DE10254389B3 - Quantifying degree of coating of self-assembled monolayers on gold substrates, useful for quality control of biosensor substrates, by performing gold-catalyzed color-forming reaction - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Quantifizierung des Beschichtungsgrades selbstorganisierender Thiolgruppen-haltiger Monolayer auf einem Goldsubstrat, bei dem das mit dem Monolayer versehene Goldsubstrat über eine Farbreaktion kontrolliert wird. Dabei wird das mit dem Monolayer versehene Goldsubstrat mit einem Chromophor in Kontakt gebracht, wobei durch eine chemische Reaktion zwischen dem. Gold und dem Chromophor ein Farbumschlag eintritt.The invention relates to a method to quantify the degree of coating self-organizing Monolayer containing thiol groups on a gold substrate, in which controls the gold substrate provided with the monolayer via a color reaction becomes. The gold substrate provided with the monolayer is included brought into contact with a chromophore by a chemical Reaction between the. Gold and the chromophore a color change entry.
Selbstorganisierende Monolayer (engl. self-assembled monolayer, SAM) von Thiolgruppen-haltigen Verbindungen sind bei der Modifikation von Goldoberflächen weit verbreitet. Derartige Monolayer können auf einfache Art und Weise durch die Behandlung der Goldoberfläche mit dem Monolayer-Ausgangsmaterial er zeugt werden. Die selbstorganisierenden Monolayer können im Anschluß durch die Kopplung mit weiteren funktionellen Gruppen modifiziert werden. Die einfache Herstellung eines Monolayers auf einer Goldoberfläche ist daher der wesentliche Grund dafür, dass diese Systeme im Bereich der Biosensoren für die Anbindung von Biomolekülen eine gängige Methode darstellen (X.Kang et al, Electrochemistry Communication (2001) 489-493).Self-organizing monolayers self-assembled monolayer, SAM) of thiol group-containing compounds are widely used in the modification of gold surfaces. such Monolayer can in a simple way by treating the gold surface with the monolayer starting material, he will be produced. The self-organizing Monolayer can followed by the coupling with other functional groups can be modified. The simple manufacture of a monolayer on a gold surface is hence the main reason that these systems in the field of biosensors for the connection of biomolecules common Represent method (X.Kang et al, Electrochemistry Communication (2001) 489-493).
Zwar sind die Anwendungsfelder von selbstorganisierenden Monolayern weit verbreitet, jedoch stellt die Beurteilung der Güte derartiger Monolayer auf Goldoberflächen ein wesentliches Problem dar. Verschiedene Methoden für die Beurteilung der Güte von Monolayern auf metallischen Oberflächen sind bekannt. So wird in D.D.Schlereth, Journal of Electroanalytical Chemistry 464 (1999) 189-207 eine Vorrichtung für derartige Messungen beschrieben, die auf der Oberflächen-Plasmonen-Resonanz (engl. surface plasmon resonance, SPR) beruht. Ebenso ist aus M.Dijksma et al, Langmuir 16 (2000) 3852-3857 eine elektrochemische Meßmethode bekannt. Nachteil dieser bekannten Methoden ist jedoch, daß sie technisch sehr aufwendig sind, was zu einem nicht unerheblichen Kostenfaktor führt.The fields of application of self-organizing monolayers widely used, however, the Assessment of goodness such a monolayer on gold surfaces is a major problem Different methods for the assessment of goodness of monolayers on metallic surfaces are known. So in D. D. Schlereth, Journal of Electroanalytical Chemistry 464 (1999) 189-207 a device for such measurements are described based on the surface plasmon resonance (English surface plasmon resonance, SPR) is based. Likewise from M.Dijksma et al, Langmuir 16 (2000) 3852-3857 an electrochemical measurement method known. However, the disadvantage of these known methods is that they are technical are very expensive, which is a not inconsiderable cost factor leads.
Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Quantifizierung des Beschichtungsgrades derartiger Monolayer bereitzustellen, das einfach zu handhaben ist und sich durch geringe Kosten auszeichnet.Based on this, it was task the present invention a method for quantifying the degree of coating to provide such a monolayer that is easy to use and is characterized by low costs.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf.This task is accomplished through the procedure solved with the features of claim 1. Show the further dependent claims advantageous further training.
Erfindungsgemäß wird das Verfahren zur Quantifizierung des Beschichtungsgrades selbstorganisierender Thiolgruppen-haltiger Monolayer auf einem Goldsubstrat bereitgestellt, bei dem ein mit dem Monolayer versehenes Goldsubstrat einer Farbreaktion unterzogen wird. Diese Farbreaktion basiert auf der chemischen Reaktion zwischen den goldhaltigen Bestandteilen des Substrats und einem entsprechenden Chromophor, wodurch ein Farbumschlag bewirkt wird. Anhand der optischen Dichte der Verfärbung wird dann im Anschluß der Beschichtungsgrad bestimmt.According to the method of quantification the degree of coating of self-organizing thiol groups Monolayer provided on a gold substrate, with a gold substrate provided with the monolayer is subjected to a color reaction becomes. This color reaction is based on the chemical reaction between the gold-containing components of the substrate and a corresponding one Chromophore, which causes a color change. Based on the optical Density of discoloration is then the Degree of coating determined.
Das Verfahren beruht darauf, daß an der Oberfläche des Goldsubstrats, die nicht durch den Monolayer bedeckt ist, entsprechende Reaktionen der Goldoberfläche mit dem Chromophor ablaufen und entsprechende Verfärbungen bewirken können.The process is based on the fact that surface of the gold substrate, which is not covered by the monolayer, corresponding Reactions of the gold surface run off with the chromophore and corresponding discoloration can effect.
Vorzugsweise wird als Chromophor eine Verbindung gewählt, die durch Gold oxidierbar ist und einen Farbumschlag bewirkt. Hierbei wird bevorzugt 3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine (TMB) der Formel I verwendet. Wird eine Goldoberfläche in eine TMB-Lösung getaucht, kommt es zu einem sofortigen Farbumschlag nach blau, was auf die Oxidation des TMB an der Goldoberfläche zurückzuführen ist. Das TMB wird dabei stufenweise oxidiert und erzeugt unterschiedli che Farbtöne. Das erste Oxidationsprodukt besitzt eine blaue Färbung, während das zweite Oxidationsprodukt eine gelbe Färbung besitzt. Wird dagegen eine Goldoberfläche, die mit einem Monolayer beschichtet ist, mit einer TMB-Lösung behandelt, so ist keine Verfärbungsreaktion festzustellen. Diese Phänomen ist darauf zurückzuführen, daß die reaktive Goldoberfläche durch den Monolayer abgeschirmt wird.A chromophore is preferably chosen as a compound which can be oxidized by gold and which causes a color change. Here, 3,3 ', 5,5'-tetramethylbenzidine (TMB) of the formula I is preferred used. If a gold surface is immersed in a TMB solution, the color changes to blue immediately, which is due to the oxidation of the TMB on the gold surface. The TMB is gradually oxidized and produces different shades. The first oxidation product has a blue color, while the second oxidation product has a yellow color. If, on the other hand, a gold surface coated with a monolayer is treated with a TMB solution, no discoloration reaction is observed. This phenomenon is due to the fact that the reactive gold surface is shielded by the monolayer.
Ebenso ist es bevorzugt als Chromophor o-Phenylendiamine (OPD) der Formel II zu verwenden.It is also preferred as a chromophore to use o-phenylenediamines (OPD) of the formula II.
Vorzugsweise erfolgt die Umsetzung der Farbreaktion in der Weise, daß das mit dem Monolayer versehene Goldsubstrat in das in einem Citrat-Puffer gelösten Chromophor eingetaucht wird. Der Citrat-Puffer kann dabei bevorzugt zusätzlich Wasserstoffperoxid enthalten.The implementation is preferably carried out the color reaction in such a way that the one provided with the monolayer Gold substrate immersed in the chromophore dissolved in a citrate buffer becomes. The citrate buffer can preferably additionally contain hydrogen peroxide.
Die Farbreaktion wird vorzugsweise durch Quenchen mit Schwefelsäure abgebrochen.The color reaction is preferred by quenching with sulfuric acid canceled.
Die optische Dichte wird vorzugsweise bei einer Wellenlänge im Bereich zwischen 400 bis 500 gemessen. Besonders bevorzugt ist eine Wellenlänge von 450 oder 492 nm. Dabei kann die Auswertung des Beschichtungsgrades vorzugsweise durch Kalibration mittels linearer Regression der optischen Dichte erfolgen.The optical density is preferred at one wavelength measured in the range between 400 to 500. Is particularly preferred a wavelength of 450 or 492 nm. The evaluation of the degree of coating can preferably by calibration using linear regression of the optical Density.
Anhand des nachfolgenden Beispiels und der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand erläutert werden, ohne diesen hierauf einzuschränken.Using the example below and the following figures are the subject of the invention explained without restricting it to this.
Beispielexample
Zunächst wurde eine Goldoberfläche auf einem Glassubstrat durch Absputtern eines aus Gold bestehenden Targets mit einer RF-Sputterquelle hergestellt. Die derart behandelte Glasplatte wurde mit 2-Propanol gewaschen und anschließend im Vakuumofen getrocknet. Das Sputterverfahren wurde bei 30 mA für 90 Sekunden durchgeführt. Die gesputterte Goldoberfläche wurde für die weiteren Versuche direkt eingesetzt.First, a gold surface was put on a glass substrate by sputtering a target made of gold made with an RF sputtering source. The glass plate treated in this way was washed with 2-propanol and then dried in a vacuum oven. The sputtering process was carried out at 30 mA for 90 seconds. The sputtered gold surface was for the further experiments are used directly.
Der Monolayer wurde durch Eintauchen der mit Gold beschichteten Glasplatte in einer Lösung von Undecanthiol in Ethanol hergestellt. Um unterschiedliche Beschichtungsgrade zu realisieren wurde die Beschichtung bei Raumtemperatur (25°C, 50% Luftfeuchtigkeit) über unterschiedliche Zeiträume durchgeführt. Die auf diese Weise hergestellten Monolayer wurden für die Farbreaktion und die als Referenz herangezogenen Impedanzmessungen verwendet.The monolayer was made by immersion the gold-coated glass plate in a solution of undecanthiol in ethanol manufactured. To realize different degrees of coating the coating was at different temperatures at room temperature (25 ° C, 50% humidity) periods carried out. The monolayers produced in this way were used for the color reaction and uses the impedance measurements used as a reference.
Die Farbreaktion wurde durch Eintauchen der mit der SAM beschichteten Goldsubstrate in eine 3,3',5,5'-Tetramethylbenzidin (TMB) über einen Zeitraum von 20 Minuten durchgeführt. Die Fläche der Goldoberfläche betrug dabei 40 mm2. Die TMB-Lösung wurde durch Auflösen von TMB in 0,2 M Citrat-Puffer, in dem zusätzlich Wasserstoffperoxid enthalten war, hergestellt. Die Konzentration von Wasserstoffperoxid (35 %ige Lösung) wurde so eingestellt, daß sie 20 % des endgültigen Volumens beträgt. Es wurde dabei gefunden, daß die Reaktion von TMB mit der Goldoberfläche sehr stark durch die Konzentration des Wasserstoffperoxides beeinflußt ist. Im Stand der Technik wird für die Reaktion von TMB im Immunoassay normalerweise eine Wasserstoffperoxidkonzentration (35 %ige Lösung) von ungefähr 0,02 % des endgültigen Volumens angewandt. Es wurde nun gefunden, daß jedoch für die Reaktion mit Gold die Wasserstoffperoxidkonzentration mehr als 100 mal so groß sein muß. Tabelle 1 zeigt die Verhältnisse zwischen der Konzentration von Wasserstoffperoxid und das Ergebnis der TMB-Farbreaktion. Tabelle 1 The color reaction was carried out by immersing the gold substrates coated with the SAM in a 3,3 ', 5,5'-tetramethylbenzidine (TMB) over a period of 20 minutes. The area of the gold surface was 40 mm 2 . The TMB solution was prepared by dissolving TMB in 0.2 M citrate buffer, which also contained hydrogen peroxide. The concentration of hydrogen peroxide (35% solution) was adjusted to be 20% of the final volume. It was found that the reaction of TMB with the gold surface is very strongly influenced by the concentration of the hydrogen peroxide. The prior art typically uses a hydrogen peroxide (35% solution) concentration of approximately 0.02% of the final volume for the reaction of TMB in the immunoassay. It has now been found that, however, the hydrogen peroxide concentration must be more than 100 times as large for the reaction with gold. Table 1 shows the relationships between the concentration of hydrogen peroxide and the result of the TMB color reaction. Table 1
Diese Ergebnisse belegen, daß dann, wenn die Konzentration > 20 % und niedriger als 2 % ist, die Farbreaktion deutlich abfällt. Die Wasserstoffkonzentration sollte deshalb auf Werte zwischen 2 und 20 % der effektiven Menge eingestellt werden.These results show that if the concentration> 20 % and less than 2%, the color reaction drops significantly. The Hydrogen concentration should therefore be between 2 and 20% of the effective amount can be set.
Nach einer Inkubation über einen
Zeitraum von 20 Minuten, wurde ein äquivalentes Volumen von 2 M Schwefelsäure zugesetzt
und im Anschluß die
optische Dichte der Lösung
bei einer Meßwellenlänge von
450 nm und einer Referenzwellenlänge
von 650 nm bestimmt. Der Beschichtungsgrad wurde anschließend wie folgt
aus den gemessenen optischen Dichten bestimmt:
Hierbei bedeuten ODbare die
optische Dicht einer unbehandelten Goldoberfläche und ODsat die
optische Dichte einer mit einem Monolayer vollständig beschichteten Goldoberfläche. Die
vollständig
mit einem Monolayer gesättigte
Goldoberfläche
wurde durch eine Behandlung mit 1 mM 11-Undecanthiol bei einer Reaktionszeit
von 24 Stunden hergestellt. Unter diesen Bedingungen zeigen sowohl
die Impedanzmessungen (
Wie in
Hierbei bedeutet Zbare die Impedanz von einer unbehandelten Goldoberfläche und ZSAM die Impedanz einer mit einem Monolayer beschichteten Goldoberfläche.Z bare means the impedance of an untreated gold surface and Z SAM means the impedance of a gold surface coated with a monolayer.
Anhand der Ergebnisse zeigt sich, daß sowohl die Impedanzmessungen als auch Farbreaktionen mit TMB zu den gleichen Ergebnissen führen. Gleichzeitig ermöglicht die Durchführung der Farbreaktion aber, daß eine größere Anzahl von Proben wesentlich einfacher bestimmt werden kann als mit der Impedanz-Methode.The results show that that both the impedance measurements as well as color reactions with TMB to the same Lead results. Allows at the same time the implementation the color reaction, however, that a larger number of samples can be determined much easier than with the Impedance method.
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