-
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.
-
-
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