffen
bzw. Testsubstanzen aus einem Testmedium, wobei diese dann auf der
Trägeroberfläche, meist durch
eine physikalisch aktive Markierung, z.B. mit einem Farbstoff oder
einem radioaktiven Isotop, oder mit Hilfe einer Farbstoff- oder
einer Enzym-markierten Sonde, bspw. eines Primer oder eines Antikörpers, nachweisbar
sind.purpose
the immobilized biologically active substance or substances
is then the specific attraction and / or enrichment of bioactive substances
or test substances from a test medium, which then on the
Carrier surface, mostly through
a physically active label, e.g. with a dye or
a radioactive isotope, or with the help of a dye or
an enzyme-labeled probe, for example a primer or an antibody, detectable
are.
Stand
der Technik sind insbesondere Träger aus
Glas oder Kunstoff, die mit einer Anbindungsschicht aus Metall oder
mit einer Anbindungsschicht aus Oberflächengebundenen organischen
Molekülen beschichtet
sind, welche die Immobilisierung von Proteinen, Peptiden, oder Oligonukleotiden
an der Oberfläche
bzw. in der Nähe
der Oberfläche
ermöglicht.
Die Anbindungsschicht ist notwendig, da die herkömmlichen Trägermaterialien, z.B. Glas oder Kunstoff,
unter normalen Bedingungen chemisch kaum reaktiv sind bzw. inert
und daher keine direkte und in Lösung
dauerhafte Anbindung der biologisch aktiven Substanz erlauben. Die
Beschichtung des Trägers
mit der Anbindungsschicht erfolgt durch einen in der Regel aufwendigen
chemischen Prozess, z.B. einer Silanisierung von Glas, bei dem die
Trägeroberfläche kovalent
mit Molekülen
belegt wird, die dann in einem nachfolgenden Schritt die Immobilisierung
von biologisch aktiven Substanzen ermöglichen.was standing
The technology is particularly made up of carriers
Glass or plastic covered with a metal or metal bonding layer
with a bonding layer of surface-bound organic
Coated molecules
which are the immobilization of proteins, peptides, or oligonucleotides
on the surface
or nearby
the surface
allows.
The bonding layer is necessary because the conventional support materials, e.g. Glass or plastic,
under normal conditions are chemically hardly reactive or inert
and therefore no direct and in solution
allow permanent attachment of the biologically active substance. The
Coating of the carrier
with the connection layer is carried out by a usually consuming
chemical process, e.g. a silanization of glass in which the
Carrier surface covalent
with molecules
is occupied, which then in a subsequent step immobilization
of biologically active substances.
Träger zur
Herstellung von sogenannten 1D-Biochips (xD = x-dimensional) verfügen in der
Regel über
eine Anbindungsschicht aus Oberflächenmolekülen mit freien reaktiven Gruppen,
bspw. Amino-, Epoxy, Aldehyd oder Maleimid -Gruppen. Möglich ist
beispielsweise auch eine Anbindung bzw. ein Aufbringen von Elementen,
z.B. von Gold, für
die nachfolgende Immobilisierung. Wird nun eine biologisch aktive
Substanz, bspw. ein Protein-Rezeptor, auf die derart funktionalisierte
Oberfläche
aufgebracht, so kann die Substanz über eine chemische Reaktion
kovalent an die funktionalisierte (z.B. Glas-) Oberfläche binden,
wenn der Rezeptor über
eine geeignete chemisch funktionelle Gruppe verfügt, die mit einer freien reaktiven
Gruppe der Moleküle
der Anbindungsschicht reagiert und eine kovalente Bindung ausbilden
kann. Üblich
ist es auch, dass die Anbindungsschicht zusätzlich noch mit einem Crosslinker versehen
wird oder ein Polypeptid angebunden wird, um nachfolgend die gewünschte biologisch
aktive Substanz spezifisch zu immobilisieren.Carriers for the production of so-called 1D biochips (xD = x-dimensional) generally have a bonding layer of surface molecules with free reactive groups, for example amino, epoxy, aldehyde or maleimide groups. It is also possible, for example, a connection or an application of elements, such as gold, for the subsequent immobilization. If a biologically active substance, for example a protein receptor, is applied to the surface thus functionalized, then the substance can be covalently bound to the functionalized (eg glass) via a chemical reaction. Surface when the receptor has a suitable chemically functional group that reacts with a free reactive group of the molecules of the attachment layer and form a covalent bond. It is also customary that the bonding layer is additionally provided with a crosslinker or a polypeptide is attached in order subsequently to immobilize the desired biologically active substance specifically.
Träger zur
Herstellung von 2D- oder 3D-Biochips verfügen über eine Anbindungsschicht
aus kovalent gebundenen Oberflächenmolekülen, oftmals Lipiden,
längeren
Alkanderivaten oder organischen Polymeren, z.B. als Hydrogel gebildet,
die eine meist nicht kovalente Immobilisierung von biologisch aktiven
Substanzen, z.B. von Rezeptoren über
hydrophobe und/oder elektrostatische Wechselwirkung erlauben.Carrier to
Production of 2D or 3D biochips have a bonding layer
from covalently bound surface molecules, often lipids,
longer
Alkane derivatives or organic polymers, e.g. formed as hydrogel,
the mostly non-covalent immobilization of biologically active
Substances, e.g. from receptors over
allow hydrophobic and / or electrostatic interaction.
Eine Übersicht über gebräuchliche
Biochips wird etwa in der Druckschrift Angenendt P. Drug
Discov Today. 2005 Apr 1;10(7):503-11 gegeben.For an overview of common biochips, see the publication Angenendt P. Drug Discov Today. 2005 Apr 1; 10 (7): 503-11 given.
Nachteilig
am Stand der Technik ist ganz allgemein, dass die gängigen Träger erst
metallisiert oder naßchemisch
mit der Anbindungschicht funktionalisiert werden müssen, wobei
arbeits- und zeitintensive Schritte, z.B. Reaktions- und Waschschritte, notwendig
sind. Soll etwa ein Glaschip oder Partikel für eine nachfolgende Anbindung
von Peptiden oder Proteinen silanisiert werden, so wird er für mehrere Stunden
in ein Gefäß mit einer
Silanisierungslösung verbracht,
die durch Rühren,
Schütteln
oder Ultraschall bewegt wird, anschließend gewaschen und in einem
Ofen getrocknet. Die Bewegung der Moleküle in Lösung ist dabei u.a. wichtig,
um eine gleichmäßige Anbindungschicht
auf der Trägeroberfläche bei der
chemischen Reaktion zwischen dem Träger und den gelösten Molekülen, z.B.
Alkoxysilan oder Chlorsilanen, zu erzielen. Sollen bspw. Biochips
oder -partikel mit Glas als Trägersubstrat
hergestellt werden, so ist aufgrund der Bedingungen bei der Herstellung der
Anbindungsschicht oftmals die Verwendung von besonderem Glassubstrat,
z.B. Quarzglas für
hohe Temperaturbeständigkeit
oder geringe Verunreinigungen, erforderlich. Aber auch die Anbindung
einer polymerisierten Schicht bzw. Polymerschicht, z.B. aus (Nitro-)Cellulose,
PVDF oder eines Hydrogels erfordert fachmännsches Können und ist aufwendig. Darüber hinaus
ist die so hergestellte Anbindungsschicht oftmals chemisch empfindlich
und erfordert eine besondere Lagerung des Trägers, z.B. unter Vakuum oder
Schutzgas. Nachteilig an den gängigen Trägermaterialien
ist weiterhin, dass ihre Oberflächeneigenschaften
für viele
Anwendungen nur eingeschränkt
geeignet sind. Das gängige
Trägermaterial Glas
bspw. ist eine erstarrte Schmelze mit rauher Oberfläche, die
sich nachteilig auf eine gleichmässige
Anbindungsschicht und gerichtete Anbindung, z.B. von Microarrays,
auswirken kann. Als Microarray wird ein Trägermaterial bezeichnet, auf
dem sich eine große
Zahl biochemischer Nachweise oder Tests auf engstem, meist nur fingernagelgroßem, Raum
befinden. Aber auch Biochips mit nur wenigen ortsadresiert immobilisierten
Tests sind bekannt und werden in der Praxis genutzt, bspw. sogenannte „Low density" Biochips. Die Tests
bestehen aus vielen ortsadressiert, meist in kreisförmigen „Spots" auf der Oberfläche, gebundenen
Molekülen
oder größeren biologischen
Komponenten (z.B. Zellorganellen oder Zellen). Dabei werden bspw.
DNA-Moleküle
oder Proteine gewählt,
die spezifisch mit Substanzen aus einer Testlösung assoziieren können, wobei
die gebundenen Substanzen nachfolgend auf der Oberfläche sichtbar
gemacht werden. Aus dem sich ergebenden Muster von detektierten
Substanzen auf dem Biochip, z.B. Serum-Antikörpern oder Gewebe-DNA, lässt sich
so bspw. auf Pathogene, z.B. Viren, oder Gewebeveränderungen,
z.B Tumoren, in der untersuchten Probe schließen.adversely
In the prior art is quite common that the common carrier only
metallized or wet-chemical
must be functionalized with the binding layer, wherein
labor-intensive and time-consuming steps, e.g. Reaction and washing steps, necessary
are. Should be about a glass chip or particles for a subsequent connection
be silanized by peptides or proteins, it will last for several hours
in a jar with one
Spent silanization solution,
by stirring,
shake
or ultrasound is moved, then washed and in one
Oven dried. The movement of the molecules in solution is u.a. important,
a uniform connection layer
on the support surface at the
chemical reaction between the carrier and the dissolved molecules, e.g.
Alkoxysilane or chlorosilanes to achieve. For example, biochips
or particles with glass as carrier substrate
are produced, so due to the conditions in the production of
Bonding layer often the use of special glass substrate,
e.g. Quartz glass for
high temperature resistance
or minor impurities required. But also the connection
a polymerized layer or polymer layer, e.g. made of (nitro) cellulose,
PVDF or a hydrogel requires professional skill and is expensive. Furthermore
The bonding layer thus produced is often chemically sensitive
and requires special storage of the carrier, e.g. under vacuum or
Protective gas. A disadvantage of the common carrier materials
is still that their surface properties
for many
Applications only limited
are suitable. The usual
Carrier material glass
For example, is a solidified melt with a rough surface, the
disadvantageous to a uniform
Bonding layer and directional binding, e.g. from microarrays,
can affect. As Microarray a carrier material is called, on
which is a big one
Number of biochemical proofs or tests on the narrowest space, usually only fingernail-sized
are located. But also biochips immobilized with only a few locally immobilized
Tests are known and used in practice, for example so-called "low density" biochips
consist of many locally addressed, mostly in circular "spots" on the surface, bound
molecules
or larger biological
Components (e.g., cell organelles or cells). In this case, for example.
DNA molecules
or proteins selected,
which can associate specifically with substances from a test solution, wherein
the bound substances are visible on the surface
be made. From the resulting pattern of detected
Substances on the biochip, e.g. Serum antibodies or tissue DNA, can be
such as pathogens, e.g. Viruses, or tissue changes,
tumors, for example, in the examined sample.
Der
Biochip-Sektor hat einen ersten wesentlichen Aufschwung in der Zeit
des humanen Genomprojekts erlebt. Angetrieben von dessen beeindruckenden
Ergebnissen haben viele Start-Up-Unternehmen diesen Markt zur Beschleunigung und
Automatisierung von Genanalysen betreten. Jetzt, da die menschlichen
Gene vollständig
sequenziert sind, liegt der Fokus auf der Entwicklung von hochleistungsfähigen Biochips,
die ein einfaches Auslesen von biologischen Signalen in der Diagnostik
und Forschung ermöglichen.Of the
Biochip sector has a first significant upswing in time
of the human genome project. Powered by its impressive
Many start-up companies have accelerated this market and results
Enter automation of gene analysis. Now, since the human
Genes completely
sequenced, the focus is on the development of high-performance biochips,
the simple readout of biological signals in diagnostics
and enable research.
Neben
den klassischen DNA-Analysen besteht dabei ein großes Bedürfnis nach
Chips, die Genprodukte (Proteine oder Peptide) oder ganze Zellen
als biologische Marker nachweisen können. Insbesondere die Routine-Untersuchung
von Patienten durch Ärzte
und medizinisches Personal wird durch den Einsatz solcher Biochips
in der Zukunft erleichtert werden, da sie die gleichzeitige Untersuchung
einer Vielzahl von Parametern ermöglichen.Next
There is a great need for classical DNA analyzes
Chips, the gene products (proteins or peptides) or whole cells
can prove as biological markers. In particular, the routine examination
of patients by doctors
and medical personnel will by the use of such biochips
be relieved in the future as they have the simultaneous examination
allow a variety of parameters.
Für einen
Nachweis von Pathogenen in Blutserum sind insbesondere Biochips
geeignet, die eine einfache und definierte Anbindung von Peptiden
oder Proteinen ermöglichen.
Diese haben den Vorteil, dass sie im Prinzip alle möglichen
Substanzen sichtbar machen können,
mit denen sie nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip Wechselwirken.
Dadurch können beispielsweise
auch wesentlich mehr Pathogene sichtbar bzw. nachweisbar gemacht
werden, als dies mit den heutigen DNA-Chips möglich ist.For one
Detection of pathogens in blood serum are in particular biochips
suitable, providing a simple and defined attachment of peptides
or proteins.
These have the advantage that they are in principle all possible
Make substances visible,
with which they interact according to the key-lock principle.
This can, for example
also made significantly more pathogens visible or detectable
become as possible with today's DNA chips.
In
der Praxis erweist sich jedoch insbesondere das Aufbringen von Proteinen/Peptiden
und das Auslesen der jetzigen Generation von Bio-Chips als schwierig,
da der gängige
Träger
für DNA (Glas-Chips)
dafür oft
nur unzureichende Materialeigenschaften aufweist ( Sheridan
C. Nature Biotech 23 3-4 (2005) ). Sollen bspw. Peptide
gerichtet an die Oberfläche
gekoppelt werden, so erfordern die dafür üblichen Verfahren einen besonders
hohen Aufwand bei geringer Reproduzierbarkeit.In practice, however, in particular the application of proteins / peptides and the reading of the current generation of bio-chips proves to be difficult, as the common carrier for DNA (glass chips) for this often insufficient material characteristics ( Sheridan C. Nature Biotech 23 3-4 (2005) ). If, for example, peptides are to be coupled to the surface in a controlled manner, the methods customary for this purpose require a particularly high outlay with low reproducibility.
Funktionalisierte
Mikropartikel, die z.B. als Nanopartikel gebildet sein können, ermöglichen
die sensitive Erkennung, Markierung und Behandelung von Zielstrukturen
eines biologischen oder biotechnologischen Systems. Unter dem biologischen
System sind dabei im wesentlichen Organismen, Zellgewebe, Zellen,
Zellbestandteile, DNA, RNA, cDNA, mRNA, cRNA, Kohlenhydrate Proteine
und/oder Peptide sowie davon abgeleitete Strukturen zu verstehen,
unter dem biotechnologischen System sind alle mögliche Untersuchungsanordnungen
zu verstehen, mit deren Hilfe Eigenschaften von biologischen Systemen
oder davon abgeleiteten Strukturen nachweisbar sind.functionalized
Microparticles, e.g. can be formed as nanoparticles allow
the sensitive detection, marking and treatment of target structures
a biological or biotechnological system. Under the biological
System are essentially organisms, cell tissues, cells,
Cell components, DNA, RNA, cDNA, mRNA, cRNA, carbohydrate proteins
and / or peptides and structures derived therefrom,
under the biotechnological system are all possible investigation orders
to understand their properties of biological systems
or derived structures are detectable.
Stand
der Technik ist ein Schichtaufbau von funktionalisierten Mikropartikeln,
der dem beschriebenen 3-Komponenten-Aufbau eines Biochips entspricht,
und der in der 1D, 2D oder 3D Ausgestaltung je nach Verwendungszweck
variieren kann. Ein typischer Mikropartikel für die gezielte und zeitverzögerte Freisetzung
von Wirkstoffen in einem Organismus umfasst bspw. immobilisierte
Lipide oder Hydrogele mit eingebrachten Wirkstoffen sowie kovalent, über die
Anbindungsschicht, gebundene Antikörper zur Erkennung der Zielstruktur
im Organismus.was standing
the technique is a layered structure of functionalized microparticles,
which corresponds to the described 3-component structure of a biochip,
and that in the 1D, 2D or 3D embodiment depending on the purpose
can vary. A typical microparticle for targeted and delayed release
of active substances in an organism includes, for example, immobilized
Lipids or hydrogels with incorporated active ingredients as well as covalently, via the
Attachment layer, bound antibodies to recognize the target structure
in the organism.
Da
die bestehenden Anordnungen zum Erfassen von Substanzen aus einer
Probe, insbesondere Biochips, durch die Vielzahl an Verfahrensschritten
zu ihrer Herstellung, insbesondere bei der Aktivierung der Trägeroberflächen, z.B.
die aufwändigen
Verfahrensschritte bei der Silanisierung, in ihrer Reproduzierbarkeit
eingeschränkt
sind, besteht großer
Bedarf nach Anordnungen, die einfach und zuverlässig herstellbar sind und exakt
reproduzierbare Ergebnisse, auch als Peptid- oder Proteinchip, bei ihrer Verwendung
ermöglichen.There
the existing arrangements for detecting substances from a
Sample, especially biochips, through the multitude of process steps
for their preparation, in particular in the activation of the carrier surfaces, e.g.
the elaborate ones
Process steps in the silanization, in their reproducibility
limited
are big
Need for arrangements that are easy and reliable to manufacture and accurate
reproducible results, also as a peptide or protein chip, in their use
enable.
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine effiziente und einfach
herzustellende Anordnung mit herausragenden Eigenschaften anzugeben,
die vorzugsweise als Biochip oder funktionalisierter Partikel gebildet
und einsetzbar ist, auf Basis eines Substrats und einer Anbindungsschicht,
an der zu prüfende
Substanzen einfach und direkt angekoppelt bzw. immobilisiert sind,
zum Erfassen von Zielsubstanzen bzw. Testsubstanzen aus einer Probe, ein
Verfahren zur Herstellung der Anordnung sowie ihre Verwendung, insbesondere
zum Erfassen und/oder dem Nachweis von bioaktiven Stoffen aus einem
Testmedium, vorzugsweise von DNA, RNA, Proteinen, Peptiden, Zellen,
deren Bestandteilen und/oder Viren aus einer Flüssigkeit.task
Therefore, it is the object of the present invention to be efficient and easy
indicate an arrangement to be produced with outstanding properties,
preferably formed as a biochip or functionalized particles
and can be used, based on a substrate and a bonding layer,
at the to be tested
Substances are simply and directly coupled or immobilized,
for detecting target substances or test substances from a sample
Method for producing the arrangement and its use, in particular
for detecting and / or detecting bioactive substances from a
Test medium, preferably of DNA, RNA, proteins, peptides, cells,
their components and / or viruses from a liquid.
Diese
Aufgabe wird durch eine Anordnung gemäß Anspruch 1, ein Verfahren
zur Herstellung der Anordnung gemäß Anspruch 8, sowie ihre Verwendung
gemäß Anspruch
17 gelöst.
Die weiteren Ansprüche
sind bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung. Die Erfindung in ihren unterschiedlichen Ausgestaltungen
und technischen Merkmalen wird entsprechend den Ansprüchen und
der hier gegebenen Beschreibung realisiert.These
The object is achieved by an arrangement according to claim 1, a method
for the preparation of the arrangement according to claim 8, as well as its use
according to claim
17 solved.
The other claims
are preferred embodiments
the invention. The invention in its different embodiments
and technical features is according to the claims and
realized the description given here.
Kernpunkt
der Erfindung ist die vollkommen überraschend gefundene Herstellbarkeit
von Anordnungen zum Erfassen von Substanzen aus einer Probe, für die keine
im Stand der Technik eingesetzten Verfahren zur Aktivierung des
Trägers,
d.h. chemische oder metallische Modifizierung des Trägermaterials
mit organischen Molekülen
oder elektrisch leitfähigen
Elementen, wobei eine organische oder metallische Anbindungschicht
auf dem Träger
gebildet wird, z.B. Silanisierung oder Quervernetzung zu Polymeren
auf Glasoberflächen
oder Abscheiden einer Goldschicht, mehr notwendig sind, sondern
die zu immobilisierende bioaktive Substanz (Prüfsubstanz) direkt auf einer
Festphase angebunden wird bzw. ist.crux
The invention is the completely surprisingly found manufacturability
of arrangements for detecting substances from a sample for which no
used in the prior art method for activating the
support
i.e. chemical or metallic modification of the support material
with organic molecules
or electrically conductive
Elements, wherein an organic or metallic binding layer
on the carrier
is formed, e.g. Silanization or crosslinking to polymers
on glass surfaces
or depositing a gold layer, are more necessary but
the bioactive substance (test substance) to be immobilized directly on a
Fixed phase is connected or is.
Basis
der Erfindung ist also die unerwartete Feststellung, dass bei einer
geeigneten Wahl von Trägern
und Prüfsubstanzen
keine Silanisierung oder vergleichbare Modifizierung zur nachfolgenden
Immobilisierung der Prüfsubstanzen
für die
Herstellung von Anordnungen zum Erfassen von Substanzen aus einer
Probe mehr notwendig ist, sowie die Nutzung dieser Feststellung
auf unterschiedlichste Weise. Im Prinzip besteht die Erfindung also
darin, dass anstelle der bekannten metallischen oder organischen
Anbindungsschichten eine anorganische Anbindungsschicht zum gezielten
Immobilisieren von zu prüfenden
Substanzen bzw. von Fängersubstanzen
verwendet wird bzw. ist. Unter Silaniserung im Sinne der Erfindung
ist insbesondere die chemische Modifizierung eines Substrats, z.B.
von Glas, mit Silanen bzw. Silanderivaten zu verstehen, z.B. wie
in der Druckschrit Halliwell & Cass, A factorial analyis of silanization
conditions for the immobilization of oligonucleotides an glass surfaces,
Anal Chem. 2001 Jun 1;73(11):2476-83 beschrieben.The basis of the invention is therefore the unexpected finding that, with a suitable choice of carriers and test substances, no silanization or comparable modification for the subsequent immobilization of the test substances is necessary for the production of devices for detecting substances from a sample, and the use of this finding different way. In principle, the invention thus consists in that, instead of the known metallic or organic bonding layers, an inorganic bonding layer is used for the targeted immobilization of substances to be tested or of capture substances. Silanization in the context of the invention is to be understood in particular as meaning the chemical modification of a substrate, eg of glass, with silanes or silane derivatives, for example as in the printing step Halliwell & Cass, A factorial analysis of silanization conditions for the immobilization of oligonucleotides on glass surfaces, Anal Chem. 2001 Jun 1; 73 (11): 2476-83 described.
Die
erfindungsgemäße Anordnung
zum spezifischen Erfassen von Substanzen aus einer Probe, insbesondere
zum Erfassen von Assoziationsereignissen, umfasst ein Substrat und
mindestens eine auf dem Substrat befindliche Anbindungsschicht bzw. Ankopplungsschicht.
Das Substrat umfasst nach einer Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
einen Halbleiter bzw. Halbleitermaterial, nachfolgend auch Halbleitersubstrat
(1, Zahlen werden hier und ggf. nachfolgend zur besseren Übersichtlichkeit
gegeben) genannt, und die Anbindungsschicht ist als eine auf dem
Halbleitersubstrat befindliche anorganische Schicht, inbesondere
aus einem nicht in Wasser löslichen
Feststoff gebildet, die unter Normalbedingungen, z.B. bei Trockenheit
und Raumtemperatur, vorzugsweise im wesentlichen nicht elektrisch
leitend ist, nachfolgend auch anorganische Isolatorschicht (2)
genannt. Unterisolierenden Materialien sind in Ausnahmefällen ebenfalls
leitende Materialien, die eine räumliche
Isolierung des Halbleitersubstrats erzeugen bzw. umfassen, zu verstehen.The arrangement according to the invention for the specific detection of substances from a sample, in particular for detecting association events, comprises a substrate and at least one bonding layer or coupling layer located on the substrate. According to a solution of the object according to the invention, the substrate comprises a semiconductor or semiconductor material, subsequently also a semiconductor substrate (US Pat. 1 Numbers are given here and, where appropriate, for clarity) and the bonding layer is an inorganic layer on the semiconductor substrate, especially one not in water formed under normal conditions, for example at dryness and room temperature, preferably substantially non-electrically conductive, hereinafter also inorganic insulator layer ( 2 ) called. Sub-insulating materials are to be understood in exceptional cases, also conductive materials that produce or include a spatial isolation of the semiconductor substrate.
Als
Halbleiter sind gemäß der Erfindung
insbesondere alle elementaren Halbleiter, z.B. Silizium oder Germanium,
und alle Verbindungshalbleiter, z.B. Galliumarsenid, in ihren verschiedenen
Ausgestaltungen bzw. Modifizierungen, z.B. durch Dotierung, zu verstehen.
Das Halbleitersubstrat kann dabei in den unterschiedlichsten räumlichen
Abmessungen gebildet sein, bspw. als flacher Chip, voluminöser Partikel
oder als ein/e auf einer festen Phase aufgebrachte/r Halbleiter-Film
bzw. -Dünnschicht.When
Semiconductors are in accordance with the invention
in particular all elemental semiconductors, e.g. Silicon or germanium,
and all compound semiconductors, e.g. Gallium arsenide, in their various
Modifications, e.g. by doping, to understand.
The semiconductor substrate can be in a variety of spatial
Dimensions may be formed, for example. As a flat chip, voluminous particles
or as a solid phase deposited semiconductor film
or thin film.
Als
anorganische Isolatorschicht ist insbesondere die flächenhafte
Ausdehnung einer direkt über
dem Halbleitersubstrat liegenden einheitlichen Masse aus einem anorganischen
Isolator, d.h. einem im wesentlichen nicht Kohlenwasserstoffverbindungen
enthaltenden Material, das den Fluss von elektrischen Ladungen hemmt
und seine elektrische Leitfähigkeit
bei sich ändernder
Temperatur im wesentlichen nicht ändert, zu verstehen. Unter
isolierender Schicht ist aber in Ausnahmefällen ebenfalls eine leitende
Schicht, die eine räumliche
Isolierung des Halbleitersubstrats erzeugt bzw. umfasst, zu verstehen.When
inorganic insulator layer is in particular the areal
Extension of a directly over
the semiconductor substrate lying uniform mass of an inorganic
Insulator, i. a substantially non-hydrocarbon compounds
containing material that inhibits the flow of electrical charges
and its electrical conductivity
with changing
Temperature does not change substantially, understand. Under
insulating layer is, however, in exceptional cases also a conductive
Layer, which is a spatial
Isolation of the semiconductor substrate generates or comprises to understand.
Nach
einer anderen Lösung
der erfindungsgemäßen Aufgabe
ist als Substrat aber auch Glas geeignet und die Anbindungsschicht
ist als nicht organisch modifizierte, d.h. kovalent mit organischen Molekülen belegte,
und nicht metallisch modifizierte, z.B. mit einer Goldschicht belegte,
Glasoberfläche gebildet.
Die Gestalt der erfindungsgemäßen Anordnung
in ihren unterschiedlichen Ausführungsformen, insbesondere
mit den nachfolgend und in den Ansprüchen beschriebenen Merkmalen,
ist analog derart, dass anstelle des Halbleitersubstrats (1)
mit der mindestens einen darauf gebildeten anorganischen Isolatorschicht
(2) ein Glassubstrat (Glassubstrat (1)) mit mindestens
einer darauf gebildeten Glasoberflächenschicht (Glasoberflächenschicht
(2)) (be-)steht bzw. (ein-)gesetzt ist, wobei die mindestens
eine Glasoberflächenschicht
(2) nicht organisch oder metallisch modifiziert ist, z.B.
nicht-silanisiert ist, insbesondere unbehandelt bzw. unmodifiziert
ist. Die zuvor und nachfolgend spezifizierten Merkmale für das Halbleitersubstrat
und die anorganische Isolatorschicht gelten entsprechend für das Glassubstrat
und die Glasoberflächenschicht,
sowie für
das Medium (4) und die an die Glasoberflächenschicht
gekoppelte Prüfsubstanz.According to another solution of the object according to the invention, however, glass is also suitable as the substrate and the bonding layer is formed as a non-organically modified, ie covalently coated with organic molecules, and not metallically modified, eg coated with a gold, glass surface. The shape of the arrangement according to the invention in its different embodiments, in particular with the features described below and in the claims, is analogous such that instead of the semiconductor substrate ( 1 ) with the at least one inorganic insulator layer formed thereon ( 2 ) a glass substrate (glass substrate ( 1 )) with at least one glass surface layer formed thereon (glass surface layer ( 2 ) is (are) set, wherein the at least one glass surface layer ( 2 ) is not organically or metallically modified, for example, is non-silanized, in particular untreated or unmodified. The features specified above and below for the semiconductor substrate and the inorganic insulator layer apply correspondingly to the glass substrate and the glass surface layer, as well as to the medium ( 4 ) and the test substance coupled to the glass surface layer.
Nach
einer weiteren Lösung
der erfindungsgemäßen Aufgabe
ist als Substrat aber auch ein im wesentlichen nicht in Wasser löslicher
Feststoff bzw. Festkörper,
z.B. Plastik, Keramik, Stein, Holz, Cellulose, Metall usw., besonders
bevorzugt Kunststoff, geeignet, und die Anbindungsschicht ist als
nicht organisch modifizierte, d.h. kovalent mit organischen Molekülen belegte,
und nicht metallisierte, z.B. mit einer Goldschicht belegte, anorganische
Isolatorschicht, insbesondere Siliziumoxischicht bzw. Siliziumdioxid-Schicht,
gebildet, die insbesondere als Dünnschicht
bzw. Film mit gängigen
Dünnschicht-Verfahren,
z.B. mittels Bedampfen oder Sputtern, auf dem Feststoff aufgebracht
ist. Die Gestalt der erfindungsgemäßen Anordnung in ihren unterschiedlichen
Ausführungsformen,
insbesondere mit den nachfolgend und in den Ansprüchen beschriebenen
Merkmalen, ist analog derart, dass anstelle des Halbleitersubstrats
(1) mit der mindestens einen darauf gebildeten anorganischen
Isolatorschicht (2) ein Feststoff (Feststoff (1))
mit mindestens einer darauf gebildeten Siliziumoxidschicht (Siliziumoxidschicht (2))
(be-)steht bzw. (ein-)gesetzt ist, wobei die mindestens eine Slliziumoxidschicht
(2) nicht metallisiert und/oder organisch modifiziert oder
ist, z.B. nicht-silanisiert ist, insbesondere unbehandelt bzw. unmodifiziert
ist. Die zuvor und nachfolgend spezifizierten Merkmale für das Halbleitersubstrat
und die anorganische Isolatorschicht gelten entsprechend für den Feststoff
und die Glasoberflächenschicht,
sowie für das
Medium (4) und die an die Glasoberflächenschicht gekoppelte Prüfsubstanz.
Als unbehandelte im Sinne der Erfindung sind auch zuvor gereinigte Oberflächen, z.B.
durch in der Halbleiterfertigung übliche Reinigungsverfahren,
wie z.B. Reinigung in Caro'scher
Säure,
Ethanol, Reinstwasser, inbesondere im Ultraschallbad zu verstehen.According to a further solution of the object of the invention is as substrate but also a substantially water-insoluble solid or solid, eg plastic, ceramic, stone, wood, cellulose, metal, etc., particularly preferably plastic, suitable, and the bonding layer is as not organically modified, ie covalently coated with organic molecules, and non-metallized, for example, covered with a gold layer, inorganic insulator layer, in particular silicon oxide layer or silicon dioxide layer formed, in particular as a thin film or film with common thin-layer method, eg by vapor deposition or sputtering, is applied to the solid. The shape of the arrangement according to the invention in its different embodiments, in particular with the features described below and in the claims, is analogous such that instead of the semiconductor substrate ( 1 ) with the at least one inorganic insulator layer formed thereon ( 2 ) a solid (solid ( 1 )) with at least one silicon oxide layer formed thereon (silicon oxide layer ( 2 ) is (are) set, wherein the at least one silicon oxide layer ( 2 ) is not metallized and / or organically modified or is, for example non-silanized, in particular untreated or unmodified. The features specified above and below for the semiconductor substrate and the inorganic insulator layer apply correspondingly to the solid and the glass surface layer, as well as to the medium ( 4 ) and the test substance coupled to the glass surface layer. Untreated in the context of the invention are also previously cleaned surfaces, for example, by conventional in semiconductor manufacturing cleaning method, such as cleaning in Caro's acid, ethanol, ultrapure water, especially in the ultrasonic bath to understand.
Die
erfindungsgemäße Anordnung
ist dadurch gekennzeichnet, dass auf und/oder in der anorganischen
Isolatorschicht (2) mindestens ein (Oberflächen-)Bereich
bzw. Abschnitt, nachfolgend auch Bereich (3) genannt,
mit mindestens einem Medium, insbesondere mit einer Flüssigkeit,
Feststoff und/oder Gas, nachfolgend auch Medium (4) genannt,
und mit mindestens einer organischen, insbesondere bioorganischen,
zu immobilisierenden Substanz, nachfolgend auch Prüfsubstanz
(5) genannt, beaufschlagt bzw. in Kontakt gebracht ist,
wobei innerhalb des mindestens einen beaufschlagten Bereich (3)
zwischen der anorganischen Isolatorschicht (2) und der
mindestens einen Prüfsubstanz
(5) eine Anbindung bzw. Kopplung ohne silanisierte Zwischenschicht
besteht. Gemäß der Erfindung
sind die derart an die Isolatorschicht (2) gekoppelten
Prüfsubstanzen
geeignet, mit einer oder mehreren Testsubstanzen aus einer Probe
wechselzuwirken, mit der die Anordnung ggf. in Kontakt gebracht
wird bzw. ist.The arrangement according to the invention is characterized in that on and / or in the inorganic insulator layer ( 2 ) at least one (surface) area or section, subsequently also area ( 3 ), with at least one medium, in particular with a liquid, solid and / or gas, hereinafter also referred to as medium ( 4 ), and with at least one organic, in particular bio-organic, substance to be immobilized, subsequently also test substance ( 5 ) is acted upon or brought into contact, wherein within the at least one acted upon area ( 3 ) between the inorganic insulator layer ( 2 ) and the at least one test substance ( 5 ) there is a connection or coupling without silanized intermediate layer. According to the invention, they are connected to the insulator layer ( 2 ) coupled test substances suitable to interact with one or more test substances from a sample with which the arrangement is possibly brought into contact or is.
Unter
silanisierter Zwischenschicht im Sinne der Erfindung ist insbesondere
eine aus Silanderivaten, insbesondere nasschemisch, gebildete Schicht auf
dem Trägersubstrat
zu verstehen, an die eine Prüfsubstanz
angebunden bzw. gekoppelt ist, wie z.Bl in der Druckschrift Halliwell & Cass, A factorial analyis
of silanization conditions for the immobilization of oligonucleotides
an glass surfaces, Anal Chem. 2001 Jun 1;73(11):2476-83 beschrieben
ist.Under silanized intermediate layer in the sense In particular, the invention is to be understood as meaning a layer formed on the carrier substrate from silane derivatives, in particular wet-chemical, to which a test substance is bound or coupled, as described, for example, in the document Halliwell & Cass, A factorial analysis of silanization conditions for the immobilization of oligonucleotides on glass surfaces, Anal Chem. 2001 Jun 1; 73 (11): 2476-83 is described.
Unter
der Bezeichnung „auf
und/oder in der Isolatorschicht" sind
insbesondere die Teile der anorganischen Isolatorschicht zu verstehen,
die mit einem Medium und/oder einer Prüfsubstanz in Kontakt treten
bzw. Wechselwirken können,
also bspw. die Grenzfläche
der Isolatoschicht zur Peripherie und/oder die für das Medium und/oder die Prüfsubstanz
zugänglichen
Moleküle
in der Nähe
bzw. unterhalb der Oberfläche
der Isolatorschicht. Ist das Halbleitersubstrat bspw. aus einem
porösen
Material gebildet, so bezieht sich die Bezeichnung „auf und/oder in" auch auf die räumlich innerhalb
des Halbleitersubstrats angeordneten Bereiche der Isolatorschicht. Unter „auf und/oder
in der Isolarschicht" ist
unter Umständen
aber auch zu verstehen, dass das Medium und/oder die Prüfsubstanz
zumindest teilweise in das Halbleitersubstrat eindringen kann, wenn
es analog einem Schwamm von der Isolatorschicht aufgesaugt wird.Under
the name "on
and / or in the insulator layer "
in particular to understand the parts of the inorganic insulator layer,
which come into contact with a medium and / or a test substance
or interact,
ie, for example, the interface
the isolate layer to the periphery and / or the medium and / or the test substance
accessible
molecules
near
or below the surface
the insulator layer. Is the semiconductor substrate, for example, from a
porous
Material formed, the term "on and / or in" also refers to the spatially within
the semiconductor substrate disposed portions of the insulator layer. Under "on and / or
in the isolar layer "
in certain circumstances
but also to understand that the medium and / or the test substance
at least partially penetrate into the semiconductor substrate, if
it is absorbed by the insulator layer analogously to a sponge.
Die
erfindungsgemäße Anordnung
hat die charakteristische Eigenschaft, dass in dem mindestens einen
beaufschlagten Bereich (3) eine stabile, direkte Kopplung
bzw. Anbindung ohne silanisierte (z.B. mit Alkylsilanen) oder polymerisierte
bzw. quervernetzte (z.B. Polyvinyl, Cellulose) Zwischenschicht zwischen
der Isolatorschicht (2) und der mindestens einen Prüfsubstanz
(5) vorliegt. Die erfindungsgemäße Anordnung ist insbesondere
dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung dabei an Luft und in Lösung stabil
ist, d.h. insbesondere, dass die gekoppelte Substanz auch nach mehrstündigem oder
mehrtägigen
Waschen der Anordnung bzw. des Bereichs (3) mit Flüssigkeit,
z.B. einem physiologischen Puffer, noch nachweisbar an die Isolatorschicht
(2) gekoppelt bzw. gebunden ist. Vorteilhaft ist insbesondere auch,
dass die Prüfsubstanz über Monate
und länger stabil
in Luft oder Vakuum an der anorganischen Isolatorschiht gekoppelt
bleibt. Direkt gekoppelt bedeutet, dass die Prüfsubstanz bzw. deren Moleküle durch direkten
Kontakt mit den Molekülen
der anorganischen Isolatorschicht im Bereich (3) angebunden sind,
vorzugsweise über
Wechselwirkung einer nukleophilen Gruppe der Prüfsubstanz mit den Oberflächenmolekülen der
Isolatorschicht angebunden sind, wobei eine kovalente oder insbesondere
elektrostatische Verbindung bzw. Wechselwirkung ausgebildet ist
bzw. vorherrscht.The arrangement according to the invention has the characteristic property that in the at least one applied area (FIG. 3 ) a stable, direct coupling or attachment without silanized (eg with alkyl silanes) or polymerized or crosslinked (eg polyvinyl, cellulose) intermediate layer between the insulator layer ( 2 ) and the at least one test substance ( 5 ) is present. The arrangement according to the invention is characterized in particular by the fact that the coupling is stable in air and in solution, ie, in particular, that the coupled substance is also after several hours or several days of washing the arrangement or area ( 3 ) with liquid, for example a physiological buffer, still detectable on the insulator layer ( 2 ) is coupled or bound. In particular, it is also advantageous that the test substance remains stable for months and longer in air or vacuum on the inorganic insulator layer. Direct coupled means that the test substance or its molecules are formed by direct contact with the molecules of the inorganic insulator layer in the region (FIG. 3 ) are attached, preferably by interaction of a nucleophilic group of the test substance with the surface molecules of the insulator layer are connected, wherein a covalent or in particular electrostatic compound or interaction is formed or prevails.
Die
an die Isolatorschicht (2) gekoppelte Prüfsubstanz
(5) wechselwirkt vorzugsweise mit einer Testsubstanz, insbesondere
mit wenigstens einer durch Strahlung und/oder Ionisierung nachweisbaren Testsubstanz,
wodurch Assoziationsereignisse massenspektrometrisch oder durch
Detektion von Strahlung direkt auf und/oder in der Isolatorschicht
(2) vorzugsweise in dem mindestens einen Bereich (3)
mittels eines externen Detektors nachweisbar erfassbar sind. Als
Detektoren sind prinzipiell alle möglichen Einrichtungen zur Detektion
von Strahlung, z.B. Scanner, Imager, IR-Ellipsometer, Szintigraphen oder
Röntgengeräte, insbesondere
für die
Detektion von Strahlung in den Wellenlängenbereichen von sichtbarem
Licht, UV-Licht oder IR, und alle gebräuchlichen Massenspektrometer,
z.B. MALDI oder ESI, geeignet, ist aber nicht darauf beschränkt. Vorteilhaft
ist hieran, dass die Anordnung in der Regel schnell und einfach
mit bereits vorhandener Laborausstattung und mit bekannten Meßmethoden
in Diagnostik und Forschung einsetzbar ist. Zur Vermessung der Anordnung
sind insbsondere alle Standard-Verfahren
und Methoden für
die Vermessung von Biochips oder andere Festphasenassays (Z.B. ELISAs
oder vergleichbare Festphasen-basierte Assays mit Farbstoff-markierten
Molekülen)
geeignet. Beispielsweise auch alle gängigen Verfahren zum Nachweis
von Enzymaktivität
sind geeignet, insbesondere wenn das Enzym oder das Enzymsubstrat an
den beaufschlagten Bereich (3) gebunden ist und die Anordnung
mit Enzymsubstrat oder Enzym in Kontakt gebracht wird. Ist das Enzymsubstrat
an die Festphase bzw. die Isolatorschicht im beaufschlagten Bereich
gebunden, so ist vorteilhafterweise markiertes (z.B. mit einem Farbstoff
oder radioaktiven Isotop) Enzymsubstrat gekoppelt. Aber auch eine nachweisbare
Veränderung
in Lösung
ist detektierbar, wenn das Substrat gelöst ist und das Enzym immobilisiert
ist.The to the insulator layer ( 2 ) coupled test substance ( 5 ) preferably interacts with a test substance, in particular with at least one test substance detectable by radiation and / or ionization, whereby association events are determined by mass spectrometry or by detection of radiation directly on and / or in the insulator layer ( 2 ) preferably in the at least one area ( 3 ) are detectable detectable by means of an external detector. In principle, all possible devices for detecting radiation, eg scanners, imagers, IR ellipsometers, scintigraphs or X-ray devices, in particular for the detection of radiation in the wavelength ranges of visible light, UV light or IR, and all common mass spectrometers, eg MALDI or ESI, but is not limited thereto. An advantage of this is that the arrangement is usually used quickly and easily with existing laboratory equipment and with known measurement methods in diagnostics and research. In particular, all standard methods and methods for the measurement of biochips or other solid-phase assays (for example ELISAs or comparable solid-phase-based assays with dye-labeled molecules) are suitable for measuring the arrangement. For example, all common methods for the detection of enzyme activity are suitable, especially when the enzyme or the enzyme substrate to the applied area ( 3 ) and the assembly is contacted with enzyme substrate or enzyme. If the enzyme substrate is bound to the solid phase or the insulator layer in the applied region, advantageously labeled (eg with a dye or radioactive isotope) enzyme substrate is coupled. But even a detectable change in solution is detectable when the substrate is dissolved and the enzyme is immobilized.
Der
Bereich (3) ist insbesondere mit einer für den Nachweis
geeigneten Konzentration bzw. Menge an Prüfsubstanz beaufschlagt, da
ein vorteilhaftes Charakteristikum der erfindungsgemäßen Anordnung
eine konzentrationsabhängige
Kopplung der Prüfsubstanz
an den beaufschlagten Bereich (3) ist, d.h. dass bei abnehmender
Konzentration der Prüfsubstanz
auch abnehmende Nachweissignale beobachtet werden, wodurch bspw.
auch Assoziationskonstanten bestimmbar sind. Bei hohen Konzentrationen,
z.B. > 2 M und 1 M,
ist aufgrund der Absättigung
der Oberfläche
mit angekoppelter Prüfsubstanz ggf.
keine konzentrationsabhängige
Kopplung zu beobachten. Dadurch sind auch konzentrationsabhängige Signale
bzw. Bindungsdaten erfassbar, wenn die gekoppelte Prüfsubstanz
mit der Testsubstanz aus der Lösung
interagiert.The area ( 3 ), in particular a concentration or amount of test substance suitable for the detection is applied since an advantageous characteristic of the arrangement according to the invention is a concentration-dependent coupling of the test substance to the applied area ( 3 ), ie that with decreasing concentration of the test substance also decreasing detection signals are observed, whereby, for example, also association constants can be determined. At high concentrations, eg> 2 M and 1 M, no concentration-dependent coupling may be observed due to the saturation of the surface with coupled test substance. As a result, concentration-dependent signals or binding data can also be detected if the coupled test substance interacts with the test substance from the solution.
Vorzugsweise
sind, z.B. bei einer Ausbildung der Anordnung als Biochip, die auf
und/oder in einem Bereich (3) erfassbaren Signale, insbesondere
durch Strahlung und/oder durch massenspektrometrische Kenngrößen, von
auf und/oder in einem mindestens weiteren Bereich (8) und/oder
auf und/oder in dem Umgebungsbereich (10) erfassbaren Signalen
nachweisbar unterscheidbar, insbesondere in Abhängigkeit von der angekoppelten
Prüfsubstanz.Preferably, for example when the arrangement is designed as a biochip, the on and / or in an area ( 3 ) detectable signals, in particular by radiation and / or by mass spectrometry Characteristics, from on and / or in at least one further area ( 8th ) and / or on and / or in the surrounding area ( 10 ) detectable signals detectable distinguishable, in particular depending on the coupled test substance.
Als
Halbleitersubstrat (1) sind alle bekannten Feststoffe bzw.
Materialien mit Halbleitereigenschaften geeignet, bspw. Silizium,
Titanoxid oder Galliumarsenid insbesondere in ihren unterschiedlichen,
vorzugsweise gebräuchlichen,
Ausgestaltungen, wie z.B. verschiedene Dotierungen.As a semiconductor substrate ( 1 All known solids or materials with semiconductor properties are suitable, for example silicon, titanium oxide or gallium arsenide, in particular in their different, preferably conventional, embodiments, for example various dopings.
Vorzugsweise
ist das Halbleitersubstrat (1) mit der darauf gebildeten
Isolatorschicht (2) in den üblichen Abmessungen eines Biochips
oder eines Partikels, insbesondere eines gebrächlichen Biopartikels, bevorzugt
eines Mikropartikels oder Nanopartikels, gebildet oder ausgestaltet,
wodurch es besonders einfach für
gängige
Vefahren zur Verwendung von Biochips oder Partikeln einsetzbar ist.Preferably, the semiconductor substrate is ( 1 ) with the insulator layer formed thereon ( 2 ) in the usual dimensions of a biochip or a particle, in particular a bizarre bioparticle, preferably a microparticle or nanoparticle, formed or configured, whereby it is particularly easy to use for common Vefahren for the use of biochips or particles.
In
besonders geeigneter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung
ist die Anordnung als vorzugsweise planarer Biochip und/oder als
ein 1D-, 2D- oder 3D-Biochip,
zum optischen oder szintigraphischen Erfassen von Assoziationsereignissen mittels
eines externen Detektors gebildet.In
Particularly suitable development of the arrangement according to the invention
is the arrangement as a preferably planar biochip and / or as
a 1D, 2D or 3D biochip,
for the optical or scintigraphic recording of association events by means of
an external detector formed.
Bevorzugt
ist es, wenn das Halbleitersubstrat (1) mit der darauf
gebildeten Isolatorschicht (2) in den üblichen Abmessungen eines Objekträgers oder eines
Objektträgereinsatzes
gebildet ist, da es damit in seinen Abmessungen dem gängigen Standard
für Biochips
entspricht. Aber auch die Ausbildung ien entsprechenden Abmessungen
mit einer porösen, strukturierten,
insbesondere lithografisch strukturierten Oberfläche ist geeignet.It is preferred if the semiconductor substrate ( 1 ) with the insulator layer formed thereon ( 2 ) is formed in the usual dimensions of a slide or a slide carrier, since it corresponds in size to the standard for biochips. But also the training ien appropriate dimensions with a porous, structured, in particular lithographically structured surface is suitable.
Besonders
bevorzugt ist das Halbleitersubstrat (1) mit der darauf
gebildeten Isolatorschicht (2) dabei in den Abmessungen
Länge × Breite
= (7,5 +/– 1)
cm × (2,5
cm +/– 0,5
cm, vorzugsweise exakt 7,5 cm × 2,5
cm, mit den gängigen
Abweichungen bei der Biochipproduktion, bspw. bei Sägeprozessen, und/oder
in einer Dicke von > 0,3
mm, insbesondere von 1 mm (+/– 0,7
mm), vorzugsweise exakt 1 mm, mit üblichen produktionsbedingten
Abweichungen gebildet.Particularly preferred is the semiconductor substrate ( 1 ) with the insulator layer formed thereon ( 2 ) in the dimensions length × width = (7.5 +/- 1) cm × (2.5 cm +/- 0.5 cm, preferably exactly 7.5 cm × 2.5 cm, with the usual deviations in the biochip production, eg. In sawing processes, and / or in a thickness of> 0.3 mm, in particular of 1 mm (+/- 0.7 mm), preferably exactly 1 mm, formed with customary production-related deviations.
Vorteilhafterweise
ist das Halbleitersubstrat (1) mit der darauf gebildeten
Isolatorschicht (2) als ein oxidierter Silzium-Wafer oder
als ein Teil davon gebildet. Silizium-Wafer haben in der Regel nahezu perfekt
reproduzierbare Materialeigenschaften und auch ihre Oberflächenmodifizierung,
insbesondere durch Oxidation, besonders bevorzugt thermische Oxidation
und/oder elektrochemische Oxidation und/oder Ausbildung eines natürlichen
Oxds, ist besonders einfach und reproduzierbar herstellbar.Advantageously, the semiconductor substrate ( 1 ) with the insulator layer formed thereon ( 2 ) is formed as an oxidized silicon wafer or as a part thereof. Silicon wafers generally have almost perfectly reproducible material properties and also their surface modification, in particular by oxidation, particularly preferably thermal oxidation and / or electrochemical oxidation and / or formation of a natural oxide, is particularly easy and reproducible to produce.
In
vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist das Halbleitersubstrat
(1) als amorphes, polykristallines Silizium oder vorzugsweise
einkristallines Silizium, insbesondere mit einer {111}- oder {100}-
oder {110}-Vorzugsorientierung, besonders
bevorzugt mit einer {111}-Vorzugsorientierung, gebildet, wodurch
das Trägermaterial
als nahezu perfektes und reproduzierbares Material gebildet ist.
Aber auch andere kristalline Vorzugsorientierungen des Silziums
sind geeignet.In an advantageous embodiment of the arrangement according to the invention, the semiconductor substrate ( 1 ) is formed as amorphous, polycrystalline silicon or preferably monocrystalline silicon, in particular with a {111} or {100} or {110} preference orientation, particularly preferably with a {111} preference orientation, whereby the carrier material is virtually perfect and reproducible Material is formed. But other crystalline preference orientations of the silicon are suitable.
Besonders
günstig
ist es, wenn das Halbleitersubstrat (1) zumindest teilweise,
insbesondere durchgängig
und/oder gleichmäßig dotiert
ist, vorzugsweise p- und/oder
n-dotiert ist, besonders bevorzugt p-dotiert, insbesondere mit einem
elektrischen Widerstand von < 100
Ohm/cm2, vorzugsweise < 20 Ohm/cm2,
besonders bevorzugt < 1
Ohm/cm2, insbesondere bevorzugt < 0,1 Ohm/cm2, da die Anordnung somit besonders günstige Eigenschaften,
bspw. für die
gerichtete Ankopplung der Prüfsubstanz,
aufweist. Als Fremdatome sind alle für die Dotierung von Halbleitern üblichen
Fremdatome geeignet, für
p-dotierte Substrate insbesondere Bor oder Phosphor.It is particularly favorable if the semiconductor substrate ( 1 ) is at least partially, in particular continuously and / or uniformly doped, preferably p- and / or n-doped, particularly preferably p-doped, in particular with an electrical resistance of <100 ohm / cm 2 , preferably <20 ohm / cm 2 , particularly preferably <1 ohm / cm 2 , particularly preferably <0.1 ohm / cm 2 , since the arrangement thus has particularly favorable properties, for example for the directional coupling of the test substance. As impurities all customary for the doping of semiconductors impurities are suitable for p-doped substrates, in particular boron or phosphorus.
Das
Halbleitersubstrat (1) ist bevorzugt als Silzium-Wafer
oder als ein Teil davon, insbesondere als ein aus einem Silzium-Wafer
gesägter
bzw. durch andere Zerteilung, z.B. durch Anritzen und Zerbrechen
des Wafers oder mittels eines Flüssigkeitsstrahls
oder eines Lasers, erhaltener Chip, gebildet. Dies hat u.a. die
vorteilhafte Eigenschaft, dass die Anordnung besonders exakt in
ihren Materialeigenschaften oder Abmessungen herstellbar ist und
damit besonders gut reproduzierbare Nachweissysteme ermöglicht.
Erfindungsgemäße Anordnungen,
die als Biopartikel verwendbar sind, sind bevorzugt durch die mechanische
Zerkleinerung von Wafermaterial, z.B. mittels einer Kugelmühle oder
tribomechanischer Verfahren, gebildet.The semiconductor substrate ( 1 ) is preferably formed as a silicon wafer or as a part thereof, in particular as a sawn from a silicon wafer or by other fragmentation, eg by scratching and breaking of the wafer or by means of a liquid jet or a laser chip received. This has, inter alia, the advantageous property that the arrangement can be produced particularly accurately in terms of its material properties or dimensions and thus enables particularly well reproducible detection systems. Arrangements according to the invention which can be used as bioparticles are preferably formed by the mechanical comminution of wafer material, for example by means of a ball mill or tribomechanical methods.
Besonders
geeignet ist es, wenn das Halbleitersubstrat (1) homogen
gebildet ist, bspw. als ein vollständig, d.h. innerhalb seiner
gesamten Abmessungen, einheitliches Silziummaterial, z.B. als ein durchgängig nicht
oder nur mit einer Art/Sorte von Fremdatomen dotierter Silizium-Chip,
wodurch auch besonders einfach einheitliche Trägereigenschaften der Anordnung,
insbesondere über
die gesamte Isolatorschicht (2), welche sich auf dem homogenen Halbleitersubstrat
befindet, hergestellt sind.It is particularly suitable if the semiconductor substrate ( 1 ) is formed homogeneously, for example, as a complete, ie within its entire dimensions, uniform silicon material, for example as a consistently not or only with one kind / type of impurities doped silicon chip, which also particularly simple uniform carrier properties of the arrangement, in particular on the entire insulator layer ( 2 ) which is on the homogeneous semiconductor substrate.
Ist
das Halbleitersubstrat (1) als vorzugsweise homogenes Halbleitersubstrat
ohne Dotierung gebildet, so ist die Anordnung besonders günstig für eine optische
Messung ohne Hintergrund bzw. Rauschen einsetzbar.Is the semiconductor substrate ( 1 ) formed as a preferably homogeneous semiconductor substrate without doping, the arrangement is particularly favorable for an optical measurement without background or noise used.
Für verschiedene
Anwendungen sind insbesondere unpolierte Halbleiter-, insbesondere
Silizium-Substrate, vorzugsweise unpolierte Silzium-Wafer oder daraus
gebildete Chips, geeignet, da sie bspw. eine besonders einfaches
und gleichmäßiges Inkubieren
der Anordnungsoberfläche
mit einer Probe, auch ohne Verwendung eines Deckgläschens oder
andere üblicher
Inkubationsvorrichtungen, ermöglichen.For various applications, in particular unpolished semiconductor, in particular silicon um substrates, preferably unpolished silicon wafers or chips formed therefrom, since they allow, for example, a particularly simple and uniform incubation of the assembly surface with a sample, even without the use of a coverslip or other conventional incubation devices.
Ist
das Halbleitersubstrat (1) mit der darauf gebildeten Isolatorschicht
(2) aus einem zumindest teilweise, vorzugsweise auf wenigstens
einer Seite, insbesondere auf der mit der Prüfsubstanz beaufschlagten Seite,
als polierter Silzium-Wafer oder aus einem Teil davon gebildet,
so ist die Anordnung besonders günstig
als Biochip mit spiegelnder Oberfläche und den damit verbundenen
Vorteilen einsetzbar.Is the semiconductor substrate ( 1 ) with the insulator layer formed thereon ( 2 ) of an at least partially, preferably formed on at least one side, in particular on the impacted with the test substance page, as a polished silicon wafer or a part thereof, the arrangement is particularly favorable as a biochip with a mirror surface and the associated advantages can be used ,
Die
anorganische Isolatorschicht (2), die auf dem Halbleiterstrat
angeordnet bzw. gebildet ist, ist vorzugsweise durch chemische Reaktion
aus dem Material des Halbleitersubstrats (1) erzeugt bzw.
gebildet, wodurch eine besonders geordnete und feste Anbindungsschicht
auf dem Halbleitersubstrat (1) vorliegt.The inorganic insulator layer ( 2 ) arranged on the semiconductor substrate is preferably formed by chemical reaction from the material of the semiconductor substrate ( 1 ), whereby a particularly ordered and solid bonding layer on the semiconductor substrate ( 1 ) is present.
Die
anorganische Isolatorschicht (2) der erfindunsgemäßen Anordnung
ist vorzugsweise als eine Schicht aus Siliziumnitrid, Silikat, oder
einem anorganischen Polymer, besonders bevorzugt als Siliziumdioxid,
nachfolgend auch Siliziumdioxidschicht (7) genannt, insbesondere
mit oder ohne Einschlüssen von
Fremdatomen (Dotierung) gebildet. Dies hat den Vorteil, dass die
Anbindungsschicht besonders einfach, z.B. durch Reaktion eines Silzium-Halbleitersubstrats
(1) mit Sauerstoff oder Stickstoff, herstellbar ist.The inorganic insulator layer ( 2 ) of the erfindunsgemäßen arrangement is preferably as a layer of silicon nitride, silicate, or an inorganic polymer, particularly preferably as silicon dioxide, hereinafter also silicon dioxide layer ( 7 ), in particular with or without inclusions of foreign atoms (doping) formed. This has the advantage that the bonding layer is particularly simple, for example by reaction of a silicon semiconductor substrate ( 1 ) with oxygen or nitrogen, can be produced.
In
besonders günstiger
Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung
ist die anorganische Isolatorschicht (2) als eine Siliziumdioxidschicht
(7) ausgestaltet, die insbesondere in dem mindestens einen
Bereich (3; 8) als nicht-natürliches, vorzugsweise trockenes
und/oder thermisches Oxid oder als trockenes und/oder thermisches
Nitrid gebildet ist, wodurch besonders vorteilhafte Materialeigenschaften, z.B.
eine schwammartig gebildete stabile Struktur, der Isolatorschicht
gewährleistet
sind. Aber auch eine Silkatschicht (7), die nasschemisch
hergestellt und vorzugsweise nachfolgend getrocknet ist und die bevorzugt
eine poröse
Struktur aufweist, ist für
verschiedene Anwendungen besonders geeignet, oder die Siliziumdioxidschicht
ist vorteilhafterweise als natürliches,
z.B. an Luft und/oder durch Kontakt mit destilliertem Wasser gebildetes,
Siliziumoxid ausgebildet.In a particularly favorable development of the arrangement according to the invention, the inorganic insulator layer ( 2 ) as a silicon dioxide layer ( 7 ), in particular in the at least one area ( 3 ; 8th ) is formed as a non-natural, preferably dry and / or thermal oxide or as a dry and / or thermal nitride, whereby particularly advantageous material properties, eg a sponge-like stable structure, of the insulator layer are ensured. But also a Silkat layer ( 7 ), which is produced wet-chemically and preferably subsequently dried and which preferably has a porous structure, is particularly suitable for various applications, or the silicon dioxide layer is advantageously formed as a natural, for example formed in air and / or by contact with distilled water, silicon oxide.
Vorzugsweise
ist die anorganische Isolatorschicht (2) als eine Siliziumdioxidschicht
(7) mit einer Dicke bzw. Schichthöhe von > 10 nm, bevorzugt > 30 nm, insbesondere 100 nm (+/– 70 nm),
besonders bevorzugt 100 nm (+/– 10
nm) gebildet, wodurch besonders günstige Eigenschaften, bspw.
für die
Reflexion und Verstärkung
von Strahlung an den Grenzschichten der erfindungsgemäßen Anordnung,
vorliegen. Ist das Halbleitersubstrat (1) aus einem Siliziumwafer
oder aus Teilen davon, z.B. mit rechteckigen oder quadratischen
Dimensionen (Chip), gebildet, so sind durch die Oxiddicke auch die
optischen Eigenschaften der Isolatorschicht, bspw. eine blaue oder rote
Färbung
durch wellenlängenabhängige Brechung
und/oder Reflexion von Licht in der entsprechenden Wellenlänge, gezielt
einstellbar, die für
verschiedenste Anwendungen der Anordnung von Vorteil sind. Für die Herstellung
einer bestimmten Oxiddicke der Isolatorschicht (1) auf
einem Silizium-Wafer (Halbleitersubstrat (1)) sind insbesondere
elektrochemische und vorzugsweise thermische Oxidationsverfahren
geeignet, da mittels derer die gewünschte Siliziumdioxiddicke
(Oxiddicke) besonders einfach und reproduzierbar herstellbar ist.
Besonders günstig
ist es, wenn das Halbleitersubstrat als Silizium-Wafer oder -Chip
gebildet ist und die Isolatorschicht durch gängige thermische Oxidationsverfahren
hergestellt ist.Preferably, the inorganic insulator layer ( 2 ) as a silicon dioxide layer ( 7 ) with a thickness or layer height of> 10 nm, preferably> 30 nm, in particular 100 nm (+/- 70 nm), particularly preferably 100 nm (+/- 10 nm) formed, whereby particularly favorable properties, eg. For the Reflection and amplification of radiation at the boundary layers of the inventive arrangement, are present. Is the semiconductor substrate ( 1 ) are formed from a silicon wafer or from parts thereof, for example with rectangular or square dimensions (chip), so are the oxide thickness and the optical properties of the insulator layer, for example. A blue or red coloration by wavelength-dependent refraction and / or reflection of light in the appropriate wavelength, specifically adjustable, which are advantageous for a variety of applications of the arrangement. For the production of a specific oxide thickness of the insulator layer ( 1 ) on a silicon wafer (semiconductor substrate ( 1 )), in particular electrochemical and preferably thermal oxidation processes are suitable, since by means of which the desired silicon dioxide thickness (oxide thickness) can be produced in a particularly simple and reproducible manner. It is particularly favorable if the semiconductor substrate is formed as a silicon wafer or chip and the insulator layer is produced by conventional thermal oxidation processes.
Gemäß der Erfindung
ist der Bezirk bzw. Bereich der Isolatorschicht, innerhalb dessen
die wenigstens eine organische Prüfsubstanz (z.B. Fängermoleküle), z.B.
in verschiedenen Bereichen, gekoppelt ist, mit mindestens einem
Medium (4), insbesondere einer Flüssigkeit, beaufschlagt, die
vorzugsweise wenigstens ein Lösungsmittel,
nachfolgend auch Lösungsmittel
(9) genannt, umfasst oder als wenigstens ein Lösungsmittel
(9) gebildet ist. Wie vollkommen überraschend festgestellt wurde,
wirkt insbesondere Flüssigkeit,
vorzugsweise eine Kombination aus einem wässerigen und einem organischen
Lösungsmittel,
als Mediator für
die spezifische und stabile Ankopplung einer Prüfsubstanz an die erfindungsgemäße Isolatorschicht.According to the invention, the region or region of the insulator layer within which the at least one organic test substance (eg catcher molecules) is coupled, for example in different regions, with at least one medium ( 4 ), in particular a liquid, which preferably contains at least one solvent, hereinafter also solvent ( 9 ), or as at least one solvent ( 9 ) is formed. As has been found quite surprisingly, in particular liquid, preferably a combination of an aqueous and an organic solvent, acts as a mediator for the specific and stable coupling of a test substance to the insulator layer according to the invention.
Besonders
geeignet ist das Medium (4) für die Beaufschlagung, wenn
es wenigstens ein Lösungsmittel
(9), das als wässeriges
und/oder organisches Lösungsmittel,
insbesondere ein hydrophiles und/oder polares Lösungsmittel gebildet ist, umfasst. Als
wässriges
Lösungsmittel
ist inbesondere Wasser, z.B. mit einem neutralen pH-Wert, zu verstehen.
Als organisches Lösungsmittel
(9) ist vorzugsweise ein Alkohol, Dialkylsäureamid,
Alkylhalogenid, Pyrollidon, Furan, DMSO, Acetonitril, Aceton oder
eines ihrer Derivate geeignet, insbesondere Ethanol, DMF, Dichlormethan,
NMP, THF oder eines ihrer Derivate.Particularly suitable is the medium ( 4 ) for the application, if there is at least one solvent ( 9 ), which is formed as an aqueous and / or organic solvent, in particular a hydrophilic and / or polar solvent. In particular, water, for example having a neutral pH, is to be understood as aqueous solvent. As an organic solvent ( 9 ) is preferably an alcohol, dialkyl acid, alkyl halide, pyrollidone, furan, DMSO, acetonitrile, acetone or one of their derivatives suitable, in particular ethanol, DMF, dichloromethane, NMP, THF or one of their derivatives.
Das
Medium (4), das die erfindungsgemäße Ankopplung der Prüfsubstanzen
ermöglicht,
umfasst vorzugsweise Wasser mit saurem, neutralem oder basischen
pH-Wert und/oder ein organisches Lösungsmittel mit saurem, neutralem
oder basischen pH-Wert, einen Elektrolyten und/oder einen Puffer oder
ist als solche gebildet. Besonders geeignet ist ein basischer, insbesondere
physiologischer, pH-Wert.The medium ( 4 ), which enables the coupling of the test substances according to the invention, preferably comprises water having an acid, neutral or basic pH and / or an organic solvent having an acidic, neutral or basic pH, an electrolyte and / or a buffer or is formed as such. Particularly suitable is a basic, in particular physiological, pH.
Bevorzugt
ist das Medium (4) als ein Gemisch aus wässerigen
und organischen Lösungsmitteln,
insbesondere aus einem wässerigem
und einem organischen Lösungsmittel,
insbesondere als Gemisch aus einer wässerigen Lösung und einem organischen
Lösungsmittel
gebildet, vorzugsweise mit einem Unterschuss an organischem Lösungsmittel. Auch
ein prozentual nur geringer Volumenanteil, insbesondere < 10%, bevorzugt < 1%, besonders bevorzugt < 0,1%, an organischem
Lösungsmitteln
ist ausreichend, wodurch auch die Ankopplung von gegenüber organischen
Lösungsmitteln
besonders sensitiver Prüfsubstanzen,
z.B. von Proteinen, auf einfache Weise gewährleistet ist.The medium is preferably ( 4 ) is formed as a mixture of aqueous and organic solvents, in particular of an aqueous and an organic solvent, in particular as a mixture of an aqueous solution and an organic solvent, preferably with a deficit of organic solvent. Even a percentage only small volume fraction, in particular <10%, preferably <1%, particularly preferably <0.1%, of organic solvents is sufficient, whereby the coupling of particularly sensitive to organic solvents test substances, such as proteins, in a simple manner is guaranteed.
Besonders
günstig
ist es, wenn das Medium (4) zumindest teilweise elektrisch
leitend ist, insbesondere mit einem Leitwert > 0,05 μS/cm,
vorzugsweise > 20 μS/cm, insbesondere
bevorzugt > 1 mS/cm,
besonders bevorzugt > 50
mS/cm gebildet ist, insbesondere, wenn es einen gelösten Feststoff, vorzugsweise
die Prüfsubstanz
und/oder ein Salz beinhaltet, besonders bevorzugt die Prüfsubstanz
und ein gelöstes
Salz.It is particularly favorable if the medium ( 4 ) is at least partially electrically conductive, in particular with a conductance> 0.05 μS / cm, preferably> 20 μS / cm, more preferably> 1 mS / cm, more preferably> 50 mS / cm is formed, in particular if it is a dissolved Solid, preferably the test substance and / or a salt, particularly preferably the test substance and a dissolved salt.
In
vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist der mindestens
eine mit Medium (4) und Prüfsubstanz (5) beaufschlagte
Bereich (3) als mindestens zwei nicht-silanisierte Bereiche/Bezirke
(3; 8) auf der Isolatorschicht gebildet. Unter
den mindestens zwei Bereichen sind insbesondere mehrere vorzugsweise
räumlich
getrennte Bezirke zu verstehen, die entweder als Replika gebildet sind,
z.B. mehrere gleichartg beaufschlagte Bereiche, z.B. zwei oder mehr
zumindest teilweise gleichartige Arrays, oder jeweils mit unterschiedlichen
Prüfsubstanzen
oder mit unterscheidlichen Konzentrationen einer Prüfsusbtanz
beaufschlagt sind.In an advantageous embodiment of the arrangement according to the invention, the at least one medium ( 4 ) and test substance ( 5 ) area ( 3 ) as at least two non-silanized areas / districts ( 3 ; 8th ) is formed on the insulator layer. In particular, at least two regions are to be understood as a plurality of preferably spatially separated regions, which are formed either as a replica, eg several equally acted upon regions, for example two or more at least partially similar arrays, or each with different test substances or with different concentrations of a Prüfsusbtanz acted upon ,
Beonders
bevorzugt sind die mindestens zwei nicht-silanisierten Bereiche
(3; 8) dabei wenigstens teilweise von einem auf
und/oder in der Isolatorschicht (2) gebildeten Umgebungsbereich
(10), d.h. einem vorzugsweise nicht mit Prüfsubstanz
beaufschlagten Bezirk der Isolatorschicht, umgeben. Dadurch ist
auch eine einfache Abgrenzung der wenigstens zwei Bereiche sowie
eine besonders gute Vergleichbarkeit und Unterscheidbarkeit der
von ihr ausgehenden Strahlung bzw. ihrer massenspektrometrischen
Eigenschaften gewährleistet,
insbesondere wenn die Bereiche (3; 8) als Spots,
vorzugweise als räumlich
voneinander getrennte, besonders bevorzugt vollständig voneinander
getrennte, und/oder ortsadressierte Spots gebildet sind. Unter „Spot" istinsbesondere
die gängige
Definition, wie sie bspw. für
die Spot-Synthese oder (Micro-)Arrays verwendet wird, zu verstehen.Particularly preferred are the at least two non-silanized regions ( 3 ; 8th ) at least partially from one on and / or in the insulator layer ( 2 ) surrounding area ( 10 ), ie a region of the insulator layer which is preferably not exposed to test substance. This also ensures a simple delineation of the at least two regions as well as a particularly good comparability and distinctness of the radiation emanating from it or its mass spectrometric properties, in particular if the regions ( 3 ; 8th ) are formed as spots, preferably as spatially separated, particularly preferably completely separate, and / or location-addressed spots. In particular, the common definition, as it is used, for example, for spot synthesis or (micro) arrays, is to be understood by "spot".
In
besonders günstiger
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung
sind die mindestens zwei Bereiche (3; 8) mit zumindest
teilweise in dem mindestens einen Medium (4) gelöster Prüfsubstanz beaufschlagt,
insbesondere mit einem Gemisch beinhaltend wässerige Pufferlösung, organisches
Lösungsmittel
und gelöste
Prüfsubstanz.
Dies hat die vorteilhafte Eigenschaft, dass die erfindungsgemäße Anordnung
besonders einfach, nämlich
in einem einzigen Prozessschritt, z.B. Pipettieren bzw. Spotten, aus
einem Halbleitersubstrat und einer auf dem Halbleitersubstrat gebildeten
Isolatorschicht herstellbar und verwendbar ist. Unter „Spotten" ist insbesondere das
ortsadressierte Aufbringen eines geeigneten Volumens einer Flüssigkeit
bzw. Lösung
auf eine Festphase zu verstehen, wobei sich die Lösung mit
einer Kreis- oder Fleckenartigen Ausdehnung auf der Oberfläche der
Festphase verteilt, insbesondere auch halbkugelförmig oder in anderer Form in
die Isolatorschicht eindringt.In a particularly favorable embodiment of the arrangement according to the invention, the at least two regions ( 3 ; 8th ) with at least partially in the at least one medium ( 4 ) dissolved test substance, in particular with a mixture containing aqueous buffer solution, organic solvent and dissolved test substance. This has the advantageous property that the arrangement according to the invention can be produced and used in a particularly simple way, namely in a single process step, eg pipetting or spotting, from a semiconductor substrate and an insulator layer formed on the semiconductor substrate. "Spotting" is to be understood in particular as the location-addressed application of a suitable volume of a liquid or solution to a solid phase, the solution being distributed with a circular or stain-like extent on the surface of the solid phase, in particular also hemispherical or in another form in the Insulator layer penetrates.
In
besonders geeigneter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung
sind die wenigstens zwei nicht-silanisierten Bereiche (3; 8)
als Array, insbesondere als Microarray und/oder Low-Density-Array
gebildet, wodurch eine besonders gute Auslesbarkeit und Ausnutzung
der erfindungsgemäßen Anordnung
ermöglicht
ist.In a particularly suitable development of the arrangement according to the invention, the at least two non-silanized regions ( 3 ; 8th ) formed as an array, in particular as a microarray and / or low-density array, whereby a particularly good readability and utilization of the inventive arrangement is possible.
Der
Umgebungsbereich (10), der wenigstens einen und vorzugsweise
mindestens zwei nicht-silanisierten Bereiche (3; 8)
vollständig
umgibt, ist besonders bevorzugt als Siliziumdioxid gebildet, d.h. als
ein im wesentlichen unbehandelter Bezirk der Isolatorschicht (2)
oder ist chemisch, insbesondere mit organischen Molekülen, ausgenommen
die Prüfsubstanz,
modifiziert. Damit ist auch eine schnelle Nutzbarkeit oder eine
Verringerung unspezifischer Hintergrundsignale besonders einfach
hergestellt, vorzugsweise wenn der Umgebungsbereichs (10)
mit Blockierungsreagens und/oder einer nukleophilen Verbindung,
bevorzugt mit einem Thiol, z.B. Mercaptoethanol oder Cystein beaufschlagt
ist.The environment area ( 10 ) comprising at least one and preferably at least two non-silanized regions ( 3 ; 8th ) is particularly preferably formed as silicon dioxide, ie as a substantially untreated region of the insulator layer (FIG. 2 ) or is chemically modified, in particular with organic molecules, except the test substance. Thus, a quick usability or a reduction of unspecific background signals is made particularly easy, preferably when the surrounding area ( 10 ) with blocking reagent and / or a nucleophilic compound, preferably with a thiol, for example mercaptoethanol or cysteine is acted upon.
Besonders
geeignet ist für
unterschiedliche Anwendungen auch, wenn die anorganische Isolatorschicht,
vorzugsweise über
ihre gesamte flächenhafte
Ausdehnung, vor der Beaufschlagung mit Medium und Prüfsubstanz
gereinigt ist, z.B. durch Baden in oder Benetzung mit einer Säure oder
Base, bspw. Caro'scher
Säure (Wasserstoffperoxid/Schwefelsäure-Gemisch),
oder einem organischen Lösungsmittel, z.B.
Ethanol, wodurch der Umgebungsbereich bspw. als Siliziumdioxid mit
gereinigter Oberfläche
gebildet ist.Especially
is suitable for
different applications even if the inorganic insulator layer,
preferably over
their entire areal
Expansion, before exposure to medium and test substance
is purified, e.g. by bathing in or wetting with an acid or
Base, eg Caro'scher
Acid (hydrogen peroxide / sulfuric acid mixture),
or an organic solvent, e.g.
Ethanol, whereby the surrounding area, for example, as a silica with
cleaned surface
is formed.
In
einer besonders geeigneten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung
ist die Prüfsubstanz
oder Prüfsubstanzen
insbesondere als Moleküle
mit wenigstens einem Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff, Phosphor-,
Halogen-, Farbstoff oder radioaktiven Isotop gebildet, oder umfasst
diese, wodurch eine besonders stabile Anbindung bzw. -kopplung zwischen
der Isolatorschicht und der Prüfsubstanz hergestellt
ist.In a particularly suitable development of the arrangement according to the invention is the Prüfsub or test substances, in particular as molecules with at least one nitrogen, sulfur, oxygen, phosphorus, halogen, dye or radioactive isotope formed, or includes these, whereby a particularly stable connection or coupling between the insulator layer and the test substance is prepared.
Besonders
bevorzugt ist die mindestens eine organische Prüfsubstanz (5) als
mindestens zwei unterschiedliche Prüfsubstanzen (5; 11)
gebildet, d.h. dass mindestens zwei unterschiedliche Prüfsubstanzen
oder mindestens zwei unterschiedliche Konzentrationen von einer
Prüfsubstanz
vorzugsweise räumlich
voneinander getrennt an die Isolatorschicht gekoppelt sind und/oder
die Prüfsubstanz
bzw. die mindestens zwei unterschiedlichen Prüfsubstanzen jeweils als Moleküle mit wenigstens
einem, vorzugsweise rand- bzw. endständig im Molekül angeordneten,
Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff, Phosphor-, Halogen-, Farbstoff
oder radioaktiven Isotop gebildet sind oder diese umfassen oder
aus diesen hervorgegangen sind. Dadurch ist die Anordnung besonders vorteilhaft
zur ortsabhängigen
Assoziation mit und zum Nachweis von mehreren unterschiedlichen
Testsubstanzen aus einer Probe geeignet oder es können von
der Testsubstanz, z.B. einem Enzym, bewirkte Veränderungen, z.B. durch enzymatische
Spaltung, der angekoppelten Probesubstanz sichtbar gemacht werden,
und es ist eine besonders stabile und gerichtete Ankopplung der
Prüfsubstanz
an die anorganische Anbindungsschicht hergestellt.The at least one organic test substance ( 5 ) as at least two different test substances ( 5 ; 11 ), ie that at least two different test substances or at least two different concentrations of a test substance are preferably spatially separated from each other coupled to the insulator layer and / or the test substance or the at least two different test substances each as molecules with at least one, preferably edge or terminally arranged in the molecule, nitrogen, sulfur, oxygen, phosphorus, halogen, dye or radioactive isotope are formed or include these. As a result, the arrangement is particularly advantageous for location-dependent association with and for the detection of several different test substances from a sample suitable or it can be made visible by the test substance, such as an enzyme, changes, eg by enzymatic cleavage, the coupled sample substance, and it is produced a particularly stable and directed coupling of the test substance to the inorganic bonding layer.
In
besonders geeigneter Fortbildung der erfindungsgemäßen Anordnung
umfasst die mindestens eine organische Prüfsubstanz (5), vorzugsweise endständig, wenigstens
eine nukleophile chemische Gruppe bzw. Funktion, insbesondere eine
Thiol-, Amino, Hydroxyl-, Carbonyl-, Cyano-, Nitril-, Si-, Se-, He-,
Sulfat, Sulfid, Alken- oder Alkin-, oder Phosphan-Gruppe, bzw. ein/e
durch die Wechselwirkung mit der Isolatorschicht daraus hervorgegangene/r Funktion
bzw. Rest, wodurch die Stabiltät
der Kopplung besonders gut gewährleistet
ist, insbesondere durch eine Thiolfunktion, z.B. von einem Cysteinrest bzw.
der daraus durch Wechselwirkung mit der Isolatorschicht hervorgegenagene
Rest. Unter endständig im
Sinne der Erfindung ist bei Proteinen oder Peptiden insbesondere
der N-Terminus oder der C-Terminus, vorzugsweise die N-terminale
oder C-terminale Aminosäureposition,
zu verstehen, bei Oligonukleotiden das 5'- oder das 3''-Ende
der Oligonukleotidsquenz.In a particularly suitable development of the arrangement according to the invention, the at least one organic test substance ( 5 ), preferably terminal, at least one nucleophilic chemical group or function, in particular a thiol, amino, hydroxyl, carbonyl, cyano, nitrile, Si, Se, He, sulfate, sulfide, alkene or alkyne -, or phosphine group, or a / e by the interaction with the insulator layer resulting r function or residue, whereby the Stabiltät the coupling is particularly well ensured, in particular by a thiol function, for example of a cysteine residue or the thereof By "end-to-end" in the context of the invention, in the case of proteins or peptides, the N-terminus or the C-terminus, preferably the N-terminal or C-terminal amino acid position, is to be understood, in the case of oligonucleotides the 5'- or the 3 "end of the oligonucleotide sequence.
Vorzugsweise
ist die mindestens eine organische Prüfsubstanz (5) als
Linkermolekül,
Aminosäure,
Kohlenhydrat, Lipid, Farbstoff, Pharmakon, Biotin, Peptid, Polypeptid,
Oligonukleotid, Protein, Zellkompartiment, Zelle oder davon abgeleitete
Struktur gebildet oder enthält
diese, wodurch die Anordnung im Prinzip universell für die unterschiedlichsten
Anwendungen, insbesondere zum Erfassen aller möglichen bioorganischen Komponenten
oder Strukturen (Testsubstanzen) geeignet ist.Preferably, the at least one organic test substance ( 5 ) or comprises, as a linker molecule, amino acid, carbohydrate, lipid, dye, drug, biotin, peptide, polypeptide, oligonucleotide, protein, cell compartment, cell or structure derived therefrom, whereby the arrangement is in principle universal for a variety of applications, in particular for detection all possible bioorganic components or structures (test substances) is suitable.
Besonders
bevorzugt ist die mindestens eine organische Prüfsubstanz (5) als
DNA, RNA, cDNA, mRNA, cRNA, PNA, Rezeptor, Ligand, Protein A, Protein
G, Streptavidin, Antikörper
oder davon abgeleitete Struktur gebildet oder enthält diese,
wodurch die Spezifität
der Assoziation bzw. Wechselwirkung mit der bioorganischen Testsubstanz
besonders gut sichergestellt ist. Insbesondere bevorzugt ist die Prüfsubstanz
(5) als synthetisches, natürlich vorkommendes oder rekombinant
exprimiertes oder durch enzymatische, saure oder basische Spaltung
von Polypeptiden erhaltenens Peptid, vorzugsweise als synthetisch
hergestelltes Peptid, gebildet.The at least one organic test substance ( 5 ) or DNA, RNA, cDNA, mRNA, cRNA, PNA, receptor, ligand, protein A, protein G, streptavidin, antibody or structure derived therefrom, whereby the specificity of the association or interaction with the bioorganic test substance is particularly good is ensured. Particularly preferred is the test substance ( 5 ) is formed as a synthetic, naturally occurring or recombinantly expressed or obtained by enzymatic, acidic or basic cleavage of polypeptides, preferably as a synthetically produced peptide.
In
besonders vorteilhafter Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung
ist die mindestens eine organische Prüfsubstanz (5) als
Peptid aus vorzugsweise L- und/oder
D-Aminosäureresten,
insbesondere der genetisch kodierten Aminosäuren und/oder deren vorzugsweise
natürlich
vorkommenden Modifikationen, z.B. Phosphoserin, -threonin, oder
-tyrosin, insbesondere auch bspw. radioaktiv markiert, gebildet
oder enthält
diese. Peptide als Prüfsubstanz
haben ganz allgemein den Vorteil, dass sie in der Regel einfach
synthetisch und in großer Reinheit
herstellbar sind und, mit ganzen Proteinen vergleichbare, spezifische
Assoziationseigenschaften aufweisen können, z.B. wenn das Peptid
ein Antikörperepitop,
vorzugseise N- oder C-terminal mit einem Cysteinrest gebildet, ist.
Aber auch Peptide mit wenigstens einem nicht natürlich vorkommenden Aminosäurerest,
z.B. aus Anthranil- oder aus Aminobenzoesäure gebildet, sind für verschiedenste
Anforderungen besonders geeignet.In a particularly advantageous development of the arrangement according to the invention, the at least one organic test substance ( 5 ) as a peptide of preferably L and / or D-amino acid residues, in particular the genetically encoded amino acids and / or their preferably naturally occurring modifications, for example phosphoserine, threonine, or tyrosine, in particular also, for example. Radiolabelled, formed or contains these. Peptides as a test substance generally have the advantage that they are generally easy to produce synthetically and in high purity and, comparable to whole proteins, specific association properties may have, for example, if the peptide is an antibody epitope, preferably N- or C-terminal with a Cysteine residue is formed. But also peptides with at least one non-naturally occurring amino acid residue, for example formed from anthranil or from aminobenzoic acid, are particularly suitable for a wide variety of requirements.
In
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung
ist die mindestens eine organische Prüfsubstanz (5) als
Linkermoleküle
mit freien/ungebundenen chemisch reaktiven Gruppen gebildet. Als
Linkermoleküle
sind insbesondere alle möglichen
Moleküle,
ausgenommen mit der Isolatorschicht chemisch reagierende Silane
und Silanderivate, zu verstehen, die zwei verschiedene, vorzugsweise
end- und/oder seitenständig
im Molekül
angeordnete, unterschiedlich chemisch reaktive Gruppen bzw. Funktionen
aufweisen, wobei die Moleküle über eine
Funktion an die Isolatorschicht (2) gekoppelt sind und über die
andere Funktion ggf. mit bioorganischen Substanzen funktionalisiert
sind. Ist die Prüfsubstanz
beispielsweise als Cystein gebildet, so ist dieses vorzugsweise über das
Thiol bzw. den aus dem Thiol durch Wechselwirkung mit der Isolatorschicht
erzeugten Rest, seiner Seitenkette an die Isolatorschicht gekoppelt
und kann über eine
nachfolgende chemische Reaktion mittels seiner Amino- oder Carboxylgruppe
eine weitere Substanz bzw. Fängermoleküle, z.B.
einen Aminosäurerest
oder ein Peptid ankoppeln. Ist die Prüfsubstanz z.B. als N-terminal über eine
Amidbindung mit Biotin verknüpftes Cystein
gebildet, so kann in einem nachfolgenden Schritt Streptavidin an
die Oberfläche
gekoppelt werden, bzw. ist gekoppelt worden, wodurch bspw. Sandwichanordnungen
(z.B. Isolatorschicht-Biotin-Streptavidinbiotinylierte Komponente)
möglich oder
gebildet sind.In another advantageous embodiment of the arrangement according to the invention, the at least one organic test substance ( 5 ) are formed as linker molecules with free / unbound chemically reactive groups. As linker molecules are in particular all possible molecules, with the exception of the insulator layer chemically reacting silanes and silane derivatives to understand that have two different, preferably end and / or laterally arranged in the molecule, different chemically reactive groups or functions, wherein the molecules on a Function to the insulator layer ( 2 ) are coupled and possibly functionalized with bioorganic substances on the other function. If the test substance is formed, for example, as cysteine, this is preferably coupled via the thiol or the radical produced from the thiol by interaction with the insulator layer, its side chain to the insulator layer and can be oxidized via a subsequent chemical reaction by means of its amino acid. or carboxyl group to couple another substance or capture molecules, for example, an amino acid residue or a peptide. If the test substance is formed, for example, as cysteine linked to biotin via an amide bond in an N-terminal manner, streptavidin can be coupled to the surface in a subsequent step, or has been coupled, thus allowing, for example, sandwich arrangements (eg insulator layer-biotin-streptavidin biotinylated component) or are formed.
Geeigneterweise
ist das Linkermolekül
bzw. die Prüfsubstanz
wenigstens ein Crosslinker, der über
die eine Funktion chemisch, inbesondere kovalent, mit einer bioorganischen
Substanz, z.B. einem Oligonukleotid oder einem Protein, verbunden
ist und mittels der anderen Funktion, insbesondere einer nukleophilen
Gruppe, vorzugsweise einem Thiol, an die Isolatorschicht (2)
gekoppelt ist.Suitably, the linker molecule or the test substance is at least one crosslinker, which is connected chemically, in particular covalently, with a bioorganic substance, eg an oligonucleotide or a protein, and by means of the other function, in particular a nucleophilic group, preferably a thiol , to the insulator layer ( 2 ) is coupled.
Silane
oder quervernetzte Polymere (z.B. PVDF, Cellulose) sind als Linkermoleküle im Sinne der
Erfindung im wesentlichen nicht geeignet, da sie nur mit vergleichsweise
hohem Aufwand herstellbar bzw. verwendbar sind.silanes
or cross-linked polymers (e.g., PVDF, cellulose) are used as linker molecules in the sense of
Invention essentially not suitable because they only with comparatively
high effort to produce or usable.
Besonders
bevorzugt ist die mindestens eine Prüfsubstanz (5; 8)
mit der Mehrzahl ihrer an die Oberfläche gekoppelten Moleküle räumlich gerichtet auf
der Isolatoschicht angeordnet, d.h. dass die Moleküle einheitlich
auf der Oberfläche
ausgerichtet sind, bzw. mit Vorzugsorientierung, insbesondere abhängig von
der Orientierung des Halbleitersubstrats. Ist die Prüfsubstanz
beispielsweise als endständig mit
einer nukleophilen Gruppe, insbesondere einem Thiol, markiertes
Peptid, Protein oder Olgonukleotid ausgebildet, so ist die Prüfsusbtanz
insbesondere über
die Thiolgruppe an die Anbindungsschicht (2) gekoppelt
und liegt ansonsten frei zugänglich
für die Wechselwirkung
mit einer Testsubstanz vor, vorzugsweise senkrecht oder in anderen
geeigneten Winkeln zur Isolatoroberfläche.Particularly preferred is the at least one test substance ( 5 ; 8th ) arranged with the majority of their coupled to the surface molecules spatially directed on the insulating layer, that is, that the molecules are uniformly aligned on the surface, or with preferential orientation, in particular depending on the orientation of the semiconductor substrate. If the test substance is formed, for example, as a peptide, protein or oligonucleotide labeled terminally with a nucleophilic group, in particular a thiol, the test substance is in particular via the thiol group to the attachment layer (US Pat. 2 ) and is otherwise freely accessible for interaction with a test substance, preferably perpendicular or at other suitable angles to the insulator surface.
Sind
die Prüfsubstanzen
als mehrere Peptide oder mehrere andere synthetisch hergestellte
Moleküle,
insbesondere Oligonukleotide, gebildet, so sind diese bevorzugt
einheitlich mit einer vorzugsweise end- oder seitenständigen nukleophilen
Gruppe, z.B. einem Thiol ausgestaltet, wodurch insbesondere auch
bei mehreren zumindest teilweise ähnlichen Prüfsubstanzen, z.B. Wildtypsequenz
und Mutante, eine besonders einheitliche und gerichtete Anbindung
sowie eine gute Vergleichbarkeit der Ergebnissen gewährleistet
ist.are
the test substances
as several peptides or several other synthetically produced
molecules
in particular oligonucleotides formed, these are preferred
uniform with a preferably terminal or pendent nucleophilic
Group, e.g. designed a thiol, which in particular also
for several at least partially similar test substances, e.g. Wild-type sequence
and mutant, a particularly uniform and directional connection
and ensures good comparability of results
is.
Ein
anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein einfaches und effizientes
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung für das spezifische Erfassen
von Substanzen aus einer Probe, insbesondere zum Herstellen einer
Anordung, welche ein Trägersubstrat und
eine auf dem Trägersubstrat
gebildete Anbindungsschicht und eine an die Anbindungsschicht gekoppelte
Prüfsubstanz
umfasst, vorzugsweise zum Herstellen der erfindungsgemäßen Anordnung.
In den Arbeiten, die zu der Erfindung geführt haben, wurde vollkommen überraschend
festgestellt, dass die Beaufschlagung einer auf einem Halbleitersubstrat
gebildeten anorganischen Isolatorschicht mit einem Medium und einer
Prüfsubstanz
zur stabilen und gerichteten Anbindung der Prüfsubstanz an die Isolatorschicht
führt.
Dies insbesondere bei oxidierten, nicht silanisierten Siliziumoberflächen.One
Another aspect of the invention relates to a simple and efficient
Method of making a device for specific detection
of substances from a sample, in particular for producing a
An arrangement which a carrier substrate and
one on the carrier substrate
formed bonding layer and coupled to the bonding layer
test substance
comprises, preferably for producing the inventive arrangement.
In the work that led to the invention, it was completely surprising
found that the impingement on a semiconductor substrate
formed inorganic insulator layer with a medium and a
test substance
for the stable and directed connection of the test substance to the insulator layer
leads.
This is especially true for oxidized, non-silanized silicon surfaces.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird
wenigstens ein, insbesondere nicht-silanisierter und nicht mit organischen
Molekülen
kovalent belegter und nicht mit einem Metall beschichteter Bereich (3)
einer auf einem Halbleitersubstrat (1) gebildeten anorganischen
Isolatorschicht (2) mit mindestens einem Medium (4),
insbesondere mit einem Gas, Feststoff und/oder vorzugsweise Flüssigkeit,
und mit mindestens einer organischen Prüfsubstanz (5), insbesondere
mit einer eine nukleophile Gruppe, z.B. ein Thiol, umfassenden bioorganischen
Substanz, beaufschlagt bzw. in Kontakt gebracht, wodurch infolge von
Wechselwirkungen zwischen der organischen Prüfsubstanz (5) und
der anorganischen Isolatorschicht (2) eine, insbesondere
an Luft und in Flüssigkeiten
stabile, Kopplung bzw. Anbindung zwischen der organischen Prüfsubstanz
(5) und der anorganischen Isolatorschicht (2)
erfolgt bzw. ausgebildet wird und die organische Prüfsubstanz
(5) innerhalb des beaufschlagten Bereichs (3),
insbesondere ohne silanisierte und/oder ohne organische und/oder
ohne metallische Zwischenschicht, an die und/oder in der Isolatorschicht
(2) angebunden bzw. gekoppelt bzw. immobilisiert bzw. abgeschieden
wird und für
eine nachweisbare spezifische Assoziation mit einer Testsubstanz
verwendbar ist.According to the process of the invention, at least one, in particular non-silanized and not covalently coated with organic molecules and not coated with a metal area ( 3 ) one on a semiconductor substrate ( 1 ) formed inorganic insulator layer ( 2 ) with at least one medium ( 4 ), in particular with a gas, solid and / or preferably liquid, and with at least one organic test substance ( 5 ), in particular with a nucleophilic group, for example a thiol, comprising bioorganic substance, or brought into contact, whereby as a result of interactions between the organic test substance ( 5 ) and the inorganic insulator layer ( 2 ), in particular in air and in liquids stable, coupling or connection between the organic test substance ( 5 ) and the inorganic insulator layer ( 2 ), and the organic test substance ( 5 ) within the affected area ( 3 ), in particular without silanized and / or without organic and / or without metallic intermediate layer, to the and / or in the insulator layer ( 2 ) is attached or immobilized, and is useful for a detectable specific association with a test substance.
Die
Form bzw. Ausdehnung der Isolatorschicht auf der Oberfläche des
Halbleitersubstrats kann dabei, je nach Bedarf, unterschiedlich
sein, und ist bspw. als geschlossene Schicht, welche insbesondere
das gesamte Halbleitersubstrat oder nur einen Teil davon umschließt, insbesondere
nur eine Seite davon, oder ist als einzelne Bereiche, z. B. mittels
Lithographie, gebildet.The
Form or expansion of the insulator layer on the surface of the
Semiconductor substrate can, as needed, different
be, and is, for example, as a closed layer, which in particular
enclosing the entire semiconductor substrate or only a part thereof, in particular
only one side of it, or is as individual areas, eg. B. by means
Lithography, formed.
Unter
einer an Luft stabilen Kopplung oder Anbindung ist insbesondere
zu verstehen, dass die angekoppelte Prüfsubstanz auch noch nach Minuten, Stunden
und/oder mehr als einer Woche, insbesondere nach mehr als einem
Monat, besonders nach mehr als einem Jahr nach Herstellung der Anordnung nachweisbar,
z.B. durch Inkubation mit einer Probe, an die Isolatorschicht gekoppelt
ist, wenn die erfindungsgemäß hergestellte
Anordnung in dieser Zeit an Raumluft unter Normalbedingungen, z.B.
bei 23° C
und Normaldruck, oder Vakuum, oder Schutzgasatmosphäre, gelagert
wird. Unter einer in Lösung
stabilen Kopplung oder Anbindung ist insbesondere zu verstehen,
dass die angekoppelte Prüfsubstanz
auch noch nach mehr als einer Stunde, insbesondere nach mehr als
12 Stunden, besonders nach mehr als 24 Stunden, 36 Stunden, 48 Stunden
oder 72 Stunden nachweisbar, z.B. durch nachfolgende Inkubation
mit einer Probe, an die Isolatorschicht gekoppelt ist, wenn die
erfindungsgemäß hergestellte
Anordnung in dieser Zeit in einer physiologischen Pufferlösung, z.B.
Tris- oder Phosphatpuffer, unter Normalbedingungen, z.B. bei 23° C und Normaldruck,
aufbewahrt wird. Die Anbindung kann aber auch unter anderen als
Normalbedingungen stabil sein.An air-stable coupling or connection is to be understood in particular as meaning that the coupled test substance can still be detected after minutes, hours and / or more than one week, in particular after more than one month, especially after more than one year after production of the arrangement. for example, by incubation with a sample, is coupled to the insulator layer, when the inventively prepared assembly in this time of ambient air under normal conditions, for example at 23 ° C and atmospheric pressure, or vacuum, or inert gas atmosphere, is stored. A stable coupling or attachment in solution is to be understood in particular that the coupled test substance even after more than one hour, especially after more than 12 hours, especially after more than 24 hours, 36 hours, 48 hours or 72 hours detectable, eg by subsequent incubation with a sample, is coupled to the insulator layer, when the inventively prepared assembly at this time in a physiological buffer solution, eg Tris or phosphate buffer, under normal conditions, for example at 23 ° C and atmospheric pressure, is stored. The connection can also be stable under other than normal conditions.
Für die Beaufschlagung
mit Medium (4) und Prüfsubstanz
(5) sind prinzipiell alle Standard-Verfahren oder andere
bekannten Methoden geeignet, mittels derer eine starre Oberfläche mit
einem Medium und/oder einer Prüfsubstanz
in Kontakt gebracht werden kann, bswp. mittels Inkubieren, Pipettieren bzw.
Spotten oder Bedrucken der Oberfläche. Soll bspw. eine Anordnung
hergestellt werden, die über die
gesamte Oberfläche
ihrer mindestens einen Isolatorschicht einheitliche Eigenschaften
aufweist, d.h. gleichmäßig mit
der wenigstens einen Prüfsubstanz belegt
ist, so wird das Halbleitersubstrat mit der darauf gebildeten Isolatorschicht,
bspw. in einem mit Flüssigkeit
befüllbaren
Gefäß, mit dem
Medium und/oder der Prüfsubstanz
derart inkubiert, dass es vorzugsweise vollständig mit dem Medium und/oder der
Prüfsubstanz
benetzt wird, z.B. durch Baden des Substrats mit der darauf gebildeten
Isolatorschicht in einer Flüssigkeit,
in der die Prüfsubstanz
zumindest teilweise gelöst
ist. Soll gezielt ein Bereich oder mehrere Bezirke auf und/oder
in der anorganischen Isolatorschicht mit dem Medium und/oder der
Prüfsubstanz
beaufschlagt bzw. funktionalisiert werden, bspw. für die Herstellung
eines Low-Density-Chips, so wird das Medium und/oder die Prüfsubstanz
bevorzugt mittels einer Düse
oder Pipettiervorrichtung, insbesondere einer Pipette oder eines Pipettierautomaten,
auf die Isolatoschicht aufgebracht, insbesondere in räumlich voneinander
getrennten Orten. Für die
Herstellung von Microarrays werden entsprechend gebräuliche Arrayer,
z.B. Kontakt- oder Piezo-Printer, verwendet. Für eine besonders gleichmäßige und
reproduzierbare Beschichtung bzw. Kopplung der Isolatorschicht mit
unterschiedlichen Prüfsubstanzen
oder unterschiedlichen Konzentrationen einer Prüfsubstanz, ist auch geeignet,
dass zunächst die
Isolatorschicht großflächig mit
dem wenigstens einem Medium, z.B. durch Baden bzw. Benetzen der Oberfläche, bspw.
mit einem organischen Lösungsmittel,
bevorzgt mit einem organischen Lösungsmittel und
einem wässerigen
Lösungsmittel,
besonders bevorzugt mit einem organischen Lösungsmittel und einem wässerigen
Lösungsmittel
und einem gelösten Feststoff,
der vorzugsweise als gängige
Komponente zum Puffern wässeriger
Lösungen,
z.B. Tris bzw. Phosphat, oder als Salz gebildet ist, beaufschlagt wird
und nachfolgend auf bzw. in dem großflächig mit Medium baufschlagten
Bereich vorzugsweise ortsadressiert unterschiedliche Prüfsubstanzen
und/oder unterschiedliche Konzentrationen bzw. Mengen einer Prüfsubstanz
aufgebracht werden, so dass mehrere unterschiedlich funktionalisierte
Bezirke/Bereiche innerhalb des großflächigen Bereichs gebildet werden.For the application with medium ( 4 ) and test substance ( 5 ) are in principle all standard methods or other known methods suitable by means of which a rigid surface can be brought into contact with a medium and / or a test substance, bswp. by incubating, pipetting or spotting or printing on the surface. If, for example, an arrangement is to be produced which has uniform properties over the entire surface of its at least one insulator layer, ie is evenly coated with the at least one test substance, then the semiconductor substrate with the insulator layer formed thereon, for example in a vessel which can be filled with liquid, incubated with the medium and / or the test substance such that it is preferably wetted completely with the medium and / or the test substance, for example by bathing the substrate with the insulator layer formed thereon in a liquid in which the test substance is at least partially dissolved. If the medium and / or the test substance is to be applied or functionalized selectively to one or more regions on and / or in the inorganic insulator layer, for example for the production of a low-density chip, then the medium and / or the test substance preferably by means of a nozzle or pipetting device, in particular a pipette or a pipetting, applied to the insulating layer, in particular in spatially separated locations. For the production of microarrays, correspondingly cylindrical arrayers, eg contact or piezo printers, are used. For a particularly uniform and reproducible coating or coupling of the insulator layer with different test substances or different concentrations of a test substance, it is also suitable that first the insulator layer over a large area with the at least one medium, eg by bathing or wetting the surface, for example. With an organic Solvent, preferably with an organic solvent and an aqueous solvent, more preferably with an organic solvent and an aqueous solvent and a dissolved solid, which is preferably formed as a common component for buffering aqueous solutions, such as tris or phosphate, or as a salt is and subsequently applied to or in the large area with medium baufschlagten area preferably location-addressed different test substances and / or different concentrations or amounts of a test substance, so that a plurality of differently functionalized districts / areas are formed within the large area.
Vorteilhafterweise
kann die Beaufschlagung der Isolatorschicht mit Medium und/oder
Prüfsubstanz
bei allen möglichen
Umgebungsbedingungen durchgeführt
werden, und wird vorzugsweise bei Raumtemperatur durchgeführt, wodurch
eine besonders einfache Herstellung der erfindungsgemäßen Anordnung
gewährleistet
ist. Aber auch die Verwendung von Medium und/oder Prüfsubstanz
mit einer Temperatur, die über
und insbesondere unterhalb der üblichen
Raumtemperatur, z.B. 23° C,
liegt, ist geeignet, z.B. eine 4° C
warme Lösung
der Prüfsubstanz, wodurch
auch empfindliche Prüfsubstanzen
besonders einfach an und/oder in die Isolatorschicht koppelbar sind.advantageously,
the admission of the insulator layer with medium and / or
test substance
at all possible
Environmental conditions performed
are, and is preferably carried out at room temperature, whereby
a particularly simple production of the arrangement according to the invention
guaranteed
is. But also the use of medium and / or test substance
with a temperature over
and especially below the usual
Room temperature, e.g. 23 ° C,
is suitable, e.g. a 4 ° C
warm solution
the test substance, which
also sensitive test substances
particularly easy to and / or can be coupled in the insulator layer.
Das
wenigstens eine Medium wird bevorzugt derart gewählt, dass es aus Molekülen und/oder
darin gelösten
Feststoffen gebildet ist, die unter den bei dem Verfahren gewählten Bedingen
nicht chemisch mit der Isolatorschicht reagieren können, d.h.
insbesondere keine kovalente Bindung mit der anorganischen Isolatorschicht
eingehen, d.h. dass als Medium für
die Beaufschlagung einer Siliziumdioxidschicht Z.B. ein Gemisch
mit einem organischen Lösungsmittel,
Wasser und einem gelöstem
Salz bzw. einer gelösten
Pufferkomponente gewählt
wird.The
at least one medium is preferably selected such that it consists of molecules and / or
dissolved in it
Solids is formed, which under the conditions selected in the process
can not react chemically with the insulator layer, i.
in particular no covalent bond with the inorganic insulator layer
enter, i. that as a medium for
the application of a silicon dioxide layer e.g. a mixture
with an organic solvent,
Water and a dissolved
Salt or a dissolved one
Buffer component selected
becomes.
Bevorzugt
wird das Verfahren, je nach Art der herzustellenden Anordnung, mit
drei, zwei oder einem Verfahrensschritt/en durchgeführt, z.B.
- 1. Die Isolatorschicht wird aufeinanderfolgend
mit einem organischen Lösungsmittel,
z.B. DMF, einer wässerigen
Flüssigkeit,
z.B. einer Salzlösung/Puffer,
und der Prüfsubstanz,
z.B. einem gelösten
Peptid, beaufschlagt, vorzugsweise in der genannten Reihenfolge.
Das wenigstens eine Medium (4) umfasst dabei drei Medien
bzw. Bestandteile, z.B. DMF und Puffer und Lösungsmittel des Peptids oder
umfasst zwei Medien, wenn bspw. der Puffer und das Lösungsmittel
des Peptids identisch sind, und das Peptid z.B. in den Konzentrationsbereichen
1 μM bis
1 mM gelöst
ist.
- 2. Die Isolatorschicht wird mit einem, vorzugsweise bei Raumtemperatur
flüchtigen,
organischen Lösungsmittel,
z.B. DCM, und nachfolgend mit einer wässerigen, d.h. Wasser beinhaltenden,
Flüssigkeit,
in der die Prüfsubstanz
zumindest teilweise gelöst
ist, z.B. mit einer gepufferten Lösung eines Proteins, beaufschlagt.
- 3. Die Isolatorschicht wird mit einer Lösung, in der die Prüfsubstanz
zumindest teilweise gelöst
ist, beaufschlagt. Die Lösung
umfasst dabei insbesondere ein wässeriges
Lösungsmittel,
bevorzugt ein organisches Lösungmittel
und ein wässeriges Lösungsmittel,
besonders bevorzugt ein organisches Lösungsmittel und ein wässeriges
Lösungsmittel
und einen darin gelösten
Feststoff, der insbesondere als gängige Pufferkomponente, z.B.
Tris, oder als Salz, z.B. Natriumchlorid, gebildet ist. Solch ein
Einschritt-Verfahren, d.h. die gleichzeitige Beaufschlagung der
Isolatorschicht mit Medium (4) und Prüfsubstanz (5) ermöglicht eine
besonders einfache, schnelle und zuverlässige Herstellung der Anordnung
zum Erfassen von Testsubstanzen.
Depending on the type of arrangement to be produced, the method is preferably carried out with three, two or one method step (s), for example - 1. The insulator layer is successively charged with an organic solvent, for example DMF, an aqueous liquid, for example a salt solution / buffer, and the test substance, for example a dissolved peptide, preferably in the order mentioned. The at least one medium ( 4 ) comprises three media or components, for example DMF and buffer and solvent of the peptide or comprises two media, if, for example, the buffer and the solvent of the peptide are identical, and the peptide is dissolved, for example in the concentration ranges 1 uM to 1 mM.
- 2. The insulator layer is treated with a, preferably volatile at room temperature, organic solvent, for example DCM, and subsequently with an aqueous, ie water-containing, liquid in which the test substance is at least partially dissolved, for example, with a buffered solution of a protein acted upon.
- 3. The insulator layer is treated with a solution in which the test substance is at least partially dissolved, applied. The solution comprises in particular an aqueous solvent, preferably an organic solvent and an aqueous solvent, more preferably an organic solvent and an aqueous solvent and a solid dissolved therein, in particular as a common buffer component, for example tris, or as a salt, for example sodium chloride formed is. Such a one-step process, ie the simultaneous exposure of the insulator layer with medium ( 4 ) and test substance ( 5 ) allows a particularly simple, fast and reliable production of the arrangement for detecting test substances.
Vorzugsweise
wird innerhalb des mindestens einen beaufschlagten Bereichs (3)
eine an Luft und in Lösungen
stabile, direkte Kopplung, insbesondere ohne silanisierte oder polymerisierte
bzw. quervernetzte (z.B. Polyvinyl, Cellulose) Zwischenschicht ausgebildet,
insbesondere wenn für
das erfindungsgemäße Verfahren
ein Halbleitersubstrat (1), eine anorganische Isolatorschicht
(2), ein Medium (4) und eine vorzugsweise bioorganische
Prüfsubstanz
(5) mit den nachfolgend charakterisierten Merkmalen gewählt werden.
Bei der Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird, durch
Anlagerung bzw. Anreicherung von Molekülen der Prüfsubstanz an die starre Anbindungsschicht,
insbesondere eine Kopplung bzw. Immobilisierung der Prüfsubstanz
an die Isolatorschicht erhalten bzw. gebildet, die an Luft und in
Lösung
stabil ist, d.h. dass die gekoppelte Substanz auch nach ein- oder
mehrstündigem
oder ein- oder mehrtägigem
Waschen der mittels des Verfahrens gebildeten Anordnung bzw. des
Bereichs (3) durch Inkubation mit Flüssigkeit, z.B. einem physiologischen
Puffer, noch nachweisbar an die Isolatorschicht (2) gekoppelt
bzw. gebunden ist. Vorteilhaft ist insbesondere auch, dass die Prüfsubstanz über Monate
und länger
stabil in Luft oder Vakuum an der anorganischen Isolatorschicht
gekoppelt bleibt, so dass besonders gute Lagerungseigenschaften
gewährleistet
werden. Direkt gekoppelt bedeutet, dass die Prüfsubstanz bzw. deren Moleküle durch
direkten Kontakt mit den Molekülen
der anorganischen Isolatorschicht im Bereich (3) angebunden
werden, vorzugsweise über
Wechselwirkung einer nukleophilen Gruppe der Prüfsubstanz, insbesondere einem
Thiol, mit den Oberflächenmolekülen der
Isolatorschicht angebunden werden, wobei eine kovalente oder insbesondere
elektrostatische Verbindung oder Wechselwirkung, insbesondere zwischen
der nukleophilen Gruppe der Prüfsubstanz
und den Oberflächenmolekülen der
Isolatorschicht, ausgebildet wird, so dass die Prüfsubstanz
stabil und nachweisbar an und/oder in der Isolatorschicht gekoppelt
ist.Preferably, within the at least one applied area ( 3 ), a direct coupling, stable in air and in solutions, in particular without a silanized or polymerized or crosslinked (eg polyvinyl, cellulose) intermediate layer, in particular if a semiconductor substrate ( 1 ), an inorganic insulator layer ( 2 ), a medium ( 4 ) and a preferably bioorganic test substance ( 5 ) with the characteristics characterized below. In the implementation of the method according to the invention is obtained or formed by attachment or accumulation of molecules of the test substance to the rigid attachment layer, in particular a coupling or immobilization of the test substance to the insulator layer, which is stable in air and in solution, ie coupled substance even after one or several hours or one or more days of washing the arrangement formed by the method or the area ( 3 ) by incubation with liquid, for example a physiological buffer, still detectable on the insulator layer ( 2 ) is coupled or bound. In particular, it is also advantageous that the test substance remains stable for months and longer in air or vacuum on the inorganic insulator layer, so that particularly good storage properties are ensured. Direct coupled means that the test substance or its molecules are formed by direct contact with the molecules of the inorganic insulator layer in the region (FIG. 3 ), preferably via interaction of a nucleophilic group of the test substance, in particular a thiol, with the surface molecules of the insulator layer, forming a covalent or especially electrostatic compound or interaction, in particular between the nucleophilic group of the test substance and the surface molecules of the insulator layer such that the test substance is stably and detectably coupled to and / or in the insulator layer.
Nach
einer anderen Lösung
der erfindungsgemäßen Aufgabe
wird entsprechend als Substrat Glas verwendet bzw. gewählt und
als Anbindungsschicht wird eine nicht organisch modifizierte, und nicht
metallisch modifizierte, z.B. mit einer Goldschicht belegte, auf
dem Glas gebildete Glasoberfläche
bzw. Grenzschicht gewählt.
Unter organisch modifiziert ist dabei insbesondere die kovalente
Belegung der Glasoberfläche
mit organischen (Linker-) Molekülen,
bspw. Silanen oder polymerisierten bzw. quervernetzten Polymeren
(Cellulose, PVDF) zu verstehen.To
another solution
the task of the invention
is accordingly used as substrate glass or selected and
as a bonding layer is a not organically modified, and not
metallic modified, e.g. covered with a gold layer on
the glass surface formed glass
or boundary layer selected.
Under organically modified is in particular the covalent
Occupancy of the glass surface
with organic (linker) molecules,
For example, silanes or polymerized or crosslinked polymers
(Cellulose, PVDF).
Die
Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
in seinen unterschiedlichen Ausführungsformen,
insbesondere mit den nachfolgend und in den Ansprüchen beschriebenen
Merkmalen, erfolgt analog derart, dass anstelle des Halbleitersubstrats (1)
mit der mindestens einen darauf gebildeten anorganischen Isolatorschicht
(2) ein Glassubstrat (Glassubstrat (1)) mit mindestens
einer darauf gebildeten Glasoberflächenschicht (Glasoberflächenschicht
(2)) gesetzt bzw. gewählt wird,
wobei die mindestens eine Glasoberflächenschicht (2) nicht
organisch oder metallisch modifiziert ist, z.B. nicht-silanisiert
ist, insbesondere unbehandelt bzw. unmodifiziert ist. Die zuvor
und nachfolgend spezifizierten Merkmale des für das Verfahren besonders bevorzugt
gewählten
bzw. geeigneten Halbleitersubstrats und der anorganischen Isolatorschicht
gelten entsprechend für
das Glassubstrat und die Glasoberflächenschicht, sowie für das Medium
(4) und die an die Glasoberflächenschicht anzukoppelnde Prüfsubstanz.The implementation of the method according to the invention in its different embodiments, in particular with the features described below and in the claims, is carried out analogously such that instead of the semiconductor substrate ( 1 ) with the at least one inorganic insulator layer formed thereon ( 2 ) a glass substrate (glass substrate ( 1 )) with at least one glass surface layer formed thereon (glass surface layer ( 2 )), wherein the at least one glass surface layer ( 2 ) is not organically or metallically modified, for example, is non-silanized, in particular untreated or unmodified. The features of the semiconductor substrate and the inorganic insulator layer which are particularly preferred for the method and which are specified above and below apply correspondingly to the glass substrate and the glass surface layer, as well as to the medium ( 4 ) and the test substance to be coupled to the glass surface layer.
Nach
einer anderen Lösung
der erfindungsgemäßen Aufgabe
wird entsprechend als Substrat ein im wesentlichen nicht in Wasser
löslicher
Feststoff bzw. Festkörper,
z.B. ein Polymer, Glas, Keramik, Stein, Holz, Metall usw., besonders
bevorzugt Kunststoff, verwendet bzw. gewählt und als Anbindungsschicht
wird eine nicht organisch modifizierte, und nicht metallisch modifizierte,
z.B. mit einer Goldschicht belegte, auf dem Feststoff gebildete
Siliziumoxid-Schicht, vorzugsweise Siliziumdioxid-Schicht, die insbesondere
als Dünnschicht
bzw. Film mit gängigen
Dünnschicht-Verfahren,
z.B. mittels Bedampfen oder Sputtern, auf dem Feststoff aufgebracht
ist, gewählt.
Unter organisch modifiziert ist dabei insbesondere die kovalente
Belegung der Siliziumoxidoberfläche
mit organischen (Linker-) Molekülen,
bspw. Silanen, oder polymerisierten bzw. quervernetzten Polymeren
(z.B. Cellulose, PVDF) zu verstehen. Die Dicke der aufgebrachten
Schicht ist besonders bevorzugt derart gebildet, dass sie größer oder
gleich der Wellenlänge
ist, die für
den Nachweis detektiert wird. Die zuvor und nachfolgend spezifizierten
Merkmale des für
das Verfahren besonders bevorzugt gewählten bzw. geeigneten Halbleitersubstrats
und der anorganischen Isolatorschicht gelten entsprechend für den Feststoff
und die Siliziumoxidschicht, sowie für das Medium (4) und
die an die Siliziumoxidschicht anzukoppelnde Prüfsubstanz.According to another solution of the object according to the invention is as a substrate substantially not soluble in water solid or solid, such as a polymer, glass, ceramic, stone, wood, metal, etc., particularly preferably plastic, used or selected and as a bonding layer is a non-organically modified, and not metallically modified, for example, coated with a gold layer, formed on the solid silicon oxide layer, preferably silicon dioxide layer, in particular as a thin film or film with common thin-layer method, eg by vapor deposition or sputtering on the solid is applied, selected. Organically modified is in particular the covalent occupancy of the silicon oxide surface with organic (linker) molecules, for example silanes, or polymerized or crosslinked polymers (eg cellulose, PVDF). The thickness of the deposited layer is particularly preferably formed to be greater than or equal to the wavelength detected for the detection. The features of the semiconductor substrate and the inorganic insulator layer which are particularly preferably selected or preferred for the method apply to the solid and the silicon oxide layer as well as to the medium. 4 ) and the test substance to be coupled to the silicon oxide layer.
Die
Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens
in seinen unterschiedlichen Ausführungsformen,
insbesondere mit den nachfolgend und in den Ansprüchen beschriebenen
Merkmalen, erfolgt analog derart, dass anstelle des Halbleitersubstrats (1)
mit der mindestens einen darauf gebildeten anorganischen Isolatorschicht
(2) ein Feststoffsubstrat (Feststoffsubstrat (1))
mit mindestens einer darauf gebildeten Siliziumoxidschicht (Siliziumoxidschicht (2))
gesetzt bzw. gewählt
wird, wobei die mindestens eine Siliziumoxidschicht (2)
nicht metallisiert oder nicht organisch modifiziert ist, z.B. nicht-silanisiert oder,
insbesondere unbehandelt bzw. unmodifiziert ist. Die zuvor und nachfolgend
spezifizierten Merkmale des für
das Verfahren besonders bevorzugt gewählten bzw. geeigneten Halbleitersubstrats
und der anorganischen Isolatorschicht gelten entsprechend für das Feststoffsubstrat
und die Siliziumoxidschicht, sowie für das Medium (4) und
die an die Glasoberflächenschicht
anzukoppelnde Prüfsubstanz
(5).The implementation of the method according to the invention in its different embodiments, in particular with the features described below and in the claims, is carried out analogously such that instead of the semiconductor substrate ( 1 ) with the at least one inorganic insulator layer formed thereon ( 2 ) a solid substrate (solid substrate ( 1 )) with at least one silicon oxide layer formed thereon (silicon oxide layer ( 2 )), wherein the at least one silicon oxide layer ( 2 ) is not metallized or not organically modified, eg non-silanized or, especially untreated or unmodified. The features of the semiconductor substrate and the inorganic insulator layer which are particularly preferred for the method and which are particularly preferred for the method apply correspondingly to the solid substrate and the silicon oxide layer, as well as to the medium ( 4 ) and to be coupled to the glass surface layer test substance ( 5 ).
Durch
die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahren
wird die Prüfsubstanz
(5) insbesondere derart an die Isolatorschicht (2)
gekoppelt (5), dass sie mit wenigstens einer vorzugsweise
durch Strahlung und/oder Ionisierung nachweisbaren Testsubstanz,
mit der die durch das Verfahren gebildete Anordnung ggf. nachfolgend
beaufschlagt wird, wechselwirkt, wodurch Assoziationsereignisse
massenspektrometrisch, durch Thermodesorption oder durch Detektion
von Strahlung direkt auf und/oder in der Isolatorschicht (2)
vorzugsweise in dem mindestens einen Bereich (3) mittels
eines vorzugsweise externen Detektors nachweisbar erfassbar werden.
Dabei sind die Assoziationsereignisse indirekt nachweisbar, z.B.
wenn die Testsubstanz ein die Prüfsubstanz
umsetzendes Enzym ist, oder die Assoziationsereignisse sind direkt
nachweisbar, bspw. durch Vorhandensein der Testsubstanz nach der
Assoziation. Als Detektoren für
den Nachweis der durch das erfindungsgemäße Verfahren gebildeten Anordnung
sind prinzipiell alle möglichen
Einrichtungen zur Detektion von Strahlung, z.B. Scanner, (mager,
IR-Ellipsometer, Szintigraphen oder Röntgengeräte, und alle gebräuchlichen
Massenspektrometer, z.B. MALDI oder ESI, geeignet. Vorteilhaft ist
hieran, dass die durch das Verfahren gebildete Anordnung in der
Regel schnell und einfach mit bereits vorhandener Laborausstattung
und mit bekannten Meßmethoden
in Diagnostik und Forschung untersuchbar wird. Zum Nachweis bzw.
Vermessung der Anordnung, insbesondere nach Inkubation mit einer
Testsubstanz, sind alle Standard-Verfahren für die Vermessung von Biochips
oder andere Festphasen-basierte
Assays zum Vermessen von Partikeln (z.B. ELISAs oder entsprechende
bzw. vergleichbare Festphasen-basierte Assays mit Farbstoff-markierten
Nachweismolekülen, insbesondere
in Miktrotiterplatten) geeignet. Beispielsweise auch alle gängige Verfahren
zum Nachweis von Enzymaktivität
sind geeignet, wenn Enzym oder Enzymsubstrat an den beaufschlagten
Bereich (3) gebunden wird, wobei die Anordnung mit Enzymsubstrat
oder Enzym in Kontakt gebracht wird.By the implementation of the method according to the invention, the test substance ( 5 ) in particular to the insulator layer ( 2 ) ( 5 ) that it interacts with at least one preferably by radiation and / or ionization detectable test substance, which is optionally applied to the arrangement formed by the method below, whereby association events by mass spectrometry, by thermal desorption or by detection of radiation directly on and / or in the insulator layer ( 2 ) preferably in the at least one area ( 3 ) are detectable detectable by means of a preferably external detector. The association events are indirectly detectable, for example if the test substance is an enzyme that converts the test substance, or the association events are directly detectable, for example by the presence of the test substance after the association. In principle, all possible devices for detecting radiation, eg scanners, (lean, IR ellipsometers, scintigraphs or X-ray devices, and all conventional mass spectrometers, eg MALDI or ESI) are suitable as detectors for detecting the arrangement formed by the method according to the invention As a result, the arrangement formed by the method can generally be examined quickly and easily with already existing laboratory equipment and with known measuring methods in diagnostics and research All the standard methods are for detecting or measuring the arrangement, in particular after incubation with a test substance for the measurement of biochips or other solid-phase-based assays for measuring particles (eg ELISAs or corresponding or comparable solid-phase-based assays with dye-labeled detection molecules, in particular in microtiter plates), for example also all common methods for the detection of E enzyme activity are suitable when the enzyme or enzyme substrate is applied to the applied area ( 3 ), the assembly being contacted with enzyme substrate or enzyme.
Der
Bereich (3) wird insbesondere mit einer für den Nachweis
geeigneten Konzentration bzw. Menge an Prüfsubstanz beaufschlagt, da
ein vorteilhaftes Charakteristikum des erfindungsgemäßen Verfahrens
die Ausbildung einer konzentrationsabhängigen Kopplung der Prüfsubstanz
an und/oder in der Isolatorschicht (2) innerhalb des beaufschlagten Bereichs
(3) ist, d.h. dass bei abnehmender Konzentration der gewählten Prüfsubstanz
auch nachfolgend abnehmende Nachweissignale beobachtbar sind. Dadurch
werden auch konzentrationsabhängige
Signale bzw. Bindungsdaten erfassbar, wenn die gekoppelte Prüfsubstanz
ggf. nachfolgend mit einer Testsubstanz aus einer Probe interagiert.
Vorteilhafterweise sind auch geringe Konzentrationen bzw. Mengen
von Prüfsubstanz
geeignet, um mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Anordnung
zum Erfassen von Testsubstanzen herzustellen. Geeigneterweise wird
als Prüfsubstanz
eine gelöste
Prüfsubstanz
gewählt,
die in einer Konzentration < 1
M, bevorzugt < 100
mM, besonders bevorzugt < 10
mM in Lösung
vorliegt. In besonders geeigneter Weise wird für die Beaufschlagung eine Konzentration
der Prüfsubstanz
von < 1 mM, vorzugsweise < 100 μM, besonders
bevorzugt < 10 μM gewählt bzw.
verwendet. Aber auch eine Lösung
der Prüfsubstanz
in einer Konzentration von < 1 μM, bevorzugt < 100 nM, besonders
bevorzugt < 10
nM, insbesondere < 1
nM ist für
die Beaufschlagung in vorteilhafter Weise geeignet, insbesondere
wenn die Prüfsusbstanz
eine hohe Affinität
zu der Testsubstanz aufweist, wobei z.B. die Assoziation zwische
Prüf- und
Testsubstanz über eine
Assoziationskonstante Ka > 106/M unter physiologischn Bedingungen ausgestaltet
ist. Ist die Prüfsubstanz
bspw. sehr groß oder
besonders aktiv, z.B. als Zelle gebildet, so ist auch eine Konzentration
der Prüfsubstanz
geeignet, die < 100
pM, bevorzugt < 10 pM,
besonders bevorzugt < 1
pM ist.The area ( 3 ) is applied in particular with a suitable concentration for the detection or amount of test substance, since an advantageous characteristic of the method according to the invention the formation of a concentration-dependent coupling of the test substance and / or in the insulator layer ( 2 ) within the affected area ( 3 ), ie that as the concentration of the selected test substance decreases, subsequently decreasing detection signals can be observed. As a result, concentration-dependent signals or binding data can also be detected if the coupled test substance optionally subsequently interacts with a test substance from a sample. Advantageously, even low concentrations or quantities of test substance are suitable for producing an arrangement for detecting test substances by means of the method according to the invention. Suitably, the test substance selected is a dissolved test substance which is present in a concentration of <1 M, preferably <100 mM, more preferably <10 mM in solution. In a particularly suitable manner, a concentration of the test substance of <1 mM, preferably <100 μM, more preferably <10 μM is selected or used for the application. However, a solution of the test substance in a concentration of <1 μM, preferably <100 nM, more preferably <10 nM, in particular <1 nM, is advantageously suitable for the application, in particular if the test substance has a high affinity for the test substance, wherein, for example, the association between the test and test substance is designed over an association constant Ka> 10 6 / M under physiological conditions. If, for example, the test substance is very large or particularly active, for example formed as a cell, a concentration of the test substance which is <100 pM, preferably <10 pM, particularly preferably <1 pM, is also suitable.
Wird
die Prüfsubstanz
in Form einer Lösung oder
Suspension auf die Anbindungsschicht (2) aufgebracht, so
eignen sich insbesondere übliche
bzw. gängige
Volumina an Lösung,
wie sie bei Standardverfahren oder anderen Methoden zur Herstellung von
Biochips oder Biopartikeln verwendet bzw. gewählt werden. Soll mittels des
erfindungsgemäßen Verfahrens
bspw. ein Microarray hergestellt werden, so ist ein Volumen an Prüfsubstanz-Lösung bzw. -Suspension
im Nanoliterbereich, z.B. 1 nl oder weniger geeignet, für die Herstellung
von Low- Densitiy-Chips
kann ein Volumen im Mikroliterbereich (z.B. 1 μl oder weniger) geeignet sein.If the test substance is applied to the bonding layer in the form of a solution or suspension ( 2 ) are applied, so are in particular conventional or common volumes of solution, as used or selected in standard methods or other methods for the production of biochips or bioparticles. If, for example, a microarray is to be produced by means of the method according to the invention, a volume of test substance solution or suspension in the nanoliter range, for example 1 nl or less, is suitable for the production of low-density chips, a volume in the microliter range (eg 1 μl or less).
Praktischerweise
wird bei der Vewendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Prüfsubstanz
oder eine Konzentration in mehreren, insbesondere wenigstens zwei,
bevorzugt drei, besonders bevorzugt mehr als drei, Replikas bzw.
Replikaten auf die Isolatorschicht vorzugsweise ortsadressiert aufgebracht.
Dazu werden bspw. mehrere vorzugsweise gleiche Volumina einer Lösung mit
der zumindest teilweise gelösten
Prüfsubstanz
an unterschiedlichen Stellen/Positionen bzw. versetzt auf die Isolatorschicht
aufgebracht, so dass mehrere gleichartig funktionalisierte Bereiche
(3) auf bzw. in der starren Anbindungsschicht (2)
gebildet werden, die eine besonders gute Auslesbarkeit der Anordnung,
z.B. durch Berechnung des Mittelwerts oder der Standardabweichung
von Signalen, sowie eine Parallelisierung von Nachweissystemen ermöglichen,
z.B. das parallele Vermessen unterschiedlicher Proben, die ortsadressiert
bzw. versetzt, z.B. als ein Muster oder regelmäßig, auf den erfindungsgemäßen Biochip
aufgebracht werden.Conveniently, in the use of the method according to the invention a test substance or a concentration in several, esp especially at least two, preferably three, more preferably more than three, replicas or replicas preferably applied to the insulator layer location-addressed. For this purpose, for example, several preferably equal volumes of a solution with the at least partially dissolved test substance are applied to the insulator layer at different locations / positions or offset, so that a plurality of identically functionalized regions ( 3 ) on or in the rigid connection layer ( 2 ), which allow a particularly good readability of the arrangement, for example by calculating the average value or the standard deviation of signals, as well as a parallelization of detection systems, for example the parallel measurement of different samples, the local or offset, eg as a pattern or regularly, be applied to the biochip according to the invention.
In
besonders vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird durch vorzugsweise ortsadressierte Beaufschlagung der Isolatoschicht
(2) mit wenigstens zwei, bevorzugt wenigstens drei, besonders
bevorzugt mehr als drei unterschiedlichen Konzentrationen einer
Prüfsubststanz eine
Verdünnungsreihe
der gekoppelten Prüfsubstanz
auf der Festphase hergestellt. Soll beispielsweise eine Verdünnungsanordnung
eines Peptids, eines Proteins oder eine Oligonukleotids auf der Festphase
hergestellt werden, so wird eine milli- oder mikromolare Lösung, Z.B.
mit einer Konzentration von 1 mM bis 1000 mM, bevorzugt < 100 mM, besonders
bevorzugt < 10
mM, oder mit einer Konzentration von 1 nM bis 1000 nM, der Prüfsubstanz
als Ausgangslösung
gewählt,
und verdünnt,
z.B. mittels üblicher
Verdünnungsreihen,
bspw. in 1:1, 1:5 oder 1:10 Verdünnungsschritten,
und sowohl die Ausgangslösung
als auch die verdünnte/n
Lösunge/n
vorzugsweise ortsadressiert, insbesondere an unterschiedlichen Orten
oder mehrfach an einem Ort, auf die Anbindungsschicht aufgebracht.In a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention is preferably by location-addressed admission of the insulating layer ( 2 ) with at least two, preferably at least three, more preferably more than three different concentrations of a test substance a dilution series of the coupled test substance on the solid phase. If, for example, a dilution arrangement of a peptide, a protein or an oligonucleotide is to be prepared on the solid phase, a millimolar or micromolar solution, for example with a concentration of 1 mM to 1000 mM, preferably <100 mM, more preferably <10 mM, or at a concentration of 1 nM to 1000 nM, the test substance is chosen as the starting solution, and diluted, for example by means of conventional dilution series, for example in 1: 1, 1: 5 or 1:10 dilution steps, and both the starting solution and the diluted / n Lösunge / n preferably locally addressed, in particular at different locations or multiply in one place, applied to the bonding layer.
Für das erfindungsgemäße Verfahren,
z.B. zur Herstellung eines Biochips, werden die Materialparameter
(Halbleitersubstrat (1), Isolatorschicht (2), Medium
(4) und Prüfsubstanzen
(5)) vorzugweise derart gewählt, dass, insbesondere nach Inkubation der
so hergestellten Anordnung mit einer Probe, die auf und/oder in
dem einen Bereich (3) insbesondere durch Strahlung und/oder
durch massenspektrometrische Kenngrößen nachweisbaren Signale von
Signalen unterscheidbar sind, welche auf und/oder in einem zweiten,
vorzugsweise nicht oder mit einer anderen Prüfsubstanz oder mit einer anderen
Konzentration der Prüfsubstanz
beaufschlagten Bereich (Umgebungsbereich (10) bzw. weiterer
Bereich (8)) ggf. erfassbar sind.For the method according to the invention, for example for producing a biochip, the material parameters (semiconductor substrate ( 1 ), Insulator layer ( 2 ), Medium ( 4 ) and test substances ( 5 )) is preferably chosen such that, in particular after incubation of the assembly thus produced with a sample, the on and / or in the one area ( 3 ) are distinguishable in particular by radiation and / or signals detectable by mass spectrometric parameters of signals which act on and / or in a second area, preferably not or with another test substance or with a different concentration of the test substance (surrounding area ( 10 ) or further area ( 8th )) are possibly detectable.
Als
Halbleitersubstrat (1) sind für das erfindungsgemäße Verfahren
prinzipiell alle bekannten Feststoffe bzw. Materialien mit Halbleitereigenschaften
geeignet, bspw. Silizium, Titanoxid oder Galliumarsenid insbesondere
in ihren unterschiedlichen, vorzugsweise gebräuchlichen, Ausgestaltungen.As a semiconductor substrate ( 1 In principle, all known solids or materials having semiconductor properties are suitable for the process according to the invention, for example silicon, titanium oxide or gallium arsenide, in particular in their different, preferably conventional, embodiments.
Vorzugsweise
wird für
das erfindungsgemäße Verfahren
ein Halbleitersubstrat (1) mit der darauf gebildeten Isolatorschicht
(2) in den üblichen
Abmessungen eines Biochips oder eines Partikels, insbesondere eines
gebräuchlichen
Biopartikels, bevorzugt eines Mikropartikels oder Nanopartikels,
gewählt,
wodurch die herzustellende Anordnung besonders einfach für gängige Vefahren
zur Anwendung von Biochips oder Partikeln einsetzbar wird.Preferably, for the method according to the invention a semiconductor substrate ( 1 ) with the insulator layer formed thereon ( 2 ) in the usual dimensions of a biochip or a particle, in particular a common bioparticle, preferably a microparticle or nanoparticle selected, whereby the assembly to be produced is particularly easy to use for common Vefahren for the application of biochips or particles.
In
besonders geeigneter Weiterbildung wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
eine als vorzugsweise planarer Biochip und/oder als ein 1D-, 2D
oder 3D-Biochip
verwendbare Anordnung hergestellt, die ein optisches oder szintigraphisches
Erfassen von Assoziationsereignissen mittels eines externen Detektors
ermöglicht.In
Particularly suitable development is by means of the method according to the invention
a preferably planar biochip and / or a 1D, 2D
or 3D biochip
usable arrangement made of an optical or scintigraphic
Detecting association events by means of an external detector
allows.
Bevorzugt
wird für
das erfindungsgemäße Verfahren
ein Halbleitersubstrat (1) mit der darauf gebildeten Isolatorschicht
(2) in den üblichen
Abmessungen eines Objekträgers
oder eines Objektträgereinsatzes
gewählt,
wodurch eine in ihren Abmessungen dem gängigen Standard für Biochips
entsprechende Anordnung hergestellt wird.For the process according to the invention, a semiconductor substrate ( 1 ) with the insulator layer formed thereon ( 2 ) are selected in the usual dimensions of a slide or a slide carrier insert, whereby an arrangement corresponding in size to the standard for biochip is produced.
Besonders
bevorzugt wird für
das erfindungsgemäße Verfahren
ein Halbleitersubstrat (1) mit der darauf gebildeten Isolatorschicht
(2) in den Abmessungen Länge × Breite = (7,5 +/– 1) cm × (2,5 cm
+/– 0,5
cm, vorzugsweise exakt 7,5 cm × 2,5
cm mit den gängigen
Abweichungen bei ihrer Produktion, bspw. bei Sägeprozessen, und/oder in einer
Dicke von > 0,3 mm,
insbesondere von 1 mm (+/– 0,7 mm),
vorzugsweise exakt 1 mm, mit den üblichen produktionsbedingten
Abweichungen gewählt,
wodurch eine besonders gute Handhabbarkeit der herzustellenden Anordnung
gewährleistet
wird.Particularly preferred for the method according to the invention is a semiconductor substrate ( 1 ) with the insulator layer formed thereon ( 2 ) in the dimensions length × width = (7.5 +/- 1) cm × (2.5 cm +/- 0.5 cm, preferably exactly 7.5 cm × 2.5 cm with the usual deviations in their production , For example, in sawing processes, and / or in a thickness of> 0.3 mm, in particular of 1 mm (+/- 0.7 mm), preferably exactly 1 mm, with the usual production-related deviations chosen, whereby a particularly good handling the arrangement to be produced is ensured.
Für das erfindungsgemäße Verfahren
wird als Halbleitersubstrat (1) besonders bevorzugt ein Silzium-Wafer
oder ein Teil davon, insbesondere ein aus einem Silzium-Wafer gesägter bzw.
durch andere Zerteilung, z.B. durch Anritzen und Brechen des Wafers
oder mittels eines Flüssigkeitsstrahls
oder eines Lasers, erhaltener Chip, gewählt. Dies hat u.a. die vorteilhafte
Eigenschaft, dass die Anordnung besonders exakt in ihren Materialeigenschaften
oder Abmessungen herstellbar ist und damit eine besonders gute Reproduzierbarkeit
der erfindungsgemäßen Anordnungen
bzw. Nachweissysteme ermöglicht.
Sollen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens
Anordnungen hergestellt werden, die als Biopartikel verwendbar sind,
werden bevorzugt durch mechanische Zerkleinerung von Wafermaterial,
z.B. mittels einer Kugelmühle
oder tribomechanischer Verfahren, gebildete Partikel als Halbleitersubstrat
gewählt,
die Herstellung ist aber auch durch andere Zerteilungsmethoden möglich.For the inventive method is used as a semiconductor substrate ( 1 ) particularly preferably a silicon wafer or a part thereof, in particular a sawn from a silicon wafer or by other fragmentation, eg by scratching and breaking of the wafer or by means of a liquid jet or a laser, received chip selected. This has, inter alia, the advantageous property that the arrangement can be produced particularly accurately in terms of its material properties or dimensions and thus enables particularly good reproducibility of the arrangements or detection systems according to the invention. If by means of the method according to the invention arrangements are to be made which can be used as bioparticles, they are preferably obtained by mechanical comminution of wafer material, for example with By means of a ball mill or tribomechanical method, formed particles are selected as a semiconductor substrate, but the production is also possible by other dicing methods.
Vorteilhafterweise
wird für
das erfindungsgemäße Verfahren
ein Halbleitersubstrat (1) mit der darauf gebildeten Isolatorschicht
(2) gewählt,
das als ein oxidierter Silzium-Wafer oder als ein Teil davon gebildet
ist. Silizium-Wafer haben in der Regel nahezu perfekt reproduzierbare
Materialeigenschaften und auch ihre Oberflächenmodifizierung, insbesondere durch
Oxidation, ist besonders einfach, homogen und reproduzierbar herstellbar,
wodurch eine besonders gute Reproduzierbarkeit des Verfahrens bzw. der
dadurch hergestellten Anordnung und Meßergebnisse gewährleistet
wird.Advantageously, for the method according to the invention, a semiconductor substrate ( 1 ) with the insulator layer formed thereon ( 2 ), which is formed as an oxidized silicon wafer or as a part thereof. Silicon wafers generally have almost perfectly reproducible material properties and also their surface modification, in particular by oxidation, is particularly simple, homogeneous and reproducible to produce, whereby a particularly good reproducibility of the process or the arrangement and measurement results produced thereby is ensured.
In
vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäße Verfahren wird ein Halbleitersubstrat
(1) gewählt,
das als amorphes, polykristallines Silizium oder vorzugsweise einkristallines
Silizium, insbesondere mit einer {111}- oder {100}-oder {110} Vorzugsorientierung,
besonders bevorzugt mit einer {111}-Vorzugsorientierung gebildet
ist, wodurch eine Anordnung, die auf einem nahezu perfekt und reproduzierbaren
Trägermaterial
gebildet ist, herstellbar wird. Aber auch andere kristalline Vorzugsorientierungen des
Silziumsmaterials sind für
das erfindungsgemäße Verfahren
geeignet.In an advantageous development of the method according to the invention, a semiconductor substrate ( 1 ), which is formed as amorphous, polycrystalline silicon or preferably monocrystalline silicon, in particular with a {111} or {100} or {110} preferred orientation, particularly preferably with a {111} preference orientation, whereby an arrangement based on a nearly perfect and reproducible carrier material is formed, can be produced. However, other preferred crystalline orientations of the silicon material are also suitable for the process according to the invention.
Besonders
günstig
ist es, wenn für
das erfindungsgemäße Verfahren
ein Halbleitersubstrat (1) gewählt wird, das zumindest teilweise,
insbesondere durchgängig
und/oder gleichmäßig dotiert
ist, vorzugsweise p- und/oder n-dotiert ist, besonders bevorzugt
p-dotiert ist, insbesondere mit einem elektrischen Widerstand von < 100 Ohm/cm2, vorzugsweise < 20 Ohm/cm2,
besonders bevorzugt < 1 Ohm/cm2, insbesondere bevorzugt < 0,1 Ohm/cm2, < 15
Ohm/cm2, da dann die hergestellte Anordnung
somit besonders günstige
Eigenschaften, bspw. eine gerichtete Ankopplung der Prüfsubstanz,
aufweist. Als Fremdatome des verwendeten dotierten Materials sind
alle für
die Dotierung von Halbleitern üblichen
Fremdatome geeignet, für
p-dotierte Substrate insbesondere Bor, Aluminium, Indium und/oder
Gallium, für
n-dotierte Substrate Phosphor, Arsen und/oder Antimon. Bevorzugt
kann für
das erfindungswgemäße Verfahren
auch undotiertes Halbleitersubstrat, z.B. Silizium, das vorzugsweise
besonders rein ist, z.B. Verunreinigungen im ppm-Bereich oder darunter
aufweist, verwendet werden, wodurch bspw. bei optischen Messungen
ein besonders günstiges
Signal-/Rausch-Verhältnis durch
niedrige Hintergrundsignale erreichbar ist.It is particularly favorable if, for the method according to the invention, a semiconductor substrate ( 1 ), which is at least partially, in particular continuously and / or uniformly doped, preferably p- and / or n-doped, is particularly preferably p-doped, in particular with an electrical resistance of <100 ohm / cm 2 , preferably < 20 ohms / cm 2 , more preferably <1 ohm / cm 2 , particularly preferably <0.1 ohm / cm 2 , <15 ohms / cm 2 , since then the assembly thus produced particularly favorable properties, eg. A directed coupling of the test substance , having. Suitable impurities of the doped material used are all customary for the doping of semiconductors impurities suitable for p-doped substrates, in particular boron, aluminum, indium and / or gallium, for n-doped substrates phosphorus, arsenic and / or antimony. For the process according to the invention, undoped semiconductor substrate, for example silicon, which is preferably particularly pure, for example impurities in the ppm range or below, may also be used, whereby, for example, in optical measurements a particularly favorable signal-to-noise ratio due to low background signals is reachable.
Besonders
geeignet ist es, wenn für
das erfindungsgemäße Verfahren
ein Halbleitersubstrat (1) gewählt wird, das vorzugsweise
vollständig
homogen gebildet ist, z.B. ein innerhalb seiner gesamten Abmessungen
einheitliches Silziummaterial, z.B. ein durchgängig nicht dotierter oder lediglich
mit einer Art/Sorte von Fremdatomen dotierter Silizium-Chip, verwendet
wird, wodurch auch besonders einfach einheitliche Trägereigenschaften
der Anordnung, insbesondere über
die gesamte Isolatorschicht (2) herstellbar sind.It is particularly suitable if, for the method according to the invention, a semiconductor substrate ( 1 ), which is preferably completely homogeneously formed, for example, a silicon material which is uniform throughout its entire dimensions, for example a silicon chip which is doped throughout or which is doped only with one kind / type of foreign atoms, thereby also resulting in particularly simple uniform carrier properties of the arrangement , in particular over the entire insulator layer ( 2 ) can be produced.
Für die Herstellung
von besonders günstigen Anordnungen
werden für
das erfindunsgemäße Verfahren
vorzugsweise unpolierte Halbleiter-, insbesondere Silizium-Substrate,
vorzugsweise unpolierte Silzium-Wafer oder daraus gebildete Chips,
gewählt bzw.
eingesetzt, da sie bspw. ein besonders einfaches und gleichmäßiges Inkubieren
der Anordnungsoberfläche
mit einer Probe, auch ohne Verwendung eines Deckgläschens oder
anderer üblicher
Inkubationsvorrichtungen, ermöglichen.For the production
of particularly favorable arrangements
be for
the inventive method
preferably unpolished semiconductor, in particular silicon substrates,
preferably unpolished silicon wafers or chips formed therefrom,
chosen or
used, since they, for example, a particularly simple and uniform incubation
the layout surface
with a sample, even without using a coverslip or
other common
Incubation devices.
Wird
für das
erfindungsgemäße Verfahren als
Halbleitersubstrat (1) mit der darauf gebildeten Isolatorschicht
(2) ein wenigstens teilweise, vorzugsweise auf mindestens
einer Seite, insbesondere auf der mit der Prüfsubstanz beaufschlagten Seite,
polierter Silzium-Wafer oder ein Teil davon, bzw. ein polierter
und oxidierter Silizium-Wafer
oder ein Teil davon, gewählt,
so ist vorteilhafterweise die Anordnung als Biochip mit spiegelnder
Oberfläche
und den damit verbundenen Vorteilen herstellbar.Is used for the inventive method as a semiconductor substrate ( 1 ) with the insulator layer formed thereon ( 2 ) an at least partially, preferably on at least one side, in particular on the impacted with the test substance, polished silicon wafer or a part thereof, or a polished and oxidized silicon wafer or a part thereof, so is advantageously the arrangement can be produced as a biochip with a reflective surface and the associated advantages.
Besonders
geeignet ist es auch, wenn für das
erfindungsgemäße Verfahren
eine anorganische Isolatorschicht gewählt wird, deren Oberfläche vor der
Beaufschlagung mit Medium und Prüfsubstanz gereinigt
ist, z.B. mittels einer Säure
oder Base und/oder eines organischen Lösungsmittels, insbesondere
unter Verwendung eines Ultraschallbads oder eines Schüttlers.
Soll bspw. eine Anordnung mit besonders günstigen, z.B. ebenen, Oberflächeneigenschaften
hergestellt werden, so wird als Halbleitersubstrat mit der darauf
gebildeten Isolatorschicht ein mit Flusssäure geätztes und anschließend mittels Carowscher
Säure oxidiertes
Silziumsubstrat gewählt,
welches vorzugsweise in einem Ofen getrocknet ist.Especially
it is also suitable if for the
inventive method
an inorganic insulator layer is selected, the surface of which before
Exposure to medium and test substance cleaned
is, e.g. by means of an acid
or base and / or an organic solvent, in particular
using an ultrasonic bath or a shaker.
If, for example, an arrangement with particularly favorable, e.g. levels, surface properties
be prepared so as a semiconductor substrate with the on it
formed insulator layer etched with hydrofluoric acid and then by means of Carowscher
Acid oxidized
Selected silicon substrate,
which is preferably dried in an oven.
Als
Anbindungsschicht, die auf dem Halbleitersubstrat angeordnet bzw.
gebildet ist, wird vorzugsweise eine anorganische Isolatorschicht
gewählt,
die durch chemische Reaktion aus dem Material des Halbleitersubstrats
(1) erzeugt bzw. gebildet ist, wodurch eine besonders geordnete
und feste Anbindungsschicht auf dem Halbleitersubstrat (1)
für das
erfindungsgemäße Verfahren
einsetzbar ist.As a bonding layer, which is arranged or formed on the semiconductor substrate, an inorganic insulator layer is preferably selected, which by chemical reaction from the material of the semiconductor substrate ( 1 ) is formed, whereby a particularly ordered and solid bonding layer on the semiconductor substrate ( 1 ) can be used for the inventive method.
Als
anorganische Isolatorschicht (2) für das erfindungsgemäß Verfahren
wird vorzugsweise eine Schicht aus Siliziumnitrid, Silikat oder,
besonders bevorzugt, aus Siliziumdioxid, nachfolgend auch als Siliziumdioxidschicht
(7) bezeichnet, gewählt,
insbesondere mit oder ohne Einschlüssen von Fremdatomen (Dotierung).
Dies hat den Vorteil, dass die Anbindungsschicht besonders einfach,
z.B. durch Reaktion eines Silzium-Halbleitersubstrats (1)
mit Sauerstoff oder Stickstoff, herstellbar ist.As an inorganic insulator layer ( 2 ) for the process according to the invention is preferably a layer of silicon nitride, silicate or, more preferably, of silicon dioxide, hereinafter also referred to as Si silicon dioxide layer ( 7 ), in particular with or without inclusions of impurities (doping). This has the advantage that the bonding layer is particularly simple, for example by reaction of a silicon semiconductor substrate ( 1 ) with oxygen or nitrogen, can be produced.
In
besonders günstiger
Weiterbildung der Erfindung wird als anorganische Isolatorschicht
(2) eine Siliziumdioxidschicht (7) gewählt, die
insbesondere in dem mindestens einen Bereich (3; 8)
als nicht-natürliches,
vorzugsweise trockenes und/oder thermisches Oxid oder als trockenes
und/oder thermisches Nitrid gebildet ist, wodurch besonders vorteilhafte
Eigenschaften der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens herstellbaren
Anordnung, z.B. durch eine schwammartig gebildete stabile Struktur
der Isolatorschicht, gewährleistbar
sind. Aber auch eine poröse anorganische
Isolatorschicht, die z.B. nasschemisch auf bzw. in dem Halbleitersubstrat
gebildet und anschließend
vorzugsweise im Ofen getrocknet ist, ist als Anbindungsschicht besonders
geeignet.In a particularly favorable development of the invention, the inorganic insulator layer ( 2 ) a silicon dioxide layer ( 7 ), in particular in the at least one area ( 3 ; 8th ) is formed as a non-natural, preferably dry and / or thermal oxide or as a dry and / or thermal nitride, whereby particularly advantageous properties of the manufacturable by the method according to the invention arrangement, for example by a spongy formed stable structure of the insulator layer, can be ensured. But even a porous inorganic insulator layer, for example, wet-chemically formed on or in the semiconductor substrate and then preferably dried in the oven, is particularly suitable as a bonding layer.
Vorzugsweise
wird für
das erfindungsgemäße Verfahren
eine anorganische Isolatorschicht (2) gewählt, die
als Siliziumdioxidschicht (7) mit einer Dicke bzw. Höhe von > 10 nm, vorzugsweise > 30 nm, insbesondere
100 nm (+/– 70
nm), besonders bevorzugt 100 nm (+/– 10 nm) gebildet ist, wodurch
besonders günstige
Eigenschaften, bspw. für
die Reflexion und Verstärkung
von Strahlung an den Grenzschichten, der herstellbaren Anordnung
vorliegen. Wird als Halbleitersubstrat (1) ein Siliziumwafer
oder ein Teil davon gewählt,
z.B. mit rechteckigen oder quadratischen Dimensionen (Chip), so
sind durch die Oxiddicke auch die optischen Eigenschaften der Isolatorschicht,
bspw. eine blaue oder rote Färbung
durch Reflexion von Licht in der entsprechenden Wellenlänge an der
Silizium/Siliziumoxid-Grenzfläche, gezielt verwendbar,
die für
verschiedenste Anwendungen der Anordnung von Vorteil sind. Für die Verwendung einer
bestimmten Oxiddicke der Isolatorschicht (1) auf einem
Silizium-Wafer (Halbleitersubstrat (1)) sind insbesondere
elektrochemisch und vorzugsweise thermisch hergestellte Oxide geeignet,
da mittels derer die Anordnung besonders einfach und reproduzierbar
in ihren Eigenschaften, insbsondere den Materialeigenschaften der
Anbindungsschicht, herstellbar bzw. verwendbar ist. Besonders günstig ist
es, wenn als Halbleitersubtrat mit der darauf gebildeten Isolatorschicht
ein Silizium-Wafer oder -Chip mit einer durch ein übliches
thermisches Oxidationsverfahren, z.B. durch Erhitzen und Inkontaktbringen
des Wafers mit einem überwiegend
aus Sauerstoff bestehenden Gas, gebildeten Siliziumdioxidschicht
gewählt
wird. Bevorzugt wird als anorganische Isolatorschicht aber auch
ein elektrochemisch gebildetes Oxid, das vorzugsweise in einem Ofen
getrocknet ist, verwendet.Preferably, an inorganic insulator layer ( 2 ) selected as the silicon dioxide layer ( 7 ) with a thickness or height of> 10 nm, preferably> 30 nm, in particular 100 nm (+/- 70 nm), particularly preferably 100 nm (+/- 10 nm) is formed, whereby particularly favorable properties, for example the reflection and amplification of radiation at the boundary layers, the producible arrangement are present. Is used as a semiconductor substrate ( 1 a silicon wafer or a part thereof, eg with rectangular or square dimensions (chip), the oxide thickness also determines the optical properties of the insulator layer, for example a blue or red coloration by reflection of light in the corresponding wavelength at the silicon. Silicon oxide interface, specifically used, which are advantageous for a variety of applications of the arrangement. For the use of a specific oxide thickness of the insulator layer ( 1 ) on a silicon wafer (semiconductor substrate ( 1 )) are particularly suitable electrochemically and preferably thermally produced oxides, since by means of which the arrangement is particularly simple and reproducible in their properties, in particular the material properties of the bonding layer, produced or usable. It is particularly advantageous if a silicon wafer or chip with a silicon dioxide layer formed by a conventional thermal oxidation method, for example by heating and contacting the wafer with a gas consisting predominantly of oxygen, is selected as the semiconductor substrate with the insulator layer formed thereon. Preferably, however, an electrochemically formed oxide which is preferably dried in an oven is used as the inorganic insulator layer.
Bevorzugt
wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
der Bezirk der Isolatorschicht, innerhalb dessen die organische
Prüfsubstanz
(z.B. Fängermoleküle), z.B.
in verschiedenen Bereichen, angekoppelt wird, mit mindestens einem
Medium (4), insbesondere einer Flüssigkeit, beaufschlagt, das
vorzugsweise wenigstens ein Lösungsmittel,
nachfolgend auch Lösungsmittel
(9) genannt, umfasst oder als wenigstens ein Lösungsmittel
(9) gebildet ist. Wie vollkommen überraschend festgestellt wurde,
wirkt insbesondere Flüssigkeit,
vorzugsweise eine Kombination aus einem wässerigen und einem organischen Lösungsmittel,
als Mediator für
die spezifische und stabile Ankopplung der Prüfsubstanz an die erfindungsgemäße Isolatorschicht.In the method according to the invention, the district of the insulator layer within which the organic test substance (eg catcher molecules), eg in different areas, is coupled, is preferably used with at least one medium ( 4 ), in particular a liquid, which preferably contains at least one solvent, hereinafter also solvent ( 9 ), or as at least one solvent ( 9 ) is formed. As has been found quite surprisingly, in particular liquid, preferably a combination of an aqueous and an organic solvent, acts as a mediator for the specific and stable coupling of the test substance to the insulator layer according to the invention.
Besonders
geeignet wird für
das erfindungsgemäße Verfahren
ein Medium (4) für
die Beaufschlagung gewählt,
das wenigstens ein flüssiges
Lösungsmittel
(9) umfasst, welches als wässeriges und/oder organisches
Lösungsmittel,
insbesondere als hydrophiles und/oder polares Lösungsmittel gebildet ist. Als
wässriges
Lösungsmittel
ist inbesondere Wasser, z.B. mit einem neutralen pH-Wert, zu verstehen.
Als organisches Lösungsmittel
(9) ist vorzugsweise ein Alkohol, Dialkylsäureamid,
Alkylhalogenid, Pyrollidon, Furan, DMSO, Acetonitril, Aceton oder
eines ihrer Derivate geeignet, z.B. Ethanol, DMF, Dichlormethan,
NMP, THF oder eines ihrer Derivate.Particularly suitable for the process according to the invention is a medium ( 4 ) is selected for the application, the at least one liquid solvent ( 9 ), which is formed as an aqueous and / or organic solvent, in particular as a hydrophilic and / or polar solvent. In particular, water, for example having a neutral pH, is to be understood as aqueous solvent. As an organic solvent ( 9 ) is preferably an alcohol, dialkyl acid, alkyl halide, pyrollidone, furan, DMSO, acetonitrile, acetone or one of their derivatives suitable, for example, ethanol, DMF, dichloromethane, NMP, THF or one of their derivatives.
Das
Medium (4), das für
das erfidungsgemäße Verfahren
gewählt
wird, umfasst vorzugsweise Wasser mit saurem oder basischen pH-Wert und/oder
ein organisches Lösungsmittel
mit saurem oder basischen pH-Wert, einen Elektrolyten und/oder einen
Puffer oder ist als solche gebildet. Besonders geeignet wird ein
Medium mit basischem, insbesondere physiologischen, pH-Wert gewählt.The medium ( 4 ) selected for the process according to the invention preferably comprises or has an acidic or basic pH water and / or an organic acidic or basic organic solvent, an electrolyte and / or a buffer. Particularly suitable is a medium having a basic, in particular physiological, pH value is selected.
Bevorzugt
wird als Medium (4) ein Gemisch aus wässerigen und organischen Lösungsmitteln, insbesondere
aus einem wässerigem
und einem organischen Lösungsmittel,
insbesondere als Gemisch aus einer wässerigen Lösung und einem organischen
Lösungsmittel
gewählt,
vorzugsweise mit einem Unterschuss an organischem Lösungsmittel. Auch
die Verwendung eines prozentual nur geringen Volumenanteils des
organischem Lösungsmittels
am Gemisch, insbesondere < 10%,
bevorzugt < 1%,
besonders bevorzugt < 0,1%,
wird geeigneterweise gewählt,
wodurch auch die Ankopplung von gegenüber organischen Lösungsmitteln besonders
sensitiven Prüfsubstanzen,
Z.B. von Proteinen oder Zellen, gewährleistet ist.Preference is given as medium ( 4 ) a mixture of aqueous and organic solvents, in particular from an aqueous and an organic solvent, in particular selected as a mixture of an aqueous solution and an organic solvent, preferably with a deficit of organic solvent. The use of only a small percentage by volume of the organic solvent in the mixture, in particular <10%, preferably <1%, more preferably <0.1%, is suitably chosen, whereby the coupling of particularly sensitive to organic solvents test substances, eg Proteins or cells, is guaranteed.
Besonders
günstig
ist es, wenn für
das erfindungsgemäße Verfahren
ein zumindest teilweise elektrisch leitendes Medium (4),
insbesondere mit einem Leitwert > 0,05 μS/cm, vorzugsweise > 20 μS/cm, insbesondere
bevorzugt > 1 mS/cm,
besonders bevorzugt > 50
mS/cm, gewählt
wird, insbesondere, wenn es einen gelösten Feststoff, vorzugsweise
die Prüfsubstanz
und/oder eine Pufferkomponente und/oder ein Salz, bevorzugt die
Prüfsubstanz
und eine Pufferkomponente, besonders bevorzugt die Prüfsubstanz
und ein gelöstes
Salz, beinhaltet. Aber auch die Verwendung eines nicht elektrisch
leitenden Mediums kann geeignet sein.It is particularly favorable if, for the process according to the invention, an at least partially electrically conductive medium ( 4 ), in particular with a conductivity> 0.05 μS / cm, preferably> 20 μS / cm, particularly preferably> 1 mS / cm, particularly preferably> 50 mS / cm is selected, in particular, if there is a dissolved solid, preferably the test substance and / or a buffer component and / or a salt, preferably the test substance and a Buffer component, more preferably the test substance and a dissolved salt includes. But even the use of a non-electrically conductive medium may be suitable.
In
vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden mindestens
zwei nicht-silanisierte bzw. nicht mit organischen Molekülen vorzugsweise
gezielt kovalent belegte Bereiche/Bezirke (3; 8)
auf der Isolatorschicht mit mindestens einem Medium (4)
und jeweils mit mindestens einer Prüfsubstanz derart beaufschlagt,
bspw. durch Aufpipettieren geeigneter, insbesondere nicht ineinanderlaufender
(Spot-)Volumina, dass wenigstens zwei gleichartig oder insbesondere
unterschiedlich funktionalisierte Bereiche gebildet werden. Unter
den mindestens zwei Bereichen sind insbesondere mehrere vorzugsweise
räumlich
getrennte Bezirke zu verstehen, die entweder als Replika gebildet
werden, z.B. mehrere Bereiche, die gleichartig beaufschlagt werden,
oder jeweils mit unterschiedlichen Prüfsubstanzen oder mit unterscheidlichen
Konzentrationen einer Prüfsubstanz
beaufschlagt werden, wobei mehrere unterschiedlich funktionalisierte
Bereiche (3; 8) gebildet werden.In an advantageous development of the process according to the invention, at least two non-silanized regions or regions (preferably not covalently occupied by organic molecules) are preferably ( 3 ; 8th ) on the insulator layer with at least one medium ( 4 ) and in each case acted upon with at least one test substance in such a manner, for example by pipetting suitable, in particular non-intermeshing (spot) volumes, that at least two identically or in particular differently functionalized areas are formed. In particular, at least two regions are to be understood as a plurality of preferably spatially separated regions which are formed either as a replica, for example several regions which are subjected to the same effect or are respectively exposed to different test substances or to different concentrations of a test substance, with several differently functionalized regions ( 3 ; 8th ) are formed.
Besonders
bevorzugt erfolgt die Beaufschlagung derart, z.B. mittels Pipettieren
oder automatisiertem Bespotten, dass mindestens zwei nicht-silanisierte
Bereiche (3; 8) mit angekoppelter Prüfsubstanz
gebildet werden, die wenigstens teilweise oder vollständig von
einem auf und/oder in der Isolatorschicht (2) gebildeten
Umgebungsbereich (10), d.h. einem vorzugsweise nicht mit
Prüfsubstanz
beaufschlagten Bezirk der Isolatorschicht, umgeben sind. Dadurch
wird auch eine einfache Abgrenzung der wenigstens zwei Bereiche
sowie eine besonders gute Vergleichbarkeit und Unterscheidbarkeit
der von ihr ausgehenden Strahlung bzw. ihrer massenspektrometrisch
nachweisbaren Eigenschaften ermöglicht, insbesondere
wenn die Bereiche (3; 8) als Spots, vorzugweise
als räumlich
voneinander getrennte und/oder ortsadressierte Spots gebildet werden.
Für verschiedene
Anwendungen kann es auch geeignet sein, dass eine anorganische Isolatorschicht
verwendet wird, deren Oberfläche
eine nicht geschlossene Silanschicht aufweist und die insbesondere
nicht in den Bereichen, in denen Prüfsubstanz gekoppelt wird, silanisiert
ist.Particularly preferably, the application is carried out in such a way, for example by means of pipetting or automated spotting, that at least two non-silanized regions ( 3 ; 8th ) are formed with coupled test substance which at least partially or completely from one on and / or in the insulator layer ( 2 ) surrounding area ( 10 ), ie a region of the insulator layer which is preferably not exposed to test substance, are surrounded. This also makes possible a simple delineation of the at least two regions as well as a particularly good comparability and distinctness of the radiation emanating from it or its mass-spectrometrically detectable properties, in particular if the regions ( 3 ; 8th ) are formed as spots, preferably as spatially separated and / or location-addressed spots. For various applications, it may also be suitable to use an inorganic insulator layer whose surface has a non-closed silane layer and which in particular is not silanized in the areas in which test substance is coupled.
In
besonders günstiger
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden mindestens zwei Bereiche (3; 8) jeweils
mit einer zumindest teilweise in dem mindestens einen Medium (4)
gelösten Prüfsubstanz
beaufschlagt, insbesondere mit einem Gemisch beinhaltend wässerige
Pufferlösung,
organisches Lösungsmittel
und gelöste
Prüfsubstanz. Dies
hat die vorteilhafte Eigenschaft, dass das Verfahren besonders einfach,
nämlich
in einem einzigen Prozessschritt, die Herstellung einer Anordnung
zum nachweisbaren Erfassen von mehreren Assoziationsereignissen,
aus einem Halbleitersubstrat und einer auf dem Halbleitersubstrat
gebildeten Isolatorschicht ermöglicht.
Um besonders einheitliche Ankopplungsbedingungen zu ermöglichen,
sind die anzukoppelnden Prüfsubstanzen
bevorzugt in dem gleichen Medium gelöst.In a particularly favorable development of the method according to the invention, at least two regions ( 3 ; 8th ) each with at least partially in the at least one medium ( 4 ) dissolved test substance, in particular with a mixture containing aqueous buffer solution, organic solvent and dissolved test substance. This has the advantageous property that the method makes it possible in a particularly simple manner, namely in a single process step, to produce an arrangement for the detectable detection of a plurality of association events, from a semiconductor substrate and an insulator layer formed on the semiconductor substrate. In order to enable particularly uniform coupling conditions, the test substances to be coupled are preferably dissolved in the same medium.
In
besonders vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die wenigstens zwei nicht-silanisierten Bereiche (3; 8)
als Array, insbesondere als Microarray und/oder Low-Density-Array
hergestellt, wodurch eine besonders gute Auslesbarkeit und Ausnutzung
der erfindungsgemäßen Anordnung
ermöglicht
wird. Für
die Herstellung der erfindungsgemäßen Arrays sind alle gängigen Beaufschlagungstechniken,
z.B. Pipettieren, und übliche
Volumina geeignet, die bei der herkömmlichen Beaufschlagung von
Glasträgern
mit Probesubstanzen zur Herstellung eines Biochip-Arrays, insbesondere
eines Low-Density- oder Microarrays verwendet werden.In a particularly advantageous development of the process according to the invention, the at least two non-silanized regions ( 3 ; 8th ) as an array, in particular as a microarray and / or low-density array produced, whereby a particularly good readability and utilization of the inventive arrangement is made possible. For the preparation of the arrays according to the invention, all common application techniques, eg pipetting, and customary volumes are suitable, which are used in the conventional exposure of glass slides with sample substances for producing a biochip array, in particular a low-density or microarray.
Der
Umgebungsbereich (10), der vorzugsweise wenigstens einen
und besonders bevorzugt mindestens zwei nicht-silanisierte Bereiche
(3; 8) vollständig
umgibt, wird bevorzugt derart gebildet, dass er nicht mit Prüfsubstanz
beaufschlagt wird, und insbesondere als lediglich mit Medium (4)
beaufschlagtes oder vorzugsweise unbehandeltes Siliziumdioxid der
Isolatorschicht (2) verbleibt. Für verschiedene Anwendungen
ist aber auch geeignet, dass der Umgebungsbereich (10)
chemisch, insbesondere mit organischen Molekülen, ausgenommen die Prüfsubstanz,
modifiziert wird. Damit ist auch eine schnelle Nutzbarkeit oder
eine Verringerung unspezifischer Hintergrundsignale besonders einfach
herstellbar, vorzugsweise wenn der Umgebungsbereichs (10)
mit Blockierungsreagens und/oder einer nukleophilen Verbindung,
bevorzugt mit einem Thiol, z.B. Mercaptoethanol oder Cystein beaufschlagt wird.
Die Passivierung des Umgebungsbereichs (10) kann aber auch
bspw. bei der nachfolgenden Inkubation der erfindungsgemäßen Anordnung
mit einer Probe, die Blockierungsreagens oder Serum, beinhaltet,
hergestellt werden. Unter Blockierungsreagens sind im wesentlichen
alle in der Biotechnologie gebräuchlichen
Substanzen zur Passivierung von Oberflächen mit organischen Verbindungen
geeignet, insbesondere gelöstes
Milchpulver, Albumin oder Proteinfragmente, mit welchen vorzugsweise die
Testsubstanz nicht spezifisch assoziiert.The environment area ( 10 ), which preferably has at least one and particularly preferably at least two non-silanized regions ( 3 ; 8th ) is preferably formed such that it is not exposed to test substance, and in particular as only with medium ( 4 ) acted upon or preferably untreated silica of the insulator layer ( 2 ) remains. For various applications, however, it is also suitable that the surrounding area ( 10 ) is chemically modified, in particular with organic molecules, except the test substance. Thus, a quick usability or a reduction of non-specific background signals is particularly easy to produce, preferably when the surrounding area ( 10 ) with blocking reagent and / or a nucleophilic compound, preferably with a thiol, for example mercaptoethanol or cysteine is applied. The passivation of the surrounding area ( 10 ) can also be produced, for example, during the subsequent incubation of the inventive arrangement with a sample containing blocking reagent or serum. Under blocking reagent are essentially all commonly used in biotechnology substances for the passivation of surfaces with organic compounds suitable, in particular dissolved milk powder, albumin or protein fragments, with which preferably the test substance is not specifically associated.
In
einer besonders geeigneten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird/werden als Prüfsubstanz
oder Prüfsubstanzen
insbesondere Moleküle
mit wenigstens einem Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff, Phosphor-,
Halogen-, Farbstoff und/oder radioaktiven Isotop gewählt, oder
die gewählte
Prüfsubstanz
umfasst diese, wodurch eine besonders stabile Anbindung bzw. -kopplung
zwischen der Isolatorschicht und der Prüfsubstanz ermöglicht wird.In a particularly suitable development of the method according to the invention is / are as In particular, molecules or substances with at least one nitrogen, sulfur, oxygen, phosphorus, halogen, dye and / or radioactive isotope are selected, or the selected test substance comprises these, whereby a particularly stable connection or coupling between the insulator layer and the test substance is possible.
Besonders
bevorzugt ist für
das erfindungsgemäße Verfahren,
wenn als die mindestens eine organische Prüfsubstanz (5) wenigstens
zwei unterschiedliche Prüfsubstanzen
(5; 11) gewählt
werden, d.h. dass mindestens zwei unterschiedliche Prüfsubstanzen
oder mindestens zwei unterschiedliche Konzentrationen von einer
Prüfsubstanz
vorzugsweise ortsaddressiert bzw. räumlich voneinander getrennt an
die Isolatorschicht gekoppelt werden und/oder die Prüfsubstanz
bzw. die mindestens zwei unterschiedlichen Prüfsubstanzen jeweils als Moleküle mit wenigstens
einem, vorzugsweise rand- bzw. endständig im Molekül angeordneten,
Stickstoff, Schwefel, Sauerstoff, Phosphor-, Halogen-, Farbstoff
oder radioaktiven Isotop gebildet sind oder diese umfassen. Dadurch
wird auf besonders einfache Weise eine Anordnung zur ortsabhängigen Assoziation
mit und zum Nachweis von mehreren unterschiedlichen Testsubstanzen
aus einer Probe hergestellt oder es können nachfolgend von der Testsubstanz,
z.B. einem Enzym, bewirkte Modifizierungen, z.B. durch enzymatische
Spaltung, der angekoppelten Probesubstanz sichtbar gemacht werden,
und/oder es wird dadurch auch eine besonders stabile und gerichtete
Ankopplung der Prüfsubstanz
an die anorganische Anbindungsschicht hergestellt.It is particularly preferred for the process according to the invention if, as the at least one organic test substance ( 5 ) at least two different test substances ( 5 ; 11 ), ie that at least two different test substances or at least two different concentrations of one test substance are preferably spatially-addressed or spatially separated from the isolator layer and / or the test substance or the at least two different test substances are each as molecules with at least one, preferably arranged at the edge or terminal in the molecule, nitrogen, sulfur, oxygen, phosphorus, halogen, dye or radioactive isotope are or include. As a result, an arrangement for location-dependent association with and for the detection of several different test substances from a sample is produced in a particularly simple manner or subsequently modifications effected by the test substance, eg an enzyme, eg by enzymatic cleavage, of the coupled test substance can be visualized. and / or it is thereby produced a particularly stable and directed coupling of the test substance to the inorganic bonding layer.
In
besonders geeigneter Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
umfasst die mindestens eine gewählte
organische Prüfsubstanz
(5), vorzugsweise endständig,
wenigstens eine nukleophile chemische Gruppe bzw. Funktion, insbesondere
eine Thiol-, Amino-, Hydroxyl-, Carbonyl-, Cyano-, Nitril-, Si-,
Se-, He-, Sulfat, Sulfid, Alken- oder Alkin-, oder Phosphan-Gruppe,
wodurch die Stabiltät
der Kopplung besonders gut gewährleistet
wird, insbesondere durch eine Thiolfunktion, z.B. von einem Cysteinrest. Bei
Proteinen oder Peptiden wird insbesondere der Amino-Terminus oder der
Carboxyl-Terminus, vorzugsweise die N-terminale oder C-terminale Aminosäureposition,
als endständig
bezeichnet, bei Oligonukleotiden das 5''-
oder das 3''-Ende der Oligonukleotidsequenz.In a particularly suitable development of the process according to the invention, the at least one selected organic test substance ( 5 ), preferably terminal, at least one nucleophilic chemical group or function, in particular a thiol, amino, hydroxyl, carbonyl, cyano, nitrile, Si, Se, He, sulfate, sulfide, alkene or Alkane, or phosphine group, whereby the Stabiltät the coupling is particularly well ensured, in particular by a thiol function, for example of a cysteine residue. In the case of proteins or peptides, in particular the amino terminus or the carboxyl terminus, preferably the N-terminal or C-terminal amino acid position, is termed terminal, for oligonucleotides the 5 '' or the 3 '' end of the oligonucleotide sequence.
Vorzugsweise
wird als die mindestens eine organische Prüfsubstanz (5) eine
biooorganische Prüfsubstanz
gewählt,
die bevorzugt als Linkermolekül,
Aminosäure,
Kohlenhydrat, Lipid, Farbstoff, Pharmakon, Biotin, Peptid, Polypeptid,
Oligonukleotid, Protein, Zellkompartiment, Zelle oder davon abgeleitete
Struktur gebildet ist oder diese umfasst bzw. enthält, wodurch
die Anordnung im Prinzip universell für die unterschiedlichsten Anwendungen,
insbesondere zum Erfassen aller möglichen bioorganischen Komponenten
oder Strukturen (Testsubstanzen) herstellbar ist. Besonders geeignet
ist insbesondere die Verwendung von Peptiden und/oder Proteinen
als Prüfsubstanz/en
(5), da das erfindungsgemäße Verfahren u.a. die Herstellung
von Peptid- und/oder Proteinchips mit besonders vorteilhaften Eigenschaften ermöglicht.Preferably, the at least one organic test substance ( 5 ) selected a biooorganic test substance, which is preferably formed as a linker molecule, amino acid, carbohydrate, lipid, dye, drug, biotin, peptide, polypeptide, oligonucleotide, protein, cell compartment, cell or structure derived therefrom or contains, whereby the arrangement in principle universal for a variety of applications, in particular for detecting all possible bioorganic components or structures (test substances) can be produced. Especially suitable is the use of peptides and / or proteins as test substance (s) ( 5 ), since the method according to the invention enables, inter alia, the production of peptide and / or protein chips with particularly advantageous properties.
Besonders
bevorzugt wird als die mindestens eine organische Prüfsubstanz
(5) DNA, RNA, cDNA, mRNA, cRNA, PNA, Rezeptor, Ligand,
Protein A, Protein G, Streptavidin, Antikörper oder davon abgeleitete
Struktur gewählt
oder die Prüfsubstanz enthält diese,
wodurch die Spezifität
der Assoziation bzw.Particularly preferred is as the at least one organic test substance ( 5 ) DNA, RNA, cDNA, mRNA, cRNA, PNA, receptor, ligand, protein A, protein G, streptavidin, antibody or structure derived therefrom or the test substance contains these, whereby the specificity of the association or
Wechselwirkung
mit der bioorganischen Testsubstanz besonders gut sichergestellt
wird. Insbesondere bevorzugt wird als Prüfsubstanz (5) ein synthetisches,
natürlich
vorkommendes oder rekombinant exprimiertes oder durch enzymatische,
saure oder basische Spaltung von Polypeptiden erhaltenes Peptid,
vorzugsweise als synthetisch hergestelltes Peptid, verwendet.Interaction with the bioorganic test substance is particularly well ensured. Particular preference is given as the test substance ( 5 ) a synthetic, naturally occurring or recombinantly expressed or obtained by enzymatic, acidic or basic cleavage of polypeptides peptide, preferably used as a synthetically produced peptide.
In
besonders vorteilhafter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird als die mindestens eine organische Prüfsubstanz (5) ein
Peptid oder mehrere Peptide aus vorzugsweise L- und/oder D-Aminosäureresten
und/oder Glycin und/oder β-Alanin,
insbesondere aus den genetisch kodierten Aminosäuren und/oder deren vorzugsweise
natürlich vorkommenden
Modifikationen, z. B. Phosphoserin, -threonin, oder -tyrosin, insbesondere
auch bspw. mit einer radioaktiven oder Farbstoffmarkierung, gewählt, oder
die Profsubstanz umfasst diese. Peptide als Prüfsubstanz haben ganz allgemein
den Vorteil, dass sie in der Regel einfach synthetisch und in großer Reinheit
herstellbar sind und, mit ganzen Proteinen vergleichbare, spezifische
Assoziationseigenschaften aufweisen können, z. B. wenn als das Peptid
ein vorzugseise N- oder C-terminal mit einem Cysteinrest gebildetes
Antikörperepitop
gewählt
wird. Besonders bevorzugt werden daher synthetische, vorzugsweise
chromatographisch aufgereinigte, Peptide als anzukoppelnde Prüfsubstanz
für das
erfindungsgemäße Verfahren
gewählt.
Aber auch Peptide mit wenigstens einem nicht natürlich vorkommenden Aminosäurerest,
z.B. aus Anthranil- oder aus
Aminobenzoesäure
gebildet, werden für
verschiedenste Anforderungen insbesondere bevorzugt gewählt.In a particularly advantageous embodiment of the method according to the invention is as the at least one organic test substance ( 5 ) One or more peptides of preferably L- and / or D-amino acid residues and / or glycine and / or β-alanine, in particular from the genetically encoded amino acids and / or their preferably naturally occurring modifications, for. As phosphoserine, threonine, or tyrosine, in particular also, for example. With a radioactive or dye marking, selected, or the Profubststanz includes these. Peptides as a test substance generally have the advantage that they are generally easy to produce synthetically and in great purity and, comparable to whole proteins, may have specific association properties, eg. For example, when the antibody selected is an antibody epitope N- or C-terminally formed with a cysteine residue. Synthetic, preferably chromatographically purified, peptides are therefore particularly preferably chosen as the test substance to be coupled in for the method according to the invention. However, peptides with at least one non-naturally occurring amino acid residue, for example formed from anthranil- or from aminobenzoic acid, are particularly preferred for a very wide variety of requirements.
In
einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die mindestens eine organische Prüfsubstanz (5) als
Linkermoleküle
mit freien/ungebundenen chemisch reaktiven Gruppen gewählt oder
umfasst diese. Als Linkermoleküle
sind insbesondere alle möglichen
Moleküle, ausgenommen
Silane, zu verstehen, die zwei verschiedene, vorzugsweise end- und/oder
seitenständig
im Moleküle
angeordnete, unterschiedlich chemisch reaktive Gruppen bzw. Funktionen
aufweisen, wobei die Moleküle über eine
Funktion an die Isolatorschicht (2) gekoppelt werden und über die
andere Funktion ggf. mit bioorganischen Substanzen verbunden werden.
Wird als Prüfsubstanz
beispielsweise Cystein gewählt,
so wird dieses vorzugsweise über
die Thiolfunktion seiner Seitenkette an die Isolatorschicht gekoppelt
und kann über
eine nachfolgende chemische Reaktion mittels seiner Amino- oder Carboxylgruppe
eine weitere Substanz bzw. Fängermoleküle, z.B.
einen Aminosäurerest
oder ein Peptid ankoppeln. Wird als Prüfsubstanz Z.B. ein N-terminal über eine
Amidbindung mit Biotin verknüpftes
Cystein gewählt,
so kann in einem nachfolgenden Schritt Streptavidin an die Oberfläche gekoppelt
werden, wodurch bspw. Sandwichanordnungen (z.B. Isolatorschicht-Biotin-Streptavidin-biotinylierte
Komponente) möglich
bzw. gebildet werden. Wird als Prüfsubstanz bzw. Linker ein Lipid
gewählt,
das vorzugsweise eine nukleophile Gruppe, bevorzugt Thiol, umfasst,
so wird der damit beaufschlagte Bereich der Isolatorschicht bspw.
für die
nachfolgende Immobilisierung zumindest teilweise hydrophober Substanzen,
insbesondere eines Transmembranproteins, funktionalisiert. Die Immobilisierung
an die Prüfsubstanz
bzw. den Linker kann aber auch chemisch, kovalent und/oder durch
elektrostatische bzw. hydrophile Wechselwirkungen erfolgen.In another advantageous embodiment of the method according to the invention, the at least one organic test substance ( 5 ) or selected as linker molecules with free / unbound chemically reactive groups. As Linkermo In particular, molecules are to be understood as meaning all possible molecules, with the exception of silanes, which have two different chemically reactive groups or functions, preferably end and / or side, arranged in the molecule, the molecules having a function on the insulator layer. 2 ) and possibly connected to bioorganic substances via the other function. If, for example, cysteine is chosen as the test substance, it is preferably coupled to the insulator layer via the thiol function of its side chain and can couple via a subsequent chemical reaction by means of its amino or carboxyl group another substance or capture molecules, for example an amino acid residue or a peptide. If a test substance ZB is an N-terminal cysteine linked to biotin via an amide bond, then in a subsequent step streptavidin can be coupled to the surface, whereby, for example, sandwich arrangements (eg insulator layer-biotin-streptavidin-biotinylated component) are possible or formed , If a lipid is selected as the test substance or linker, which preferably comprises a nucleophilic group, preferably thiol, then the area of the insulator layer acted upon with it is functionalized, for example, for the subsequent immobilization of at least partially hydrophobic substances, in particular a transmembrane protein. However, the immobilization on the test substance or the linker can also be carried out chemically, covalently and / or by electrostatic or hydrophilic interactions.
Geeigneterweise
wird als das Linkermolekül bzw.
die Prüfsubstanz
wenigstens ein Crosslinker gewählt,
der bereits über
eine seiner wenigstens zwei Linkerfunktionen chemisch, inbesondere
kovalent, mit einer bioorganischen Substanz, z.B. einem Oligonukleotid
oder einem Protein, verbunden ist und mittels der anderen Funktion,
insbesondere einer nukleophilen Gruppe, vorzugsweise einem Thiol,
an die Isolatorschicht (2) gekoppelt wird.Suitably, at least one crosslinker is selected as the linker molecule or the test substance, which is already chemically, in particular covalently, connected via one of its at least two linker functions with a bioorganic substance, eg an oligonucleotide or a protein, and by means of the other function, in particular a nucleophilic one Group, preferably a thiol, to the insulator layer ( 2 ) is coupled.
Silane
oder quervernetzende Polymere (z.B. PVDF, Cellulose) bildende Substanzen
sind als Linkermoleküle
bzw. Prüfsubstanz
im Sinne der Erfindung nicht geeignet, da sie nur mit vergleichsweise hohem
Aufwand verwendbar sind.silanes
or crosslinking polymers (e.g., PVDF, cellulose) forming substances
are as linker molecules
or test substance
not suitable for the purposes of the invention, since they only with comparatively high
Expenditure can be used.
Besonders
bevorzugt wird durch das erfindunsgemäße Verfahren die mindestens
eine Prüfsubstanz
(5; 8) mit der Mehrzahl ihrer an die Oberfläche gekoppelten
Moleküle
räumlich
gerichtet auf der Isolatoschicht angeordnet, d.h. dass die Moleküle einheitlich,
insbesondere mit einer Vorzugsorientierung, auf der Oberfläche ausgerichtet
sind bzw. angekoppelt werden. Wird als die Prüfsubstanz beispielsweise ein
endständig
mit einer nukleophilen Gruppe, insbesondere einem Thiol, markiertes
Peptid, Protein oder Oligonukleotid gewählt, so wird die Prüfsusbtanz
insbesondere über
die Thiolgruppe an die Anbindungsschicht (2) gekoppelt
und liegt ansonsten frei zugänglich
für die
ggf. nachfolgende Wechselwirkung mit einer Testsubstanz vor.The at least one test substance ( 5 ; 8th ) are arranged with the majority of their coupled to the surface molecules spatially directed on the insulating layer, that is, that the molecules are aligned uniformly, in particular with a preferred orientation, on the surface or are coupled. If, for example, a peptide, protein or oligonucleotide labeled terminally with a nucleophilic group, in particular a thiol, is selected as the test substance, then the test dye substance is in particular bound to the attachment layer via the thiol group (US Pat. 2 ) and is otherwise freely accessible for any subsequent interaction with a test substance.
Werden
vorzugsweise Peptide oder andere synthetisch hergestellte Moleküle, insbesondere
Oligonukleotide, als Prüfsubstanz
gewählt,
so sind diese vorzugsweise einheitlich mit einer nukleophilen Gruppe,
z.B. einem end- oder seitenständigen
Thiol ausgestaltet, wodurch insbesondere auch bei mehreren zumindest
teilweise ähnlichen
Prüfsubstanzen, z.B.
Wildtypsequenz und Mutante, eine besonders einheitliche und gerichtete
Anbindung sowie eine gute Vergleichbarkeit der Ergebnisse gewährleistet wird.Become
preferably peptides or other synthetically produced molecules, in particular
Oligonucleotides, as test substance
selected
so these are preferably uniform with a nucleophilic group,
e.g. an end or side
Thiol designed, which in particular even with several at least
partially similar
Test substances, e.g.
Wild-type sequence and mutant, a particularly uniform and directional
Connection and good comparability of the results is ensured.
Um
eine für
die Verwendung besonders geeignete Anordnung herzustellen, wird
nach der Beaufschlagung der Isolatorschicht mit dem mindestens einen
Medium und der mindestens einen Prüfsubstanz überschüssiges Medium und/oder überschüssige Prüfsubstanz
vorzugsweise durch Waschen von der Oberfläche entfernt.Around
one for
to make the use of a particularly suitable arrangement is
after loading the insulator layer with the at least one
Medium and the at least one test substance excess medium and / or excess test substance
preferably removed by washing from the surface.
In
der Praxis werden bei der Beaufschlagung der Isolatorschicht Volumina
der die Testsubstanz beinhaltenden Lösung gewählt, die zu einem raschen Verdampfen
des Lösungsmittels
unter Normalbedingungen, z.B. bei Raumtemperatur, führen. Die überschüssigen,
nicht gekoppelten Substanzen, die nach Verdampfen des Lösungsmittels
auf der Anordnung verbleiben, werden dann nachfolgend durch Waschen
von der Oberfläche,
vorzugsweise mit einer wässerigen
Flüssigkeit,
bevorzugt einer Pufferlösung,
besonders bevorzugt Wasser, entfernt.In
In practice, volumes are applied when the isolator layer is applied
chosen the solution containing the test substance, which leads to a rapid evaporation
of the solvent
under normal conditions, e.g. at room temperature. The excess,
uncoupled substances after evaporation of the solvent
remain on the assembly are then subsequently washed
from the surface,
preferably with an aqueous
Liquid,
preferably a buffer solution,
particularly preferably water, removed.
Für die Herstellung
verschiedenster Anordnungen, z.B. von Biochips mit gegenüber Aggregatsänderungen
empfindlichen Proteinen, erfolgt die Beaufschlagung mit der Prüfsubstanz
vorzugsweise unterhalb der üblichen
Raumtemperatur, bevorzugt < 23 °C besonders
bevorzugt < 5°C, und ggf.
mit Lösungsmittelzusätzen, die
ein rasches Verdampfen des Lösungsmittels
zumindest behindern, z.B. Öl, und
die Oberfläche
wird nach der Beaufschlagung mit der bzw. den zumindest teilweise
gelösten
Prüfsubstanz/en
und vor dem vollständigen
Verdampfen des Lösungsmittels
entsprechend gewaschen.For the production
various arrangements, e.g. of biochips with respect to aggregate changes
sensitive proteins, the exposure to the test substance takes place
preferably below the usual
Room temperature, preferably <23 ° C especially
preferably <5 ° C, and optionally
with solvent additives, the
a rapid evaporation of the solvent
at least hinder, e.g. Oil, and
the surface
becomes after the admission with the or the at least partially
dissolved
Test substance / s
and before the full one
Evaporation of the solvent
washed accordingly.
Auch
nach großflächiger Beaufschlagung der
Isolatorschicht, z.B. durch Baden oder Benetzen, mit Medium (4)
und/oder Prüfsubstanz
(5) wird die Oberfläche
vorteilhafterweise entsprechend gewaschen.Even after extensive exposure of the insulator layer, eg by bathing or wetting, with medium ( 4 ) and / or test substance ( 5 ), the surface is advantageously washed accordingly.
Für eine besonders
einfache Handhabung wird die Anordnung nach dem Waschen getrocknet oder
ggf. feucht gehalten.For a special
easy handling, the arrangement is dried after washing or
if necessary kept moist.
Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung bzw.
der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Anordnung für
das spezifische Erfassen von Substanzen aus einer Probe, insbesondere für das Erfassen
von Assoziationsereignissen. Die erfindungsgemäße Verwendung ist dadurch gekennzeichnet
dass die Anordnung mit wenigstens einer Probe, nachfolgend auch
Probe (13) genannt, in Kontakt gebracht wird, welche ggf.
eine Testsubstanz, nachfolgend auch als Testsubstanz (14)
bezeichnet, enthält.A further aspect of the invention relates to the use of the arrangement according to the invention or of the arrangement produced by the method according to the invention for the specific detection of substances from a sample, in particular for the detection of association events. The use according to the invention is characterized in that the arrangement with at least one sample, subsequently sample ( 13 ), which may be a test substance, hereinafter also referred to as test substance ( 14 ).
Für die erfindungsgemäße Verwendung
sind prinzipiell alle Standardverfahren oder andere Methoden zum
Gebrauch eines Biochips, bspw. für
einen Immunoassay oder ein Genexpressions-Profiling, geeignet, sowie
alle üblichen
Verfahren, die zum Gebrauch von Biopartikeln, z.B. für Untersuchungen von
Biopartikeln zur Verwendung als Diagnostika, Therapeutika oder Aufreinigungsmittel
oder für
die Herstellung eines therapeutischen Mittels, angewendet werden.For the use according to the invention
are in principle all standard methods or other methods for
Use of a biochip, for example for
an immunoassay or gene expression profiling, as well as
all usual
Methods for the use of bioparticles, e.g. for investigations of
Bioparticles for use as diagnostics, therapeutics or cleansers
or for
the production of a therapeutic agent.
Dazu
wird insbesondere der mindestens/wenigstens eine Bereich (3),
an dem die wenigstens eine Prüfsubstanz
(5) gekoppelt ist, mit der wenigstens einen Probe (13)
in Kontakt gebracht, z.B. durch direktes Aufbringen mittels Pipettieren
der Probe auf den wenigstens einen Bereich oder indirektes Aufbringen
der Probe in der Nähe
des Bereichs, z.B. in bzw. auf dem Umgebungsbereich (10),
und nachfolgende Verteilung bzw. Zuführung zu dem wenigstens einen
Bereich (3). Für
das Inkontaktbringen sind insbesondere alle Standardverfahren oder
andere Methoden geeignet, mittels derer eine zu testende Probe auf
einen Biochip verbracht bzw. einer Festphasengebundenen Prüfsubstanz
zugeleitet werden kann, z.B. mittels üblicher Lab-on-a-Chip-Verfahren.For this purpose, in particular the at least / at least one area ( 3 ) at which the at least one test substance ( 5 ), with the at least one sample ( 13 ), eg by direct application by means of pipetting the sample onto the at least one region or indirect application of the sample in the vicinity of the region, eg in or on the surrounding region ( 10 ), and subsequent distribution or supply to the at least one area ( 3 ). In particular, all standard methods or other methods are suitable for contacting, by means of which a sample to be tested can be placed on a biochip or fed to a solid-phase-bound test substance, for example by means of customary Lab-on-a-Chip methods.
Als
Probe wird insbesondere ein Gas, Feststoff, Flüssigkeit, und/oder ein Gemisch
daraus, verwendet, besonders bevorzugt wird eine Probe verwendet,
die wenigstens eine Testsubstanz beinhaltet, z.B. einen Analyten
und/oder eine Kontrolle, vorzugsweise in einer nachweisbaren Konzentration.When
Specifically, sample is a gas, solid, liquid, and / or mixture
used therefrom, more preferably a sample is used,
which contains at least one test substance, e.g. an analyte
and / or a control, preferably at a detectable concentration.
Besonders
bevorzugt wird als Probe (13) eine Lösung, Emulsion, und/oder Suspension,
die ggf. Mikropartikel oder andere nicht gelöste Komponenten beinhaltet,
vewendet, vorzugsweise wenigstens eine zumindest teilweise gelöste Testsubstanz beinhaltend.Particular preference is given as a sample ( 13 ), a solution, emulsion, and / or suspension, which optionally contains microparticles or other undissolved components uses, preferably, at least one at least partially dissolved test substance including.
In
vorteilhafter Weiterbildung wird als Probe (13) Körperflüssigkeit,
vorzugsweise Urin, Blut oder Serum, Schleim Tränenflüssigkeit, Schweiss, Sperma,
cerospinale Flüssigkeit
und/oder eine Stuhlprobe verwendet oder die Probe enthält diese.In an advantageous embodiment, as a sample ( 13 ) Body fluid, preferably urine, blood or serum, mucus tear fluid, sweat, sperm, cerospinal fluid and / or a stool sample is used or the sample contains these.
Besonders
bevorzugt wird als die wenigstens eine Probe (13) mindestens
zwei unterschiedliche Proben (13; 16) verwendet,
die vorzugsweise ortsadressiert auf die Oberfläche der Anordnung gebracht
werden, insbesondere jeweils auf ein Replikat der gekoppelten Prüfsubstanz/en,
wodurch mit nur einer Anordnung auch unterschiedliche Proben gleichzeitig
untersuchbar sind.Particularly preferred is as the at least one sample ( 13 ) at least two different samples ( 13 ; 16 ), which are preferably placed on the surface of the arrangement in a location-addressed manner, in particular in each case on a replica of the coupled test substance (s), whereby different samples can also be examined simultaneously with only one arrangement.
Besonders
geeignet ist erfindungsgemäß die Verwendung
einer Probe, die als Testsubstanz eine Aminosäure, ein Kohlenhydrat, ein
Lipid, einen Farbstoff, ein Pharmakon, Biotin, ein Linkermolekül, ein Peptid,
ein Oligonukleotid, ein Protein, Zellgewebe, eine Zelle, einen Zellbestandteil,
DNA, RNA, cDNA, mRNA, cRNA, PNA, ein Protein und/oder ein Peptid oder
davon abgeleitete Strukturen enthält oder die Testsubstanz diese
umfasst, z.B. ein Biopartikel ist. Vorzugsweise wird eine Probe
verwendet, die als Testsubstanz (14) einen Antikörper, ein
Enzym, einen Rezeptor, einen Ligand, eine Proteindomäne oder ein
Antikörper-Epitop
beinhaltet, und besonders bevorzugt als IgA, IgG, IgE, IgM, Kinase,
Phosphatase oder Antikörperepitop,
gebildet ist.Particularly suitable according to the invention is the use of a sample containing as test substance an amino acid, a carbohydrate, a lipid, a dye, a drug, biotin, a linker molecule, a peptide, an oligonucleotide, a protein, cell tissue, a cell, a cell constituent, DNA , RNA, cDNA, mRNA, cRNA, PNA, a protein and / or a peptide or structures derived therefrom, or the test substance comprises these, eg a bioparticle. Preferably, a sample is used which is used as test substance ( 14 ), an antibody, an enzyme, a receptor, a ligand, a protein domain or an antibody epitope, and particularly preferably as IgA, IgG, IgE, IgM, kinase, phosphatase or antibody epitope.
In
besonders günstiger
Fortbildung wird eine Probe verwendet, die eine Testsubstanz (14)
enthält, welche
mit der in dem Bereich (3) ohne silanisierte Zwischenschicht
an die Isolatorschicht (2) gekoppelten Prüfsubstanz
(5) wechselwirkt, insbesondere mit der Prüfsusbtanz
(5) assoziiert oder diese enzymatisch verändert.In a particularly favorable development, a sample is used which contains a test substance ( 14 ), which corresponds to that in the field ( 3 ) without silanized intermediate layer to the insulator layer ( 2 ) coupled test substance ( 5 ) interacts, especially with the Prüfsusbtanz ( 5 ) or enzymatically altered.
Besonders
bevorzugt ist erfindungsgemäß die Verwendung
einer Probe, die eine Testsubstanz (13) beinhaltet, die
mit wenigstens einer auf und/oder in dem wenigsten einen Bereich
(3; 8) gekoppelten Prüfsubstanz nachweisbar wechselwirkt.Particularly preferred according to the invention is the use of a sample containing a test substance ( 13 ) with at least one on and / or in the at least one area ( 3 ; 8th ) coupled test substance interacts demonstrably.
In
besonders vorteilhafter Weiterbildung wird eine Probe verwendet,
die eine Testsubstanz (14) enthält, die mit einem strahlungsaktiven
Marker vorzugsweise kovalent verbunden ist, z.B. ein markiertes
Peptid, oder nachfolgend verbunden wird, z.B. durch Inkubation mit
einem markierten Sekundärantikörper.In a particularly advantageous development, a sample is used which contains a test substance ( 14 ), which is preferably covalently linked to a radiation-active marker, for example a labeled peptide, or subsequently connected, for example by incubation with a labeled secondary antibody.
In
einer für
die Auswertung der Anordnung besonders geeigneten Verwendung, wird
nach dem Inkontaktbringen mit der Probe und einer Inkubationszeit,
die insbesondere länger
bzw. > 1 min, bevorzugt > 30 min, besonders
bevorzugt > 1 h ist, überschüssiges Probenmaterial
vorzugsweise durch Waschen von der Oberfläche entfernt, vorzugsweise durch
Waschen mit einer wässerigen
Flüssigkeit,
bevorzugt mit Wasser, besonders bevorzugt mit einem, insbesondere
physiologischen, Puffer. Für
ein besonders einfaches Auslesen wird die Anordnung nach dem Waschen
getrocknet oder ggf. feucht gehalten.In
one for
the evaluation of the arrangement is particularly suitable use
after contacting the sample and incubation time,
especially longer
or> 1 min, preferably> 30 min, especially
preferably> 1 h, excess sample material
preferably removed by washing from the surface, preferably by
Wash with a watery
Liquid,
preferably with water, more preferably with one, in particular
physiological, buffer. For
a particularly simple reading is the arrangement after washing
dried or kept moist if necessary.
In
besonders günstiger
Weiterbildung der erfindungsgemäßen Verwendung
wird die Anordnung, vorzugsweise der wenigstens eine Bereich (3; 8), nach
dem Inkontaktbringen mit der Probe mittels eines extern bzw. periphär angeordneten
Detektors zur Detektion von Strahlung, insbesondere zur Detektion von
Strahlung in den Wellenlängenbereichen
von sichtbarem Licht, UV-Licht oder IR oder zur Detektion von radioaktiver
Strahlung, oder zur Detektion von massenspektrometrisch vermessbaren
Produkten bzw. Parametern, insbesondere mittels eines Scanners,
Imagers oder Massenspektrometers ausgelesen.In a particularly favorable development of the use according to the invention, the arrangement, preferably the at least one area ( 3 ; 8th ), after contacting the sample by means of an externally or peripherally arranged detector for the detection of radiation, in particular for the detection of radiation in the wavelength ranges of visible light, UV light or IR or for the detection of radioactive radiation, or for the detection of mass spectrometry measurable products or parameters, in particular by means of a scanner, imager or mass spectrometer read.
Weitere
Eigenschaften und vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind auch
aus den nachfolgend gegebenen Ausführungsbeispielen ersichtlich.Further
Features and advantageous features of the invention are also
from the examples given below.
In 1 zeigen
schematisch A und C ein Beispiel für den Stand der Technik und
B und D ein Beispiel für
die erfindungsgemäße Anordnung (Schrägansicht
von oben, Ausschnitt aus einem Biochip; bei einem Mikropartikel
ist die Oberfläche
entsprechend vollständig/durchgängig mit
einer Prüfsubstanz
belegt).In 1 schematically show A and C an example of the prior art and B and D an example of the arrangement according to the invention (oblique view from above, section of a biochip, for a microparticle, the surface is fully / consistently occupied by a test substance).
1A:
Auf der Oberfläche
eines Trägersubstrats
(a) aus einer erstarrten Schmelze (Glas) befindet sich eine mittels
Silanisierung abgeschiedene Zweikomponentenschicht (b und c) aus
einem Silanderivat, das über
das molekulare Silizium (b) mit dem Trägersubstrat verbunden ist und
dem organischen Teil (c) des Silanderivats, welcher eine chemische
Funktion bzw. Gruppe aufweist, an die in einem nachfolgenden Schritt
eine oder mehrere Prüfsubstanzen
(d) in Form eines Arrays angebunden sind. Die Areale (Spots) mit
Prüfsubstanzen
sind von der organischen Schicht (c) umgeben, deren reaktive Gruppen
nachfolgend blockiert werden. 1A On the surface of a carrier substrate (a) of a solidified melt (glass) is a silanization deposited two-component layer (b and c) of a silane derivative, which is connected via the molecular silicon (b) to the carrier substrate and the organic part ( c) the silane derivative which has a chemical function or group to which one or more test substances (d) are attached in the form of an array in a subsequent step. The areas (spots) with test substances are surrounded by the organic layer (c), whose reactive groups are subsequently blocked.
1B:
Auf einem Halbleitersubstrat (e) mit den erfindungsgemäßen Merkmalen,
z.B. auf einem Teil eines Silizium Wafers, ist eine erfindungsgemäße anorganische
Isolatorschicht (f), z.B. eine Siliziumdioxidschicht, angeordnet,
an bzw. in deren Oberfläche durch
unmittelbare Wechselwirkung der Oberflächenmoleküle der Isolatorschicht mit
einer chemischen Funktion oder Gruppe (ausgenommen Silane und deren
Derivate) einer Prüfsubstanz,
z.B. mit einem Thiol, eine oder mehrere Prüfsubstanzen (g) gemäß der Erfindung,
z.B. Peptid/e mit einem vorzugsweise endständigen Cysteinrest, angekoppelt
sind, z.B. als Array unterschiedlicher Prüfsubstanzen und/oder unterschiedlicher
Mengen einer Prüfsubstanz,
vorzugsweise als Replika. Beispielhaft befindet sich auf der linken
Seite ein Replika aus zwei identischen Spots einer Prüfsubstanz,
auf der rechten Seite ist ein Spot mit einer niedrigeren Konzentration
derselben Prüfsubstanz
(vorne) sowie ein Spot einer zweiten Prüfsubstanz (hinten) angeordnet.
Die Areale (Spots) mit Prüfsubstanzen
sind von der anorganischen Isolatorschicht umgeben, die ggf. nachfolgend,
z.B. mit einem Thiol oder Blockierungsreagens oder bei der erfindungsgemäßen Verwendung,
z.B. durch Inkontaktbringen mit Körperflüssigkeit, blockiert wird. 1B On an semiconductor substrate (s) having the features according to the invention, eg on a part of a silicon wafer, an inorganic insulator layer (f) according to the invention, eg a silicon dioxide layer, is arranged on or in the surface thereof by direct interaction of the surface molecules of the insulator layer with one another chemical function or group (except silanes and their derivatives) of a test substance, eg with a thiol, one or more test substances (g) according to the invention, eg peptide / s with a preferably terminal cysteine residue, are coupled, eg as an array of different test substances and / or different amounts of a test substance, preferably as a replica. By way of example, on the left side, a replica of two identical spots of a test substance is located, on the right side a spot with a lower concentration of the same test substance (front) and a spot of a second test substance (rear) is arranged. The areas (spots) with test substances are surrounded by the inorganic insulator layer, which is optionally blocked subsequently, for example with a thiol or blocking reagent or during the use according to the invention, for example by bringing it into contact with body fluid.
1C:
Schematischer Querschnitt durch die Anordnung (1A)
im Bereich der angebundenen Prüfsubstanz/en.
Die Anordnung umfasst eine großflächige organische
Schicht aus Silanderivat (c), an die ortsadressiert die Prüfsubstanzen
(d) angebunden sind. Da die organische Schicht (c) in der Regel
Kohlenwasserstoffverbindungen aufweist, kann es zu störenden Wechselwirkungen
zwischen der organischen Schicht (c) und der/den Prüfsubstanzen kommen. 1C : Schematic cross section through the arrangement ( 1A ) in the area of the bound test substance (s). The arrangement comprises a large-area organic layer of silane derivative (c) to which the test substances (d) are attached in a localized manner. Since the organic layer (c) usually has hydrocarbon compounds, interfering interactions between the organic layer (c) and the test substance (s) may occur.
1D:
Schematischer Querschnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung
(1B) im Bereich der angekoppelten Prüfsubstanzen.
Die Prüfsubstanzen
bzw. die unterschiedlichen lateralen Konzentration einer Prüfsubstanz
haften direkt an den Oberflächenmolekülen der
anorganischen Isolatorschicht (f) auf oder in der anorganischen
Isolatorschicht (h). 1D : Schematic cross section through the arrangement according to the invention ( 1B ) in the range of the coupled test substances. The test substances or the different lateral concentration of a test substance adhere directly to the surface molecules of the inorganic insulator layer (f) on or in the inorganic insulator layer (h).
In 2 zeigen
A und D ein Beispiel für
die erfindungsgemäße Anordnung
mit Glas als Trägersubstrat
entsprechend der weiteren Lösung
der erfindungsgemäßen Aufgabe,
B und E ein Beispiel für eine
besondere Ausführungsform
der Erfindung, sowie C und F je ein Beispiel für die erfindungsgemäße Anordnung
mit einem nicht in Wasser löslichen
Feststoff als Substrat entsprechend der anderen Lösung der
erfindungsgemäßen Aufgabe.In 2 A and D show an example of the inventive arrangement with glass as the carrier substrate according to the further solution of the object according to the invention, B and E an example of a particular embodiment of the invention, and C and F each an example of the inventive arrangement with a non-water soluble solid as a substrate according to the other solution of the object of the invention.
2A:
Auf einem Glassubstrat (a) mit den erfindungsgemäßen Merkmalen, z.B. auf einem
Glaschip, ist eine erfindungsgemäße Glasoberflächenschicht
(b), die nicht organisch oder metallisch modifiziert ist, angeordnet,
an bzw. in deren Oberfläche durch
unmittelbare Wechselwirkung der Oberflächenmoleküle der Isolatorschicht mit
einer chemischen Funktion oder Gruppe (ausgenommen Silane und deren
Derivate) einer Prüfsubstanz,
z.B. mit einem Thiol, eine oder mehrere Prüfsubstanzen (c) gemäß der Erfindung,
z.B. Peptid/e mit einem vorzugsweise endständigen Cysteinrest, angekoppelt
sind, z.B. als Array unterschiedlicher Prüfsubstanzen und/oder unterschiedlicher
Mengen einer Prüfsubstanz,
vorzugsweise als Replika. Beispielhaft befindet sich auf der linken
Seite ein Replika aus zwei identischen Spots einer Prüfsubstanz,
auf der rechten Seite ist ein Spot mit einer niedrigeren Konzentration
derselben Prüfsubstanz
(vorne) sowie ein Spot einer zweiten Prüfsubstanz (hinten) angeordnet.
Die Areale (Spots) mit Prüfsubstanzen
sind von der Glasoberflächenschicht
(b) umgeben, die ggf. nachfolgend, z.B. mit einem Thiol oder Blockierungsreagens oder
bei der erfindungsgemäßen Verwendung,
z.B. durch Inkontaktbringen mit Körperflüssigkeit, blockiert wird. 2A On a glass substrate (a) having the features according to the invention, eg on a glass chip, a glass surface layer (b) according to the invention, which is not organically or metallically modified, is arranged on or in the surface thereof by direct interaction of the surface molecules of the insulator layer with one another chemical function or group (except silanes and their derivatives) of a test substance, eg with a thiol, one or more test substances (c) according to the invention, eg peptide / s with a preferably terminal cysteine residue, are coupled, eg as an array of different test substances and / or different amounts of a test substance, preferably as a replica. By way of example, on the left side, a replica of two identical spots of a test substance is located, on the right side a spot with a lower concentration of the same test substance (front) and a spot of a second test substance (rear) is arranged. The areas (spots) with test substances are surrounded by the glass surface layer (b), which may be subsequently, for example with a thiol or blocking reagent or blocked in the use according to the invention, for example by bringing it into contact with body fluid.
2B:
Auf einem Feststoff (d), der als Feststoff gemäß der weiteren Lösung der
erfindungsgemäßen Aufgabe
gebildet ist, insbesondere mit den erfindungsgemäßen Merkmalen, z.B. auf einem Kunststoff,
ist Silizium (e), z.B. durch Bedampfung oder Besputtern der Feststoffoberfläche mit
einem Silan, abgeschieden, das im Bereich seiner Oberfläche oxidiert
ist, z.B. als natürliches
Oxid vorliegt, so dass auf dem Feststoff eine Siliziumschicht (f)
und eine darauf befindliche Siliziumdioxidschicht (g) angeordnet
ist, an bzw. in deren Oberfläche
durch unmittelbare Wechselwirkung der Oberflächenmoleküle der Isolatorschicht mit
einer chemischen Funktion oder Gruppe (ausgenommen Silane und deren
Derivate) einer Prüfsubstanz,
z.B. mit einem Thiol, eine oder mehrere Prüfsubstanz/en (h) gemäß der Erfindung,
z.B. Peptid/e mit einem vorzugsweise endständigen Cysteinrest, angekoppelt
sind, z.B. als Array unterschiedlicher Prüfsubstanzen und/oder unterschiedlicher
Mengen einer Prüfsubstanz,
vorzugsweise als Replika. Beispielhaft befindet sich auf der linken
Seite ein Replika aus zwei identischen Spots einer Prüfsubstanz,
auf der rechten Seite ist ein Spot mit einer niedrigeren Konzentration
derselben Prüfsubstanz
(vorne) sowie ein Spot einer zweiten Prüfsubstanz (hinten) angeordnet.
Die Areale (Spots) mit Prüfsubstanz/en
sind von der Siliziumdioxidschicht (g) umgeben, die ggf. nachfolgend,
z.B. mit einem Thiol oder Blockierungsreagens oder bei der erfindungsgemäßen Verwendung,
z.B. durch Inkontaktbringen mit Körperflüssigkeit, blockiert wird. 2 B On a solid (d), which is formed as a solid according to the further solution of the object according to the invention, in particular with the inventive features, for example on a plastic, silicon (e), for example by vapor deposition or sputtering of the solid surface with a silane, deposited , which is oxidized in the region of its surface, for example present as a natural oxide, so that on the solid a silicon layer (f) and a silicon dioxide layer (g) located thereon is arranged on or in the surface thereof by direct interaction of the surface molecules of the insulator layer a chemical function or group (except silanes and their derivatives) of a test substance, eg with a thiol, one or more test substance (s) (h) according to the invention, eg peptide / s with a preferably terminal cysteine residue, are coupled, eg as array different Test substances and / or different amounts of a test substance, preferably as a replica. By way of example, on the left side, a replica of two identical spots of a test substance is located, on the right side a spot with a lower concentration of the same test substance (front) and a spot of a second test substance (rear) is arranged. The areas (spots) with test substance (s) are surrounded by the silicon dioxide layer (g), which is optionally blocked subsequently, for example with a thiol or blocking reagent or during the use according to the invention, for example by bringing it into contact with body fluid.
2C:
Auf einem erfindungsgemäßen Feststoff
(i), z.B. auf einem Kunststoff, ist eine Siliziumoxidschicht (j),
z.B. durch Abscheidung von Siliziumdioxid (z.B. aus einem Plasma),
angeordnet, an bzw. in deren Oberfläche durch unmittelbare Wechselwirkung
der Oberflächenmoleküle der Siliziumdioxidschicht
mit einer chemischen Funktion oder Gruppe (ausgenommen Silane und
deren Derivate) einer Prüfsubstanz,
z.B. mit einem Thiol, eine oder mehrere Prüfsubstanz/en (k) gemäß der Erfindung,
z.B. Peptid/e mit einem vorzugsweise endständigen Cysteinrest, angekoppelt
sind, z.B. als Array unterschiedlicher Prüfsubstanzen und/oder unterschiedlicher
Mengen einer Prüfsubstanz,
vorzugsweise als Replika. Beispielhaft befindet sich auf der linken
Seite ein Replika aus zwei identischen Spots einer Prüfsubstanz,
auf der rechten Seite ist ein Spot mit einer niedrigeren Konzentration
derselben Prüfsubstanz (vorne)
sowie ein Spot einer zweiten Prüfsubstanz (hinten)
angeordnet. Die Areale (Spots) mit Prüfsubstanz/en sind von der Siliziumdioxidschicht
(j) umgeben, die ggf. nachfolgend, z.B. mit einem Thiol oder Blockierungsreagens
oder bei der erfindungsgemäßen Verwendung,
z.B. durch Inkontaktbringen mit Körperflüssigkeit, blockiert wird. 2C On a solid according to the invention (i), for example on a plastic, a silicon oxide layer (j), for example by deposition of silicon dioxide (eg from a plasma), arranged on or in the surface by direct interaction of the surface molecules of the silicon dioxide layer with a chemical function or group (except silanes and their derivatives) of a test substance, for example with a thiol, one or more test substance (s) (k) according to the invention, eg peptide / s with a preferably terminal cysteine residue, are coupled, eg as an array of different test substances and / or different amounts of a test substance, preferably as a replica. By way of example, on the left side, a replica of two identical spots of a test substance is located, on the right side a spot with a lower concentration of the same test substance (front) and a spot of a second test substance (rear) is arranged. The areas (spots) with test substance (s) are surrounded by the silicon dioxide layer (j), which is optionally blocked subsequently, for example with a thiol or blocking reagent or during the use according to the invention, for example by bringing it into contact with body fluid.
2D:
Schematischer Querschnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung
(2A) im Bereich der angekoppelten Prüfsubstanz/en.
Die Prüfsubstanzen
bzw. die unterschiedlichen Mengen einer Prüfsubstanz haften direkt an
den Oberflächenmolekülen der
Glasoberflächenschicht
(b) auf oder in der Glasoberflächenschicht
(k). 2D : Schematic cross section through the arrangement according to the invention ( 2A ) in the area of the coupled test substance (s). The test substances or the different amounts of a test substance adhere directly to the surface molecules of the glass surface layer (b) on or in the glass surface layer (k).
2E:
Schematischer Querschnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung
(2B) im Bereich der angekoppelten Prüfsubstanzen.
Die Prüfsubstanzen
bzw. die unterschiedlichen Mengen einer Prüfsubstanz haften direkt an
den Oberflächenmolekülen der
Siliziumdioxidschicht (g) auf oder in der Siliziumdioxidschicht
(I). 2E : Schematic cross section through the arrangement according to the invention ( 2 B ) in the range of the coupled test substances. The test substances or the different amounts of a test substance adhere directly to the surface molecules of the silicon dioxide layer (g) on or in the silicon dioxide layer (I).
2F:
Schematischer Querschnitt durch die erfindungsgemäße Anordnung
(2C) im Bereich der angekoppelten Prüfsubstanzen.
Die Prüfsubstanzen
bzw. die unterschiedlichen Mengen einer Prüfsubstanz haften direkt an
den Oberflächenmolekülen der
Siliziumdioxidschicht (j) auf oder in der Siliziumdioxidschicht
(m). 2F : Schematic cross section through the arrangement according to the invention ( 2C ) in the range of the coupled test substances. The test substances or the different amounts of a test substance adhere directly to the surface molecules of the silicon dioxide layer (j) on or in the silicon dioxide layer (m).
3 zeigt
schematisch Querschnitte (entsprechend 1D) von
typischen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung." Die Schraffierung/Muster
des Halbleitersubstrats, der anorganischen Isolatorschicht und der
angekoppelten Prüfsubstanzen
ist entsprechend 1D. 3 schematically shows cross sections (corresponding to 1D ) of typical embodiments of the inventive arrangement. "The hatching / pattern of the semiconductor substrate, the inorganic insulator layer and the coupled test substances is corresponding 1D ,
Gemäß der anderen
und der weiteren Lösung
der erfindungsgemäßen Aufgabe
(entsprechend den 2A oder C) entspricht die grob
schraffierte Fläche
der 3A-G dem Querschnitt des Glassubstrats bzw. des
Feststoffs und die fein schraffierte/n Fläche/n dem/den Querschnitt/en
der Glasoberflächenschicht/en
bzw. der Siliziumdioxidschicht/en.According to the other and the further solution of the object according to the invention (corresponding to the 2A or C) corresponds to the roughly hatched area of the 3A -G the cross-section of the glass substrate or the solid and the finely hatched area (s) of the cross-section (s) of the glass surface layer (s) or the silicon dioxide layer (s).
3A zeigt
eine Anordnung, bei der die Oberfläche des Halbleitersubstrats
vollständig
mit einer anorganischen Isolatorschicht, vorzugsweise einheitlicher
Dicke/Höhe,
belegt ist. 3A shows an arrangement in which the surface of the semiconductor substrate is completely covered with an inorganic insulator layer, preferably uniform thickness / height.
3B zeigt
eine Anordnung bei der zwei Seiten des Halbleitersubstrats (Oberseite
und Unterseite) mit einer anorganischen Isolatorschicht der Dicke/Höhe x, z.B.
einer Siliziumdioxidschicht, belegt sind und wenigstens zwei Seiten
mit einer anorganischen Isolatorschicht, z.B. einer Siliziumdioxidschicht,
der Dicke/Höhe ≤ x belegt
sind, z.B. eine Anordnung mit einem Chip der aus einem thermisch
oxidierten Silizum-Wafer mit einer Oxiddicke > 4 nm gesägt ist und an dessen Seitenflächen ein
natürliches Siliziumoxid ≤ 4 nm gebildet
ist. 3B shows an arrangement in which two sides of the semiconductor substrate (top and bottom) with an inorganic insulator layer of thickness / height x, for example, a silicon dioxide layer, occupied and at least two sides with an inorganic insulator layer, such as a silicon dioxide layer, the thickness / height ≤ x occupied are, for example, an arrangement with a chip which is sawn from a thermally oxidized silicon wafer with an oxide thickness> 4 nm and on whose side surfaces a natural silicon oxide ≤ 4 nm is formed.
3C zeigt
eine Anordnung bei dem das Halbleitersubstrats nicht vollständig mit
der anorganischen Isolatorschicht bedeckt ist, an die ortsadressiert
wenigstens zwei Prüfsubstanzen
bzw. wenigstens zwei unterscheidlche Mengen einer Prüfsubstanz
angekoppelt sind. 3C shows an arrangement in which the Semiconductor substrate is not completely covered with the inorganic insulator layer, are coupled to the location addressed at least two test substances or at least two unterschiedlcheche amounts of a test substance.
3D zeigt
eine Anordnung bei der wenigstens zwei räumlich getrennte anorganische
Isolatorschichten in der Oberfläche
das Halbleitersubstrats gebildet sind, an die ortsadressiert jeweils
wenigstens zwei Prüfsubstanzen
bzw. wenigstens zwei unterschiedliche Mengen einer Prüfsubstanz
angekoppelt sind. 3D shows an arrangement in which at least two spatially separated inorganic insulator layers are formed in the surface of the semiconductor substrate to which at least two test substances or at least two different amounts of a test substance are respectively coupled.
3E zeigt
eine Anordnung bei der wenigstens zwei räumlich getrennte anorganische
Isolatorschichten in der Oberfläche
das Halbleitersubstrats gebildet sind, an die jeweils eine von wenigstens
zwei Prüfsubstanzen
bzw. jeweils eine Menge von wenigstens zwei unterscheidlichen Mengen
einer Prüfsubstanz
angekoppelt ist, wobei die Flächen
der anorganische Isolatorschichten größer (links) und/oder identisch
(rechts) mit der mit Prüfsubstanz
beaufschlagten Fläche
sind. 3E shows an arrangement in which at least two spatially separated inorganic insulator layers are formed in the surface of the semiconductor substrate, to each of which one of at least two test substances or in each case a quantity of at least two different amounts of a test substance is coupled, wherein the surfaces of the inorganic insulator layers larger ( left) and / or identical (right) with the surface exposed to the test substance.
3F zeigt
eine Anordnung bei der wenigstens zwei räumlich getrennte anorganische
Isolatorschichten auf der Oberfläche
des Halbleitersubstrats gebildet sind, an die ortsadressiert jeweils
wenigstens zwei Prüfsubstanzen
bzw. wenigstens zwei unterschiedliche Mengen einer Prüfsubstanz
gekoppelt sind. 3F shows an arrangement in which at least two spatially separated inorganic insulator layers are formed on the surface of the semiconductor substrate to which at least two test substances or at least two different amounts of a test substance are respectively coupled.
4 zeigt
schematisch besondere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung.
Die Schraffierung/Muster des Halbleitersubstrats, der anorganischen
Isolatorschicht und der angekoppelten Prüfsubstanzen ist entsprechend 1D.
Gemäß der anderen
und der weiteren Lösung
der erfindungsgemäßen Aufgabe
(entsprechend den 2A oder C) entspricht die grob
schraffierte Fläche
der 3A-G dem Querschnitt des Glassubstrats bzw. des
Feststoffs und die fein schraffierte/n Fläche/n dem/den Querschnitt/en
der Glasoberflächenschicht/en
bzw. der Siliziumdioxidschicht/en. 4 schematically shows special embodiments of the inventive arrangement. The hatching / pattern of the semiconductor substrate, the inorganic insulator layer and the coupled test substances is corresponding 1D , According to the other and the further solution of the object according to the invention (corresponding to the 2A or C) corresponds to the roughly hatched area of the 3A -G the cross-section of the glass substrate or the solid and the finely hatched area (s) of the cross-section (s) of the glass surface layer (s) or the silicon dioxide layer (s).
4A zeigt
einen Querschnitt durch eine Anordnung mit Vertiefungen in der Oberfläche, wobei die
Prüfsubstanz/en
an und/oder in den Vertiefungen, die z.B. als Hohlzylinder, als
Hohlkegel, als Nuten oder als eine Kombination daraus gebildet sind,
gekoppelt sind. 4A shows a cross-section through an arrangement with recesses in the surface, wherein the test substance (s) are coupled to and / or in the depressions, which are formed for example as a hollow cylinder, as a hollow cone, as grooves or as a combination thereof.
4B zeigt
einen Querschnitt durch eine Anordnung mit durchgängigen Aussparungen
in dem Halbleitersubstrat, die z.B. als Bohrung oder Kanäle gebildet
sind, wobei die Prüfsubstanz/en
an und/oder in den Aussparungen, gekoppelt sind. 4B shows a cross-section through an arrangement with continuous recesses in the semiconductor substrate, which are formed for example as a bore or channels, wherein the test substance (s) are coupled to and / or in the recesses.
4C zeigt
eine Aufsicht auf eine Anordnung gemäß 4A. 4C shows a plan view of an arrangement according to 4A ,
4D zeigt
eine Aufsicht auf eine Anordnung gemäß 4B. 4D shows a plan view of an arrangement according to 4B ,
Unterschiedlichste
Ausführungsformen
der Erfindung wurden getestet, die im Folgenden anhand von nicht
erschöpfenden
Beispielen gemäß den 5-15 erläutert
werden.Various embodiments of the invention have been tested, which are described below on the basis of non-exhaustive examples according to FIGS 5 - 15 be explained.
Als
Halbleitersubstrat wurde Silizium in unterschiedlichen Ausführungsformen
(einkristallines Silizium mit einer {111}, {100} oder {110} Orientierung,
polykristallines Silizium oder amorphes Silizium, das p- (mit Bor)
oder n- (mit Phosphor, Antimon oder Arsen) oder nicht dotiert war
und einen elektrischen Widerstand abhängig von der Dotierung aufwies,
wobei die Oberfläche
des Sililziums atomar glatt, rau, poliert, nicht poliert, oder porös gebildet war)
verwendet, wobei das Silizium entweder als Wafer oder als Teil davon
gebildet war oder auf unterschiedlichen Feststoffen (Plastik, Holz,
Metalle (z.B. Aluminium) oder Glas) abgeschieden war. Als Glassubstrat
gemäß der anderen
Lösung
der erfindungsgemäßen Aufgabe
wurden Objektträger
aus Glas und als Feststoff gemäß der weiteren
Lösung
der erfindungsgemäßen Aufgabe
wurden Kunststoffträger oder
Polymerfolien verwendet.When
Semiconductor substrate was silicon in different embodiments
(single crystal silicon with a {111}, {100} or {110} orientation,
polycrystalline silicon or amorphous silicon, the p- (with boron)
or n- (with phosphorus, antimony or arsenic) or was not doped
and had an electrical resistance depending on the doping,
the surface
the silicium was atomically smooth, rough, polished, not polished, or porous)
used, with the silicon either as a wafer or as part of it
was formed or on different solids (plastic, wood,
Metals (e.g., aluminum) or glass). As a glass substrate
according to the other
solution
the task of the invention
were slides
of glass and as a solid according to the others
solution
the task of the invention
were plastic carriers or
Polymer films used.
Als
anorganische Isolatorschicht wurde Siliziumdioxid in verschiedenen
Ausgestaltungen verwendet, das als natives oder thermisches Oxid
unterschiedlicher Dicke auf bzw. aus dem Silizium gebildet war,
als Glasoberflächenschicht
gemäß der anderen Lösung der
erfindungsgemäßen Aufgabe
wurden nicht organisch oder metallisch modifizierte Oberflächen von
Glas-Objektträgern
verwendet, und als Siliziumoxidschicht gemäß der weiteren Lösung der
erfindungsgemäßen Aufgabe
wurden auf dem Feststoff abgeschiedene Siliziumoxidschichten verwendet.When
inorganic insulator layer was silicon dioxide in different
Embodiments used as a native or thermal oxide
different thickness was formed on or from the silicon,
as glass surface layer
according to the other solution of
inventive task
were not organically or metallically modified surfaces of
Glass slides
used as a silicon oxide layer according to the further solution of
inventive task
For example, silicon oxide films deposited on the solid were used.
Die
mit Prüfsubstanzen
zu beschichtenden Oberflächen
wurden entweder aufeinanderfolgend mit einem organischen Lösungsmittel
und einem wässerigen
Lösungsmittel
bzw. wässeriger
Lösung
in Kontakt gebracht, oder wurden mit einem Gemisch mit einem organischen
und einem wässerigen
Lösungsmittel
in Kontakt gebracht, oder waren nicht behandelt. Für die Herstellung
von Arrays wurden die mit Flüssigkeit
beaufschlagten Oberflächen
getrocknet.The
with test substances
to be coated surfaces
were either sequentially with an organic solvent
and a watery one
solvent
or aqueous
solution
were contacted, or were mixed with an organic
and a watery one
solvent
contacted or were not treated. For the production
Arrays were filled with liquid
exposed surfaces
dried.
Als
Prüfsubstanzen
wurden insbesondere Peptide, Proteine, Oligonukleotide oder kleine
(Molmasse > 75 und < 2000 g/mol) organische
Moleküle verwendet,
die gelöst
in Wasser oder einer wässerigen
Lösung,
jeweils mit oder ohne Zusatz eines organischen Lösungsmittles vorlagen.When
test substances
were in particular peptides, proteins, oligonucleotides or small
(Molecular weight> 75 and <2000 g / mol) organic
Used molecules
the solved
in water or in a watery one
Solution,
each with or without the addition of an organic solvent.
Die
Lösungen
der Prüfsubstanzen
wurden entweder mittels einer Pipette, eines Pipettierautomaten
oder eines Arrayers auf die anorgansiche Isolatorschicht oder die
Glasoberglächenschicht
oder die Siliziumoxidschicht aufgebracht, oder die jeweilige zu
beschichtende Oberfläche
wurde mit der Lösung
der Prüfsubstanz/en
benetzt oder vollständig gebadet.
Für die
Herstellung von Sandwichanordnungen, z.B. Biotin/Streptavidin/biotinylierte
Prüfsubstanz,
wurde die Oberfläche
aufeinanderfolgend mit den verschiedenen Bestandteilen der Sandwichanordnung
beaufschlagt, z.B. größflächig mit
Thio-Biotin und Streptavidin, und anschließend ortsadressiert mit biotinlyierten
Peptiden, Proteinen oder Oligonukleotiden, z.B. als Array.The solutions of the test substances were either by means of a pipette, an automatic pipettor or an arrayer on the inorganic insulator layer or the Glasoberglächenschicht or the silicon oxide layer applied, or the respective surface to be coated was wetted with the solution of the test substance (s) or completely bathed. For the preparation of sandwich arrangements, eg biotin / streptavidin / biotinylated test substance, the surface was successively loaded with the various components of the sandwich arrangement, for example over a large area with thio-biotin and streptavidin, and then localized with biotinylated peptides, proteins or oligonucleotides, eg as an array.
Überschüssige, d.h.
nicht gekoppelte, Prüfsubstanz
wurde ggf. nachfolgend durch Waschen von der Oberfläche entfernt
und/oder die nicht mit Prüfsubstanz
belegten Bereiche der Oberfläche
wurden mittels Blockierungsreagenz, z.B. Blockierungspuffer und/oder
einem Nukleophil, z.B. Thiol, blockiert.Excess, i.
uncoupled, test substance
was optionally subsequently removed by washing from the surface
and / or not with test substance
occupied areas of the surface
were blocked by blocking reagent, e.g. Blocking buffer and / or
a nucleophile, e.g. Thiol, blocked.
Überschüssiges Blockierungsreagens
wurde ggf. durch Waschen von der Oberfläche entfernt und/oder die Oberfläche der
Anordnung getrocknet.Excess blocking reagent
was optionally removed by washing from the surface and / or the surface of
Arrangement dried.
Nachfolgend
erfolgte die Inkubation der Anordnung mit wenigstens einer Lösung, die
wenigstens eine zumindest teilweise gelöste Testsubstanz enthielt,
insbesondere Peptide, Proteine, Oligonukleotide, Zellkompartimente,
Zellen und/oder kleine (Molmasse > 75
und < 2000 g/mol)
organische Moleküle,
wobei die Lösung
mit der Testsubstanz ggf. nach der Inkubation von der Oberfläche entfernt
wurde und/oder die Oberfläche
gewaschen und/oder getrocknet wurde.following
followed by incubation of the assembly with at least one solution, the
contained at least one at least partially dissolved test substance,
especially peptides, proteins, oligonucleotides, cell compartments,
Cells and / or small (molecular weight> 75
and <2000 g / mol)
organic molecules,
being the solution
with the test substance if necessary after incubation removed from the surface
was and / or the surface
washed and / or dried.
Ggf.
wurde die Anordnung nachfolgend mit einer gelösten markierten Sonde, z.B.
einem Farbstoff-markierten Sekundärantikörper, inkubiert, welcher ggf.
im Anschluss von der Oberfläche
entfernt wurde und/oder die Oberfläche der Anordnung gewaschen
und/oder getrocknet.Possibly.
the assembly was subsequently probed with a dissolved labeled probe, e.g.
a dye-labeled secondary antibody, which optionally
following from the surface
was removed and / or washed the surface of the assembly
and / or dried.
Die
Auswertung der Anordnungen erfolgte mit Hilfe eines Imagers, eines
Scanners oder eines MALDI-Massensprektrometres.The
Evaluation of the arrangements was carried out with the help of an imager, a
Scanner or a MALDI mass spectrometer.
5 zeigt
bspw. das Aufspotten (Pipetieren mittels eines Pipettierautomaten)
von biotinyliertem Cystein (d.h. Biotin, dass über seine Carboxylgruppe als
Amid mit der Aminogruppe von L-Cystein verbunden ist), (1 mM, 0,1
mM und 0,01 mM gelöst
in Natriumphosphatpuffer pH 7,4, 1% v/v NMP) auf gesägten Si-Wafer
(p-dotiert, Bor, 111-Orientierung, Größe 75mm × 25mm × 1 mm+– 0,1mm, polierte Seite, thermisches
Oxid 1000A+–70,
Spotdurchmesser ca. 1mm). 5 shows, for example, spotting (pipetting by means of a pipetting automat) biotinylated cysteine (ie biotin linked via its carboxyl group as amide to the amino group of L-cysteine), (1 mM, 0.1 mM and 0.01 mM dissolved in Sodium phosphate buffer pH 7.4, 1% v / v NMP) on sawn Si wafers (p-doped, boron, 111 orientation, size 75mm × 25mm × 1mm + - 0.1mm, polished side, thermal oxide 1000A + -70, Spot diameter approx. 1mm).
6 zeigt
bspw. aufgespottetes biotinyliertes Cystein (1 mM, 0,1 mM, 0,01
mM) auf gesägtem Si-Wafer
(p-dotiert, Bor, 111-Orientierung, Größe 75mm × 25mm × 1 mm+– 0,1mm, unpolierte Seite, thermisches
Oxid 1000A+–70,
Spotdurchmesser ca. 1mm). 6 shows, for example, spotted biotinylated cysteine (1 mM, 0.1 mM, 0.01 mM) on sawn Si wafer (p-doped, boron, 111 orientation, size 75mm x 25mm x 1mm + - 0.1mm, unpolished side , thermal oxide 1000A + -70, spot diameter approx. 1mm).
7 zeigt
bspw aufgespottetes biotinyliertes Cystein (1 mM, 0,1 mM, 0,01 mM)
auf gesägtem Si-Wafer
(p-dotiert, Bor, 111-Orientierung, Größe 75mm × 25mm × 1mm+-0,1 mm), unpolierte Seite, thermisches
Oxid 1000A+-70, Spotdurchmesser ca. 1mm, nach der Inkubation mit
HRP-markiertem Streptavidin und Sichtbarmachen mit Luminol an einem
Lumi-Imager zeigt Signale, die abhängig von der Konzentration
der aufgebrachten Prüfsubstanz
sind. 7 shows, for example, spotted biotinylated cysteine (1 mM, 0.1 mM, 0.01 mM) on sawn Si wafer (p-doped, boron, 111 orientation, size 75mm x 25mm x 1mm + -0.1mm), unpolished side 1mm, after incubation with HRP-labeled streptavidin and visualization with luminol on a Lumi imager shows signals which are dependent on the concentration of the applied test substance.
8 zeigt
bspw. aufgespottetes biotinyliertes Cystein (1 mM, 0,1 mM, 0,01
mM) auf gesägten Si-Wafer
(p-dotiert, Bor, 111-Orientierung, Größe 75mm × 25mm × 1mm+-0,1 mm), unpolierte Seite, thermisches
Oxid 1000A+-70, Spotdurchmesser ca. 1mm, nach Langzeitest, inkubiert
nach 3 Monaten mit HRP-markiertem Streptavidin und Sichtbarmachen mit
Luminol am Lumi-(mager, Lagerung bei 25°C, 4°C und –20°C (von oben nach unten). 8th shows, for example, spotted biotinylated cysteine (1 mM, 0.1 mM, 0.01 mM) on sawn Si wafers (p-doped, boron, 111 orientation, size 75mm x 25mm x 1mm + -0.1mm), unpolished 1mm, after long-term test, incubated after 3 months with HRP-labeled streptavidin and visualized with luminol on lumi- (lean, storage at 25 ° C, 4 ° C and -20 ° C (side), thermal oxide 1000A + -70. from top to bottom).
9 zeigt
bspw. gespottete Tab2-Peptide (in 0,1 M TBS-Puffer, der Konzentrationen
IM, 0,1 M, 0,01 M) N-terminal mit Cystein verlängert (Kolonnen1-6; Kolonnen
7-9 ohne Verlängerung)
inkubiert mit Antikörpersandwich
nach 30 Tagen, auf gesägten
Si-Wafer (p-dotiert, Bor, 111-Orientierung, Größe 75mm × 25mm × 1 mm+– 0,1 mm), unpolierte Seite,
thermisches Oxid 1000 A+–70,
Spottdurchmesser ca. 1mm, oberes Bild detektiert am Lumi-Imager
mit HRP-markiertem Antikörper,
unteres Bild detektiert am Affymetrix Scanner mit Fluoreszensfarbstoff-
markiertem Antikörper. 9 For example, spotted Tab2 peptides (in 0.1 M TBS buffer containing concentrations of IM, 0.1 M, 0.01 M) are N-terminally extended with cysteine (columns 1-6, columns 7-9 without extension) with antibody sandwich after 30 days, on sawn Si wafer (p-doped, boron, 111 orientation, size 75mm × 25mm × 1mm + - 0.1mm), unpolished side, thermal oxide 1000 A + -70, tapping diameter about 1mm Upper image detected on the Lumi imager with HRP-labeled antibody, lower image detected on the Affymetrix scanner with fluorescence-dye-labeled antibody.
10 zeigt
schematisch Beispiele von Prüfsubstanzen
(Cystein-Biotin, Protein (Streptavidin), Peptid (Antikörperepitop)),
die großflächig an die
Oberfläche
von quadratischen Silizium-Chips angekoppelt und mittels derer nachfolgend
Testsubstanzen (Streptavidin, Biotin und monoklonaler Antikörper) aus
einer Testlösung
mittels Chemilumineszenz nachgewiesen werden (oben, der nicht leuchtende
Chip ist die Negativkontrolle). 10 schematically shows examples of test substances (cysteine-biotin, protein (streptavidin), peptide (antibody epitope)), the large surface coupled to the surface of square silicon chips and by means of which subsequently test substances (streptavidin, biotin and monoclonal antibody) from a test solution by means of chemiluminescence be detected (above, the non-luminous chip is the negative control).
11 zeigt
schematisch die ortsadressierte Anbindung von Biotin auf einer anorganischer
Isolatorschicht auf einem Halbleitersubstrat (dreieckig). Dazu wird
eine Biotin-Cystein-Lösung
auf die Isolatorschicht pipettiert und anschließnd mit HRP-markiertem Streptavidin
nachgeweisen. Die Chemolumineszenz-Signale sind identisch mit den
Pipettierungsstellen. Dadurch wird deutlich wie einfach und gezielt
die Funktionalisierung der Oberfläche erfolgen kann sowie der
weitere Vorteil des Chips, nämlich
dass der einfach für
die Verwendung für
Sandwich-Immobilisierungen (z.B. Biotin-Streptavidin-biotinylierter
Antikörper)
nutzbar ist. 11 schematically shows the location-addressed binding of biotin on an inorganic insulator layer on a semiconductor substrate (triangular). For this purpose, a biotin-cysteine solution is pipetted onto the insulator layer and subsequently detected with HRP-labeled streptavidin. The chemiluminescent signals are identical to the pipetting sites. This makes it clear how simple and targeted the functionalization of the surface can be done and the further advantage of the chip, näm that is readily available for use in sandwich immobilizations (eg, biotin-streptavidin-biotinylated antibodies).
12 zeigt
schematisch die ortsadressierte Kopplung von Peptiden auf einer
anorganischer Isolatorschicht auf einem Halbleitersubstrat und den Vergleich
zwischen einem Cystein-markierten Epitop (Tab2), in Lösung aufpipettiert,
und dem gleichen, unmarkierten Peptid. Nachfolgend wird mit Primärantikörper inkubiert
und mit HRP-markiertem Sekundärantikörper gescreent,
und die spezifische Anbindung von Molekülen sowie die Eignung für Immunoassays
wird deutlich. 12 Figure 3 shows schematically the site-addressed coupling of peptides on an inorganic insulator layer on a semiconductor substrate and the comparison between a cysteine-labeled epitope (Tab2) pipetted in solution and the same unlabeled peptide. Subsequently, it is incubated with primary antibody and screened with HRP-labeled secondary antibody, and the specific binding of molecules and the suitability for immunoassays becomes clear.
13 zeigt
schematisch die ortsadressierte Anbindung von Anbindung auf einer
auf einem Halbleitersubstrat gebildeten anorganischen Isolatorschicht.
Lösungen
von HRP-markiertem Streptavidin in unterschiedlichen Konzentrationen
werden auf dielsolatorschicht pipettiert und, nach Benetzung der Oberfläche mit
Peroxidase-Substrat, die Chemolumineszenz vermessen, wobei Signale
sichtbar werden, die abhängig
von der Konzentration/Menge des angekoppelten Proteins sind. Somit
wird die einfache Herstellung der erfidungsgemäßen Anordnung als Proteinchip
durch Funktionalisierung mit Proteinen deutlich sowie die damit
verbundenen Vorteile, nämlich
dass verschiedenste Parameter messbar und Affinitäten bestimmbar
sind. 13 shows schematically the location-addressed connection of connection to an inorganic insulator layer formed on a semiconductor substrate. Solutions of HRP-labeled streptavidin in different concentrations are pipetted onto the insulator layer and, after wetting the surface with peroxidase substrate, the chemiluminescence measured, whereby signals become visible, which are dependent on the concentration / amount of the coupled protein. Thus, the simple production of the arrangement according to the invention as a protein chip by functionalization with proteins becomes clear and the associated advantages, namely that a wide variety of parameters can be measured and affinities can be determined.
14 zeigt
erfindungsgemäße Anordnungen,
die als Oligonukleotid-Microarrays hergestellt sind und für den Nachweis
von Oligonukleotiden nutzbar sind.
- A) Dazu
werden farbstoffmarkierte Oligonukleotide mit verschieden Linkern
auf oxidierten Si-Wafern (p-dotiert, Bor, 111-Orientierung, thermisches Oxid
1000 A+–70),
gekoppelt und mittels eines Affymetrix-Scanners ausgelesen
- 4ergruppe 1: Hydrazinmodifiziertes Oligo SES, Cy3 gelabelt +
C6-SFB (macht aidehydende)
- 4ergruppe 2: Hydrazinmodifiziertes Oligo SES, Cy3 gelabelt
- 4ergruppe 3: Hydrazinmodifiziertes Oligo SMS, Cy3 gelabelt +
C6-SFB (macht aidehydende)
- 4ergruppe 4: Hydrazinmodifiziertes Oligo SMS, Cy3 gelabelt
- B) Farbstoffmarkierte Oligonukleotide mit verschieden Linkern
werden auf oxidierten Si-Wafern (p-dotiert, Bor, 111-Orientierung,
Termisches Oxid 1000 A+–70,
gekoppelt und mittels Affymetrix-Scanner ausgelesen
- 4ergruppe 1: Aminomodifiziertes Oligo SES, Cy5 gelabelt + C6-SFB
(macht aldehydende).
- 4ergruppe 2: Aminomodifiziertes Oligo SES, Cy5 gelabelt + C6-SANH
(macht Hydrazinende)
- 4ergruppe 3: Aminomodifiziertes Oligo SES, Cy5 gelabelt
- 4ergruppe 4: Aminomodifiziertes Oligo SMS, Cy5 gelabelt + C6-SFB
(macht aldehydende)
- 4ergruppe 5: Aminomodifiziertes Oligo SMS, Cy5 gelabelt + C6-SANH
(macht Hydrazinende)
- 4ergruppe 6: Aminomodifiziertes Oligo SMS, Cy5 gelabelt
- 4ergruppe 7: Aminomodifiziertes Oligo ESE, Cy5 gelabelt + C6-SFB
(macht aldehydende)
- 4ergruppe 8: Aminomodifiziertes Oligo ESE, Cy5 gelabelt + C6-SANH
(macht Hydrazinende)
- 4ergruppe 9: Aminomodifiziertes Oligo ESE, Cy5 gelabelt
- 4ergruppe 10: Aminomodifiziertes Oligo MEM, Cy5 gelabelt + C6-SFB
(macht aldehydende)
- 4ergruppe 11: Aminomodifiziertes Oligo MEM, Cy5 gelabelt + C6-SANH
(macht Hydrazinende)
- 4ergruppe 12: Aminomodifiziertes Oligo MEM, Cy5 gelabelt
- 4ergruppe 13: Thiolmodifiziertes Oligo SES, Cy5 gelabelt
- 4ergruppe 14: Thiolmodifiziertes Oligo SMS, Cy5 gelabelt
- 4ergruppe 15: Biotinmodifiziertes Oligo SES, Cy5
- 4ergruppe 16: Biotinmodifiziertes Oligo SMS, Cy5
- 4ergruppe 17: Hazwo-O
- 4ergruppe 18: Wasser
14 shows arrangements according to the invention, which are produced as oligonucleotide microarrays and are useful for the detection of oligonucleotides. - A) For this purpose, dye-labeled oligonucleotides with different linkers on oxidized Si wafers (p-doped, boron, 111 orientation, thermal oxide 1000 A + -70) coupled and read using an Affymetrix scanner
- Group 4: Hydrazine-modified oligo SES, Cy3 labeled + C6-SFB (makes aidydehyde)
- Group 4: Hydrazine-modified oligo SES, Cy3 labeled
- Group 3: Hydrazine-modified oligo SMS, Cy3 labeled + C6-SFB (makes aidydehyde)
- Group 4: Hydrazine-modified oligo SMS, Cy3 labeled
- B) Dye-labeled oligonucleotides with different linkers are coupled to oxidized Si wafers (p-doped, boron, 111 orientation, termic oxide 1000 A + -70, and read out using the Affymetrix scanner
- Group 1: amino-modified oligo SES, Cy5 labeled + C6-SFB (aldehyde-terminated).
- Group 4: amino-modified oligo SES, Cy5 labeled + C6-SANH (makes hydrazine end)
- Group 3: amino-modified oligo SES, Cy5 labeled
- Group 4: Amino Modified Oligo SMS, Cy5 Label + C6-SFB (makes aldehydes)
- Group 4: Amino Modified Oligo SMS, Cy5 Label + C6-SANH (makes Hydrazine End)
- Group 4: Amino Modified Oligo SMS, Cy5 Labeled
- Group 4: amino-modified oligo ESE, Cy5 labeled + C6-SFB (makes aldehydes)
- Group 4: Amino Modified Oligo ESE, Cy5 labeled + C6-SANH (makes hydrazine end)
- Group 4: amino-modified oligo ESE, Cy5 labeled
- Group 4: Amino Modified Oligo MEM, Cy5 Labeled + C6-SFB (Aldehyde Ending)
- Group 4: Amino-modified oligo MEM, Cy5 labeled + C6-SANH (makes hydrazine end)
- Group 12: Amino-modified oligo MEM, Cy5 labeled
- Group 13: Thiol-modified oligo SES, Cy5 labeled
- Group 14: Thiol-modified oligo SMS, Cy5 labeled
- Group 4: Biotin-modified oligo SES, Cy5
- Group 16: Biotin Modified Oligo SMS, Cy5
- Group 17: Hazwo-O
- Group of four 18: Water
Es
zeigt sich eine spezifische Anbindung der Oligonukleotide und nachfolgend
eine spezifische Bindung und Nachweis von gelösten Oligonukleotiden als Testsubstanzen.It
shows a specific binding of the oligonucleotides and below
a specific binding and detection of dissolved oligonucleotides as test substances.
Alle
in der vorangehenden Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und
den Abbildungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen
von Bedeutung sein.All
in the foregoing description, the following claims and
The features shown in the illustrations can be used individually as well
in any combination for
the realization of the invention in its various embodiments
be significant.