DE10237280A1

DE10237280A1 - Verfahren zum Verbinden von Oberflächen, Halbleiter mit verbundenen Oberflächen sowie Bio-Chip und Bio-Sensor

Info

Publication number: DE10237280A1
Application number: DE10237280A
Authority: DE
Inventors: Holger Dr. Klapproth
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 2002-08-14
Filing date: 2002-08-14
Publication date: 2004-03-11
Also published as: WO2004017071A3; WO2004017071A2; AU2003266280A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verkleben von Oberflächen sowie Halbleiter mit derart verbundenen Oberflächen und Bio-Chips bzw. Bio-Sensoren, umfassend den Halbleiter.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Oberflächen, einen Halbleiter dessen Oberflächen mit der Oberfläche eines zweiten Halbleiters verbunden sind sowie einen Bio-Chip oder Bio-Sensor, der einen solchen Halbleiter umfasst.
In der Analytik und molekularen Diagnostik gewinnen Mikro- und Nanotechnologien zunehmend an Bedeutung. Für den qualitativen und quantitativen Nachweis von Substanzen in einer zu analysierenden Probe werden planare Systeme verwendet, die als Biochips bzw. Biosensoren bezeichnet werden. Die Biochips bilden einen Träger, auf dessen Oberfläche eine Vielzahl von rasterartig angeordneten Nachweisbereichen ausgebildet ist. Die einzelnen Bereiche unterscheiden sich dabei voneinander in ihrer Spezifität gegenüber einer nachzuweisenden Substanz. Da vor allem biologische Systeme auf Interaktionen von biologisch aktiven Makromolekülen beruhen, eignen sich Biochips besonders für den Nachweis von biologisch aktiven Molekülen wie Nukleinsäuren (DNA oder RNA), Oligo- und Polypeptiden, Proteinen, Antikörpern sowie Rezeptoren und Liganden.
Daher wurden zahlreiche Biochips hergestellt, die auf Festphasentechnologien mit sich selbst organisierenden Monoschichten ("self-assembled monolayers", "SAM") von bifunktionellen Molekülen beruhen. Die bifunktionellen Moleküle binden mit einer Seite an die Oberfläche des festen Trägers und mit der anderen Seite an Makromoleküle, die in einer zu untersuchenden Probe vorliegen. Der Nachweis einer bestimmten Interaktion erfolgt mit Hilfe geeigneter Markierungen, beispielsweise radioaktiver Markierung oder Chemo- bzw. Biolumineszenz.
Für die Herstellung von Biochips werden Oberflächen aus Metall oder Halbmetalloxiden, wie Aluminiumoxid, Quarzglas, oder Glas in eine Lösung von bifunktionellen Molekülen ("Linkern") getaucht. Die Lösung enthält eine Halogensilan oder Alkoxysilangruppe zur Kopplung an die Trägeroberfläche, so dass sich eine selbst organisierende Monoschicht ausbilden kann. Die Kopplung der Linker an die nachzuweisenden Makromoleküle aus der zu testenden Probe erfolgt über geeignete weitere funktionelle Gruppen, wie Amino- oder Epoxygruppen.
In der WO 02/10752 A2 wird ein Sensorchip mit einer Trägeroberfläche aus Metalloxid oder Halbmetalloxid beschrieben, auf die eine homogene Polysiloxanschicht aufgebracht ist. Zur Herstellung dieser Mehrfachschicht wird der Sensorchip in eine Lösung eines bifunktionellen Silans eingetaucht und mit einer definierten Geschwindigkeit im Bereich von 0,1 bis 10 mm/s herausgezogen. Das bifunktionelle Silan liegt in einem Lösungsmittel mit einer Siedetemperatur zwischen 50 und 150°C, einer Konzentration von 0,1 bis 50 Gew.-% und einer Temperatur von 20 bis 100°C vor. Dadurch dass der Sensorchip mit einer definierten Geschwindigkeit aus der Lösung herausgezogen wird, bildet sich die Schicht aus bifunktionellem Silan unter Bildung einer Polysiloxan-Mehrfachschicht auf der Oberfläche des Sensorchips durch Vernetzung aus.
Demgegenüber beschreibt die WO 00/43539 A2 eine Schicht ("Monolayer"), die aus einem polyfunktionellen Polymer aufgebaut ist. Polymerketten sind an einer Oberfläche angeordnet und jede Polymerkette umfasst viele identische oder verschiedene Einheiten, die ihrerseits funktionelle Gruppen tragen. Über diese funktionellen Gruppen wird eine Interaktion zwischen dem Polymer und einem Molekül aus einer zu testenden Probe möglich. Die polyfunktionellen Polymerketten werden auch als "polymer brush" bezeichnet, weil sie bürstenähnlich von der Oberfläche abstehen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Oberflächen, was auch als molekulares Verkleben von Oberflächen bezeichnet werden kann. Das Verfahren stellt daher eine neue Verbindungstechnik für zwei Oberflächen zur Verfügung. Hierfür wird die Oberfläche eines ersten Trägers mit mindestens einer monoreaktiven Substanz beschichtet. Anschließend wird die monoreaktive Substanz auf der Oberfläche des ersten Trägers immobilisiert und damit dauerhaft befestigt. Der so hergestellte erste beschichtete Träger wird mit einem zweiten mit einer monoreaktiven Substanz beschichteten Träger in räumliche Nähe gebracht, so dass die beschichteten Oberflächen einander zugewandt sind. Durch den Kontakt der beiden beschichteten Oberflächen reagieren die monoreaktiven Substanzen chemisch miteinander, so dass eine feste dauerhafte Verbindung entsteht. Dadurch dass die Immobilisierung der reaktiven Substanz auf den Trägern sowie das in Kontakt bringen der beschichteten Oberflächen der Träger gleichzeitig in einem einzigen Schritt erfolgt, ist das Verfahren besonders einfach und kostengünstig durchzuführen.
Die Oberflächen der beiden Träger können gleichzeitig mit derselben reaktiven Substanz beschichtet werden. Alternativ dazu können aber verschiedene reaktive Substanzen zur Beschichtung der beiden Oberflächen des ersten und des zweiten Trägers verwendet werden. Bei Verwendung nur einer reaktiven Substanz bilden sich nach der chemischen Verbindung Polymere mit identischen Monomeren aus, während sich bei Verwendung von verschiedenen reaktiven Substanzen Polymere aus unterschiedlichen Monomeren ausbilden.
Die Oberfläche sowohl des ersten als auch des zweiten Trägers kann nicht nur mit einer sondern auch mit zwei oder mehreren identischen oder verschiedenen reaktiven Substanzen beschichtet werden. Auf diese weise können beliebige Polymere aus den unterschiedlichsten Monomereinheiten zusammengesetzt werden.
Nachdem die monoreaktive Substanz auf der Oberfläche des ersten und des zweiten Trägers aufgetragen und immobilisiert wurde, kann zusätzlich auf einen oder auf beide beschichtete Träger eine Substanz zur Kreuzvernetzung aufgebracht werden. Diese Kreuzvernetzungssubstanz ("Crosslinker") ist ein bireaktives Molekül, ein polymer brush (WO 00/43539 A2), ein sogenanntes "surface attached network" ( EP 0 210 578 ) oder eine Beschichtung aus einem dünnen Polymerfilm. Wenn die Eigenreaktivität der monoreaktiven Substanz nicht ausreichend ist, empfiehlt sich das Aufbringen eines Polymers zur Vernetzung, das die gewünschten Eigenschaften besitzt. Beispielsweise können die Oberflächen des ersten und des zweiten Trägers mit einem Epoxid beschichtet werden, so dass eine Vernetzung durch Polyethylglykol möglich ist. Ein solches Epoxid ist exemplarisch in 3 gezeigt.
Der in dem Verfahren verwendete Träger ist ein Halbleiter oder eine verwandte Substanz. Die Oberfläche des Halbleiters besteht aus Silizium, Halbmetalloxiden, vor allem Siliziumoxid (SiO_x), Aluminiumoxid oder Siliziumnitrid.
Die monoreaktive Substanz kann einschichtig in Form einer Monolage auf die Oberfläche des Halbleiters aufgebracht werden. 4 zeigt beispielhaft eine Monolage eines Aminosilans.
Alternativ kann die reaktive Substanz auch in mehreren Schichten als reaktive Lagen auf die Oberfläche aufgebracht werden. Diese reaktiven Lagen werden zusammenfassend als Polylage bezeichnet, die eine gelähnliche Struktur bildet. Die Gelstruktur weist den besonderen Vorteil auf, dass Unebenheiten der Oberflächenstruktur wirksam ausgeglichen werden können.
Besonders geeignet ist eine Schichtdicke der monoreaktiven Substanz von ca. 2 nm.
Die monoreaktive Substanz kann insbesondere ein reaktives Silan sein. Silan weist nur eine Silangruppe als reaktive Gruppe auf. Die organische Gruppe ist dann beispielsweise ein gesättigter aliphatischer Kohlenwasserstoff. Mittels Radikalbildnern kann eine chemische Verbindung zu diesen Gruppen aufgebaut werden, wobei das Silan selbst aber nicht reaktiv ist. Die Verbindung ist extrem stabil, da sie keine weiteren reaktiven Gruppen aufweist. Die Bindung an eine reaktive Substanz führt zu einem Reaktionsprodukt, das endgültig ist, so dass die Bindung außer durch extreme Gewalteinwirkung nicht aufzulösen ist.
Besonders geeignete Silane sind Chlorsilane und Alkoxysilane, wobei aber Thiole oder Disulfidgruppen ebenfalls verwendet werden können. Als Ausgangssilane sind folgende Substanzen besonders geeignet, deren Strukturformeln in 1 angegeben sind:

– 4,4'-Azobis-(4-cyano-petansäure(3'-chlordimethylsilyl)-propylester); als Verbindung 1 in 1 dargestellt, ebenso geeignet sind die entsprechenden Di- und Trichlor- oder Mono-, Di- und Trialkoxysilananaloge;
– 2,4'-Azo-(4-cyano-petansäure(3''-chlordimethylsilyl)-propylester), als Verbindung 2 in 1 dargestellt, ebenso geeignet sind die entsprechenden Di- und Trichlor- oder Mono-, Di- und Trialkoxysilananaloge sowie die jeweilige Verbindung mit einem Undecyl- statt einem Propyl-; oder Disulfid oder Thiolderivate dieses generellen Typs der Azoverbindung;
– 4-(3'-Chlordimethylsilyl)propyloxy)-benzophenon, als Verbindung 3 in 1 dargestellt, ebenso geeignet sind die entsprechenden Di- und Trichlor- oder Mono-, Di- und Trialkoxysilananaloge;
– Silane und Disulfid/Thiolderivate von Arylazomalodinitrilen, als Verbindung 4 in 1 dargestellt.

Besonders bevorzugt ist die Verwendung von Glycid-oxypropyl-trimethoxy-silan zur Beschichtung der Oberfläche des ersten Trägers und Aminopropyl-trimethoxy-silan zur Beschichtung der Oberfläche des zweiten Trägers. Wenn ein Azosilan zur Beschichtung des ersten Trägers und ein Propyl-trichlor-silan zur Beschichtung des zweiten Trägers verwendet wird, kann die chemische Verbindung zwischen beiden Silanen über thermisch induzierte Radikalbildung stattfinden.
Die monoreaktiven Substanzen können durch verschiedene Verfahren wie beispielsweise Aufschleudern (Spin Coating), Gasphasenabscheidung, Kondensation oder Besprühen aufgebracht werden. Daneben eignet sich insbesondere das Eintauchen der zu beschichtenden Träger in Flüssigkeiten mit reaktiver Substanz. Diese Beschichtung wird als Tauchbeschichtung bezeichnet.
Die chemische Bindung, die zwischen den monoreaktiven Substanzen auf den Oberflächen der beiden Träger zustande kommt, ist eine kovalente Bindung. Beispiele solcher Verbindungen sind in den 2, 3 und 5 gezeigt, wobei in 5 schematisch auch die beiden Träger, die mit den Bezugszeichen 1 bzw. 2 versehen sind, dargestellt sind.
Der molekulare Bindungstyp, auf dem die kovalente Bindung zwischen den monoreaktiven Substanzen beruht, ist eine nukleophile oder elektrophile Addition oder Substitution. Außerdem kann eine radikalische Reaktion zwischen funktionellen Gruppen stattfinden. Die funktionellen Gruppen werden aus der Literatur des Standes der Technik unter Berücksichtigung der Klasse von Molekülen, die immobilisiert werden sollen, ausgewählt. Ebenso sind die Bedingungen der Reaktionszeit, der Temperatur sowie des pH-Wertes entscheidend für die Auswahl.
Eine Reihe von Beispielen können aus der Publikation von G. T. Hermanson, "Bioconjugate Techniques", Academic Press 1996, entnommen werden. Besonders geeignet sind aktive oder reaktive Ester, wie N-Hydroxysuccinimide (NHS-Ester) sowie Amine, Aliphate, Epoxide, Thiole, Isothiocyanate, Isocyanate, Azide, carboxylische Gruppen oder Maleinimide.
Darüber hinaus können zwischen den oben genannten funktionellen Gruppen und dem eigentlichen Silan sogenannte Spacer angeordnet sein. Als Spacer kommen insbesondere acrylische und methacrylische Ester oder Amide von C₂-C₁₀ Alkohohlen oder C₂-C₁₀ Aminen in Frage. Um als Spacer verwendet zu werden, tragen die Alkohole oder Amine zusätzliche funktionelle Gruppen an dem Ende, das nicht die Ester- oder Amidbindung bildet. Diese funktionelle Gruppe wird entweder direkt für die Interaktion mit dem anderen reaktiven Silan benötigt, oder sie wird durch die Einwirkung einer weiteren funktionellen Gruppe in einem weiteren Schritt gebildet. Die Spacer können auch aus einzelnen Monomeren wie beispielsweise acrylischen Chloriden oder Methacrylsäure und deren Derivaten oder reaktiven Estern wie N-Hydroxysuccinimiden oder anderen Monomeren, z.B. Maleinanhydrid gebildet werden. Die bevorzugten reaktiven Monomere können kovalente Bindungen mit den bifunktionellen Alkoholen oder Aminen, die als Spacer verwendet werden, eingehen.
Die monoreaktive Substanz kann auf der Oberfläche des Trägers ein quervernetztes Polymer mit reaktiven Seitengruppen bilden. Dadurch kommt es zu einer besonders starken Verbindung zwischen den beiden Halbleitern. Das Polymer besitzt vorzugsweise einen Schmelzpunkt von unter 150°C, so dass das Polymer beim Verbinden der Halbleiter in den flüssigen Zustand überführt werden kann.
Bevorzugt ist weiterhin, einen Spacer mit einer photolabilen Gruppe zu verwenden. Diese photolabile Gruppe wird durch Belichtung aktiviert, so dass die reaktive Gruppe von der Si langruppe abgetrennt wird. Dadurch wird ein Verbinden an dieser Stelle verhindert. Grundsätzlich kann durch die Verwendung von hartem UV-Licht jede Silanlage zerstört werden, so dass die spezifische Reaktivität an dieser Stelle nicht mehr existiert.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Halbleiter, dessen Oberfläche mit der Oberfläche eines zweiten Halbleiters durch das beschriebene Verfahren verbunden ist, sowie einen Biochip oder Biosensor der einen solchen Halbleiter aufweist.

Claims

Verfahren zum Verbinden von Oberflächen, das folgende Schritte aufweist: (a) Beschichten der Oberfläche eines ersten Trägers mit mindestens einer monoreaktiven Substanz; (b) Immobilisieren der monoreaktiven Substanz auf der Oberfläche des ersten Trägers, wodurch ein beschichteter Träger erhalten wird; (c) In Kontakt bringen des ersten beschichteten Trägers mit einem zweiten beschichteten Träger, wodurch sich die monoreaktiven Substanzen chemisch verbinden, wobei die Schritte (b) und (c) gleichzeitig erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen des ersten und des zweiten Trägers mit derselben oder verschiedenen reaktiven Substanzen beschichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen des ersten und/oder des zweiten Trägers mit zwei oder mehreren identischen oder verschiedenen reaktiven Substanzen beschichtet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt (b) zusätzlich der Schritt (b') durchgeführt wird: (b') Aufbringen einer Kreuzvernetzungssubstanz auf den ersten und/oder den zweiten beschichteten Träger.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger ein Halbleiter mit einer Oberfläche aus Silizium, Halbmetalloxiden, insbesondere SiO_x oder Aluminiumoxid ist.
verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die monoreaktive Substanz einschichtig in Form einer Monolage oder mehrschichtig in Form einer Polylage aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Polylage ein Gel bildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die monoreaktive Substanz eine Schicht mit einer Dicke von 2 nm bildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die monoreaktive Substanz reaktives Silan ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Silan Glycid-oxypropyl-trimethoxy-silan oder Aminopropyl-trimethoxy-silan ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das reaktive Silan ein Azosilan oder ein Propyl-trichlor-silan ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die monoreaktive Substanz durch spincoating, Tauschbeschichten, Gasphasenabscheidung, Kondensation oder Besprühen aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Bindung zwi schen den monoreaktiven Substanzen eine kovalente Bindung ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die chemische Bindung zwischen den monoreaktiven Substanzen auf einer nukleophilen oder elektrophilen Addition oder Substitution, oder einer radikalischen Reaktion zwischen funktionellen Gruppen beruht.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die funktionellen Gruppen aktive oder reaktive Ester, insbesondere N-Hydroxysuccinimide (NHS-Ester) sowie Amine, Aliphate, Epoxide, Thiole, Isothiocyanate, Isocyanate, Azide, carboxylische Gruppen oder Maleinimide sind.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der funktionellen Gruppe und dem Silan Spacer angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Spacer acrylische oder methacrylische Ester oder Amide von C₂-C₁₀ Alkoholen oder C₂-C₁₀ Aminen sind.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Spacer eine photolabile Gruppe aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die monoreaktive Substanz ein quervernetztes Polymer mit reaktiven Seitengruppen auf der Oberfläche des Trägers bildet.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das quervernetzte Polymer einen Schmelzpunkt von unter 150°C aufweist.
Halbleiter, dessen Oberfläche mit der Oberfläche eines zweiten Halbleiters durch ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche verbunden ist.
Bio-Chip oder Bio-Sensor, der einen Halbleiter nach Anspruch 21 aufweist.