DE10253077A1 - Herstellung von Mikroarrays - Google Patents

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Karlheinz Dr. Graf
Hans-Jürgen Butt
Elmar Bonaccurso
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Universitaet Siegen
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Erzeugen eines Mikroarrays mit einem vorgegebenen Muster von Wells (10) angegeben. Bei dem Verfahren wird ein quellbares Material als Substrat eingesetzt, z. B. Polystyrol. Polystyrol lässt sich durch Toluol irreversibel quellen. Auf das Polystyrolsubstrat (12) wird in dem Muster der Wells (10) eine Schutzschicht (14) aus Gold aufgedampft. Anschließend wird Toluol-Dampf eingeleitet, der das Polystyrol zum irreversiblen Quellen bringt. Dadurch bilden sich Vertiefungen, die Wells (10), im ansonsten aufgequollenen Polystyrolsubstrat (12) aus.

Description

  • Gebiet der Erfindung:
  • Mikroarrays bzw. Mikrotiterplatten werden immer häufiger für biotechnologische Untersuchungen eingesetzt. Beispiele für Anwendungen sind DNA-Mikroarrays, RNA-Mikroarrays, Antikörper-Mikroarrays, Proteomics on a chip, Lab on a chip, kombinatorische Chemie und die Untersuchung von Kristallbildung z. B. von Proteinen. Auch finden Sie in der Pharmazie regelmäßig Verwendung für das Screening, insbesondere für das High throughput screening.
  • Der Trend bei chemischen und biotechnologischen Verfahren geht aus Kosten- und Effizienzgründen stark zur Miniaturisierung. Daher wird teils auch mit Nanotiterplatten gearbeitet, d. h. mit Arrays, bei denen die Abmessungen der regelmäßig angeordneten Wells bzw. Töpfe oder Vertiefungen im Bereich von Nanometern, also weniger als 1 μm liegen.
  • Für die meisten Anwendungen braucht man neben den Ausleseverfahren drei Komponenten:
    • – den Mikroarray mit seinen in einem regelmäßigen Raster angeordneten Wells,
    • – eine chemische Beschichtung der Wells mit DNA, RNA, Antikörpern, usw.,
    • – die Möglichkeit, gezielt eine einzelne Probe in ein bestimmtes Well einzubringen.
  • Stand der Technik
  • Für die Herstellung von Mikrotiterplatten oder Arrays werden vorzugsweise kostengünstige Spritzgussverfahren eingesetzt. Spritzguss und Heißprägen sind zwei Hauptverfahren im Bereich der Mikroabformung. Die eingesetzte Materialpalette geht von Thermoplasten wie POM, PC oder PMMA bis hin zu Keramiken. Das Material wird bei hoher Temperatur in eine Form gepresst oder gegossen. Spannungen können beim Abkühlen entstehen und das Endergebnis drastisch verschlechtern.
  • Für die Strukturierung von Mikroarrays mit sehr kleinen Wells, die auch Mikroreaktionsräume genannt werden, werden zur Zeit verschiedene Methoden angewendet:
    • I) Unter LIGA-Technik versteht man die Abfolge der Prozessschritte Lithografie, Galvanik und Abformung. Der eigentliche Formgebungsprozess erfolgt dabei durch die Strukturierung eines strahlungsempfindlichen Polymermaterials durch Röntgenstrahlung, dem weitere Schritte folgen.
    • II) Elektrolytische Beschichtung oder Galvanik bedeutet: Abscheidung metallischer Werkstoffe auf vorstrukturierte Substrate. Der Prozess ist zeitaufwendig, wenn große Schichtdicken erzielt werden sollen. Nur Wells mit ganz speziellen Eigenschaften oder räumlichen Formen können mit Hilfe der Galvanik sinnvoll hergestellt werden.
    • III) Bei der Laserablation werden Strukturen direkt von verschiedenen Materialoberflächen abgetragen.
    • IV) Mit Trocken- und Nassätzprozessen ist es möglich, Rasterstrukturen im Mikro- und Submikrometerbereich auf den meisten Substraten herzustellen. Mit dieser Technik sind stets kosten- und zeitaufwendige Prozessschritte verbunden.
    • V) Bei der Imprint-Technik stempelt man z.B. mit Stempeln aus Quarzglas dreidimensionale Strukturen im sub-Mikrometerbereich in eine Polymerschicht, die dann z. B. mit Hilfe von UV-Strahlung ausgehärtet wird. Der Stempel kann wiederverwendet werden. Die Methode erfordert allerdings ein hohes Maß an Planparallelität zwischen Stempel und Polymerunterlage.
    • VI) Über diese bereits technisch verbreiteten Techniken hinaus sind in der Literatur weitere spezielle Techniken zur Mikro- bzw. Nanostrukturierung von Oberflächen beschrieben. Hierzu gehören die Mikrostrukturierung eines speziellen Polystyrols durch thermische Schrumpfung [X.-M. Zhao, Y. Xia, O.J.A. Schueller, D. Qin, G.M. Whitesides, Fabrication of microstructures using shrinkable polystyrene films, Sensors and Actuators A65 (1998) 209–217.], die Erzeugung von Oberflächenstrukturen mit Hilfe lithographischer Verfahren durch eine Maske aus kolloidalen Monoschichten hindurch [F. Burmeister, C. Schäfle, B. Keilhofer, C. Bechinger, J. Boneberg, P. Leiderer, From Mesoscopic to nanoscopic surface structures: lithography with colloid monolayers, Advanced Materials, 10:6 (1998) 495–497.] und die elektrostatische Strukturierung dünner Polymerfilme in einem Kondensator [E. Schäffer, T. Thurn-Albrecht, T.P. Russell, U. Steiner, Electrically induced structure formation and pattern transfer, Nature, 403 (2000) 874–877.].
  • Die genannten Techniken sind jedoch zu aufwändig für die Herstellung eines Verbrauchsartikels ohne besondere Eigenschaf ten. Neuere Technologien zur Array-Herstellung verwenden daher teilweise eine selektive Oberflächenaktivierung des glatten Probenträgers, ohne Wells zu erzeugen. Verbreitet ist dabei die selektive Hydrophobisierung bzw. Hydrophilisierung des Probenträgers. Biomoleküle können dadurch in getrennten Spots lokalisiert und gegebenenfalls dort gebunden werden.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das neue Möglichkeiten der Herstellung von Mikro- oder Nanoarrays eröffnet.
  • Lösung
  • Diese Aufgabe wird durch die Erfindung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Erzeugen einer Oberfläche mit Vertiefungen in einem vorgegebenen Muster umfasst eine Reihe von Schritten. Dabei kann sowohl ein regelmäßiges als auch unregelmäßiges Muster erzeugt werden. Zunächst wird eine Schicht aus einem quellbaren Material gewählt. Die Schicht kann dabei ein Substrat sein oder auf ein Substrat aufgebracht sein. Sie kann auch die Oberfläche eines Gegenstands sein. Vorzugsweise hat das Substrat eine ebene Oberfläche, da dies die nachfolgende Bearbeitung erleichtert.
  • Anschließend wird ein Fluid gewählt, das das quellbare Material quellen kann und/oder dessen Fließfähigkeit erhöht, sofern das quellbare Material mit dem Fluid in Kontakt kommt.
  • Das Fluid kann ein Gas oder eine Flüssigkeit sein. Das Fluid und das quellbare Material müssen zueinander passend gewählt werden.
  • Ferner wird ein Schutzmaterial benötigt, das bei Kontakt mit dem Fluid nicht oder weniger stark quillt als das quellbare Material und/oder dessen Fließfähigkeit bei Kontakt mit dem Fluid weniger erhöht wird und/oder das weniger durchlässig für das Fluid ist, als das quellbare Material.
  • Ein reversibles Quellen des Schutzmaterials kann in Kauf genommen werden. Ebenso ein weniger starkes irreversibles Quellen des Schutzmaterials. Idealerweise quillt das Schutzmaterial nicht bei Kontakt mit dem Fluid. Wichtig ist ferner, dass das Material durch das Fluid nicht zu schnell aufgelöst wird, also im Wesentlichen inert gegen das Fluid ist. Ein langsames Auflösen der Schutzschicht durch das Fluid kann ggf. in Kauf genommen werden.
  • Danach wird auf der Schicht aus quellbarem Material in dem vorgegebenen Muster eine Schutzschicht aus dem Schutzmaterial ausgebildet. Die Ausbildung der Schicht kann z. B. durch Bedampfen durch eine Maske erfolgen oder durch Bestrahlung durch eine Maske, wobei es an den Öffnungen der Maske zu einer Materialveränderung dergestalt kommt, dass das bestrahlte Material nicht mehr irreversibel quillt oder weniger stark fließt oder weniger durchlässig ist. Dies kann beispielsweise durch Quervernetzung eines Polymers nach einer Plasma- oder UV-Bestrahlung erreicht werden.
  • Das solcherart beschichtete Substrat mit der Schicht aus quellbarem Material und der darauf befindlichen Schutzschicht wird dem Fluid ausgesetzt. Dadurch quillt das quellbare Material. In der Regel quillt die Schutzschicht nicht, sodass auf der Oberfläche Vertiefungen dort entstehen, wo die Schutz schicht aufgebracht ist. Dort, wo sich keine Schutzschicht befindet, entstehen durch das Quellen des quellbaren Materials Erhöhungen. Das quellbare Material wölbt sich um die mit der Schutzschicht beschichteten Bereiche herum auf.
  • Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten der für die Erfindung brauchbaren Modifizierung des quellbaren Materials durch das Fluid.
  • Die erste Möglichkeit besteht darin, dass das quellbare Material durch das Fluid irreversibel gequollen wird.
  • Die zweite Möglichkeit besteht darin, dass das quellbare Material durch das Fluid derart angelöst wird, dass seine Viskosität herabgesetzt ist bzw. seine Fließfähigkeit erhöht ist. Wird das quellbare Material dabei auch gequollen, so dehnt es sich aus. Da es sich in der Schicht unterhalb der Schutzschicht nicht oder weniger stark ausdehnen kann, fließt es unter der Schutzschicht hervor bzw. um diese herum. Dieser Fließvorgang ist im Wesentlichen irreversibel. Er wird durch Entziehen des Fluids nicht völlig rückgängig gemacht.
  • Das Fließen kann sowohl bei Materialien auftreten, die reversibel quellen, als auch bei Materialien, die durch das Fluid irreversibel gequollen werden.
  • Hat das Quellen in dem gewünschten Maße stattgefunden, wird das Fluid entfernt. Durch die Dauer und Art der Einwirkung des Fluids auf das quellbare Material kann die Stärke des Quellens und damit die Tiefe der Vertiefungen gesteuert werden.
  • Es wird somit die Quellung und/oder das Fließen von Stoffen zum Erzeugen eines Gegenstands mit einer Oberfläche mit Vertiefungen in einem vorgegebenen Muster ausgenutzt. Die Quel lung von Kunststoffen ist an sich bekannt und wird z. B. in der DE 100 21 490 zur galvanischen Formgebung benutzt.
  • Das bevorzugte Anwendungsfeld des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Erzeugung von Mikro- oder Nanoarrays. Dazu werden auf einem Substrat mit einer ebenen Oberfläche Bereiche, die später die Böden der Wells werden, mit dem Schutzmaterial beschichtet. Damit man für den Array regelmäßig angeordnete Wells erhält, wird dazu das vorgegebene Muster der Schutzschicht in Form eines gleichmäßigen Rasters identischer Flächen gewählt. Im einfachsten Fall sind die identischen Flächen kleine Kreise. Das vorgegebene Muster ähnelt damit einem Punktraster. Danach wird das Substrat einem Dampf oder einer Flüssigkeit ausgesetzt, der zum Teil in das Material des Substrats einzieht und es quellen lässt. Das Substrat wölbt sich. um die beschichteten Bereiche herum auf und es bilden sich Wells. Diese Wells bleiben aufgrund der Irreversibilität des Quellens bzw. Fließens auch nach Entfernen des Dampfes bestehen.
  • Die Vorteile des Verfahrens sind vielfältig.
  • Es handelt sich um einen einfachen, schnellen und kostengünstigen Zweistufenprozess zur Herstellung von gleichartigen Behältern für Flüssigkeiten mit Abmessungen im Nano- und Mikrometerbereich. Das Verfahren eignet sich z. B. zur Massenproduktion großer Arrays aus vielen Wells. Es lassen sich dabei Nano- bzw. Mikrowells mit sehr unterschiedlichen Formen und/oder Abmessungen herstellen. Die Abmessungen reichen von 100 Nanometern oder weniger bis hin zu 100 Mikrometern oder mehr.
  • Außerdem bieten die erfindungsgemäß hergestellten Mikroarrays gewisse Vorteile hinsichtlich der Verdunstung der in den Wells befindlichen Flüssigkeiten. Es gibt grundsätzlich zwei Familien von Mikroarrays:
    Zum einen flache Chips, deren Oberflächen üblicherweise in hydrophile und hydrophobe Bereiche eingeteilt sind. Wird eine wässrige Lösung auf diese Chips aufgetragen, so sammelt sie sich in den hydrophilen Bereichen und benetzt die hydrophoben Bereiche nicht. Da bei diesen Chips Tropfen der wässrigen Lösung offen auf dem flachen Chip liegen, verdunsten sie sehr schnell.
  • Zum anderen gibt es Chips mit Wells. Lösungen, die sich in den Wells befinden, verdunsten langsamer. Durch zusätzliche Kühlung und Regulierung der relativen Luftfeuchtigkeit um den Taupunkt herum kann die Verdunstung weiter reduziert werden. Die konkave Form der Wells verringert bzw. verhindert eine Verdunstung der Flüssigkeit. Somit kann durch die Wahl der Form und Größe der Vertiefungen die Verdunstung kontrolliert werden. Dadurch wird ein genaueres und längeres Arbeiten ermöglicht.
  • Das Verfahren ist umweltfreundlich, da keine organischen Lösungsmittel verbraucht werden. Das Lösungsmittel wird weitestgehend zurückgewonnen, wenn es nach dem Einwirken von den Schichten wieder entfernt wird.
  • Beim Befüllen der Wells durch Flüssigkeitstropfen kann man einen fokussierenden Effekt ausnutzen: Benetzt die Flüssigkeit das quellbare Material bzw. das Substrat schlecht, dann wird die Flüssigkeit automatisch in die Wells laufen. Damit lässt sich die Größe der Reaktionsräume drastisch verringern, da bisher der limitierende Effekt die Tropfengröße beim Befüllen ist.
  • Es handelt sich um ein Zweikomponentensystem: Die Böden sind anders beschaffen als die Trennstege des quellbaren Materials bzw. Substrats zwischen den Wells. Es können beispielsweise hydrophobe Stege hydrophile Wells voneinander trennen. Eine schnelle Bestückung der Mikroarrays kann z. B. durch einfaches Eintauchen und Herausziehen der Mikroarrays aus der gewünschten Lösung erfolgen.
  • Es ist bekannt, dass Polymere in Anwesenheit eines sie lösenden Lösungsmittels (in der Flüssig- oder Gas-Phase) quellen.
  • So wird beispielsweise eine leicht komprimierte Form von Polystyrol durch den Kontakt mit Toluoldampf irreversibel gequollen. Gleiches gilt für Polyvinylalkohol und Wasser; ebenso wie für Polystyrol und Aceton sowie PMMA (Polymethylmethacrylat) und Toluol oder Aceton als Fluid.
  • Durch die Auswahl an quellbaren Materialien gibt es breite Einstellungsmöglichkeiten in den Materialeigenschaften und eine breite Anwendbarkeit. Da die Materialien beispielsweise optisch transparent gewählt werden können, ist eine optische Analyse der Reaktionen in einem erfindungsgemäß hergestellten Mikroarray z. B. durch Fluoreszenzmikroskopie möglich.
  • Als Material für die Schutzschicht bieten sich u. a. Metalle, z. B. Gold oder Chrom, aber auch Nicht-Metalle wie Siliziumnitrid, ITO (Indium Tin Oxide) oder Siliziumoxid an.
  • Die Erfindung bietet ein einfaches und kostengünstiges Verfahren, mit ausreichender Qualität Mikro- oder Nanoarrays mit metallisierten Böden herzustellen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass als Schutzmaterial ein Metall gewählt wird, denn das Schutzmaterial bleibt als Boden in den Vertiefungen zurück, sofern es nicht durch einen weiteren Prozessschritt entfernt wird.
  • Die Beschichtung kann z. B. durch Bedampfen durch eine Maske, Plasmabehandlung oder Sputterbeschichtung aufgebracht werden.
  • Die Schutzschicht kann nach dem Quellen wieder entfernt werden, d. h. die Beschichtung der Böden kann herausgelöst werden. Sind die Böden mit Gold beschichtet, kann dies beispielsweise mit Hilfe von Königswasser (Salpetersäure gemischt mit Salzsäure im Verhältnis 1 zu 3) oder wässriger Jod-Kalium-Jodid-Lösung erfolgen. Beide genannten Lösungen greifen z. B. Polystyrol nicht an, d. h. das Substrat wird nicht angegriffen.
  • Die Oberfläche des Bodenmaterials, also der Schutzschicht, kann selektiv beschichtet werden. Bei einer Verwendung von Gold als Schutzschicht kann die selektive Beschichtung beispielsweise durch die Chemisorption von Thiolen erfolgen. An die mit Gold beschichteten Böden können damit funktionale Biomoleküle, z. B. zur DNA-Analyse, gekoppelt werden. Die selektive Beschichtung kann sowohl vor als auch nach dem Quellen erfolgen.
  • Bisher wurden Mikroarrays beschrieben mit einzelnen Wells, die voneinander elektrisch isoliert sind, beispielsweise durch den Nichtleiter Polystyrol. Es bieten sich jedoch noch weitergehende Möglichkeiten. Wird als Schutzschicht ein elektrischer Leiter, z. B. ein Metall, verwendet, so können die metallischen Böden der Wells elektrisch kontaktiert werden. Dazu können die einzelnen Böden über Leiterbahnen miteinander elektrisch verbunden werden. Um dies zu erreichen, können die Leiterbahnen vorzugsweise beim Aufbringen der Schutzschicht mit aufgebracht werden. Es bildet sich so ein Muster aus den Flächen, die die Böden der Vertiefungen bilden, und Leiterbahnen.
  • Während die Bodenflächen beim Quellvorgang leicht zuquellen und dadurch im Substrat versinken, werden die Leiterbahnen komplett überquollen und dadurch elektrisch isoliert. Um dies problemlos zu erreichen, können die Leiterbahnen beispielsweise in einer Breite von 2–20 μm ausgebildet werden.
  • Man erhält auf diese Weise ein Muster von Wells, in denen Flüssigkeiten voneinander getrennt aufgenommen werden können, wobei die Flüssigkeiten gleichzeitig elektrisch leitend verbunden sind.
  • Durch Ausbilden von entsprechenden Leiterbahnen mit Hilfe der Schutzschicht ist es auch möglich, jedes Well einzeln elektrisch zu kontaktieren. Dazu wird von jedem Well eine Leiterbahn, die zuquillt, an den Rand des Substrats geführt. Am Rand können die einzelnen Leiterbahnen mit Anschlüssen versehen und an weitere elektrische Einrichtungen gebondet werden.
  • U. a. erreicht man damit die Ausbildung von Elektroden auf einem Substrat, zum Beispiel einem Polymer.
  • Mit Hilfe eines solchen Mikroarrays können elektrische Signale in jedes einzelne Well eingeleitet werden. Es können in einzelnen Wells elektrochemische Reaktionen initiiert werden oder elektrische oder elektrochemische Signale ausgelesen werden. Im letzteren Fall wird man i. d. R, den Boden des Wells als Elektrode verwenden und eine Gegenelektrode in Form eines Stifts von oben in den Well einführen. Mit Hilfe der Mikroarrays können auch elektrische Signale einzelner Zellen für elektrophysiologische Anwendungen abgeleitet werden.
  • Zusätzlich können die Vertiefungen durch Überquellen versiegelt werden, d. h. die Flächen der Schutzschicht werden so klein ausgebildet und das Quellen wird so umfangreich durchgeführt, dass sich das Substrat über dem versunkenen Boden der Vertiefungen wieder schließt. In Verbindung mit dem Kontaktieren der Böden, einzeln oder insgesamt, erhält man so in das Substrat eingebettete und komplett umschlossene Elektroden.
  • Dies ist bisher nur durch die relativ aufwändige Laminat-Technik möglich, bei der mindestens ein weiterer Positionierungs- und Klebeschritt notwendig ist.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren schematisch dargestellt sind. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche Elemente. Im Einzelnen zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
  • 2 eine schematische Darstellung eines alternativen Verfahrens zum Herstellen von Mikroarrays; und
  • 3 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen von Mikroarrays mit Wells, deren Böden elektrisch kontaktiert werden können.
  • Im Folgenden wird das Verfahren anhand von 1 erläutert. Es wird beispielhaft geschildert, wie ein Raster bestehend aus 20 × 20 Wells 10 hergestellt wird. Jeder einzelne Well 10 hat eine quadratische Grundfläche mit der Kantenlange 45 μm und eine Tiefe von 1 μm.
  • Zunächst wird ein Polystyrolsubstrat 12 vorbereitet (1A).
  • Zur Herstellung des Mikroarrays wird eine dünne Goldschicht 14 mit einer Dicke von 20 nm durch eine (nicht gezeigte) Kupfermaske hindurch auf das Polystyrolsubstrat 12 aufgedampft. Dies erfolgt bei einem Vakuum von 10^ – 5 mbar. Es entsteht eine Matrix aus 20 × 20 quadratischen Goldfeldern 14 auf der Polymeroberfläche 12 (1B).
  • Das Substrat 12 wird dann für zwei Minuten einem gesättigten Toluoldampf 13 ausgesetzt (1C). Der Dampf 13 dringt von oben in das Substrat 12 ein, jedoch nicht oder weniger dort, wo das Substrat 12 durch die Goldschicht 14 abgedeckt ist.
  • Es ergibt sich ein Mikroarray, in dessen Substrat 12 regelmäßig angeordnete Wells 10 ausgebildet sind, die einen mit Gold beschichteten Boden 14 aufweisen (1D).
  • Als Beispiel für eine chemische Funktionalisierung der Wells wurde eine Hydrophilisierung des Goldbodens durch polare Thiole durchgeführt. Dazu wird der Mikroarray vollständig eine halbe Stunde in 11-Mercaptoundecanol eingetaucht. Anschließend wird es in Ethanol gespült.
  • Im Folgenden wird auf 2 Bezug genommen, die die Herstellung eines Mikroarrays 15 (2D) mit Hilfe der Quervernetzung von Polystyrol schematisch darstellt.
  • Zunächst wird ein Polystyrolsubstrat 12 (2A) mit einer Maske 16 teilweise abgedeckt (2B).
  • Das abgedeckte Polystyrolsubstrat 12 wird entweder einem Argon-Plasma aus einem Plasmagenerator oder ultraviolettem Licht ausgesetzt. Anschließend wird die Maske 16 entfernt.
  • In den durch die Maske 16 nicht abgedeckten Bereichen 17 kommt es zu einer Quervernetzung des Polystyrols. Es bilden sich somit im Polystyrolsubstrat 12 quervernetzte und leicht geschrumpfte Bereiche 18 aus. Die Schrumpfung liegt im Bereich einiger Nanometer, beispielsweise zwischen 5 und 50 Nanometern (2C).
  • Daraufhin wird das vorbehandelte Polystyrolsubstrat 12 einem ToLuoL-Dampf ausgesetzt. Alternativ kann es mit einer Lösung überschichtet werden, die eine Mischung aus ca. 25% Toluol und ca. 75% Ethanol ist. Dies bewirkt das irreversible Quellen und Fließen des Polystyrolsubstrats 12. Dadurch bilden sich die charakteristischen Wells 10 aus. Deren Boden besteht bei diesen alternativen Verfahren aus den quervernetzten Bereichen 18.
  • Zum Schluss wird das Mikroarray 15 (2D) mit Stickstoff getrocknet oder in einem Methanol-Bad gereinigt.
  • Die quervernetzten Bereiche 18 haben den weiteren Vorteil, dass sie durch den Kontakt mit Sauerstoff, etwa aus der Luft, mit diesem derart reagieren, dass sie eine hydrophilisierte Oberfläche ausbilden. Die Böden 18 der Wells 10 sind somit hydrophil, während die Bereiche des Substrats 12 bzw. die Stege 20 zwischen ihnen aus hydrophobem Polystyrol bestehen. Dies erleichtert die Sammlung oder Kondensation von wässrigen Lösungen in den Wells 10.
  • Im Folgenden wird anhand von 3 erläutert, wie ein Mikroarray hergestellt werden kann, bei dem die Böden 22 der Wells als Elektroden dienen können. Das Herstellungsverfahren entspricht im Wesentlichen dem im Zusammenhang mit 1 erläuterten Herstellungsverfahren für Mikroarrays. Im Folgenden wird lediglich auf die entscheidenden Abweichungen eingegangen.
  • Zunächst wird auf einem Polystyrolsubstrat 12 (3A) mit Hilfe einer (nicht gezeigten) Kupfermaske Gold abgeschieden. Das Gold wird in einer Form ausgebracht, die einerseits runde Flächen 22 für die Böden der Wells aufweist. Zusätzlich werden rechteckige Flächen 24 an den Ecken oder Rändern des Substrats 12 ausgebildet, die als elektrische Anschlüsse dienen, als so genannte Bonding Pads. Jeder Boden 22 wird mit einem Bonding Pad 24 durch eine Leiterbahn 26 verbunden.
  • Durch Behandlung mit Toluol wird das Quellen und Wandern des Polymers bewirkt. Im Ergebnis bilden sich Wells aus (3B), deren Böden 22 aus Gold bestehen und die über die Bonding Pads 24 und die Leiterbahnen 30 elektrisch kontaktiert werden können. Die Böden 22 können daher als Elektroden dienen.
  • Durch den Quellvorgang werden die aufgebrachten Leiterbahnen 26 vollständig überquollen. Es bilden sich dadurch vom Polymer umschlossene, elektrisch isolierte Leiterbahnen 30 aus.
  • in der Anmeldung zitierte Literatur DE 100 21 490
  • X.-M. Zhao, Y. Xia, O.J.A. Schueller, D. Qin, G.M. Whitesides, Fabrication of microstructures using shrinkable polystyrene films, Sensors and Actuators A65 (1998) 209–217.
    F. Burmeister, C. Schäfle, B. Keilhofer, C. Bechinger, J. Boneberg, P. Leiderer, From Mesoscopic to nanoscopic surface structures: lithography with colloid monolayers, Advanced Materials, 10:6 (1998) 495–497.
    E. Schäffer, T. Thurn-Albrecht, T.P. Russell, U. Steiner, Electrically induced structure formation and pattern transfer, Nature, 403 (2000) 874–877.
  • 10
    Well
    12
    Polystyrolsubstrat
    13
    Lösungsmitteldampf
    14
    metallische Schutzschicht
    15
    Mikroarray
    16
    Maske
    17
    Öffnungen in der Maske
    18
    quervernetzte Bereiche
    20
    Stege zwischen den Wells 10
    22
    Elektrode
    24
    Bonding Pad
    26
    Leiterbahn
    30
    Isolierte Leiterbahn

Claims (9)

  1. Verfahren zum Erzeugen einer Oberfläche mit Vertiefungen (10) in einem vorgegebenen Muster, mit folgenden Schritten: a) eine Schicht (12) aus einem quellbaren Material wird gewählt; b) ein Fluid wird gewählt, das das quellbare Material quellen kann und/oder dessen Fließfähigkeit erhöht, sofern das quellbare Material mit dem Fluid in Kontakt kommt; c) ein Schutzmaterial (14, 18) wird gewählt, c1) das bei Kontakt mit dem Fluid nicht oder weniger stark quillt als das quellbare Material und/oder c2) dessen Fließfähigkeit bei Kontakt mit dem Fluid weniger erhöht wird und/oder c3) das weniger durchlässig für das Fluid ist, als das quellbare Material; d) auf der Schicht (12) aus dem quellbaren Material wird in dem vorgegebenen Muster eine Schutzschicht (14, 18) aus dem Schutzmaterial ausgebildet; e) die Schicht (12) mit der darauf befindlichen Schutzschicht (14, 18) wird dem Fluid ausgesetzt; f) das quellbare Material wird quellen gelassen; g) das Fluid wird entfernt.
  2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene Muster ein gleichmäßiges Raster identischer Flächen ist.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als quellbares Material ein Polymer und als Fluid ein das Polymer lösendes Lösungsmittel bzw. dessen Dampf gewählt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als quellbares Material ein Polystyrol und als Fluid eine Mischung aus 20 bis 30% Toluol und im übrigen Ethanol gewählt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzmaterial (14, 18) ein Metall gewählt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzmaterial (14, 18) eine vernetze Form des quellbaren Materials gewählt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (14, 18) selektiv beschichtet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzmaterial ein elektrischer Leiter gewählt wird; und dass ein elektrischer Kontakt zu dem Boden mindestens einer Vertiefung (10) ausgebildet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen (10) durch Überquellen versiegelt werden.
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