DE10206420A1

DE10206420A1 - Bedruckter Probenträger, ein Verfahren zu dessen Herstellung sowie dessen Verwendung

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Publication number: DE10206420A1
Application number: DE2002106420
Authority: DE
Inventors: Michaela Fritz; Stephan Dertinger; Volker Lehmann; Thomas Haneder
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2003-08-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die ein flächig ausgebildetes makroporöses Trägermaterial (10), vorzugsweise ein Halbleiterträgermaterial, das über mindestens einen Oberflächenbereich verteilt eine Vielzahl von periodisch oder stochastisch angeordneten, diskreten Poren (11) mit einem Durchmesser im Bereich von 500 nm bis 100 mum aufweist, welche sich von einer Oberfläche zur gegenüberliegenden Oberfläche (10A, 10B) des Trägermaterials erstrecken, und mindestens eine teilweise auf einer Oberfläche des Trägermaterials angeordnete Bedruckung (20) auf Basis eines organischen Materials umfasst, welche jeweils mindestens eine Pore (11) vollständig umgibt, so daß die Oberfläche des makroporösen Trägermaterials bedruckte und unbedruckte Bereiche (12, 20) mit unterschiedlicher Hydrophilie aufweist, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich als Basis für einen Probenträger in Verfahren zum Nachweis biochemischer (Bindungs)Reaktionen sowie hierfür insbesondere zur Untersuchung von enzymatischen Reaktionen, Nukleinsäure-Hybridisierungen, Protein-Protein-Wechselwirkungen und anderer Bindungsreaktionen im Bereich der Genom-, Proteom- oder Wirkstoff-Forschung in Biologie und Medizin.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die ein flächig ausgebildetes makroporöses Trägermaterial, vorzugsweise ein Halbleiterträgermaterial wie insbesondere makroporöses Silizium, das über mindestens einen Oberflächenbereich verteilt eine Vielzahl von periodisch oder stochastisch angeordneten, diskreten Poren mit einem Durchmesser im Bereich von 500 nm bis 100 µm aufweist, welche sich von einer Oberfläche zur gegenüberliegenden Oberfläche des Trägermaterials erstrecken, und mindestens eine teilweise auf einer Oberfläche des Trägermaterials angeordnete Bedruckung auf Basis eines organischen Materials umfasst, welche jeweils mindestens eine Pore vollständig umgibt, so daß die Oberfläche des makroporösen Trägermaterials bedruckte und unbedruckte Bereiche mit unterschiedlicher Hydrophilie aufweist, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich als Basis für einen Probenträger in Verfahren zum Nachweis biochemischer (Bindungs)Reaktionen sowie hierfür insbesondere zur Untersuchung von enzymatischen Reaktionen, Nukleinsäure- Hybridisierungen, Protein-Protein-Wechselwirkungen und anderer Bindungsreaktionen im Bereich der Genom-, Proteom- oder Wirkstoff-Forschung in Biologie und Medizin.
In der Molekularbiologie finden heute in zunehmendem Maße Biochips Verwendung, mit denen auf schnelle Art und Weise Erkenntnisse über Organismen und Gewebe gewonnen werden. Für die Biowissenschaften und die medizinische Diagnostik ist die Detektion (bio)chemischer Reaktionen, d. h. die Detektion biologisch relevanter Moleküle in definiertem Untersuchungsmaterial von herausragender Bedeutung. In diesem Rahmen wird die Entwicklung von sogenannten BioChips stetig vorangetrieben. Bei derartigen BioChips handelt es sich üblicherweise um miniaturisierte hybride Funktionselemente mit biologischen und technischen Komponenten, insbesondere auf einer Oberfläche eines Biochip-Grundmoduls immobilisierten Biomolekülen, die als spezifische Interaktionspartner dienen. Häufig weist die Struktur dieser Funktionselemente Reihen und Spalten auf. Man spricht dann von sogenannten "Mikro Arrays". Da tausende von biologischen bzw. biochemischen Funktionselementen auf einem Chip angeordnet sein können, werden diese in der Regel mit mikrotechnischen Methoden angefertigt.
Analytische Verfahren, die in der Chemie, Biochemie, Biologie, Pharmazie und Gentechnik eingesetzt werden, verbrauchen üblicherweise große Mengen an Reagenzien und Analyten. Bei der Entwicklung von Medikamenten und Materialien in der Genomik und Proteomik werden große Bibliotheken von Verbindungen bzw. Reagenzien erzeugt, die für Reaktionen und Analyse bereitgestellt werden. Derzeit wird dies meist in Probenträgern realisiert, die eine Vielzahl von zu einer der Oberflächen des Trägers hin offene Vertiefungen aufweisen, üblicherweise sogenannte 96-, 384-, oder 1536-Platten, wobei die Vertiefungen Aufnahmevolumina von ungefähr 1 µl bis 1 ml Flüssigkeit aufweisen. Im Rahmen solcher Analyseverfahren wird es immer wichtiger, die eingesetzten Flüssigkeitsmengen zu minimieren, da diese kostbar sind und teils nur in limitierten Mengen zur Verfügung stehen. Vermehrt kommen deshalb für die Analyse Technologien zum Einsatz, die viel kleinere Flüssigkeitsvolumina benötigen.
Probenträger oder Reaktionssubstrate mit mikroskopisch kleinen Strukturen für Reaktions- und Analysezwecke, die einseitig offene Probenkompartimente aufweisen, sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. So wird beispielsweise in US-A-4,798,706 ein Probenträger mit flexibler Kompartimentschicht aus Polymer beschrieben. Solche Probenträger können auch derart gestaltet sein, daß sie von einem flachen Substrat trennbar und wiederverwertbar sind (WO 01/24933). Im Stand der Technik sind auch Nano- oder Mikrotiterplatten realisiert worden, indem in ein Vollsubstrat, z. B. Glas oder Silizium, Vertiefungen geätzt werden. Es wurden auch in Silizium geätzte Strukturen mit teilweise porösem Boden (WO 95/01559) oder poröse Scheiben, die in einen festen Träger fixiert werden (US-A-5,290,705), beschrieben. Mikrostrukturierte Filme (WO 99/19717) und Substrate aus Polymer, die durch Spritzguss oder Heißprägen hergestellt werden (DE 197 52 085 A1), sind ebenso als Reaktions- bzw. Probenträger bekannt.
All diesen im Stand der Technik bekannten Probenträgern ist jedoch in nachteiliger Weise gemein, daß ein Überlaufen der Flüssigkeitsvolumina und Querkontaminationen der einzelnen Kompartimentierungen auftreten können. Diese Nachteile können insbesondere bei Einsatz derartiger Probenträger in Test- bzw. Analyseverfahren mit hohem Probendurchsatz beobachtet werden. Zudem sind die im Stand der Technik verfügbaren Analyseverfahren hinsichtlich eines schnellen Probendurchsatzes begrenzt, insofern die entsprechenden (bio)chemischen Bindungsreaktionen diffusionsbedingt sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Probenträger, der in Verfahren zum Nachweis biochemischer Reaktionen und/oder Bindungen einsetzbar sein soll, bereitzustellen, bei welchem in Testverfahren mit hohem Probendurchsatz (high throughput screening, HTS) kleine Probenvolumina und erhöhte Reaktions- und Analysegeschwindigkeiten ermöglicht werden sollen, wobei keine Querkontaminationen einzelner Probenträgerkompartimente auftreten sollen.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst.
Insbesondere wird eine Vorrichtung bzw. ein Probenträger bereitgestellt, umfassend ein flächig ausgebildetes makroporöses Trägermaterial (10), das über mindestens einen Oberflächenbereich verteilt eine Vielzahl von periodisch oder stochastisch angeordneten, diskreten Poren (11) mit einem Durchmesser im Bereich von 500 nm bis 100 µm aufweist, welche sich von einer Oberfläche (10A) zur gegenüberliegenden Oberfläche (10B) des Trägermaterials erstrecken, und mindestens eine teilweise auf einer Oberfläche (10A, 10B) des Trägermaterials angeordnete Bedruckung (20) auf Basis eines organischen Materials, welche jeweils mindestens eine Pore (11) im wesentlichen vollständig umgibt, so daß die Oberfläche des makroporösen Trägermaterials bedruckte und unbedruckte Bereiche (12, 20) mit unterschiedlicher Hydrophilie aufweist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht es, Flüssigkeiten mit Volumina von einigen Nanoliter bis Mikroliter zu transportieren, zu lagern und für Reaktionen und Analysen bereitzustellen. Durch die auf mindestens einer der Trägermaterialoberflächen angeordnete Bedruckung werden definierte Bereiche unterschiedlicher Hydrophilie/Hydrophobie bzw. unterschiedlicher Benetzbarkeit ("unterschiedlicher chemischer Kontrast") erzeugt bzw. gebildet, so daß bestimmte Flüssigkeitsvolumina eingegrenzt bzw. voneinander fluidisch getrennt werden können. Durch die Bedruckung können einzelne Poren, einzelne Bereiche mit einer Vielzahl von Poren oder sogar ganze Microarrayflächen voneinander fluidisch getrennt werden. Dies erlaubt es zudem, unterschiedliche Flüssigkeiten auf einer derartigen Vorrichtung zu lagern oder zu bewegen. Folglich können auf der erfindungsgemäßen Vorrichtung parallel mehrere Reaktionen bzw. Analysen ablaufen. Die unterschiedliche Benetzbarkeit der durch die Bedruckung generierten, unterschiedlichen Bereiche auf der Trägermaterialoberfläche verhindert Querkontaminationen und das Überlaufen der Flüssigkeitsvolumina. Die Flüssigkeit wird dabei durch die Oberflächenspannung und Kapillarkräfte in den Poren des Trägermaterials gehalten.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist über mindestens einen Oberflächenbereich des flächig ausgebildeten makroporösen Trägermaterials (10) verteilt eine Vielzahl von periodisch oder stochastisch angeordneten, diskreten Poren, welche sich von einer Oberfläche (10A) zur gegenüberliegenden Oberfläche (10B) des Trägermaterials erstrecken, angeordnet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können auf dem flächig ausgebildeten makroporösen Trägermaterial (10) bereichsweise auch Sacklöcher, d. h. nur nach einer der Oberflächenseiten (10A, 10B) geöffnete Poren, vorgesehen werden.
Das eingesetzte makroporöse Trägermaterial weist einen Porendurchmesser von 500 nm bis 100 µm, vorzugsweise 5 bis 10 µm auf. Die Dicke des makroporösen Trägermaterials beträgt üblicherweise 100 bis 5.000 µm, vorzugsweise 300 bis 600 µm. Der Abstand von Porenmitte zu Porenmitte (Pitch), d. h. zweier zueinander benachbarter bzw. angrenzender Poren beträgt üblicherweise 1 bis 500 µm, vorzugsweise 10 bis 100 µm. Die Porendichte liegt üblicherweise im Bereich von 104 bis 10⁸/cm², wobei die Poren eine innere Oberfläche von vorzugsweise 10 µm² bis 5 × 10⁶ µm² aufweisen.
Das makroporöse Trägermaterial umfasst dabei vorzugsweise makroporöses Silizium. Das Silizium kann dabei dotiert, vorzugsweise n-dotiert, oder undotiert sein. Ein solches makroporöses Silizium kann beispielsweise nach dem in EP-A1-0 296 348 beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Die Herstellung der Poren erfolgt bevorzugt auf elektrolytischem Wege, wobei eine elektrolytische Ätzung in einem flußsäurehaltigen Elektrolyten unter Anlegen eines konstanten oder sich zeitlich ändernden Potentials durchgeführt wird, wobei die aus Silizium bestehende Schicht oder das Siliziumträgermaterial als positiv gepolte Elektrode einer Elektrolysierzelle geschaltet wird. Die Herstellung derartiger Poren kann bespielsweise erreicht werden, wie in V. Lehmann, J. Electrochem. Soc. 140, 1993, Seiten 2836 ff., beschrieben. Ferner können im Rahmen der vorliegenden Erfindung als makroporöses Trägermaterial beispielsweise aber auch andere Materialien wie beispielsweise Al₂O₃-Substrate oder Halbleitersubstrate, wie z. B. GaAs-Substrate, vorgesehen werden.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann bzw. können auf mindestens einer der Oberflächen (10A, 10B) des Trägermaterials (10) unter Beibehaltung der Porenstruktur ein oder mehrere, transparente dielektrische Schichten, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus SiO₂, Si₃N₄, TiO₂, ZnO, SnO₂, ZrO₂, In₂O₃, ITO und Al₂O₃, angeordnet sein. Die Dicke der transparenten dielektrischen Schichten unterliegt keinerlei spezifischen Beschränkung. Sie kann beispielsweise im Bereich von 5 bis 5000 nm liegen. Ferner kann bzw. können unter Beibehaltung der Porenstruktur als äußerste Schicht auf mindestens einer der Oberflächen (10A, 10B) des Trägermaterials (10) eine oder mehrere Metallschichten, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Au, Ag, Pd, Pt, Al und Cu, vorgesehen werden. Die Dicke der Metallschichten unterliegt keinerlei spezifischen Beschränkung. Sie kann beispielsweise im Bereich weniger Nanometer liegen.
Die auf einer Seite des Trägermaterials angeordnete Bedruckung auf Basis eines organischen Materials umgibt bzw. umschließt vollständig jeweils mindestens eine Pore, so daß die Oberfläche des makroporösen Trägermaterials bedruckte und unbedruckte Bereiche mit unterschiedlicher Hydrophilie aufweist. Mehr bevorzugt ist auf der Trägermaterialoberfläche eine Vielzahl von Poren in Gruppen (12) durch die sie umgebende Bedruckung zusammengefasst angeordnet, so daß die Gruppen (12) einer Vielzahl von Poren und die sie umgebende Bedruckung (20) definierte Bereiche unterschiedlicher Hydrophilie ausbilden. Insbesondere kann das Anordnungsmuster der Gruppen (12) einer Vielzahl von Poren zumindest bereichsweise nach einem Rastermaß aufgebaut ist, so daß es in X-Y-Richtung von automatischen Aufgabe- bzw. Entnahmevorrichtungen abrastbar ist, welche vorzugsweise von außen ansteuerbare Mikroventile sind, die im selben Rastermaß wie das Anordnungsmuster der Gruppen einer Vielzahl von Poren angeordnet sind. Besonders bevorzugt sind die Gruppen (12) einer Vielzahl von Poren in zueinander orthogonalen Reihen und Spalten angeordnet. Eingegrenzt von der Bedruckung (20) kann eine derartige Gruppe (12) einer Vielzahl von Poren beispielsweise eine rechteckige Fläche mit einer Kantenlänge im Bereich von 50 µm bis 10 mm aufweisen.
Die auf mindestens einer Seite des Trägermaterials angeordnete Bedruckung (20) auf Basis eines organischen Materials unterliegt keiner spezifischen Materialbeschränkung, solange dadurch auf der Oberfläche des makroporösen Trägermaterials bedruckte und unbedruckte Bereiche (12, 20) mit unterschiedlicher Hydrophilie erzeugt werden und die aufgebrachte Bedruckung undurchlässig gegenüber den zu transportierenden oder haltenden Flüssigkeiten ist, so daß auf der Oberfläche des Trägermaterials abgegrenzte, definierte Bereiche mit Poren bzw. Kanälen bzw. Durchgangslöchern gebildet werden. Dadurch wird gewährleistet, daß jedes Testreagenz einem definierten Porenbereich zugeordnet werden kann.
Vorzugsweise umfasst die Bedruckung eine dreidimensional ausgebildete organische Polymermatrix oder eine selbstorganisierte Monoschicht ("self-assembled monolayer, SAM) auf Basis langkettiger, funktionalisierter organischer Moleküle. Eine solche selbstorganisierte Monoschicht kann dabei auf Siloxan-Basis, aufgebaut aus Molekülen des Typs RSiCl₃ oder RSi(OR')₃, Thiol-Basis, aufgebaut aus Molekülen des Typs RSH, Phosphonsäure-Basis, aufgebaut aus Molekülen des Typs RPO₃H₂, oder Isocyanid-Basis, aufgebaut aus Molekülen des Typs R-NC, wobei R vorzugsweise für einen (C₈- C₂₄)-Alkylrest und R' für einen Methyl- oder Ethylrest stehen, sein. Eine selbstorganisierte Monoschicht auf Thiol- Basis kann insbesondere dann vorgesehen werden, wenn eine Gold-, Silber- oder Palladiumschicht als äußerste Schicht auf mindestens einer der Oberflächen (10A, 10B) des Trägermaterials (10) angeordnet ist. Eine selbstorganisierte Monoschicht auf Isocyanid-Basis kann insbesondere dann vorgesehen werden, wenn eine Platinschicht als äußerste Schicht auf mindestens einer der Oberflächen (10A, 10B) des Trägermaterials (10) angeordnet ist. Eine selbstorganisierte Monoschicht auf Phosphonsäure-Basis kann insbesondere dann vorgesehen werden, wenn eine ZrO₂, ZnO, SnO₂, In₂O₃ oder ITO- Schicht auf mindestens einer der Oberflächen (10A, 10B) des Trägermaterials (10) angeordnet ist. Eine selbstorganisierte Monoschicht auf Siloxan-Basis kann insbesondere dann vorgesehen werden, wenn eine Siliziumdioxid-Schicht auf mindestens einer der Oberflächen (10A, 10B) des Trägermaterials (10) angeordnet ist. Eine selbstorganisierte Monoschicht auf Siloxan-Basis ist besonders bevorzugt.
Die Polymermatrix kann beispielsweise aus Epoxidharz, Polyolefinen wie Polypropylen, Poly(meth)acrylaten, Fluorpolymeren wie z. B. Teflon, Polysiloxanen oder Polyimid aufgebaut sein.
Die Dicke bzw. Höhe der Bedruckung unterliegt keinerlei Beschränkung. Sie kann im Fall einer selbstorganisierten Monoschicht beispielsweise im Bereich von 1 bis 5 nm liegen, während sie im Fall einer dreidimenional ausgebildeten organischen Polymermatrix beispielsweise im Bereich von 2 nm bis 20 µm liegen kann. In der Breitenausdehnung unterliegt die Bedruckung ebenfalls keinerlei Beschränkung, solange bedruckte und unbedruckte Bereiche (12, 20) mit unterschiedlicher Hydrophilie erzeugt werden.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfassend das Bereitstellen des Trägermaterials und das Aufbringen der Bedruckung mindestens teilweise auf eine Oberfläche des Trägermaterials. Dabei kann, wenn die Bedruckung eine selbstorganisierte Monoschicht auf Basis langkettiger, funktionalisierter organischer Moleküle umfasst, das Aufbringen der Bedruckung beispielsweise mittels einer Methode der Softlithographie, vorzugsweise Mikrokontakt- Drucken, erfolgen. Wenn die Bedruckung eine dreidimensional ausgebildete organische Polymermatrix umfasst, kann das Aufbringen der Bedruckung beispielsweise mittels Photolithographie oder mittels Siebdruck durchgeführt werden.
Alternativ kann das makroporöse Trägermaterial zunächst reliefartig oberflächenstrukturiert werden und anschließend überstehende Oberflächenbereiche bzw. Stege bzw. Grate, die beispielsweise eine Höhe von 1 µm bis 50 µm aufweisen können, mit der Bedruckung, beispielsweise mittels Walzen, Drucken oder Stempeln, beschichtet werden. Des weiteren kann die Bedruckung zunächst auch ganzflächig auf das Trägermaterial aufgebracht werden und anschließend mittels einer Schablone bzw. Maske, beispielsweise mittels Sputtern, Plasma-Ätzen oder Strukturieren durch Laser, selektiv entfernt werden.
Nachfolgend sind beispielhaft mehrere Verfahren zum Aufbringen der Bedruckung unter Ausbildung eines regelmäßigen Anordnungsmusters von Bereichen unterschiedlicher Hydrophilie/Hydrophobie bzw. unterschiedlicher Benetzbarkeit auf dem makroporösen Trägermaterial aufgeführt.

1. Softlithographische Verfahren, z. B. Mikrokontakt-Drucken (µCP)
Diese Verfahren sind im Stand der Technik bekannt. Dabei werden üblicherweise elastomere Polysiloxan-Stempel (PDMS-Stempel) zur Abformung eingesetzt; vgl. Appl. Phys. Lett. 63 (1993) 2002, Nanotechnology 7 (1996) 452, sowie Science 264 (1994) 696. Beim µCP werden organische Moleküle, wie insbesondere Thiole oder Siliziumorganische Verbindungen, mit einer bestimmten Funktionalisierung, üblicherweise hydrophoben Alkylresten, auf Oberflächen "gestempelt". Die erzeugten Strukturen liegen dabei üblicherweise im Submikrometer- Bereich. So kann ein Hydrophilie-Unterschied bzw. ein Unterschied hinsichtlich der Benetzbarkeit zwischen den bedruckten und unbedruckten Bereichen erzeugt werden. Alternativ kann der unbedruckte Bereich auch mit einem zweiten organischen Molekül beschichtet werden, z. B. durch Eintauchen in eine Lösung oder Bedampfen.
2. Zunächst wird das makroporöse Trägermaterial reliefartig oberflächenstrukturiert, beispielsweise mittels Ätzen, Sandstrahlen, Laserstrahlung, etc.. Anschließend werden überstehende Bereiche der erzeugten reliefartigen Struktur mit der Bedruckung durch beispielsweise Walzen, Stempeln oder Drucken beschichtet. Dadurch kann wiederum ein Hydrophilie-Unterschied bzw. ein Unterschied hinsichtlich der Benetzbarkeit zwischen den bedruckten und unbedruckten Bereichen erzeugt werden (vgl. Fig. 1).
3. Mittels Druckverfahren (z. B. Siebdruck) können Polymere strukturiert auf das makroporöse Trägermaterial aufgetragen werden.
Dabei können die Poren beim Drucken gefüllt werden, was zusätzlich das exakte Positionieren der Bedruckung auf der rückwärtigen Oberflächenseite des Trägermaterials erleichtert. Als Polymermaterial eignen sich beispielsweise siebdruckfähiges Epoxidharz, negative Photolacke wie SU8, Polysiloxane wie z. B. Polydimethylsiloxan oder Fluorpolymere wie z. B. Teflon; vgl. Fig. 2.
4. Polymere können auf beiden Seiten des porösen Substrates strukturiert aufgebracht werden, indem z. B. photostrukturierbare Folien, z. B. Polyimidfolien, mit einer Maske belichtet werden oder mittels Stereolithographie aus einem viskosen Medium das Polymer strukturiert aufgebaut wird oder ein flüssiger, polymerer Kleber photostrukturiert wird (siehe R. M. Wadkins et al., Biosensors & Bioelectronics 13 (1998) 407).
Es können auch schon vorstrukturierte-perforierte- Polypropylenfolien auf das Trägermaterial durch Heißsiegeln aufgebracht werden oder Folien durch eine Maske mittels Trockenätzen strukturiert werden.
5. Entgegen dem strukturierten Aufbringen von organischen Schichten können diese mit Hilfe einer Maske auch strukturiert entfernt werden, z. B. durch Sputtern, Plasma-Ätzen, RIE, UV, Ozon-Behandlung, Sandstrahlen oder Laser (siehe WO 01/26436).
6. Ferner können mit einem photochemischen Verfahren strukturiert organische Schichten "aufwachsen" gelassen oder aufgebracht (Plasma, Dampfphase) werden oder durch photochemisch induzierte Bindung von Molekülen oder Molekülketten an laseraktivierten Flächen (A. C. Pease et al., Proc. Natl. Acad. Sci., USA 91 (1994), 5022) erzeugt werden.

Kann eine Oberfläche des Trägermaterials mit einem der vorstehenden Verfahren (1) bis (6) strukturiert werden, können die "freien" unbedruckten, porösen Bereiche genutzt werden, um das reliefartige Strukturieren bzw. Positionieren der Bedruckung auf der rückwärtigen Oberfläche des Trägermaterials zu erleichtern (z. B. indem durch die Poren eine photoempfindliche Folie belichtet wird oder eine CVD-Schicht geätzt wird).
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren beispielhaft beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1(a) eine schematische Schnittansicht und (b) eine Draufsicht auf eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 2(a) eine schematische Schnittansicht und (b) eine Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In Fig. 1a ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung stark schematisiert im Schnitt dargestellt. Als Trägermaterial dient ein makroporöses Silizium-Trägermaterial (10) mit einer Vielzahl von Poren (11). Die Prozeßoberfläche des Trägermaterials (10) wurde dabei zur Ausbildung einer reliefartigen Oberflächenstrukturierung bzw. regelmäßig angeordneter Vertiefungen (13) einem Ätzschritt unterworfen. Anschließend wurden die überstehenden Bereiche bzw. Stege bzw. Grate (14) der erzeugten reliefartigen Struktur mit einer Bedruckung (20) auf Basis einer dreidimensional ausgebildeten organischen Polymermatrix oder einer selbstorganisierten Monoschicht (SAM) durch beispielsweise Walzen, Stempeln oder Drucken beschichtet, wodurch bedruckte und unbedruckte Bereiche (12, 20), die sich durch unterschiedliche Hydrophilie bzw. Benetzbarkeit auszeichnen, erzeugt werden. Fig. 1(b) zeigt eine Draufsicht dieser Vorrichtung. Die in Fig. 1 angegebenen Größen- bzw. Dickeparameter sind beispielhafte Werte.
In Fig. 2(a) ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der anhand von Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform lediglich dadurch, daß die Bedruckung auf Basis einer dreidimensional ausgebildeten organischen Polymermatrix mittels Druckverfahren wie Siebdruck strukturiert auf das makroporöse Trägermaterial aufgetragen wurde. Beim Drucken werden dabei die Poren des makroporösen Trägermaterials teilweise gefüllt. Dadurch werden wiederum bedruckte und unbedruckte Bereiche (12, 20) auf der Trägermaterialoberfläche erzeugt, die sich durch unterschiedliche Hydrophilie bzw. Benetzbarkeit auszeichnen. Fig. 2(b) zeigt eine Draufsicht dieser Vorrichtung. Die in Fig. 2 angegebenen Größen- bzw. Dickeparameter sind wiederum beispielhafte Werte.
Zur Endfertigung eines Biochips kann das Anbinden bzw. Koppeln von beispielsweise Oligonukleotiden bzw. DNA- Molekülen an die Innenwandoberflächen der Poren der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach den im Stand der Technik üblichen Verfahren erfolgen, beispielsweise mittels Behandeln des porösen Trägermaterials mit Epoxysilanen und anschließender Reaktion terminaler Epoxidgruppen mit terminalen primären Aminogruppen oder Thiolgruppen von Oligonukleotiden bzw. DNA-Molekülen, die in entsprechenden Analyseverfahren als immobilisierte bzw. fixierte Fängermoleküle für die im zu untersuchenden Analyten vorliegenden Zielmoleküle fungieren. Dabei können beispielsweise die als Fängermoleküle verwendbaren Oligonukleotide unter Verwendung der Synthesestrategie, wie in Tet. Let. 22, 1981, Seiten 1859 bis 1862, beschrieben, hergestellt werden. Die Oligonukleotide können dabei während des Herstellungsverfahrens entweder an der 5- oder der 3- Endstellung mit terminalen Aminogruppen derivatisiert werden. Eine weitere Möglichkeit der Anbindung solcher Fängermoleküle an die Innenwandoberflächen der Poren von insbesondere makroporösem Silizium kann durchgeführt werden, indem das Siliziumsubstrat zunächst mit einer Chlorquelle, wie Cl₂, SOCl₂, COCl₂ oder (COCl)₂, gegebenfalls unter Verwendung eines Radikalinitiators wie Peroxide, Azoverbindungen oder Bu₃SnH, behandelt wird und anschließend mit einer entsprechenden nucleophilen Verbindung, wie insbesondere mit Oligonukleotiden bzw. DNA-Molekülen, die terminale primäre Aminogruppen oder Thiolgruppen aufweisen, umgesetzt werden (siehe WO 00/33976).
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die Funktion eines 96- Probenträgers mit der Dichte eines Mikroarrays aufweisen. Weiterhin können auf Basis der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Stand der Technik verfügbare Mikrochip-Technologien parallelisiert werden. Insbesondere können mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung Testverfahren mit hohem Probendurchsatz (high throughput screening, HTS) unter Einsatz kleiner Probenvolumina und erhöhten Reaktions- bzw. Analysegeschwindigkeiten, wobei aber Querkontaminationen verhindert werden, durchgeführt werden. Bezugszeichenliste 10 makroporöses Trägermaterial
10A, 10B Trägermaterialoberflächen
11 Pore
12 Gruppe einer Vielzahl von Poren/unbedruckter Bereich
13 regelmäßig angeordnete Vertiefungen
14 überstehende Bereiche bzw. Stege bzw. Grate
20 Bedruckung/bedruckter Bereich

Claims

1. Vorrichtung, umfassend ein flächig ausgebildetes makroporöses Trägermaterial (10), das über mindestens einen Oberflächenbereich verteilt eine Vielzahl von periodisch oder stochastisch angeordneten, diskreten Poren (11) mit einem Durchmesser im Bereich von 500 nm bis 100 µm aufweist, welche sich von einer Oberfläche (10A) zur gegenüberliegenden Oberfläche (10B) des Trägermaterials erstrecken, und mindestens eine teilweise auf einer Oberfläche (10A, 10B) des Trägermaterials angeordnete Bedruckung (20) auf Basis eines organischen Materials, welche jeweils mindestens eine Pore vollständig umgibt, so daß die Oberfläche des makroporösen Trägermaterials bedruckte und unbedruckte Bereiche mit unterschiedlicher Hydrophilie aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bedruckung eine dreidimensional ausgebildete organische Polymermatrix oder eine selbstorganisierte Monoschicht auf Basis langkettiger, funktionalisierter organischer Moleküle umfasst.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die selbstorganisierte Monoschicht auf Siloxan-Basis, aufgebaut aus Molekülen des Typs RSiCl₃ oder RSi(OR')₃, Thiol-Basis, aufgebaut aus Molekülen des Typs RSH, Phosphonsäure-Basis, aufgebaut aus Molekülen des Typs RPO₃H₂, oder Isocyanid- Basis, aufgebaut aus Molekülen des Typs R-NC, wobei R vorzugsweise für einen (C₈-C₂₄)-Alkylrest und R' für einen Methyl- oder Ethylrest stehen, ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Polymermatrix aus Epoxidharz, Polyolefinen, Poly(meth)acrylaten, Fluorpolymeren, vorzugsweise Teflon, Polysiloxanen oder Polyimid aufgebaut ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Trägermaterial eine Dicke zwischen 100 bis 5.000 µm aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Porendichte im Bereich von 10⁴ bis 10⁸/cm² liegt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Poren eine innere Oberfläche von 10 µm² bis 5 × 10⁶ µm² aufweisen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Trägermaterial auf Basis von makroporösem Silizium ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei auf mindestens einer der Oberflächen (10A, 10B) des Trägermaterials (10) unter Beibehaltung der Porenstruktur ein oder mehrere, transparente dielektrische Schichten, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus SiO₂, Si₃N₄, TiO₂, ZnO, SnO₂, ZrO₂, In₂O₃, ITO und Al₂O₃, angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, welche weiter unter Beibehaltung der Porenstruktur als äußerste Schicht auf mindestens einer der Oberflächen (10A, 10B) des Trägermaterials (10) eine oder mehrere Metallschichten, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Au, Ag, Pd, Pt, Al und Cu, aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei eine Vielzahl von Poren in Gruppen (12) durch die sie umgebende Bedruckung (20) zusammengefasst angeordnet sind und die Gruppen einer Vielzahl von Poren und die sie umgebende Bedruckung Bereiche unterschiedlicher Hydrophilie ausbilden.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Anordnungsmuster der Gruppen (12) einer Vielzahl von Poren zumindest bereichsweise nach einem Rastermaß aufgebaut ist, so daß es in X-Y-Richtung von automatischen Aufgabe- bzw. Entnahmevorrichtungen abrastbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Gruppen (12) einer Vielzahl von Poren in zueinander orthogonalen Reihen und Spalten angeordnet sind.

14. Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend
Bereitstellen des Trägermaterials (10) und
Aufbringen der Bedruckung (20) mindestens teilweise auf eine Oberfläche (10A, 10B) des Trägermaterials.

15. Verfahren nach Anspruch 14, worin, wenn die Bedruckung (12) eine selbstorganisierte Monoschicht auf Basis langkettiger, funktionalisierter organischer Moleküle umfasst, das Aufbringen mittels einer Methode der Softlithographie, vorzugsweise Mikrokontakt-Drucken, erfolgt.

16. Verfahren nach Anspruch 14, worin, wenn die Bedruckung (12) eine dreidimensional ausgebildete organische Polymermatrix umfasst, das Aufbringen der Bedruckung mittels Photolithographie oder mittels Siebdruck erfolgt.

17. Verfahren nach Anspruch 16, worin das Trägermaterial (10) zunächst reliefartig oberflächenstrukturiert wird und anschließend überstehende Oberflächenbereiche (13) mit der Bedruckung (20), beispielsweise mittels Walzen, Drucken oder Stempeln, beschichtet werden.

18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Bedruckung (20) zunächst auf das Trägermaterial aufgebracht wird und anschließend mittels einer Schablone, beispielsweise mittels Sputtern, Plasma-Ätzen oder Strukturieren durch Laser, selektiv entfernt wird.

19. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als Basis für einen Probenträger in Verfahren zum Nachweis biochemischer Reaktionen und/oder Bindungen sowie hierfür insbesondere zur Untersuchung von enzymatischen Reaktionen, Nukleinsäure-Hybridisierungen, Protein-Protein- Wechselwirkungen und Protein-Liganden-Wechselwirkungen.