DE10207616A1

DE10207616A1 - Ultraphober Probenträger mit funktionalen hydrophilen und/oder oleophilen Bereichen

Info

Publication number: DE10207616A1
Application number: DE10207616A
Authority: DE
Inventors: Joachim Engelking; Karsten Reihs; Eckhard Nordhoff; Martin Mueller
Original assignee: Sunyx Surface Nanotechnologies GmbH; Scienion GmbH
Current assignee: Sunyx Surface Nanotechnologies GmbH; Scienion GmbH
Priority date: 2002-02-22
Filing date: 2002-02-22
Publication date: 2003-09-04

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flächengebilde mit einer ultraphoben Oberfläche und mit mindestens einem hydrophilen und/oder oleophilen Bereich, der neben der Hydrophilie und/oder Oleophilie mindestens eine weitere Funktionalität aufweist. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zu deren Herstellung der erfindungsgemäßen Flächengebilde und deren Verwendung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flächengebilde mit einer ultraphobe Oberfläche und mit mindestens einem hydrophilen und/oder oleophilen Bereich, der neben der Hydrophilie und/oder Oleophilie mindestens eine weitere Funktionalität aufweist. Des weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Flächengebilde und deren Verwendung.
Im Bereich der Wirkstoffchemie aber auch in der biologischen Forschung und Produktion müssen heutzutage zunehmend Serienversuche durchgeführt werden. Dabei wird beispielsweise eine große Anzahl kleinster, flüssiger Proben mit unterschiedlichen Wirkstoffen versetzt, um deren Reaktion auf den jeweiligen Wirkstoff zu testen.
Für solche Versuche sind aus dem Stand der Technik sogenannte Mikrotiterplatten oder Probenträger bekannt, die beispielsweise in regelmäßigen Abständen eine Vielzahl von Vertiefungen aufweisen. Aus der WO 98/45406 und der DE 196 28 928 sind Probenträger bekannt, deren Oberfläche hydrophob ist und in die hydrophile Vertiefungen eingearbeitet sind. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 197 54 978 ist ein Probenträger mit einer hydrophoben Oberfläche bekannt. In diese hydrophobe Oberfläche sind hydrophile Ankerbereiche eingearbeitete. Probenträger nach dem Stand der Technik haben jedoch den Nachteil, daß die hydrophilen Bereiche nur vergleichsweise aufwendig herstellbar sind, insbesondere jedoch, daß Serienversuche mit ihnen nur vergleichsweise aufwendig durchzuführen sind.
Es stellt sich deshalb die Aufgabe ein Flächengebilde zur Verfügung zu stellen, das die Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß mit einem Flächengebilde mit einer ultraphobe Oberfläche und mit mindestens einem hydrophilen und/oder oleophilen Bereich, der neben der Hydrophilie und/oder Oleophilie mindestens eine weitere Funktionalität aufweist.
Es war für den Fachmann überaus erstaunlich und nicht zu erwarten, daß es mit dem erfindungsgemäßen Flächengebilde gelingt, Serienversuche erheblich zu vereinfachen und mit einem geringeren insbesondere maschinellen Aufwand durchzuführen.
Ein Flächengebilde im Sinne der Erfindung ist jeder beliebige Formkörper mit einer beliebig gestalteten Oberfläche. Vorzugsweise ist das Flächengebilde jedoch eine Platte mit einer ebenen Oberfläche, ganz besonders bevorzugt ein Probenträger, der jedoch vorzugsweise keine Einbuchtungen aufweist. Am meisten bevorzugt ist das erfindungsgemäße Flächengebilde eine Folie, die eine ultraphobe Oberfläche aufweist. Vorzugsweise ist die Oberfläche des erfindungsgemäßen Flächengebildes im wesentlichen plan; d. h. sie weist die für eine ultraphobe Oberfläche nötige Topographie jedoch keine Mikrovolumina auf, in denen Flüssigkeit gesammelt werden kann.
Erfindungsgemäß weist das Flächengebilde eine ultraphobe Oberfläche auf. Eine ultraphobe Oberfläche im Sinne der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Kontaktwinkel eines Wasser- und/oder Öltropfens, der an der Oberfläche liegt, mehr als 150°, vorzugsweise mehr als 160° und ganz besonders bevorzugt mehr als 170° beträgt und der Abrollwinkel 10° nicht überschreitet. Als Abrollwinkel wird der Neigungswinkel einer grundsätzlich planen aber strukturierten Oberfläche gegen die Horizontale verstanden, bei dem ein stehender Wasser- und/oder Öltropfen mit einem Volumen von 10 µl aufgrund der Schwerkraft bei einer Neigung der Oberfläche bewegt wird. Solche ultraphoben Oberflächen sind zum Beispiel in der WO 98/23549, WO 96/04123, WO 96/21523, WO 99/10323, WO 99/10324, WO 99/10111, WO 99/10113, WO 99/10112 und WO 96/34697 offenbart, die hiermit als Referenz eingeführt werden und somit als Teil der Offenbarung gelten.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die ultraphobe Oberfläche eine Oberflächentopographie auf, bei der die Ortsfrequenz der einzelnen Fourierkomponenten und deren Amplitude a(f) ausgedrückt durch das Integral S(log(f)) = a(f).f errechnet zwischen den Integrationsgrenzen log(f₁/µm^-1) = -3 und log(f₂/µm^-1) = 3 mindestens 0,3 beträgt und die aus einem hydrophoben oder insbesondere oleophoben Material besteht oder mit einem haltbar hydrophobierten und/oder insbesondere haltbar oleophobierten Material überzogen sind. Eine solche ultraphobe Oberfläche ist in der internationalen Patentanmeldung WO 99/10322 beschrieben, die hiermit als Referenz eingeführt wird und somit als Teil der Offenbarung gilt.
Ebenfalls erfindungsgemäß weist das Flächengebilde hydrophile und/oder oleophile Bereiche auf. Hydrophile und/oder oleophile Bereiche im Sinne der Erfindung sind Bereiche, auf denen ein Wasser- oder Öltropfen ablegbar ist; d. h. ein Wasser- oder Öltropfen, der an einem Pipettiersystem hängend mit dem hydrophilen und/oder oleophilen Bereich in Kontakt gebracht wird, bleibt daran hängen und löst sich somit von dem Pipettiersystem. Vorzugsweise nimmt ein Wasser- oder Öltropfen mit einem Volumen von 10 µl auf den hydrophilen und/oder oleophilen Bereichen einen Randwinkel < 120°, vorzugsweise < 110°, ganz besonders bevorzugt < 90° ein und/oder der Abrollwinkel dieses Tropfens überschreitet 10°. Weiterhin erfindungsgemäß weisen die hydrophilen und/oder oleophilen Bereiche neben der Hydrophilie und/oder Oleophilie mindestens eine weitere Funktionalität auf.
Eine weitere Funktionalität im Sinne der Erfindung ist jede beliebige weitere chemische und/oder physikalische Eigenschaft, die das Material der hydrophilen- und/oder oleophilen Bereiche neben der Wasser- bzw. Ölabweisung aufweist und die sich technisch nutzen läßt. Beispielhaft jedoch nicht limitierend seien hier die Eigenschaften genannt: Die Bereiche können zumindest eine Oberfläche aufweisen,
die mit anderen Molekülen eine Bindung eingeht;
die chemische Reaktionen katalysieren;
die mindestens eine Substanz abgibt, die mit anderen Molekülen eine Bindung eingehen;
die als Reagenz für zu testende Proben wirkt;
die mindestens eine Substanz abgibt, die als Reagenz für zu testende Proben wirkt;
die eine andere optische Eigenschaft (Absorption, Reflektion, Transmission, Remission, Lumineszenz, Streuung) als die Umgebung aufweist;
die durch Wärmeeinwirkung Licht emittiert;
die eine andere Wärmeleitfähigkeit als die Umgebung aufweist;
die eine andere akustische Eigenschaft (z. B. Schallabsorption, Schallgeschwindigkeit) als die Umgebung aufweist;
die eine andere Oberflächenreibung als die Umgebung aufweist;
die ein anderes Absorptionsverhalten (z. B. Absorptionsgeschwindigkeit, Gleichgewichtsbedeckung) als die Umgebung aufweist;
die eine andere elektrische Eigenschaft (z. B. Leitfähigkeit, Dielektrizitätskonstante) als die Umgebung aufweist;
die eine andere magnetische Eigenschaft (z. B. Suszeptibilität) als die Umgebung aufweist;
die ein anderes Oberflächendiffusionsverhalten als die Umgebung aufweist;
die eine radioaktiv markierte Substanz enthält;
die eine andere α-, β- oder γ-Emission als die Umgebung aufweist;
die eine andere spezifische Oberfläche als die Umgebung aufweist;
die eine andere Oberflächentopographie als die Umgebung aufweist;
die eine andere Porosität als die Umgebung aufweist;
die eine andere Oberflächenbedeckung eines Adsorbates als die Umgebung aufweist;
die ein anderes Molekulargewicht eines Polymeren als die umgebende Polymereoberfläche aufweist;
die ein anderes elektrochemisches Potential als die Umgebung aufweist;
die eine andere Oberflächenladungsdichte als die Umgebung aufweist;
die ein anderes elektrokinetisches Potential (Zeta-Potential) als die Umgebung aufweist;
die durch eine der vorgenannten chemischen oder physikalischen Eigenschaften mindestens eine Substanz abgibt, die als Reagenz für zu testende Proben wirkt;
die durch eine der vorgenannten chemischen oder physikalischen Eigenschaften mindestens eine Substanz abgibt, die mit anderen Molekülen eine Bindung eingehen und/oder
Moleküle z. B. Biomoleküle unspezifisch oder spezifisch spaltet.
Vorzugsweise werden die hydrophilen und/oder oleophilen Bereiche jeweils von einem ultraphoben Bereich vollständig umschlossen. Durch diese Ausführungsform ist es möglich einen Flüssigkeitstropfen, der auf die hydrophilen- und/oder oleophilen Bereiche dosiert wird, dort vergleichsweise fest zu verankern.
Weiterhin bevorzugt werden die hydrophilen und/oder oleophilen Bereiche gemäß einem ganz bestimmten Muster auf der ultraphoben Oberfläche angeordnet. Dadurch kann beispielsweise ein Raster, ein sogenanntes Array, erzeugt werden, bei denen die hydrophilen- und/oder oleophilen Bereiche dann beispielsweise von einem Automaten für Serienversuche leicht angefahren werden können.
Die hydrophilen und/oder oleophilen Bereiche können jede beliebige Form und Größe aufweisen. Vorzugsweise haben sie jedoch eine Fläche von 1 µm²-10 mm². Auf einer derartigen Fläche läßt sich ein Flüssigkeitstropfen mit einem Durchmesser von vorzugsweise 5 nm-5 mm absetzen und vorzugsweise so verankern, dass er sich selbst nach unten hängend nicht von dem erfindungsgemäßen Flächengebilde löst. Vorzugsweise haben die hydrophilen- und/oder oleophilen Bereiche einen minimalen Abstand > 10 µm zueinander.
Die hydrophilen- und/oder oleophilen Bereiche können in jeder beliebigen, dem Fachmann geläufigen Weise in das erfindungsgemäße Flächengebilde eingearbeitet oder auf die ultraphobe Oberfläche aufgetragen werden. Vorzugsweise ist der hydrophile- und/oder oleophile Bereich jedoch jeweils mindestens eine Ablagerung auf der ultraphoben Oberfläche. Diese Ablagerung kann flüssig oder fest sein. Im Fall einer flüssigen Ablagerung muß sie vorzugsweise zumindest bei Raumtemperatur nicht oder nur geringfügig flüchtig sein. Die abgelagerte Substanz kann beispielsweise durch eine entsprechende Temperatur der ultraphoben Oberfläche oder durch Substanzen, die vorzugsweise gelöst und/oder suspendiert auf die ultraphobe Oberfläche vorzugsweise tropfenförmig aufgetragen werden und bei denen dann das Lösungsmittel bzw. die flüssige Phase abgedampft wird, erzeugt werden. Die ultraphobe Oberfläche muß dabei durch das Lösungsmittel bzw. die flüssige Phase benetzbar sein. Details hierzu können den beim deutschen Patent- und Markenamt hinterlegten Parallelanmeldungen mit dem internen Aktenzeichen Sy 0028 und Sy 0029 entnommen werden, die hiermit als Referenz eingeführt werden und somit als Teil der Offenbarung gelten. Die feste Ablagerung kann auch ein dünner Film von einer festen Substanz sein. Ebenso kann die Ablagerung ein Adsorbat sein, dessen Schichtdicke nur einen Bruchteil einer Monomoleküllage oder bis zu mehreren Moleküllagen beträgt. Die Ablagerungen können beispielsweise mit den entsprechenden Lösungsmitteln wieder von der ultraphoben Oberfläche abgelöst werden, so daß die ultraphoben Oberflächen wiederverwendet werden kann.
Vorzugsweise weist der hydrophile und/oder oleophile Bereich die zusätzliche Funktionalität einer MALDI-Matrix auf; d. h. der hydrophile und/oder oleophile Bereich ist gleichzeitig eine MALDI-Matrix zur Durchführung der sogenannten MALDI- Massenspektrometrie, die beispielsweise in Nordhoff et. al. "MALDI-MS as a new method for the analysis of nucleic acid (DNA and RNA) with molecular masses up to 150,000 Dalton, Application of modern mass spectrometric methods to plant science research, Oxford University press, (1996) Seite 86-101 beschrieben ist. Diese Veröffentlichung wird hiermit als Referenz eingeführt wird und somit gilt als Teil der Offenbarung. Bevorzugte MALDI-Matrices sind 3-Hydroxypicolinsäure, α-Cyano-4- Hydroxyzimtsäure, 2,5 Dihydroxybenzoesäure, Sinapinsäure, 2,4,6 Trihydroxyacetophenon Nitrobenzylalkohol, Nikotoinsäure, Ferulasäure, Kaffeesäure, 2-Aminobenzoesäure, Picolinsäure, 3-Aminobenzoesäure, 2,3,4- Trihydroxyacetophenon, 6-Aza-2-thiothymidine, Harnstoff, Bernsteinsäure, Adipinsäure, Malonsäure oder deren Mischung. Diese MALDI-Matrices werden beispielsweise in Acetonitirl gelöst und vorzugsweise als Flüssigkeitstropfen auf die ultraphobe Oberfläche aufgetragen und dann das Lösungsmittel dort verdampft, so daß die MALDI-Matrix als vorzugsweise kristalline Struktur punktuell auf der ultraphoben Oberfläche vorliegt und somit die hydrophilen und/oder oleophilen Bereiche darstellen, auf die die zu analysierenden Proben dosiert werden können.
Vorzugsweise weist das Flächengebilde, das besonders bevorzugt ein Probenträger ist, eine Vielzahl von Orten mit jeweils einer MALDI-Matrix auf, die jeweils von der ultraphoben Oberfläche vollständig umschlossen sind. Ein Probenträger kann an allen diesen Orten die gleiche Matrix oder verschiedene Martices aufweisen.
Die zu analysierenden, die ultraphobe Oberfläche nicht benetzenden Proben werden in der Regel als Flüssigkeit auf die vorzugsweise kristallinen MALDI-Matrices dosiert und lösen diese vorzugsweise zumindest teilweise an. Während das Lösungsmittel dann wieder abdampft, kristallisiert die MALDI-Matrix wieder und die zu analysierenden Probenmoleküle werden in die MALDI-Matrix eingebaut oder binden an die Oberfläche der MALDI-Matrix. Die so präparierten Proben können dann mit einem entsprechenden Massenspektrometer analysiert werden.
Diese bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, daß Probenträger zur Verfügung gestellt werden können, auf denen die MALDI-Matrix oder mehrere MALDI-Matrices bereits an definierten Positionen vorliegt. Der Anwender muß die zu analysierenden Proben jeweils nur noch auf die jeweiligen MALDI-Matrices aufbringen, so daß sich für Ihn die Analyse erheblich vereinfacht. Er muß die MALDI-Matrices nicht herstellen und lagern und muß auch keine Vorrichtungen vorhalten, mit denen die MALDI-Matices auf die Probenträger aufgebracht und getrocknet werden können. Die MALDI-Matrix, die erfindungsgemäß auch den hydrophilen- und/oder oleophilen Bereich des Flächengebildes darstellt, wirkt als Anker für die Probenflüssigkeit, die die ultraphobe Oberfläche nicht benetzt und deshalb mit dieser nicht in Berührung kommt, so daß die Probe nicht durch Substanzen auf der ultraphoben Oberfläche kontaminiert werden kann. Dies ist bei der MALDI-Massenspektrometrie von besonders großer Bedeutung, weil die Probenflüssigkeit eingedampft und dadurch die vorhandenen Verunreinigungen aufkonzentriert werden. Mit den erfindungsgemäßen Flächengebilden lassen sich deshalb Massenspektren hoher Qualität reproduzierbar ermitteln. Die ultraphoben Oberflächen können nach der jeweiligen Anwendung gereinigt und wieder verwendet werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die hydrophilen und/oder oleophilen Bereiche auch noch die Funktionalität einer Affinitäts-Matrix auf; d. h. die hydrophilen und/oder oleophilen Bereiche sind gleichzeitig auch Affinitäts-Matrices. Eine Affinitäts-Matrix im Sinne der Erfindung bindet nur bestimmte Moleküle eines Molekülgemisches. Die Bindung kann reversibel oder irreversibel sein. Die gebundenen Moleküle können beispielsweise durch Waschen von der Mischung abgetrennt und dann analysiert werden. Vorzugsweise sind die selektiv gebunden Moleküle Biomoleküle und/oder biologisches Material, insbesondere DNA, RNA, Nukleinsäuren, Nukleinsäureanaloga, Spiegelmere, Aptamere, Ribozyme, Polypeptide, Peptide und/oder Proteine. Diese Biomoleküle können dann beispielsweise durch Zugabe mindestens einer MALDI-Matrix und anschließender MALDI-Massenspektrometrie analysiert werden. Die Affinitäts-Matrix, die gleichzeitig den hydrophilen- und/oder oleophilen Bereich darstellt, liegt vorzugsweise kristallin vor. Beispiele für eine Affinitäts-Matrix sind aus der Festphasenchromatographie dem Fachmann bekannte chemische Gruppen wie z. B. Anionenaustauschchromatographie: -NH₂, -(CH₂)₄-NH₂ oder - (CH₂)₆-NH₂ oder Kationenaustauschchromatographie: -C₆H₄-SO₃H oder Umkehrphasenchromatographie: -(CH₂)₃-CH₃, -(CH₂)₇-CH₃, -(CH₂)₁₇-CH₃. Ganz besonders bevorzugt ist die Affinitäts-Matrix jedoch gleichzeitig auch noch eine MALDI-Matrix. Derartige Substanzen sind beispielsweise α-Cyano-4- Hydroxyzimtsäure, 2,4,6-Trihydroxyacetophenon, Kaffeesäure, Sinapinsäure oder deren Mischung. Die Affinitäts-Matrices werden beispielsweise in Aceton, Aceton/saurem Wasser-Gemisch, Acetonitril, Ethanol, Isopropanol oder deren Mischung gelöst und vorzugsweise als Flüssigkeitstropfen auf die ultraphobe Oberfläche aufgetragen und dann das Lösungsmittel dort verdampft, so daß die Affinitäts-Matrices als vorzugsweise kristalline Struktur punktuell auf der ultraphoben Oberfläche vorliegt und somit die hydrophilen und/oder oleophilen Bereiche darstellen, auf die die zu separierienden und dann zu analysierenden Proben dosiert werden können.
Ein Biomolekül im Sinne der vorliegenden Erfindungen ist ein beliebiges Molekül das im Laufe des Lebenszyklus eines beliebigen Virus oder ein- oder mehrzelligen Organismus von diesem hergestellt wird. Biomoleküle enthalten mindestens ein Sauerstoff-, Stickstoff, Schwefel-, und/oder Phosphoratom. Beispielhaft für Biomoleküle seien genannt: Spielgelmere, Aptamere, Ribozyme, Peptide, Polypeptide, Proteine, Antikörper, Nukleinsäuren, Nukleinsäureanaloga, DNA, Doppelstrang-DNA, RNA, Doppelstrang-RNA/DNA, Vitamine, Kohlenhydate, Hormone, Glycopeptide, Glycoproteine, Lipide, Fettsäuren und Cholesterin.
Biologisches Material im Sinne der Erfindungen enthält mindestens ein Biomolekül. Hierbei kann es sich aber auch um große Mengen desselben oder verschiedener Biomoleküle handeln. Diese können unorganisiert nebeneinander vorliegen oder aufgrund von Wechselwirkungen funktionale Einheiten aufbauen. Beispiele hierfür sind Proteinkomplexe, Genome, Zellkerne, Ribosomen, Zellen, Zellverbände, Gewebe oder vollständige Organismen.
Diese bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, daß Probenträger zur Verfügung gestellt werden können, auf denen eine Affinitäts-Matrix oder mehrere Affinitäts-Matrices bereits an definierten Positionen vorliegt. Unterschiedliche Affinitäts-Matrices auf einem Probenträger haben den Vorteil, daß an den jeweiligen Affinitäts-Matrices jeweils unterschiedliche Moleküle selektiv gebunden werden können. Der Anwender muß die zu separierende Probenflüssigkeit nur noch auf die jeweiligen Affinitäts-Matrices aufbringen, so daß sich für ihn die Abtrennung einzelner Verbindungen erheblich vereinfacht. Er muß die Affinitäts- Matrices nicht herstellen und lagern und muß auch keine Vorrichtungen vorhalten, mit denen die Affinitäts-Matices auf die Probenträger aufgebracht und getrocknet werden können. Die Affinitäts-Matrix, die erfindungsgemäß auch den hydrophilen- und/oder oleophilen Bereich des Flächengebildes darstellt, wirkt als Anker für die Probenflüssigkeit, die die ultraphobe Oberfläche nicht benetzt und deshalb mit dieser nicht in Berührung kommt, so daß die an die Affinitäts-Matrix gebunden Moleküle nicht durch Substanzen auf der ultraphoben Oberfläche kontaminiert werden können. Die selktiv an die Affinitäts-Matrix gebundenen Moleküle sind vorzugsweise Biomoleküle und/oder biologische Materialien, ganz besonders bevorzugt Nukleinsäuren, Nukleinsäureanaloga, Spiegelmere, Aptamere, Ribozyme, Polypeptide, Peptide und/oder Proteine. Die gebunden Moleküle können anschließend analysiert werden oder stehen für weitere Reaktionen zur Verfügung. Die ultraphoben Oberflächen können nach der jeweiligen Anwendung gereinigt und wieder verwendet werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist hydrophile und/oder oleophile Bereich mindestens ein Substrat, an das mindestens ein Molekül, vorzugsweise ein Biomolekül und/oder biologisches Material reversibel oder irreversibel, kovalent, gebunden werden kann. Beispiel für derartige Substrate sind Polyacrylamid, Polyethylenglycol, Polyvinylalkohol, Agarose, Nylon, Nitrocellulose und/oder Methylcellulose. Vorzugsweise weist das Substrat eine dreidimensionale, vorzugsweise poröse Struktur auf, deren Porengröße vorzugsweise 1-100 nm, besonders bevorzugt 1-20 nm und ganz besonders bevorzugt 1-10 nm beträgt. Weitere Beispiele für derartige Substrate sind anorganische Verbindungen. An diese Substrate können beliebige Substanzen gebunden werden. Vorzugsweise sind die Substanzen jedoch bestimmte ausgewählte Biomoleküle und/oder biologische Materialien, die auf den Substraten immobilisiert werden und dann für weitere biochemische oder biologische Experimente zur Verfügung stehen oder gelagert werden können. Auf diese Weise können beispielsweise Biomolekül-Chips auch als Biomolekül-Arrays bezeichnet, zur Verfügung gestellt werden, auf denen vorzugsweise mehrere unterschiedliche Biomoleküle und/oder biologische Materialien vorzugsweise jedoch derselben Gattung immobilisiert sind. Die Biomolekül-Chips sind ebenfalls ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Bevorzugte Biomoleküle sind DNA, RNA, Peptide und/oder Proteine. Mit diesen Biomolekülen lassen sich beispielsweise sogenannte DNA- oder Protein-Chips herstellen, auf denen viele verschiedene DNA oder Proteinmoleküle in Form eines definierten Rasters gebunden sind. Die auf diesen Chips immobilisierten Moleküle werden dann mit einer Probenlösung inkubiert. Dieser Vorgang wird im Fall von DNA-DNA-, DNA-RNA- oder RNA-RNA-Interaktionen auch als Hybridisierung bezeichnet. Werden Proteine immobilisiert, sind insbesondere Protein-Protein, Protein-DNA, Protein-RNA oder die Wechselwirkung der immobilisierten Proteine mit pharmakologischen Wirkstoffen von Interesse. Erfindungswesentlich ist, daß sowohl die Immobilisierung der Moleküle als auch deren weiterer Einsatz auf einer ultraphoben Oberfläche stattfindet, so daß eine Kontamination der Moleküle mit Substanzen, die auf der ultraphoben Oberfläche lagern nahezu ausgeschlossen ist und bei der Analyse der immobilisierten Moleküle, vorzugsweise Biomoleküle, Hintergrundsignale wesentlich vermindert werden. Die ultraphoben Oberflächen können nach der jeweiligen Anwendung gereinigt und wieder verwendet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der hydrophile und/oder oleophile Bereich ein Biomolekül oder biologisches Material, das vorzugsweise gelöst und/oder suspendiert auf die ultraphobe Oberfläche aufgetragen und bei dem das Lösungsmittel bzw. die flüssige Phase dann abgedampft wird. Das Lösungsmittel bzw. die flüssige Phase müssen die ultraphobe Oberfläche benetzen. Die so immobilisierten Biomoleküle bzw. immobilisierten biologischen Materialien stehen dann beispielsweise für weitere biochemische oder biologische Experimente zur Verfügung. Auf diese Weise können beispielsweise Biomolekül-Chips auch als Biomolekül-Arrays bezeichnet zur Verfügung gestellt werden, auf denen vorzugsweise mehrere unterschiedliche Biomoleküle vorzugsweise jedoch derselben Gattung immobilisiert sind. Die Biomolekül-Chips sind ebenfalls ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Bevorzugte Biomoleküle sind DNA, RNA, Peptide und/oder Proteine. Mit diesen Biomolekülen lassen sich beispielsweise sogenannte DNA- oder Protein-Chips herstellen, auf denen viele verschiedene DNA oder Proteinmoleküle in Form eines definierten Rasters gebunden sind. Die auf diesen Chips immobilisierten Biomoleküle werden dann mit einer Probenlösung inkubiert. Dieser Vorgang wird im Fall von DNA-DNA-, DNA-RNA- oder RNA-RNA-Interaktionen auch als Hybridisierung bezeichnet. Werden Proteine immobilisiert, sind insbesondere Protein-Protein-, Protein-DNA-, Protein-RNA-Interaktionen oder die Wechselwirkung der immobilisierten Proteine mit pharmakologischen Wirkstoffen von Interesse. Erfindungswesentlich ist, daß sowohl die Immobilisierung der Biomoleküle als auch deren weiterer Einsatz auf einer ultraphoben Oberfläche stattfindet, so daß eine Kontamination der Biomoleküle mit Substanzen, die auf der ultraphoben Oberfläche lagern nahezu ausgeschlossen ist und bei der Analyse Hintergrundsignale wesentlich vermindert werden. An dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flächengebildes ist besonders vorteilhaft, daß die Biomoleküle ohne eine weitere Substanz direkt an der ultraphoben Oberfläche haften, so daß die Herstellung dieser Flächengebilde besonders einfach und kostengünstig ist. Die ultraphoben Oberflächen können nach der jeweiligen Anwendung gereinigt und wieder verwendet werden.
Die erfindungsgemäßen Flächengebilde eignen sich zur Analyse jeglicher Flüssigkeit, wie sie beispielsweise aus der Wirkstofforschung oder in der Biotechnologie bekannt sind. Insbesondere eignet sich das erfindungsgemäße Flächengebilde zur Expressions-, massenspektrometrischen- und/oder optischen Analyse von Biomolekülen und/oder biologischen Materialien, insbesondere Nukleinsäuren, Nukleinsäureanaloga, Spiegelmere, Aptamere, Ribozyme, Polypeptide, Proteinen und/oder Peptiden. Diese Verwendungen sind ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Eine optische Analyse im Sinne der vorliegenden Erfindungen ist in den beim Deutschen Patent- und Markenamt hinterlegten deutschen Parallelanmeldung mit dem internen Aktenzeichen SY 0028 beschrieben. Details zu massenspektrometrischer Analyse, insbesondere dem MALDI-Verfahren können ebenfalls der beim Deutschen Patent- und Markenamt mit dem internen Aktenzeichen SY 0029 hinterlegten Parallelanmeldung entnommen werden. Beide Anmeldungen werden hiermit als Refernz eingeführt und gelten somit als Teil der Offenbarung.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Flächengebildes, bei dem auf die ultraphobe Oberfläche jeweils eine funktionale Substanz, die in einem Lösungsmittel, das die ultraphobe Oberfläche benetzt, gelöst und/oder suspendiert ist, vorzugsweise tropfenweise dosiert und die flüssige Phase bzw. das Lösungsmittel anschließend abgedampft wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist einfach und kostengünstig durchzuführen. Die funktionale Substanz, die gleichzeitig hydrophile- und/oder oleophile Bereiche darstellen, kann nach dem jeweiligen Einsatz wieder abgelöst und die ultraphobe Oberfläche wiederverwendet werden.
Vorzugsweise werden mehrere unterschiedliche Substanzen auf die ultraphobe Oberfläche dosiert, so daß sich sogenannte Arrays erzeugen lassen. Vorzugsweise sind die funktionalen Substanzen MALDI-Matrices, Affinitäts-Matrices, Biomoleküle, insbesondere DNAs, Proteine und/oder Bindungsmoleküle. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich demnach DNA- oder Proteiein-Chips herstellen.
Hinsichtlich der Offenbarung zu MALDI-Matrices, Affinitätsmatrices, Biomoleküle und Bindungsmolekülen wird auf das Vorherstehende verwiesen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von den Beispielen 1-2 erläutert. Diese Erläuterungen sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.

Beispiel 1

Herstellung der ultraphoben Oberfläche

Ein walzpoliertes AlMg3-Blech mit einer Fläche von 26 × 76 mm² und einer Dicke von 0,15 mm wurde bei Raumtemperatur mit Chloroform (p. a.) anschließend 20 Sekunden (s) in wässriger NaOH (5 g/l,) bei 50°C entfettet.
Danach wurde 20 s in H₃PO₄ (100 g/l,) vorgebeizt, 30 s in dest. Wasser gespült und 90 s in einer Mischung von HCl/H₃BO₃ (je 4 g/l,) bei 35°C und 120 mA/cm² bei 35 V Wechselspannung elektrochemisch gebeizt.
Nach 30 s Spülung in dest. Wasser und 30 s alkalischer Spülung in wässriger NaOH (5 g/l,) wurde erneut 30 s in dest. Wasser gespült und anschließend 90 s in H₂SO₄ (200 g/l,) bei 25°C mit 30 mA/cm² bei 50 V Gleichspannung anodisch oxidiert.
Danach wurde 30 s in dest. Wasser, dann 60 s bei 40°C in NaHCO₃ (20 g/l,), dann wieder 30 s in dest. Wasser gespült und 1 Stunde bei 80°C im Trockenschrank getrocknet.
Das so behandelte Blech wurde mit einer etwa 40 nm dicken Goldschicht durch Kathodenzerstäubung im Hochvakuum beschichtet. Schließlich wurde die Probe 24 Stunden durch Tauchen in eine Lösung des Thiols CF₃-(CF₂)₇-(CH₂)₂-SH in Benzotrifluorid (p. a., 1 g/l) bei Raumtemperatur in einem geschlossenen Gefäß mit einer Monolage beschichtet, anschließend mit Benzotrifluorid (p. a.) gespült und getrocknet.
Die Oberfläche weist für Wasser einen statischen Randwinkel von 178°C auf. Bei einer Neigung der Oberfläche um < 2°C rollt ein Wassertropfen des Volumens 10 µl ab.

Beispiel 2

Bei diesem Beispiel wird ein Probenträger mit einer Oberfläche gemäß Beispiel 1 eingesetzt. Auf die ungereinigte, ultraphobe Oberfläche dieses Probenträgers wurden mit einer Piezodispensierstation verschiedene Aliquots von MALDI-Matrices z. B. 3-Hydroxypicolinsäure, Sinapinsäure und α-Cyano-4-Hydroxyzimtsäure gelöst in Aceton, Acetonitril oder einem Gemisch aus Wasser und einem der genannten organischen Lösungsmittel, wobei der Lösemittelgehalt mindestens 50 Vol.-% betragen sollte, dispensiert. Nach dem schnellen Verdampfen des Lösemittels scheiden sich alle getesteten Matrices in Form kleiner Kristalle als hydrophile Bereiche auf der ultraphoben Oberfläche ab und hafteten so fest daran, daß sie weder mit einem Wischtuch noch mit Preßluft abgelöst werden konnten. Die mit Matrices belegten Orte hatten jeweils einen Durchmesser von 200-1000 µm. Die Matrices sind hydrophil im Sinne der Erfindung; d. h. sie weisen zwei Funktionalitäten auf. Auf die mit Matrices belegten Orte wurden jeweils 0,5-2,0 µl verschiedener Proben, die Biomoleküle aufwiesen, dosiert. Die Proben enthielten beispielsweise Peptide oder Proteine gelöst in 0,1% TFA-Wasser oder Oligonukleotide gelöst in Wasser, wobei der Gehalt an Biomolekül jeweils 0,1-1 µmol pro µl betrug. Die Proben wurden mit einer Handpipette auf die Matrices aufgetragen und bei Raumtemperatur eingedampft und anschließend in einem MALDI-TOF- Massenspektrometer MTP Autoflex der Firma Bruker Daltonik GmbH, 28359 Bremen im linearen- oder Reflektor-Betrieb analysiert. In allen Fällen wurden reproduzierbar Massenspektren hoher Qualität aufgenommen, obwohl die ultraphobe Oberfläche vor der jeweiligen Anwendung nicht gereinigt wurde. Dies ist besonders für die Analyse von Nukleinsäuren wichtig, die durch geringste Kontaminationen beispielsweise durch Na- oder K-Salze auf den Probenträgern verfälscht werden.

Claims

1. Flächengebilde mit einer ultraphoben Oberfläche und mit mindestens einem hydrophilen und/oder oleophilen Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß der hydrophile und/oder oleophile Bereich neben der Hydrophilie und/oder Oleophilie mindestens eine weitere Funktionalität aufweist.

2. Flächengebilde nach Anspruch 1 mit einer Vielzahl hydrophiler und/oder oleophiler Bereiche.

3. Flächengebilde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophilen und/oder oleophilen Bereichen jeweils von der ultraphoben Oberfläche vollständig umschlossen sind.

4. Flächengebilde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophilen und/oder oleophilen Bereiche zumindest teilweise gemäß einem bestimmten Muster auf der ultraphoben Oberfläche verteilt sind.

5. Flächengebilde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die ultraphobe Oberfläche eine Oberflächentopographie aufweist, bei der die Ortsfrequenz f der einzelnen Fourierkomponenten und deren Amplituden a(f) ausgedrückt durch das Integral S(log(f)) = a(f).f errechnet zwischen den Integrationsgrenzen log(f₁/µm^-1) = -3 und log(f₂/µm^-1) = 3, mindestens 0,3 beträgt und die aus einem hydrophoben oder insbesondere oleophoben Material besteht oder mit einem haltbar hydrophobierten und/oder insbesondere haltbar oleophobierten Material überzogen sind.

6. Flächengebilde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophilen und/oder oleophilen Bereiche jeweils eine Fläche von 1 µm²-10 mm² aufweisen.

7. Flächengebilde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophilen Bereiche jeweils mindestens eine Ablagerung, vorzugsweise eine erstarrte Substanz auf der ultraphoben Oberfläche sind.

8. Flächengebilde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophilen Bereiche jeweils eine MALDI-Matrix sind.

9. Flächengebilde nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophilen Bereiche jeweils mindestens eine Affinitäts-Matrix sind.

10. Flächengebilde nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophilen Bereiche jeweils mindestens ein Substrat sind, an das mindestens ein Molekül, insbesondere ein Biomolekül gebunden werden kann.

11. Flächengebilde nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die hydrophilen Bereiche jeweils mindestens ein Biomolekül, vorzugsweise eine DNA und/oder ein Porteinmolekül sind.

12. Flächengebilde nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrophilen und/oder oleophilen Bereiche reversibel erzeugbar sind.

13. Flächengebilde, vorzugsweise Probenträger, mit mehreren Biomolekülen, die jeweils auf einer ultraphoben Oberfläche immobilisiert sind.

14. Flächengebilde nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Biomoleküle in Form eines bestimmten Rasters angeordnet sind.

15. Flächengebilde nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Biomoleküle DNA und/oder Proteinmoleküle sind.

16. Flächengebilde, vorzugsweise Probenträger, mit mehreren MALDI-Matrices, die jeweils auf einer ultraphoben Oberfläche immobilisiert sind.

17. Flächengebilde nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die MALDI- Matrices in Form eines bestimmten Rasters angeordnet sind.

18. Flächengebilde nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die MALDImatrices 3-Hydroxypicolinsäure, α-Cyano-4- Hydroxyzimtsäure, 2,5 Dihydroxybenzoesäure, Sinapinsäure, 2,4,6 Trihydroxyacetophenon oder deren Mischung sind.

19. Flächengebilde, vorzugsweise Probenträger, mit mehreren Affinitäts-Matrices, die jeweils auf einer ultraphoben Oberfläche immobilisiert sind.

20. Flächengebilde nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Affinitäts-Matrices in Form eines bestimmten Rasters angeordnet sind.

21. Verfahren zur Herstellung eines Flächengebilde gemäß den Patentansprüchen 1-20, dadurch gekennzeichnet, daß auf die ultraphobe Oberfläche jeweils eine funktionale Substanz, die in einem Lösungsmittel, das die ultraphobe Oberfläche benetzt, gelöst und/oder suspendiert ist, vorzugsweise tropfenweise dosiert und die flüssige Phase bzw. das Lösungsmittel anschließend abgedampft wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere unterschiedliche Substanzen auf die ultraphobe Oberfläche dosiert werden.

23. Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Substanzen MALDI-Matrices, Affinitäts-Matrices, Biomoleküle, Reagentien und/oder Bindungsmoleküle sind.

24. Verwendung der Flächengebilde gemäße einem der Ansprüche 1-20, in der Wirkstofforschung und in der Biotechnologie.