DE102008019928A1 - Polyelektrolyt-Monoschichten mit kovalenten Bindungsstellen für optische Signalwandler - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Substrat-Materialien mit Polyelektrolyt-Monoschichten, deren Derivatisierung mit bi- oder multifunktionalen Reagenzien sowie einen Signalwandler bzw. Sensor mit derartigen funktionellen Oberflächen und dessen Verwendung. Der Signalwandler kann insbesondere zum Nachweis von Nukleinsäureanalyten genutzt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von Substrat-Materialien mit Polyelektrolyt-Monoschichten, deren Derivatisierung mit bi- oder multifunktionalen Reagenzien, sowie einen Signalwandler bzw. Sensor mit derartigen funktionellen Oberflächen und dessen Verwendung. Der Signalwandler kann insbesondere zum Nachweis von Nukleinsäureanalyten genutzt werden.
  • Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur kovalenten Bindung von Erkennungsmolekülen an die Oberfläche von dielektrischen Materialien, wie optische Signalwandler vom Typ der planaren Wellenleiter. Die dielektrischen Oberflächen werden mit kationischen Polyelektrolyten modifiziert, die dann mit bi- oder multifunktionellen Reagenzien umgesetzt werden. Auf den so aktivierten Oberflächen können Erkennungselemente, wie DNA bzw. RNA oder Proteine, kovalent immobilisiert werden. Stellen, die keine Erkennungsmoleküle tragen, können schließlich durch Reaktion mit hydrophilen Agentien im Hinblick auf eine nicht spezifische Adsorption modifiziert werden.
  • Solche beschichtete dielektrische Materialien, z. B. beschichtete optische Wellenleiter, finden Anwendung als Signalwandler (Transducer), wie sie in der Sensorik bei Bio- oder Chemosensoren eingesetzt werden.
  • Als Bio- oder Chemosensoren bezeichnet man Geräte, die mit Hilfe eines Signalwandlers und einer Erkennungsreaktion einen Analyten qualitativ oder quantitativ nachweisen können. Als Erkennungsreaktion wird ganz allgemein die spezifische Bindung oder Reaktion eines so genannten Analyten mit einem so genannten Erkennungselement bezeichnet. Beispiele für Erkennungsreaktionen sind die Bindung von Liganden an Komplexe, die Komplexierung von Ionen, die Bindung von Liganden an (biologische) Rezeptoren, Membranrezeptoren oder Ionenkanäle, von Antigenen oder Haptenen an Antikörper, von Substraten an Enzyme, von DNA oder RNA an bestimmte Proteine, die Hybridisierung von DNA/RNA/PNA oder die Prozessierung von Substraten durch Enzyme. Analyten können sein: Ionen, Proteine, natürliche oder künstliche Antigene oder Haptene, Hormone, Cytokine, Mono- und Oligosaccharide, Stoffwechselprodukte, oder andere biochemische Marker, die in der Diagnostik verwendet werden, Enzymsubstrate, DNA, RNA, PNA, potentielle Wirkstoffe, Medikamente, Zellen, Viren. Beispiele für Erkennungselemente sind: Komplexbildner für Metalle/Metallionen, Cyclodextrine, Kronenether, Antikörper, Antikörperfragmente, Anticaline1, Enzyme, DNA, RNA, PNA, DNA/RNA-bindende Proteine, Enzyme, Rezeptoren, Membranrezeptoren, Ionenkanäle, Zelladhäsionsproteine, Ganglioside, Mono- oder Oligosaccharide.
  • Diese Bio- oder Chemosensoren können in der Umweltanalytik, dem Nahrungsmittelbereich, der Human- und Veterinärdiagnostik und dem Pflanzenschutz eingesetzt werden, um Analyten qualitativ und/oder quantitativ zu bestimmen. Die Spezifität der Erkennungsreaktion ermöglicht es, auch Analyten in komplexen Proben wie z. B. Umgebungsluft, verschmutztem Wasser oder Körperflüssigkeiten ohne oder nur mit geringer vorheriger Aufreinigung qualitativ oder quantitativ zu bestimmen. Zusätzlich können Bio- oder Chemosensoren auch in der (bio-)chemischen Forschung und Wirkstoffsuche eingesetzt werden, um die Interaktion zwischen zwei unterschiedlichen Substanzen zu untersuchen (z. B. zwischen Proteinen, DNA, RNA, oder biologisch aktiven Substanzen und Proteinen, DNA, RNA etc.).
  • Die Integration der Erkennungsreaktion mit dem Signalwandler zu einem Bio- oder Chemosensor kann geschehen, indem man das Erkennungselement oder den Analyten auf der Oberfläche des Signalwandlers immobilisiert. Durch die Erkennungsreaktion, d. h. das Binden oder die Reaktion des Analyten mit dem Er kennungselement, ändern sich die optischen Eigenschaften des Mediums direkt an der Oberfläche des Signalwandlers (z. B. Änderung des optischen Brechungsindexes, der Absorption, der Fluoreszenz, der Phosphoreszenz, der Lumineszenz etc.), was vom Signalwandler in ein Messsignal übersetzt wird.
  • Optische Wellenleiter sind eine Klasse von Signalwandlern, mit denen man die Änderung der optischen Eigenschaften eines Mediums detektieren kann, das an eine wellenleitende Schicht, typischer Weise ein Dielektrikum, grenzt. Wird Licht als geführte Mode in der wellenleitenden Schicht transportiert, fällt das Lichtfeld an der Grenzfläche Medium/Wellenleiter nicht abrupt ab, sondern klingt in dem an den Wellenleiter angrenzenden sogenannten Detektionsmedium exponentiell ab. Dieses exponentiell abfallende Lichtfeld wird als evaneszentes Feld bezeichnet. Werden sehr dünne Wellenleiter verwendet, deren Brechungsindex möglichst stark von dem des angrenzenden Mediums differiert, werden Abfalllängen des evaneszenten Feldes (Intensität fällt auf den Wert 1/e ab) von < 200 nm erreicht. Ändern sich die optischen Eigenschaften des an den Wellenleiter grenzenden Mediums (z. B. Änderung des optischen Brechungsindexes2,3, der Lumineszenz4,5,6 etc.) innerhalb des evaneszenten Feldes, kann dies über einen geeigneten Messaufbau detektiert werden. Entscheidend für die Verwendung von Wellenleitern als Signalwandler in Bio- oder Chemosensoren ist dabei, dass die Änderung der optischen Eigenschaften des Mediums nur sehr nahe an der Oberfläche des Wellenleiters detektiert wird. Wird nämlich das Erkennungselement oder der Analyt an der Grenzfläche des Wellenleiters immobilisiert, kann das Binden an das Erkennungselement oder die Reaktion des Erkennungselementes oberflächensensitiv detektiert werden, wenn sich dabei die optischen Eigenschaften des Detektionsmediums (flüssig, fest, gasförmig) an der Grenzfläche zum Wellenleiter ändern.
  • Bei der Verwendung von optischen Wellenleitern als Bio- oder Chemosensoren werden an die Grenzfläche Wellenleiter zu Detektionsmedium hohe Anforderungen gestellt:
    • • Unter den Reaktionsbedingungen der Erkennungsreaktion muss die Grenzfläche Wellenleiter/Detektionsmedium stabil sein.
    • • Die Erkennungselemente müssen innerhalb der Reichweite des evaneszenten Feldes des Wellenleiters immobilisiert werden.
    • • Unter den Reaktionsbedingungen der Erkennungsreaktion muss die Immobilisierung der Erkennungselement stabil sein.
    • • Die Funktionalität der Erkennungselemente muss auch nach der Immobilisierung noch vorhanden sein.
    • • Damit nur die spezifische Erkennungsreaktion durch den Signalwandler detektiert wird, muss jede Art von unspezifischer Bindung an die Grenzfläche Wellenleiter/Detektionsmedium unterdrückt werden.
  • An die Oberfläche von Wellenleitern können auf verschiedenste Weise Erkennungselemente immobilisiert werden. Dies kann z. B. durch Physisorption der Erkennungselemente auf die Signalwandleroberfläche geschehen. Clerc und Lukosz7 beschreiben die Physisorption von Avidin auf SiO2-TiO2 Wellenleiteroberflächen. In einem zweiten Schritt können unter Ausnutzung der hochaffinen Avidin-Biotin Bindung biotinylierten Antikörpern an die so aufgebrachten Avidin Schichten immobilisiert werden. Ein Nachteil dieser Immobilisierungsmethode von Erkennungselementen auf Wellenleiteroberflächen ist die Instabilität der physisorbierten Avidinschicht. Eine Änderung der Reaktionsbedingungen, wie z. B. Temperaturänderungen, pH-Änderungen, Zugabe von Detergenzien etc., kann zu einer Desorption der Avidinschicht und damit auch des Antikörpers führen.
  • G. Gao beschreibt in Surface & Coating Technology (2005) 244–250 eine „oxygen plasma” Methode, die eine adsorptive Bindung von DNA an Silika Wafer ermöglicht.
  • Es ist jedoch bekannt, dass durch Plasma Behandlung erzeugte aktivierte Oberflächen keine gute Langzeitbeständigkeit be sitzen und deshalb hinsichtlich Reproduzierbarkeit kritisch zu beurteilen sind.
  • Eine besonders elegante Form der physisorptiven Bindung von Erkennungselementen ist in WO 2007/079863 beschrieben. Auf der Oberfläche von Wellenleitern werden hochmolekulare Polyelektrolyte, bspw. Polyvinylaminhydrochloride mit Molgewichten von über 300 000 g/mol, durch Tauchprozesse gebunden. Auf der so kationisch modifizierten Oberfläche können nun DNA oder RNA Erkennungselemente (capture DNA bzw. Fänger DNA, capture DNA bzw. Fänger RNA) physisorptiv, über Polyelektrolyt Wechselwirkungen gebunden werden. Die nicht mit Erkennungselementen versehenen Oberflächen können anschließend mit anionischen Polyelektrolyten, bspw. mit Dextransulfat durch einfache Tauchprozesse gegen nicht spezifische Bindungen blockiert werden. Limitierend bei dieser Methode ist, dass nur relativ hochmolekulare DNA bzw. RNA Fänger-Moleküle in ausreichender Stärke über Polyelektrolyt Wechselwirkungen gebunden werden können. Dagegen können Protein Erkennungselemente, wie Antikörper nicht mit ausreichender Stabilität über Polyelektrolyt Wechselwirkungen gebunden werden.
  • Die Erkennungselemente, auch „capture” oder „Fänger”-Moleküle genannt, können auch kovalent an die Oberfläche eines Wellenleiters gebunden werden. Eine Möglichkeit dazu stellen bifunktionelle Silane dar, die eine kovalente Bindung mit der Wellenleiteroberfläche eingehen8. Über eine zweite funktionelle Gruppe in diesem Silan können nun die Erkennungselemente, wie z. B. Proteine oder DNA9, kovalent gebunden werden. Diese bifunktionellen Silane sind sehr reaktiv und bei der kovalenten Bindung an die Wellenleiteroberfläche muss unter absolut trockenen Reaktionsbedingungen gearbeitet werden, um eine Hydrolyse des reaktiven Silans zu vermeiden. Die Bindung der Erkennungselemente über diese Silane an die Wellenleiteroberflächen ist bei sauren, neutralen und leicht basischen Bedingungen stabil. Bei pH-Werten über 9 kann aber eine Hydrolyse des Silans eintreten, was zu einer Desorption der Erkennungselemente von der Oberfläche führen kann. Ein weiterer Nachteil dieser Immobilisierungsmethode liegt in der relativ hohen unspezifischen Adsorption von Proteinen wie z. B. Albumin an die so funktionalisierten Wellenleiteroberflächen10. Die unspezifische Bindung an diese Wellenleiteroberflächen kann reduziert werden, indem nach der Bindung der Erkennungselemente in einem zweiten Schritt Blockierungsagenzien wie z. B. Polyethylenglykole11 an die Oberfläche gebunden werden.
  • In US 5 512 492 ist ein anderer kovalenter Bindungsmechanismus beschrieben. Die Wellenleiteroberfläche wird mit 3-Aminopropyltriethoxysilan umgesetzt. Die so Amin-funktionalisierte Oberfläche wird Glutardialdehyd-derivatisiert. Anschließend werden die noch frei verfügbaren Aldehydgruppen durch Umsetzen mit Polymethacryloylhydrazid quervernetzt und die noch überschüssigen Acryloylhydrazid Gruppen stehen schließlich zur kovalenten Anknüpfung der biologischen Fänger-Moleküle zur Verfügung. Es handelt sich hierbei um einen relativ komplexen Prozess, der auch hinsichtlich Reproduzierbarkeit kritisch zu beurteilen ist.
  • Alternativ wird die Bindung von hydrophilen Polymeren, wie z. B. Polyacrylamide, Dextrane, Polyethylenglycole etc. an zuvor silanisierte Wellenleiteroberflächen beschrieben12. Diese Polymere haben die Aufgabe, die unspezifische Bindung von Proteinen etc. an die Oberfläche zu minimieren. Die Erkennungselemente werden dann in einem weiteren Schritt an diese Polymere kovalent gebunden. Problematisch bei dieser Oberflächenfunktionalisierung ist, dass mehrere Schritte zur Immobilisierung der Erkennungselemente an der Oberfläche durchgeführt werden müssen und die Instabilität der Silanbindung an die Wellenleiteroberflächen bei pH > 9.
  • Die Erkennungselemente können auch an Polymere gebunden werden, die ohne vorangegangene Silanisierung direkt auf die Wellenleiterschichten aufgebracht werden.
  • Polymere mit reaktiven Ankergruppen als Interface zwischen Wellenleiteroberfläche und Erkennungselement ist Inhalt der vorliegenden Beschreibung.
  • Unter Berücksichtigung der o. g. Anforderungen an die Grenzfläche Wellenleiter/Detektionsmedium muss das Polymer-Interface unter den Reaktionsbedingungen sowohl zum Substrat als auch zum Erkennungselement eine irreversible Bindung ermöglichen und es muss, wegen der mit 1/e abfallenden Intensität möglichst dünn sein.
  • Von Vorteil wären deshalb Polymer-Monoschichten, die darüber hinaus, nach dem Ankoppeln der punktuell angeordneten Erkennungselemente, eine Blockierung gegen nichtspezifische Adsorption von Störkomponenten in einem möglichst einfachen Verfahrensschritt ermöglichen.
  • Da die Oberflächen von Wellenleiterschichten, bzgw. generell von Substraten je nach Anwendungsgebiet verschieden und in der Regel bzgl. Oberflächenchemie nicht exakt bekannt sind, ist die Bereitstellung von geeigneten Polymeren eine große Herausforderung zur Herstellung leistungsfähiger Bio- oder Chemosensoren.
  • Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, durch Synthese maßgeschneiderte Polymere für bestimmte Substratoberflächen herzustellen.
  • Hinsichtlich Beschichtung von Substraten mit Metalloxid Oberflächen, wie TiO2, Nb2O5 oder Ta2O5 sind bspw. auch ionische Polymere beschrieben.
  • In WO 03/020966 sind Poly(L-Lysin)-g-poly(ethylenglykol) Pfropfcopolymere (PLL-g-PEG) beschrieben. Dabei bezeichnet „g” das Pfropfverhältnis (grafting ratio), d. h. den Quotienten aus der Anzahl der Lysineinheiten und der Anzahl Polyetylenglykol Setenketten. Dabei hat sich gezeigt, dass mit diesen PLL-g-PEG Pfropf-Copolymeren nur dann gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn das Pfropfverhältnis „g” innerhalb der Bandbreite 8 bis 12 liegt und die PEG Seitenketten im Molekulargewichtsbereich von 1500 bis 5000 g/mol liegen.
  • Dieses komplexe und eng definierte Spezialpolymer erfüllt die gestellten Forderungen bzgl. guter Verfügbarkeit, gleich bleibender Qualität und universelle Anwendbarkeit für unterschiedliche Substratoberflächen nur unzureichend.
  • Ein weiterer Nachteil dieser Methode stellt die Instabilität dieser Schichten gegenüber pH-Werten von kleiner 3 und größer 9, sowie gegenüber hohen Salzkonzentrationen dar, da unter diesen Bedingungen das elektrostatisch gebundene Polymer von der Oberfläche desorbiert.
  • In WO 02/068481 sind phosphorhaltige Polymere zur Beschichtung von dielektrischen Materialien und dessen Verwendung bei optischen Signalwandlern beschrieben. Es handelt sich hierbei um wasserlösliche Polymere, die bspw. durch Umsetzen von Polyallylaminhydrochlorid mit Formaldehyd und phosphoriger Säure, nach der sog. Mannich Mödritzer Reaktion, hergestellt werden.
  • Diese Polyphosphonamide besitzen neben kationischen auch anionische Gruppen, die einer Ankopplung von Erkennungsmolekülen, bspw. DNA auf elektrostatischem Wege, eher kontraproduktiv sind. Darüber hinaus handelt es sich erfahrungsgemäß bei der o. g. Mannich Mödritzer Umsetzung um ein Verfahren, das wegen Nebenreaktionen neben den gewünschten Polyphosphonamiden auch andere Produkte bildet.
  • Auf Polyelektrolytbindung basierende Gen Chip Konzepte sind dagegen wegen ihrer einfachen Herstellweise, besonders bevorzugte Ausführungsformen bei der Beschichtung von Bio- und Chemorezeptoren.
  • B. Laguitton beschreibt in US 6 689 478 die Ankopplung von DNA Erkennungsmolekülen an Polyelektrolyt(PEL)- Multischichten, wobei die oberste Bindungsschicht ein kationisches Polymer (kationischer PEL) ist. Polyelektrolyte sind Polymere, die ionische oder ionisierbare Gruppen in ihrer wiederkehrenden Einheit tragen. Beispiele für kationische Polyelektrolyte sind Polyamine, wie Polyethylenimin (PEI) oder Polyammoniumverbindungen, wie Polyallylaminhydrochlorid oder Polydiallyldimethylammoniumchlorid (P DADMAC). Beispiele für anionische Polymere sind die Salze von Polyacrylsäuren (PAS), Polystyrolsulfonsäuren oder Dextransulfonsäure. Polyelektrolyt-Multischichten bestehen aus einem abwechselnden Aufbau von entgegengesetzt geladenen Polyelektrolyten, wie bspw. in „Multilayer Thin Films" G. Decher, Wiley-VCH, 2003 beschrieben. Während die Bindung von Nukleinsäuren an PEL Multischichten ebenfalls zum Stand der Technik gehört (B. Sukhoukov, „Multilayer Films Containing Immobilized Nucleic Acids" Biosensors & Bioelectronics, vol 11, no 9, 913–922, 1966), besteht die Herausforderung, wie in US 6 689 478 beschrieben darin, die erste Polymerschicht, ein kationisches Polymer an das Substrat aus Glas zu binden. Diese Herausforderung wird dadurch gelöst, dass die Glasträger zunächst in einer komplexen Art mit Wasserstoffperoxid und anschließend mit Schwefelsäure behandelt werden, wobei die Glasoberfläche anionisch modifiziert wird. Dagegen argumentiert B. Languitton in US 6 689 478 , dass mit Monolayer Polymerschichten, die Anforderungen hinsichtlich zuverlässiger Substratbeschichtung nicht erreicht werden können.
  • Ein wichtiger Fortschritt hinsichtlich Anknüpfung von biologischen Erkennungsmolekülen an planare Wellenleiter (PWG) wäre dementsprechend ein Verfahren, das ähnlich einfach, wie das in WO 2007/079863 beschriebene Polyelektrolyt Konzept ist, gleichzeitig jedoch einen kovalenten Bindungsmechanismus erlaubt. Außerdem wäre es von Vorteil, wenn bzgl. Auswahl an kationischen Polyelektrolyten nicht die in WO 2007/079863 erwähnten sehr hohen Molekulargewichte (vzgw. höher 250 000 g/mol) erforderlich wären, da hierdurch eine erhebliche Einschränkung bzgl. Polymerauswahl vorgegeben ist. Außerdem enthalten auch sehr hochmolekulare Verbindungen, wegen der Mole kulargewichtsverteilung, niedermolekulare Komponenten, sodass hinsichtlich Reproduzierbarkeit erschwerte Bedingungen auftreten können.
  • Es wurde nun überraschenderweise gefunden, dass das in WO 2007/079863 beschriebene Polyelektrolytkonzept durch einen zusätzlichen, Tauch-/Waschprozess diese Anforderungen erfüllen kann. Der zusätzliche Tauchschritt beinhaltet bi- oder multifunktionelle, niedermolekulare oder hochmolekulare reaktive Verbindungen, im Folgenden auch als reaktive Linker-Moleküle bezeichnet. Im einfachsten und bevorzugten Fall kann bspw. Isophorondiisocyanat (IPDI) verwendet werden. Außerdem können nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch Polyelektrolyte und Polyamine in beliebigen Molekulargewichtsbereichen eingesetzt werden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Erfindung umfasst insbesondere die in den nachfolgenden nummerierten Absätzen bezeichneten Erfindungsgegenstände:
    • 1. Verfahren zur Applikation von Messbereichen (Spots) mit Fänger-Molekülen an einer Substratoberfläche für einen Sensor (Chip), aufweisend folgende Schritte: a) Die Substratoberfläche des Sensors (Chip) wird in die verdünnte Lösung eines kationischen Polyelektrolyts getaucht und abgewaschen; b) die Polyelektrolyt modifizierte Substratoberfläche wird durch Tauchen in eine Reagenzlösung mit mindestens einer bi- oder multifunktionellen Verbindung, welche mindstens zwei funktionelle Gruppen aufweisen, die jeweils mit dem Polyelektrolyt und/oder dem Fängermolekül reagieren können quervernetzt und aktiviert; c) auf die aktivierte Substratoberfläche wird mindestens ein Fängermolekül aufgebracht; und d) der mit dem mindestens einen Fängermolekül bespottete Sensor wird durch Tauchen in eine Reagenzlösung, die eben falls mit der aktivierten Oberfläche reagieren kann, gegen nicht spezifische Adsorption blockiert.
    • 2. Verfahren nach Absatz 1, wobei die Substratoberfläche ein Metalloxid oder Metallhydroxid aufweist.
    • 3. Verfahren nach Absatz 2, wobei das Metalloxid Metalloxid oder Metallhydroxid gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ta2O5, TiO2, Ta2O5, ZrO2, HfO2, Al2O3, SiO2 (Si(Ti)O2), In2O3/SnO2 (ITO), Aluminumsilicate, Nb2O5, Vanadiumoxide, oder Mischungen dieser Materialien, Oxide oder Hydroxide folgender Elemente Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, PD, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, B, Al, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Lanthanide, Actinide Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra Se, Te, Po und Mischungen davon.
    • 4. Verfahren nach einem der vorherigen Absätze, wobei der kationische Polyelektrolyt ein Polyamin oder ein Polyimin aufweist.
    • 5. Verfahren nach einem der vorherigen Absätze, wobei die bi- oder multifunktionelle Reagenzlösung Dissuccinimidylsuberat (DSS), wasserlösliche heterobifunktionelle Grosslinker, Sulfosuccinimidy-4-(N-Maleimidoethyl)Cyclohexan-1-Carboxylat (Sulfo-SMCC) Isocyanatverbindungen, Isophorondiisocyanat (IPDI), Polyisocyanate auf Isocyanuratbasis, bi- oder multifunktionelle Säurechloride, Polymethacryloylchlorid, Polycarbodiimide, oder Mischungen davon aufweist.
    • 6. Verfahren nach einem der vorherigen Absätze, wobei die Blockierlösung Hydroxyl- oder Amin-haltige hydrophile Verbindungen, insbesondere Dextransulfat, Diethanolamin, Polyethylenglykol oder Mischungen davon aufweist.
    • 7. Verfahren nach einem der vorherigen Absätze, wobei der Sensor ein optischer Sensor ist.
    • 8. Verfahren nach Absatz 7, wobei der Sensor einen optischen Schichtwellenleiter aufweist.
    • 9. Verfahren nach einem der vorherigen Absätze, wobei eine Mehrzahl von unterschiedlichen Fängermolekülen aufgebracht wird.
    • 10. Substrat, aufweisend eine Oberfläche zur Immobilisierung mindestens eines Fänger-Moleküls als Erkennungselement zur Herstellung einer Erkennungsoberfläche zum Nachweis mindestens eines Zielmoleküls in einer oder mehrerer mit der Erkennungsoberfläche in Kontakt gebrachter Proben, wobei das Fänger-Molekül auf einer kationischen hochmolekularen Polyelektrolyte Schicht als Oberfläche zur Immobilisierung aufgebracht ist.
    • 11. Substrat nach Absatz 10, wobei auf der Substratoberfläche bis zu 2 000 000 Messbereiche (Spots) vorgesehen sind, wobei in jedem Messbereich ein Fängermolekül als Erkennungselement vorgesehen ist.
    • 12. Substrat nach Absatz 10 oder 11, wobei eine Mehrzahl von unterschiedlichen Fängermolekülen vorgesehen ist, wobei in jedem Messbereich jeweils nur eine Spezies eines Fänger-Moleküls vorgesehen ist.
    • 13. Substrat nach Absatz 10, 11 oder 12, wobei mindestens 100 Messbereiche pro Quadratzentimeter angeordnet sind.
    • 14. Substrat nach Absatz 10, 11, 12, oder 13, wobei das Fänger-Molekül eine Nukleinsäure ist.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Die Erfindung wird im Folgenden beschrieben anhand von Beispielen und anhand der Figur, welche die Signalintentstät von Messbereichen gegenüber dem Hintergrundsignal eines erfindungsgemäß hergestellten Sensors zeigt.
  • Die Erfindung wird ferner beispielhaft beschrieben anhand von Wellenleitern welche als Sensoren genutzt werden. Die Erfindung ist grundsätzlich auch für andere Sensoren anwendbar, z. B. andere optische Sensoren, magnetische Sensoren, elektrische Sensoren, elektrochemische Sensoren und andere.
  • Erfindungsgemäß enthält der Gesamtprozess zur Applikation von Messbereichen an adressierbaren Positionen (sogenannte „Spots”) mit Fänger-Molekülen an der Oberfläche eines planaren Wellenleiters (planar waveguide, PWG) in der bevorzugten Version folgende vier Teilschritte:
    • 1. Der planare Wellenleiter (Chip) wird in die verdünnte Lösung eines kationischen Polyelektrolyts, bspw. wässrige Polyvinylamin oder alkoholische lineare Polyethylenimin Lösung, getaucht und abgewaschen (Polyelektrolyt Beschichtung).
    • 2. Der Polyelektrolyt modifizierte Chip wird durch Tauchen in eine bi- oder multifunktionelle Reagenzlösung, bspw. IPDI Lösung in Toluol, quervernetzt und aktiviert. (Aktivierung)
    • 3. Die aktivierte Chipoberfläche wird mit den Fänger-Molekülen, deren funktionelle Gruppen mit der Aktivierung kovalent reagieren können, bespottet. (Spot Schritt)
    • 4. Der bespottete Chip wird durch Tauchen in eine Reagenzlösung, die ebenfalls mit der aktivierten Oberfläche reagieren kann, bspw. wässrige Dextransulfat Lösung, gegen nicht spezifische Adsorption blockiert. (Blockschritt).
  • Der so mit Fänger-spots versehene planare Wellenleiter kann direkt durch Probenaufgabe für die Erkennungsreaktion, bspw. nach dem Prinzip der Hybridisierung, eingesetzt werden.
  • In einer weiteren Version kann der eben beschriebene Gesamtprozess durch einen weiteren Schritt, der dem ersten Schritt der Polyelektrolyt Beschichtung vorgeschaltet wird, modifi ziert werden. Hierbei kann die Chip Oberfläche mit den im Schritt zwei erwähnten bi- oder multifunktionellen Reagenzien voraktiviert werden (Voraktivierungsschritt). Im einfachsten und bevorzugten Fall besteht die Voraktivierung in einem Tauchschritt mit einem Diisocyanat, wie IPDI.
  • Im Folgenden sollen die Einzelkomponenten, die zur Modifizierung der Substratoberflächen eingesetzt werden können, näher beschrieben werden.
  • Hinsichtlich kationischer Polyelektrolyte kommen die an sich bekannten Polyamine in den für sie typischen Molekulargewichtsverteilungen in Frage. Polyamine liegen in wässriger Umgebung teilprotoniert vor und besitzen daher die Eigenschaften kationischer Polyelektrolyte.
  • Bspw. können die von der Fa. BASF hergestellten Polyvinylamine, die unter dem Handelsnamen Lupamin® in verschiedenen Molekulargewichtsbereichen (von 10 000 bis 340 000 g/mol) erhältlich sind, eingesetzt werden. Neben der reinen Amin Form werden diese Produkte durch Umsetzen mit HCl auch in Form ihrer Hydrochloride, mit einem Hydrochlorierungsgrad von ca. 50%, angeboten. Somit liegen bei diesen Polvinylaminen ca. 50% der Aminogruppen frei vor, während die restlichen 50% der Aminogruppen als Ammoniumhydrochlorid derivatisiert sind. Diese teilprotonierte Form ist, sowohl im Falle von Polyvinylamin, als auch bei den anderen Polyaminen, die bevorzugte Verwendungsform.
  • Andere gut verfügbare Polyamine sind Polyallylamin, das in Molekulargewichtsbereichen von 17 000 sowie 65 000 g/mol von Aldrich erhältlich ist, sowie verzweigtes Polyethylenimin, das von BASF in verschiedenen Molekulargewichtsbereichen bezogen werden kann. Von Polyscience sind auch lineare Polyethylenimine, die Alkohol löslich sind, erhältlich.
  • Hinsichtlich der multi- wenigstens bifunktionellen reaktiven Verbindungen, die einerseits mit der Polyamin modifizierten Oberfläche reagieren und andererseits noch über kovalente Ankergruppen zur Immobilisierung der biologischen Fänger-Moleküle verfügen, gibt es eine breite Auswahl. Bspw. können Wasser lösliche homobifunktionale Cross-linker, wie Dissuccinimidylsuberat (DSS) oder wasserlösliche heterobifunktionelle Cross-linker, wie Sulfosuccinimidy-4-(N-Maleimidoethyl)Cyclohexan-1-Carboxylat (Sulfo-SMCC) eingesetzt werden. Es können aber auch organisch lösliche bi- oder multifunktionelle Verbindungen, bspw. auf Isocyanatbasis, erhältlich unter dem Produktnamen Desmodur®, eingesetzt werden. Bevorzugt eingesetzt wurde bspw. Isophorondiisocyanat (IPDI), gelöst in Toluol oder Aceton, das von Bayer Material Science unter dem Produktnamen Desmodur I erhältlich ist. Gute Ergebnisse wurden auch mit Desmodur Z 4470, das sind Polyisocyanate auf Isocyanuratbasis, erzielt. Weitere mögliche Produktklassen sind bspw. bi- oder multifunktionelle Säurechloride, wie Polymethacryloylchlorid oder Polycarbodiimide, die bspw. unter dem Produktnamen Stabaxol® von der Fa. Rheinchemie erhältlich sind.
  • Auch bzgl. der im dritten Verfahrensschritt (Blockierung) eingesetzten Verbindungen, die die PWG Oberfläche gegen nicht spezifische Bindungen schützen sollen, gibt es eine breite Auswahl. Es kommen sowohl organisch als auch Wasser lösliche nieder und hochmolekulare Verbindungen in Frage, wobei zwei Auswahlkriterien essentiell sind. Zum einen müssen diese Verbindungen mit den bi- bzw. multifunktionellen Linkermolekülen aus Verfahrenschritt zwei reagieren können und zum anderen muss der nicht reagierte Molekülteil nicht spezifische Bindungen verhindern. Werden bspw. Isocyanat haltige Linkermolekül eingesetzt, so können Hydroxyl- oder Aminhaltige hydrophile Verbindungen verwendet werden. In Kombination mit IPDI wurde bevorzugt das in WO 2007/079863 beschriebene Dextransulfat, ein anionischer Polyelektrolyt, eingesetzt. Alternativ könnten auch niedermolekulare Verbindungen, wie Diethanolamin, oder Polyethylenglykole verwendet werden.
  • Das beschriebene Verfahren, basierend auf Polyaminen als Interface zwischen planarem Wellenleiter und Erkennungselemente bezieht sich auf Substrate mit Metalloxid-, vzgw. Ta2O5 Oberflächen. Als weitere Metalloxide kommen Materialien, wie TiO2, Ta2O5, ZrO2, HfO2, Al2O3, SiO2 (Si(Ti)O2), In2O3/SnO2 (ITO), Aluminumsilicate, Nb2O5, Vanadiumoxide, oder Mischungen dieser Materialien in Frage. Die Wellenleitermaterialien können aber auch Oxide oder Hydroxide folgender Elemente sein, die Oxide oder Hydroxide bilden können: Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, PD, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, B, Al, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Lanthanide, Actinide und Mixturen davon ebenso wie Mixturen von Gruppe IIa (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) und VIb (Se, Te, Po)).
  • Das Polymer (Polyelektrolyt Beschichtung) wird aus organischer oder bevorzugt wässriger Lösung auf die Wellenleiteroberflächen aufgebracht. Dies kann durch Inkubation in der Lösung, wie Tauchen, Sprühen, Spotten, Spincoating oder ähnliche übliche Verfahren geschehen. Typischerweise werden Lösungen zwischen 0,5 bis 0.001 Gew.-%, insbesondere zwischen 0,1 und 0.01 Gew.-%, verwendet und die Substratoberflächen bei Temperaturen zwischen 0 und 200°C, insbesondere zwischen 20 und 30°C, beschichtet. Die Inkubationszeit der Wellenleitermaterialien mit den Polymer-Lösungen kann zwischen 10 s und 48 h liegen, typischerweise zwischen 10 min und 24 h. Nach der Inkubation werden die Substrate, z. B. Wellenleiter in Chip-Form), mit organischen Lösungsmitteln oder wässrigen Lösungen gespült und mit bi- oder multifunktionellen derivatisiert, bzw. aktiviert.
  • Die auf die beschriebene Weise beschichteten Wellenleiterchips können für jede Art von qualitativer, semiquantitativer oder quantitative analytische Assays verwendet werden.
  • Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Immobilisierungsoberflächen ist die Verwendung auf optisch transparenten Trä gern, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie durchgehende oder einzelne wellenleitende Bereiche umfassen (optische Wellenleiter). Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem optischen Wellenleiter um einen optischen Schichtwellenleiter mit einer, der Immobilisierungsoberfläche zugewandten, ersten im wesentlichen optisch transparenten Schicht (a) auf einer zweiten im wesentlichen transparenten Schicht (b) mit niedrigeren Brechungsindex als Schicht (a). Außerdem wird bevorzugt, dass besagter optischer Wellenleiter im Wesentlichen planar ist.
  • Kennzeichen einer derartigen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Immobilisierungsoberfläche auf einem optischen Schichtwellenleiter als Träger ist, dass zur Einkopplung von Anregungswellenlicht in die optisch transparenten Schicht (a), diese Schicht in optischen Kontakt zu einem oder mehrerer optischen Einkoppelelementen aus der Gruppe steht, die von Prismenkopplern, evaneszenten Feldern, Stirnflächenkopplern mit vor einer Stirnseite der wellenleitenden Schicht angeordneten fokussierten Linsen und Gitterkopplern gebildet wird.
  • Dabei wird bevorzugt, dass die Einkopplung von Anregungslicht in die optisch transparente Schicht (a) mithilfe einer oder mehrerer Gittestrukturen (c) erfolgt, die in der optisch transparenten Schicht (a) ausgebildet sind.
  • Ein Gegenstand der Erfindung ist eine Oberfläche zur Immobilisierung einer oder mehrerer erster Nukleinsäuren als Erkennungselemente zur Herstellung einer Erkennungsoberfläche zum Nachweis einer oder mehrere zweiter Nukleinsäuren in einer oder mehrerer mit der Erkennungsoberfläche in Kontakt gebrachter Proben, wobei die ersten Nukleinsäuren auf einer kationischen hochmolekularen Polyelektrolyte Schicht als Oberfläche zur Immobilisierung aufgebracht sind.
  • Besonders bevorzugt werden solche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Immobilisierungsoberfläche, bei denen die darauf immobilisierten Nukleinsäuren als Erkennungselemente in diskreten (räumlich getrennten) Messbereichen angeordnet sind. In einer zweidimensionalen Anordnung können bis zu 2 000 000 Messbereiche angeordnet sein, und ein einzelner Messbereich kann eine Fläche von 10–5 mm2 bis 10 mm2 einnehmen. Es wird bevorzugt, dass die Messbereiche in einer Dichte von mehr als 100, bevorzugt mehr als 1000 Messbereiche pro Quadratzentimeter angeordnet sind.
  • Die diskreten (räumlich getrennten) Messbereiche auf besagter Immobilisierungsoberfläche können durch räumlich selektive Aufbringung von Nukleinsäuren als Erkennungselemente erzeugt werden, vorzugsweise unter Verwendung eines oder mehrerer Verfahren aus der Gruppe von Verfahren, die von „ink jet Spotting”, mechanischem Spotting mittels Stift, Feder oder Kapillare, „Micro contact spotting”, fluidischer Kontaktierung des Messbereichs mit den biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen durch deren Zufuhr in parallelen oder gekreuzten Mikrokanälen, unter Einwirkung von Druckunterschieden oder elektrischen oder elektromagnetischen Potentialen sowie photochemischen oder photolitographischen Immobilisierungsverfahren gebildet wird.
  • Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum gleichzeitigen oder sequentiellen, qualitativen und/oder quantitativen Nachweis einer oder mehrerer zweiter Nukleinsäuren in einer oder mehrerer Proben, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Proben und gegebenenfalls weitere Reagenzien mit einer der erfindungsgemäßen Immobilisierungsoberflächen nach einer der genannten Ausführungsformen in Kontakt gebracht werden, auf welcher eine oder mehrere Nukleinsäuren als Erkennungselemente zur spezifischen Bindung/Hybridisierung mit zweiten Nukleinsäuren gebunden sind und aus der Bindung/Hybridisierung dieser zweiten Nukleinsäure oder weiter zum Analytnachweis eingesetzter Nachweissubstanzen resultierende Änderung von optischen oder elektrischen Signalen gemessen werden.
  • Dabei wird bevorzugt, dass der Nachweis einer oder mehrerer zweiter Nukleinsäuren auf der Bestimmung der Änderung einer oder mehrerer Lumineszenzen beruht. Zur Luminszenzerzeugung sind verschiedene optische Anregungskonfigurationen möglich. Eine Möglichkeit besteht darin, dass Anregungslicht zur Anregung einer oder mehrerer Lumineszenzen von einer oder mehrerer Lichtquellen in einer Auflichtanregungsanordnung eingestrahlt wird.
  • Eine andere mögliche Konfiguration ist dadurch gekennzeichnet, dass Anregungslicht zur Anregung einer oder mehrerer Luminszenzen von einer oder mehrerer Lichtquellen in einer Transmissionslichtanregungsanordung eingestrahlt wird.
  • Bevorzugt wird eine solche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Immobilisierungsoberflächen und/oder Verfahren welche dadurch gekennzeichnet sind, dass die Oberfläche auf einem optischen Wellenleiter angeordnet ist, dass die eine oder mehrere Proben mit darin nachzuweisenden zweiten Nukleinsäuren und gegebenenfalls weiterer Nachweisreagenzien sequenziell oder nach Mischung mit besagten Nachweisreagenzien mit den gebundenen ersten Nukleinsäuren als Erkennungselemente in Kontakt gebracht werden und dass das Anregungswellenlicht von einer oder mehrerer Lichtquellen in den optischen Wellenleiter eingekoppelt wird mit Hilfe eines oder mehrerer optischer Kopplungselemente aus der Gruppe, die von Prismenkopplern, evaneszenten Feldern, Stirnflächenkopplern mit vor einer Stirnseite der wellenleitenden Schicht angeordneten fokussierten Linsen und Gitterkopplern gebildet wird.
  • Bevorzugt wird, dass die im Wellenleiter laufende Lichtwelle Lumineszenz von lumineszenzfähigen Molekülen erzeugt und dass diese Lumineszenz von einem oder mehrerer Detektoren erfasst wird. Aus der Intensität des Lumineszenzsignals kann die Konzentration einer oder mehrerer nachzuweisenden Nukleinsäuren ermittelt werden.
  • Das Lumineszenzlabel kann an die nachzuweisende zweite Nukleinsäure selbst gekoppelt sein, oder in einem kompetetiven Ansatz an Molekülen mit bekannter Konzentration und Sequenz, als Kompetitor, gebunden ist und so der Probe beigefügt werden. Das Luminszenzlabel kann aber auch durch einen dritten Bindungspartner in das Analysengemisch eingebracht werden.
  • Es wird bevorzugt, dass zur Erzeugung der Lumineszenz Lumineszenz-Farbstoffe oder lumineszente Nanopartikel als Lumineszenzlabel verwendet werden, die bei einer Wellenlänge zwischen 300 nm und 1100 nm angeregt werden und emittieren.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die zu untersuchenden Proben wässrige Lösungen, insbesondere Pufferlösungen oder natürlich vorkommende Körperflüssigkeiten wie Blut, Serum, Plasma, Urin oder Gewebeflüssigkeiten sind. Die zu untersuchenden Proben können auch aus biologischen Gewebeteilen oder Zellen präpariert werden.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Immobilisierungsoberflächen und/oder Verfahren in der qualitativen und quantitativen DNA- und RNA Analytik, beispielsweise die Bestimmung von genomischen Unterschieden wie den Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs) oder DNA Amplifikationen oder DNA Deletionen oder DNA-Methylierung oder für die Detektion und Quantifizierung von mRNA (Expression Profiling).
  • Beispiele
  • Beispiel 1: Modifizieren eines planaren Wellenleiters mit einer Monoschicht aus linearem Polyethylenimin und anschließende Aktivierung mit Isophorondiisocyanat
  • Ein planarer Wellenleiter (Unaxis Balzers, Liechtenstein) in den Dimensionen 2 × 1 cm, bestehend aus AF 45 Glas mit einer wellenleitenden, optisch transparenten, hochbrechenden Ta2O5 Schicht (Brechungsindex von 2.10 bei 633 nm, Schichtdicke 185 nm) und parallel zur Breite verlaufenden Gitterlinien (318 nm Periode mit 32 +/– 3 nm Gittertiefe) wurde
    • – 30 Min. in eine 0.1%ige Lösung von linearem Polyethylenimin (lPEI, Mw: 25 000, Polyscience, Inc.) in Ethanol getaucht, anschließend wurde kurz in reinem Ethanol gewaschen, mit Luft abgeblasen und 10 Minuten bei 50°C im Umlufttrockenschrank getrocknet.
    • – Der mit lPEI modifizierte Wellenleiter wurde 10 Minuten in einer 0.1%igen Lösung von Isophorondiisocyanat (IPDI, Aldrich) in Toluol inkubiert, anschließend kurz in reinem Toluol gewaschen, mit Luft abgeblasen und 10 Minuten bei 50°C getrocknet.
  • Beispiel 2: Immobilisieren eines Fluoreszenz markierten DNA Oligomeren an der IPDI aktivierten Oberfläche.
    • – Mit Hilfe einer Mikropipette wurden 5 μl einer Fluoreszenz markierten DNA Sequenz (Cy5 – 50 mer: 5'-Cy5-CAA CAG TGC AAC CTT GGA AGC AGA TGT AGA TGT TGT TGT GTC ACC TCC AT 3', Fa. BioTeZ Berlin) auf die IPDI aktivierte Oberfläche (Bsp. 1) pipettiert. Auf dieselbe Weise wurden an zwei anderen Stellen analoge Fänger-Oligonukleotid-Spots aufgetragen.
    • – Nach einer Inkubationszeit von 30 Min. bei RT wurde der bespottete Wellenleiter 30 Min. in eine wässerige Dextransulfat Lösung (MW: 500 000 g/mol, Fa. Fluka) eingetaucht und kurz mit Wasser abgewaschen.
  • Der Funktionstest erfolgte durch Einkoppeln eines Laserlichtstrahls der Wellenlänge 635 nm. Dabei konnten an den Stellen, an denen die Fänger-DNA Messbereiche aufpipettiert wurden, hervorgerufen durch die Emission des Cy5 Fluoreszenzfarbstoffes (Fa. Amersham), hell leuchtende Punkte beobachtet werden. Zum Vergleich wurde die oben erwähnte Cy5 50 mer Fänger-Lösung auf eine Stelle, die mit Dextransulfat gegen DNA Adsorption geblockt war, aufpipettiert und mit Wasser gewaschen. Beim anschließenden optischen Funktionstest wurde an den entsprechenden Stellen kein Farbsignal gefunden.
  • Beispiel 3
  • Hybridisierung bakterieller cDNA auf IPDI aktivierten planaren Wellenleiter-Chips aus Bsp. 1
    • – Die Chips wurden in einen Kontakt-Spotter positioniert und mit einer Oligonucleotid-Lösung in einer Konzentration von 5 × 10–5 M in Spotting-Puffer (3 × SSC/1.5M Betain) bespottet. Die Oligonucleotide wurde von der Firma Operon (Köln, Deutschland) synthetisiert und hatten eine Länge von 70 Basen. Die Oligonucleotide hatten eine Sequenz die komplementär zu der bei der späteren Hybidisierung verwendeten bakteriellen Kontroll-Nukleinsäure war (B. subtilis Sequenz, ATCC 87482; Referenz Sequenz X17013, The American Type Culture Collection, www.atcc.org)
    • – Nach einer über Nacht Inkubation bei RT wurde der bespottete Wellenleiter 5 Min. in eine wässerige Blockingslösung (5% Dextransulfat (MW: 500 000 g/mol, 1% Tween, 10 mM Tris, 30% Formamid, ph 8,5) eingetaucht und anschließend 1 min mit Wasser abgewaschen.
    • – Überschüssige Wasserreste wurden mit einem trockenen N2 Strom entfernt.
    • – Die bespotteten und blockierten Chips wurden in die Hybridisierungkammern des SensiChip Systems der Firma Zeptosens (Bayer Schweiz AG, Witterswil, Schweiz) nach Angaben des Systemherstellers eingelegt. Die Chips wurden nach Anweisung des Systemherstellers zunächst in SB Puffer und dann in PHB Puffer inkubiert. Das die bakterielle Nukleinsäure beinhaltende Hybridisierungsgemisch wurde ebenfalls nach Vorgaben des SensiChip Systems angesetzt. Die bakterielle Nukleinsäure war zuvor aus einem geeigneten Plasmid gewonnen worden. Das Hybridisierungsgemisch wurde unmittelbar vor Einfüllen in die Hybridisierungskammern für 5 min bei 95° erhitzt. Die bakterielle Nukleinsäure wurde in einer Konzentration von 1 × 10–12 M eingesetzt. Die Hybridisierung erfolgte über Nacht bei 42°C in 40 μl Hybridisierungsvolumen.
    • – Die Auslesung der Chips erfolgte im Zepto-Reader (PWG-System, CCD Kamera basiert) mit unterschiedlichen Belichtungszeiten. Hierbei wurden die Fluoreszenzsignale (Alexa 647) gemessen, welche auf der Chipoberfläche durch Bindung der bakteriellen Nukleinsäure an die gespotteten 70-mer Fängeroligonukleotide entstehen. Die ermittelten Signalintensitäten der spezifisch an die Messbereiche mit Fänger-Oligonukleotiden („Spots”) gebundenen Fluoreszenzmoleküle im Vergleich zu der unspezifischen Bindung an benachbarte Chipregionen („Hintergrundsignal”) sind in 1 dargestellt. Auf der y-Achse ist die Signalinensität dargestellt, die Signalintensität einzelner Spots ist für das spezifische Signal (weisse Säulen) und das Hintergrundssignal (schraffierte Säulen dargestellt.
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Claims (14)

  1. Verfahren zur Applikation von Messbereichen (Spots) mit Fänger-Molekülen an einer Substratoberfläche für einen Sensor (Chip), aufweisend folgende Schritte: d) Die Substratoberfläche des Sensors (Chip) wird in die verdünnte Lösung eines kationischen Polyelektrolyts getaucht und abgewaschen; e) die Polyelektrolyt modifizierte Substratoberfläche wird durch Tauchen in eine Reagenzlösung mit mindestens einer bi- oder multifunktionellen Verbindung, welche mindestens zwei funktionelle Gruppen aufweisen, die jeweils mit dem Polyelektrolyt und/oder dem Fängermolekül reagieren können quervernetzt und aktiviert; f) auf die aktivierte Substratoberfläche wird mindestens ein Fängermolekül aufgebracht; und d) der mit dem mindestens einen Fängermolekül bespottete Sensor wird durch Tauchen in eine Reagenzlösung, die ebenfalls mit der aktivierten Oberfläche reagieren kann, gegen nicht spezifische Adsorption blockiert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Substratoberfläche ein Metalloxid oder Metallhydroxid aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Metalloxid Metalloxid oder Metallhydroxid gewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ta2O5, TiO2, Ta2O5, ZrO2, HfO2, Al2O3, SiO2 (Si(Ti)O2), In2O3/SnO2 (ITO), Aluminumsilicate, Nb2O5, Vanadiumoxide, oder Mischungen dieser Materialien, Oxide oder Hydroxide folgender Elemente Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, PD, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, B, Al, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Lanthanide, Actinide Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra Se, Te, Po und Mischungen davon.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der kationische Polyelektrolyt ein Polyamin oder ein Polyimin aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die bi- oder multifunktionelle Reagenzlösung Dissuccinimidylsuberat (DSS), wasserlösliche heterobifunktionelle Grosslinker, Sulfosuccinimidy-4-(N-Maleimidoethyl)Cyclohexan-1-Carboxylat (Sulfo-SMCC) Isocyanatverbindungen, Isophorondiisocyanat (IPDI), Polyisocyanate auf Isocyanuratbasis, bi- oder multifunktionelle Säurechloride, Polymethacryloylchlorid, Polycarbodiimide, oder Mischungen davon aufweist.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Blockierlösung Hydroxyl- oder Amin-haltige hydrophile Verbindungen, insbesondere Dextransulfat, Diethanolamin, Polyethylenglykol oder Mischungen davon aufweist.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sensor ein optischer Sensor ist.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Sensor einen optischen Schichtwellenleiter aufweist.
  9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Mehrzahl von unterschiedlichen Fängermolekülen aufgebracht wird.
  10. Substrat, aufweisend eine Oberfläche zur Immobilisierung mindestens eines Fänger-Moleküls als Erkennungselement zur Herstellung einer Erkennungsoberfläche zum Nachweis mindestens eines Zielmoleküls in einer oder mehrerer mit der Erkennungsoberfläche in Kontakt gebrachter Proben, wobei das Fänger-Molekül auf einer kationischen hochmolekularen Polyelektrolyte Schicht als Oberfläche zur Immobilisierung aufgebracht ist.
  11. Substrat nach Anspruch 10, wobei auf der Substratoberfläche bis zu 2 000 000 Messbereiche (Spots) vorgesehen sind, wobei in jedem Messbereich ein Fängermolekül als Erkennungselement vorgesehen ist.
  12. Substrat nach Anspruch 10 oder 11, wobei eine Mehrzahl von unterschiedlichen Fängermolekülen vorgesehen ist, wobei in jedem Messbereich jeweils nur eine Spezies eines Fänger-Moleküls vorgesehen ist.
  13. Substrat nach Anspruch 10, 11 oder 12, wobei mindestens 100 Messbereiche pro Quadratzentimeter angeordnet sind.
  14. Substrat nach Anspruch 10, 11, 12, oder 13, wobei das Fänger-Molekül eine Nukleinsäure ist.
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