DE10348541A1 - Porous silicon substrate, for chromatography and biomolecule synthesis and filtration, has a primary structure of macro pores and a secondary structure of meso pores in the macro pore side walls - Google Patents

Porous silicon substrate, for chromatography and biomolecule synthesis and filtration, has a primary structure of macro pores and a secondary structure of meso pores in the macro pore side walls Download PDF

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Abstract

The porous silicon substrate (10) has macro pores (20) at least in zones as a porous primary structure from the upper to the lower sides. Meso pores (30) are in the side walls of the macro pores, forming a secondary porous structure. The macro pores have a diameter of 0.3-30.0 Microm and the meso pores have a diameter of 3-300 nm.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein poröses Substrat auf Silicium-Basis, umfassend mindestens bereichsweise Makroporen als poröse Primärstruktur, welche sich im wesentlichen parallel von der Ober- bis zu der Unterseite des Substrats erstrecken, wobei in den Seitenwänden der Makroporen mindestens bereichsweise Mesoporen vorliegen, welche eine poröse Sekundärstruktur ausbilden. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Substrats sowie die Verwendung des erfindungsgemäßen Substrats zur Chromatographie, zur Synthese von Molekülen, insbesondere Biomolekülen wie Oligonukleotiden, sowie zur Filtration.The The present invention relates to a silicon-based porous substrate. comprising, at least in certain areas, macropores as a porous primary structure, which are substantially parallel from the top to the bottom of the substrate, wherein in the side walls of the macropores at least There are mesopores in regions, which have a porous secondary structure form. Furthermore, the present invention relates to a method for the preparation of the substrate according to the invention and the use the substrate according to the invention for chromatography, for the synthesis of molecules, in particular biomolecules such as Oligonucleotides, as well as for filtration.

Zur Chromatographie und Synthese von biologischen Molekülen (z.B. Oligonukleotiden) wird heute in vielen Fällen „Controlled Pore Glass" (CPG) als anorganischer Träger eingesetzt. Dabei werden zur Herstellung von CPG zunächst in Glaspartikeln durch Temperprozesse zwei Glasphasen erzeugt. Anschließend wird eine dieser Glasphasen selektiv geätzt, so daß poröse Glaskörper zurückbleiben. Hierbei kann sowohl die Porengröße (typischerweise 0,5 nm bis 300 nm) als auch der Bereich der Partikelgröße (typischerweise 10 μm bis 1000 μm) eingestellt werden.to Chromatography and synthesis of biological molecules (e.g. Oligonucleotides) is nowadays in many cases "Controlled Pore Glass" (CPG) as inorganic carrier used. For the production of CPG, first in Glass particles produced by tempering two glass phases. Subsequently, will one of these glass phases is selectively etched so that porous glass bodies remain. This can be both the pore size (typically 0.5 nm to 300 nm) as well as the range of particle size (typically 10 μm to 1000 μm) be set.

Der Stoffaustausch in den Poren erfolgt naturgemäß durch Diffusion. Die Diffusionswege sind hierbei sehr unterschiedlich lang (von Null bis zu dem halben Partikeldurchmesser). Weiterhin sind die Flusswege zwischen den Glaspartikeln, bedingt durch deren zufällige Form, im Querschnitt sehr unterschiedlich. Damit sind sowohl das für Spülvorgänge benötigte Volumen als auch die Spülzeiten groß. Darüberhinaus ist das Glas, bedingt durch das Herstellungsverfahren, wesentlich weniger chemisch stabil als beispielsweise SiO2.The mass transfer in the pores naturally occurs by diffusion. The diffusion paths are very different in length (from zero to half the particle diameter). Furthermore, the flow paths between the glass particles, due to their random shape, are very different in cross section. Thus, both the volume required for rinsing and the rinsing times are great. In addition, the glass, due to the manufacturing process, much less chemically stable than, for example, SiO 2 .

Teilweise lassen sich die vorstehend genannten Nachteile durch die Verwendung von porösem Silicium als Substrat vermeiden. Ein Verfahren zur Herstellung poröser Siliciumscheiben ist aus EP 0 296 348 B1 bekannt. Des weiteren sind in EP 0 296 348 B1 und DE 198 20 756 C1 Verfahren zur Herstellung solcher porösen Siliciumscheiben beschrieben, bei denen die Poren von der ersten Hauptfläche zur zweiten Hauptfläche der Scheibe führen (Durchgangsporen). Darüberhinaus ist in DE 33 24 232 C2 beschrieben, daß sich aus vorgenannten Siliciumscheiben mit durchgehenden Poren sehr effektive Durchlauf-Katalysatoren herstellen lassen. Allerdings sind bei den beschriebenen porösen Siliciumsubstraten die Poren im allgemeinen zu groß (>500 nm), um ein CPG zu ersetzen.In part, the above-mentioned disadvantages can be avoided by the use of porous silicon as a substrate. A method for producing porous silicon wafers is out EP 0 296 348 B1 known. Furthermore, in EP 0 296 348 B1 and DE 198 20 756 C1 A method for producing such porous silicon wafers described in which the pores from the first major surface to the second major surface of the disc lead (through-pores). Moreover, in DE 33 24 232 C2 described that can be produced from the above-mentioned silicon wafers with through pores very effective flow catalysts. However, in the described porous silicon substrates, the pores are generally too large (> 500 nm) to replace a CPG.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein poröses Substrat auf Silicium-Basis bereitzustellen, welches geeignete homogene Fluss- und Diffusionswege für Stoffaustauschprozesse aufweisen soll.It It is therefore an object of the present invention to provide a porous substrate based on silicon, which suitable homogeneous flow and diffusion paths for To have mass transfer processes.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst.These The object is achieved by the embodiments characterized in the claims solved.

Insbesondere wird ein poröses Substrat auf Silicium-Basis bereitgestellt, umfassend mindestens bereichsweise Makroporen als poröse Primärstruktur, welche sich im wesentlichen parallel von der Ober- bis zu der Unterseite des Substrats erstrecken, wobei in den Seitenwänden der Makroporen mindestens bereichsweise Mesoporen vorliegen, welche eine poröse Sekundärstruktur ausbilden.Especially becomes a porous one Silicon-based substrate provided, at least partially Macropores as porous Primary structure which are substantially parallel from the top to the bottom of the substrate, wherein in the side walls of the macropores at least There are mesopores in regions, which have a porous secondary structure form.

In dem erfindungsgemäßen, flächig ausgebildeten Substrat auf Silicium-Basis ist über mindestens einen Oberflächenbereich verteilt eine Vielzahl von üblicherweise periodisch angeordneten Makroporen, welche sich von einer Oberfläche zur gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats unter Ausbildung einer Primärstruktur durchgängig erstrecken, vorgesehen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können auf dem flächig ausgebildeten makroporösen Substrat bereichsweise aber auch Sacklöcher, d.h. nur nach einer der Oberflächenseiten geöffnete Poren, vorgesehen werden. Die Makroporen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung können beispielsweise im wesentlichen rund, ellipsenförmig oder im wesentlichen quadratisch gestaltet sein.In the inventive, areal trained Silicon-based substrate is over at least one surface area Distributes a variety of commonly periodically arranged macropores extending from one surface to the other opposite surface of the substrate continuously to form a primary structure, provided. In the context of the present invention may be formed on the surface macroporous substrate in some areas but also blind holes, i.e. only after one of the surface pages opened Pores, are provided. The macropores in the device according to the invention can for example, substantially round, elliptical or substantially square be designed.

Die Makroporen im erfindungsgemäßen Substrat weisen vorzugsweise einen Durchmesser von 0,3 bis 30 μm, mehr bevorzugt von 1,0 bis 10 μm, auf. Der Abstand von Porenmitte zu Porenmitte (Pitch), d.h. zweier zueinander benachbarter bzw. angrenzender Poren beträgt üblicherweise 1 bis 500 μm, vorzugsweise 3 bis 100 μm. Die Porendichte liegt üblicherweise im Bereich von 104 bis 108/cm2.The macropores in the substrate according to the invention preferably have a diameter of 0.3 to 30 .mu.m, more preferably from 1.0 to 10 .mu.m. The distance from the center of the pore to the center of the pore (pitch), ie, two adjacent or adjacent pores, is usually 1 to 500 .mu.m, preferably 3 to 100 .mu.m. The pore density is usually in the range of 10 4 to 10 8 / cm 2 .

Die Mesoporen im erfindungsgemäßen Substrat weisen vorzugsweise einen Durchmesser von 3 bis 300 nm, mehr bevorzugt von 5 bis 100 nm, auf. Das erfindungsgemäße Substrat weist somit eine zweite (meso)poröse Struktur innerhalb des (makro)porösen Silicium-Werkstücks bzw. -Substrats auf, wobei beide porösen Strukturen ein sehr enges Spektrum an Porendurchmessern aufweisen, d.h. die Struktur ist nicht fraktal.The Mesopores in the substrate according to the invention preferably have a diameter of 3 to 300 nm, more preferably from 5 to 100 nm, up. The substrate according to the invention thus has a second one (Meso) porous Structure within the (macro) porous silicon workpiece or Substrate, both porous Structures have a very narrow spectrum of pore diameters, i.e. the structure is not fractal.

Um eine große innere Oberfläche bei hinreichender mechanischer Stabilität zu erreichen, wird die Porosität der durch die Mesoporen ausgebildeten porösen Sekundärstruktur im erfindungsgemäßen Substrat vorzugsweise auf 25 bis 70%, mehr bevorzugt auf 45 bis 50% eingestellt.In order to achieve a large inner surface with sufficient mechanical stability, the porosity of the porous secondary structure formed by the mesopores in the substrate according to the invention is preferably 25 to 70% more set to 45 to 50%.

Die Dicke des erfindungsgemäßen Substrats unterliegt keiner spezifischen Beschränkung. Beispielsweise kann als Substrat ein Siliciumwafer mit einer Dicke von etwa 0,5 mm eingesetzt werden.The Thickness of the substrate according to the invention subject no specific restriction. For example, as the substrate, a silicon wafer having a thickness be used by about 0.5 mm.

Des weiteren kann das Substrat gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens bereichsweise eine oder mehrere Oberflächenschichten aufweisen, welche aus der Gruppe, bestehend aus einer SiO2-Schicht, einer Si3N4-Schicht und einer Schicht auf Silan-Basis, ausgewählt ist bzw. sind.Furthermore, according to the present invention, the substrate may at least partially comprise one or more surface layers selected from the group consisting of an SiO 2 layer, an Si 3 N 4 layer and a silane-based layer ,

Wenn die vorstehend genannte Oberflächenschicht des erfindungsgemäßen Substrats aus SiO2 aufgebaut ist, so beträgt deren Dicke bevorzugt 1 bis 5 nm.When the aforementioned surface layer of the substrate of the present invention is composed of SiO 2 , its thickness is preferably 1 to 5 nm.

Im Falle einer auf dem erfindungsgemäßen Substrat angeordneten Silan-Oberflächenschicht werden üblicherweise Siliciumorganische Verbindungen eingesetzt, die befähigt sind, beispielsweise an die auf der Oberfläche einer zuvor aufgebrachten bzw. erzeugten SiO2-Schicht vorliegenden OH-Gruppen kovalent zu binden. Solche Silicium-organischen Verbindungen können weiter eine funktionelle Gruppe aufweisen, die zur kovalenten Bindung mit beispielsweise als Sonden in biologisch-chemischen Reaktionen einsetzbaren Fängermolekülen befähigt ist. Derartige bifunktionelle Silicium-organische Verbindungen können beispielsweise Alkoxysilan-Verbindungen mit einer oder mehreren terminalen funktionalen Gruppen, ausgewählt aus Epoxy, Glycidyl, Chlor, Mercapto oder Amino, sein. Vorzugsweise ist die Alkoxysilan-Verbindung ein Glycidoxyalkylalkoxysilan, wie z.B. 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan, ein Mercaptoalkylalkoxysilan, wie z.B. γ-Mercaptopropyltrimethoxysilan, oder ein Aminoalkylalkoxysilan, wie z.B. N-β-(Aminoethyl)-γ-aminopropyltrimethoxysilan. Die Länge der als Spacer zwischen der funktionellen Gruppe, wie z.B. Epoxy bzw. Glycidoxy, welche mit dem Fängermolekül bzw. der Sonde bindet, und der Trialkoxysilangruppe wirkenden Alkylenreste unterliegt dabei keiner Beschränkung. Derartige Spacer können auch Polyethylenglykolreste sein.In the case of a silane surface layer arranged on the substrate according to the invention, it is customary to use organosilicon compounds which are capable of covalently bonding, for example, to the OH groups present on the surface of a previously applied or produced SiO 2 layer. Such organosilicon compounds may further have a functional group capable of covalent bonding with capture molecules useful, for example, as probes in biological-chemical reactions. Such bifunctional organosilicon compounds may, for example, be alkoxysilane compounds having one or more terminal functional groups selected from epoxy, glycidyl, chloro, mercapto or amino. Preferably, the alkoxysilane compound is a glycidoxyalkylalkoxysilane such as 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, a mercaptoalkylalkoxysilane such as γ-mercaptopropyltrimethoxysilane, or an aminoalkylalkoxysilane such as N-β- (aminoethyl) -γ-aminopropyltrimethoxysilane. The length of the spacer as a spacer between the functional group, such as epoxy or glycidoxy, which binds with the capture molecule or the probe, and the Trialkoxysilangruppe acting alkylene is subject to no restriction. Such spacers may also be polyethylene glycol radicals.

Das Anbinden bzw. Koppeln von Fängermolekülen wie beispielsweise Oligonukleotiden bzw. DNA-Molekülen an das erfindungsgemäße Substrat, welches mit einer derartigen Silan-Oberflächenschicht versehen ist, kann über die Linkermoleküle, d.h. die vorstehend genannten bifunktionellen Siliciumorganischen Verbindungen, nach den im Stand der Technik üblichen Verfahren erfolgen, beispielsweise bei Verwendung von Epoxysilanen als Linkermoleküle durch anschließende Reaktion der terminalen Epoxidgruppen mit terminalen primären Aminogruppen oder Thiolgruppen von Oligonukleotiden bzw. DNA-Molekülen, die beispielsweise in entsprechenden Analyseverfahren als immobilisierte bzw. fixierte Fängermoleküle für die in einem zu untersuchenden Analyten vorliegenden Zielmoleküle fungieren. Dabei können beispielsweise die als Fängermoleküle verwendbaren Oligonukleotide unter Verwendung der Synthesestrategie, wie in Tet. Let. 22, 1981, Seiten 1859 bis 1862, beschrieben, hergestellt werden. Die Oligonukleotide können dabei während des Herstellungsverfahrens entweder an der 5-oder der 3-Endstellung mit terminalen Aminogruppen derivatisiert werden.The Tying or coupling catcher molecules such as For example, oligonucleotides or DNA molecules to the inventive substrate, which with such a silane surface layer can be provided over the linker molecules, i. the aforementioned bifunctional organosilicon compounds, according to the usual in the art Procedure, for example when using epoxy silanes as linker molecules by subsequent Reaction of the terminal epoxide groups with terminal primary amino groups or thiol groups of oligonucleotides or DNA molecules which are described, for example, in US Pat corresponding analysis method as immobilized or fixed Catcher molecules for the in function as target molecules present for an analyte of interest. It can for example, the usable as catcher molecules Oligonucleotides using the synthetic strategy as described in Tet. Let. 22, 1981, pages 1859-1862. The oligonucleotides can while of the preparation process either at the 5 or the 3-terminal position with terminal Amino groups are derivatized.

Eine weitere Möglichkeit der Anbindung solcher Fängermoleküle an die Oberfläche des erfindungsgemäßen Substrats kann durchgeführt werden, indem das poröse Substrat auf Silicium-Basis zunächst mit einer Chlorquelle, wie Cl2, SOCl2, COCl2 oder (COCl)2, gegebenfalls unter Verwendung eines Radikalinitiators wie Peroxide, Azoverbindungen oder Bu3SnH, behandelt wird und anschließend mit einer entsprechenden nucleophilen Verbindung, wie insbesondere mit Oligonukleotiden bzw. DNA-Molekülen, die terminale primäre Aminogruppen oder Thiolgruppen aufweisen, umgesetzt werden (siehe WO 00/33976).A further possibility of attaching such capture molecules to the surface of the substrate according to the invention can be carried out by first using the silicon-based porous substrate with a chlorine source such as Cl 2 , SOCl 2 , COCl 2 or (COCl) 2 , if appropriate using a free-radical initiator such as peroxides, azo compounds or Bu 3 SnH, and then with a corresponding nucleophilic compound, in particular with oligonucleotides or DNA molecules having terminal primary amino groups or thiol groups are reacted (see WO 00/33976).

Eine derartige chemische Funktionalisierung der Oberfläche des erfindungsgemäßen Substrats bzw. das Anordnen einer entsprechenden Oberflächenschicht auf Basis eines bifunktionellen Silans, wie vorstehend ausgeführt, eröffnen die Möglichkeit, daß nur eine Molekülsorte mittels spezifischer Bindungsreaktion aus einem Analyten gefiltert werden kann.A Such chemical functionalization of the surface of the inventive substrate or arranging a corresponding surface layer based on a bifunctional silane, as stated above, open up the possibility that only one type of molecule filtered by specific binding reaction from an analyte can be.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen porösen Substrats auf Silicium-Basis, umfassend die Schritte,

  • (i) Bereitstellen eines n-dotierten Siliciumsubstrats,
  • (ii) Erzeugen von Makroporen durch elektrochemisches Ätzen,
  • (iii) Durchführen einer BSG- oder PSG-Dotierung des in Schritt
  • (ii) erhaltenen Substrats und
  • (iv) Erzeugen von Mesoporen durch elektrochemisches Ätzen.
A further subject matter of the present invention relates to a process for the preparation of the silicon-based porous substrate according to the invention, comprising the steps of
  • (i) providing an n-doped silicon substrate,
  • (ii) generating macropores by electrochemical etching,
  • (iii) performing a BSG or PSG doping of that in step
  • (ii) the obtained substrate and
  • (iv) generating mesopores by electrochemical etching.

Die elektrochemische Ätzung in Schritt (ii) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt vorzugsweise in einem fluoridhaltigen, sauren Elektrolyten, wobei das Substrat als Anode einer Elektrolysierzelle verschaltet ist. Da das Substrat als Anode geschaltet ist, bewegen sich Minoritätsladungsträger in dem Silicium zu der mit dem Elektrolyten in Kontakt stehenden ersten Hauptfläche. Dort bildet sich eine Raumladungszone aus. Da die Feldstärke im Bereich von Vertiefungen in einer Oberfläche stets größer ist als außerhalb, bewegen sich die Minoritätsladungsträger bevorzugt zu solchen Vertiefungen, die mit statistischer Verteilung in jeder Oberfläche vorhanden sind. Dadurch kommt es zu einer Strukturierung der Oberseite des Substrats. Je tiefer eine anfängliche kleine Unebenheit durch die Ätzung wird, desto mehr Minoritätsladungsträger bewegen sich wegen der vergrößerten Feldstärke dorthin und desto stärker wird der Ätzangriff an dieser Stelle. Die Löcher wachsen im Substrat in der kristallographischen <100>-Richtung.The electrochemical etching in step (ii) of the method according to the invention is preferably carried out in a fluoride-containing, acidic electrolyte, wherein the substrate is connected as the anode of an electrolysis cell. Since the substrate is connected as an anode, minority carriers in the silicon move to the first major surface in contact with the electrolyte. There, a space charge zone is formed. Since the field strength in the region of depressions in a surface is always greater than outside, the minority carriers move preferably to such wells that are present with random distribution in each surface. This leads to a structuring of the upper side of the substrate. The deeper an initial small bump becomes through the etching, the more minority carriers move there due to the increased field strength, and the stronger the etching attack will be at that location. The holes grow in the substrate in the crystallographic <100> direction.

Vorzugsweise wird ein Elektrolyt mit einer Konzentration zwischen 2 Gew.-% HF und 10 Gew.-% HF verwendet. Bei der elektrochemischen Ätzung wird dann eine Spannung zwischen 1,5 Volt und 5 Volt angelegt.Preferably becomes an electrolyte with a concentration between 2 wt.% HF and 10 wt% HF. In the electrochemical etching is then a voltage between 1.5 volts and 5 volts applied.

Zur Einstellung der Stromdichte im Substrat ist es vorteilhaft, die zweite Hauptfläche des Substrats beim elektrochemischen Ätzen zu beleuchten. Der Ätzstrom durch die Probenoberfläche ist dabei eine Funktion des einfallenden Lichts. Er bestimmt maßgeblich die Lochbreite.to Adjusting the current density in the substrate, it is advantageous to the second main surface of the substrate during the electrochemical etching. The etching current through the sample surface is a function of the incident light. He determines significantly the hole width.

Das in Schritt (ii) eingesetzte Werkstück bzw. Substrat kann an der Oberfläche mit einer entsprechenden Topologie versehen sein. Diese Topologie umfaßt in regelmäßigen Abständen angeordnete Vertiefungen, die unter Verwendung photolithographischer Prozeßschritte durch eine alkalische Ätzung hergestellt werden. Alternativ kann die Topologie der Oberfläche auch durch lichtinduzierte, elektrochemische Ätzung gebildet sein.The in step (ii) inserted workpiece or substrate may at the surface be provided with an appropriate topology. This topology includes periodic wells, prepared by using photolithographic process steps by an alkaline etching become. Alternatively, the topology of the surface can also be enhanced by light-induced, electrochemical etching be formed.

Um im Schritt (iv) des erfindungsgemäßen Verfahrens Poren geeigneter Größe zu realisieren, wird beispielsweise eine Siliciumscheibe, bei der die Poren von der ersten Hauptfläche zur zweiten Hauptfläche der Scheibe führen (Makro- bzw. Durchgangsporen), wie in EP 0 296 348 B1 und DE 198 20 756 C1 beschrieben, in Schritt (iii) des erfindungsgemäßen Verfahrens durch einen thermischen Diffusionsprozeß mittels PSG-Dotierung oder BSG-Dotierung (Bor- bzw. Phosphor-Silikatglas-Dotierung) zusätzlich n-type oder p-type dotiert. Vorzugsweise wird eine PSG-Dotierung durchgeführt, d.h. n-type. Die Dotierstoffkonzentration liegt dabei üblicherweise in einem Bereich von 1017/cm3 bis 1019/cm3.In order to realize pores of suitable size in step (iv) of the method according to the invention, for example, a silicon wafer in which the pores lead from the first main surface to the second main surface of the disk (macropores), as in FIG EP 0 296 348 B1 and DE 198 20 756 C1 described in step (iii) of the inventive method by a thermal diffusion process by means of PSG doping or BSG doping (boron or phosphorus-silicate glass doping) additionally n-type or p-type doped. Preferably, a PSG doping is performed, ie n-type. The dopant concentration is usually in a range of 10 17 / cm 3 to 10 19 / cm 3 .

Der Schritt (iii) kann beispielsweise durch Aufbringen einer Phosphorsilikatglasschicht zumindest bereichsweise an den Porenwänden und zumindest bereichsweise an der Oberfläche des flächigen Substrats, Ausdiffundieren von Phosphor in einem Hochtemperaturschritt und anschließendem Entfernen der Phosphorsilikatglasschicht durchgeführt werden. Die Phosphorsilikatglas(PSG)-Schicht kann hierbei auf die gesamte freiliegende Oberfläche des Substrats aufgebracht werden. Durch Ausdiffusion von Phosphor in einem Hochtemperaturschritt wird ein n-dotierter Bereich gebildet. Die Dotierung in dem n-dotierten Bereich wird beispielsweise auf 1017 bis 1019/cm–3 eingestellt.The step (iii) can be carried out, for example, by applying a phosphosilicate glass layer at least in regions on the pore walls and at least partially on the surface of the planar substrate, outdiffusion of phosphorus in a high-temperature step and subsequent removal of the phosphosilicate glass layer. The phosphosilicate glass (PSG) layer can be applied to the entire exposed surface of the substrate. By outdiffusion of phosphorus in a high-temperature step, an n-doped region is formed. The doping in the n-doped region is set, for example, to 10 17 to 10 19 / cm -3 .

Wird das derartig behandelte Substat anschließend in Flußsäure anodisiert, so bilden sich im hochdotierten Bereich Mesoporen von typischerweise 3 nm bis 300 nm Durchmesser. Somit wird erfindungsgemäß ein Siliciumsubstrat mit zwei Hierarchien von Poren erhalten, d.h. geordnete Makro- bzw. Durchgangsporen im Mikrometerbereich und ungeordnete Meso- bzw. Sacklochporen im Nanometerbereich.Becomes the substrate treated in this way is subsequently anodized in hydrofluoric acid, thus forming In the heavily doped region mesopores of typically 3 nm to 300 nm diameter. Thus, according to the invention a silicon substrate with two hierarchies of pores are obtained, i. ordered macro or through pores in the micrometer range and disordered meso- or blind hole pores in the Nanometer range.

Mittels chemischer SC1- („surface clean 1"; H2O2/NH4OH) oder SC2-Verfahren („surface clean 2"; H2O2/HCl) oder thermischer Oxidation kann anschließend beispielsweise eine dünne SiO2-Oberflächenschicht auf der Si-Oberfläche des in Schritt (iv) erhaltenen Werkstücks bzw. Substrats bereitgestellt werden.By means of chemical SC1 ("surface clean 1", H 2 O 2 / NH 4 OH) or SC2 ("surface clean 2", H 2 O 2 / HCl) or thermal oxidation, a thin SiO 2 surface layer can subsequently be used, for example on the Si surface of the workpiece or substrate obtained in step (iv).

Ein derartig erzeugtes, erfindungsgemäßes Substrat weist sehr kurze Diffusionswege auf, entsprechend der Tiefe des dotierten Bereiches, bzw. maximal halbe Porenwanddicke (wenige Mikrometer) sowie Flusskanäle von identischem Querschnitt (Makroporendurchmesser = einige Mikrometer) und identischer Länge (Substratdicke = typischerweise 0,5 mm).One such produced according to the invention substrate has very short Diffusionswege on, according to the depth of the doped region, or a maximum of half the pore wall thickness (a few microns) and flow channels of identical Cross section (macro pore diameter = several microns) and more identical Length (substrate thickness = typically 0.5 mm).

Im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren sind, wie schon vorstehend beschrieben, auch Variationen der Oberflächenchemie [beliebige anorganische (z.B. Si3N4, etc.) oder organische (z.B. Silanisierung, etc.) Funktionalisierungen] sowie Variationen der Verfahrensabfolge (erst Mesoporenöffnung, dann Öffnung der Makroporen, etc.) möglich.As already described above, variations of the surface chemistry [any inorganic (eg Si 3 N 4 , etc.) or organic (eg silanization, etc.) functionalizations] as well as variations of the process sequence (first mesopore opening, then opening of the macropores , etc.) possible.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines porösen Substrats auf Silicium-Basis zur Chromatographie. Wie schon vorstehend ausgeführt, kann dabei das Anbinden bzw. Koppeln von Fängermolekülen wie beispielsweise Oligonukleotiden bzw. DNA-Molekülen an das Trägermaterial über die Linkermoleküle, d.h. die vorstehend genannten Silicium-organischen Verbindungen nach den im Stand der Technik üblichen Verfahren erfolgen, beispielsweise mittels Behandeln des porösen Trägermaterials bei Verwendung von Epoxysilanen als Linkermoleküle durch anschließende Reaktion der terminalen Epoxidgruppen mit terminalen primären Aminogruppen oder Thiolgruppen von Oligonukleotiden bzw. DNA-Molekülen, die beispielsweise in entsprechenden Analyseverfahren als immobilisierte bzw. fixierte Fängermoleküle für die in einem zu untersuchenden Analyten vorliegenden Zielmoleküle fungieren.One Another object of the present invention relates to the use a porous substrate silicon-based for chromatography. As stated above, can thereby the binding or coupling of catcher molecules such as oligonucleotides or DNA molecules to the substrate over the Linker molecules, i. the aforementioned organosilicon compounds according to the usual in the art Procedure, for example by treating the porous support material when using epoxysilanes as linker molecules by subsequent reaction the terminal epoxide groups with terminal primary amino groups or thiol groups of oligonucleotides or DNA molecules, the for example, in corresponding analytical methods as immobilized or fixed catcher molecules for the in function as target molecules present for an analyte of interest.

Darüberhinaus kann das erfindungsgemäße poröse Substrat auf Silicium-Basis zur Synthese von Molekülen, insbesondere Biomolekülen wie Oligonukleotiden oder Polypeptiden, verwendet werden. Dabei dient das erfindungsgemäße poröse Substrat auf Silicium-Basis als Festphasenträger. Nach Verankerung der entsprechenden Startermoleküle auf der Oberfläche des erfindungsgemäßen Substrats, wie schon vorstehend beschrieben, kann die Synthese der entsprechenden Zielmoleküle erfindungsgemäß unter Verwendung der entsprechenden Schutzgruppenchemie und den entsprechenden Synthese- und Waschschritten erfolgen. Die synthetisierten Zielmoleküle werden schließlich von der Oberfläche des erfindungsgemäßen Substrats abgelöst oder können dort beispielsweise erfindungsgemäß zur Verwendung in der Chromatographie verbleiben.Moreover, the silicon-based porous substrate of the present invention can be used for the synthesis of Molecules, in particular biomolecules such as oligonucleotides or polypeptides are used. The porous silicon-based substrate according to the invention serves as a solid phase support. After anchoring the corresponding starter molecules on the surface of the substrate according to the invention, as already described above, the synthesis of the corresponding target molecules according to the invention can be carried out using the appropriate protective group chemistry and the corresponding synthesis and washing steps. The synthesized target molecules are finally detached from the surface of the substrate according to the invention or can remain there, for example according to the invention, for use in chromatography.

Ferner kann das erfindungsgemäße poröse Substrat auf Silicium-Basis zur Filtration eingesetzt werden. Dafür werden erfindungsgemäß benachbarte Makroporen jeweils am entgegengesetzten Ende verschlossen und am offenen Ende an getrennte Flüssigkeitsreservoirs angeschlossen. Die mesoporöse Trennwand zwischen den Makroporen kann dabei erfindungsgemäß durch einen zweiten, chemischen Ätzprozeß mit beispielsweise der Kombination H2O2/HF entsprechend modifiziert werden, um als Filter zu dienen. Ein Vorteil liegt darin, daß die mesoporöse Schichtdicke bei etwa 1 μm liegt, und sich damit hohe Durchflußraten bei kleiner Abmessung erzielen lassen. wenn beispielsweise in eine 500 μm dicke Si-Scheibe ein Array von Makroporen mit einem Durchmesser von 1,5 μm und einem Raster von 2,5 μm geätzt ist, dann entspricht 1 cm2 Substratoberfläche einer Membran mit über 100 cm2 Fläche und 1 μm Dicke.Further, the silicon-based porous substrate of the present invention can be used for filtration. For this purpose, according to the invention adjacent macropores are each closed at the opposite end and connected at the open end to separate liquid reservoirs. The mesoporous dividing wall between the macropores can be modified according to the invention by a second, chemical etching process with, for example, the combination of H 2 O 2 / HF, in order to serve as a filter. An advantage is that the mesoporous layer thickness is about 1 micron, and thus can achieve high flow rates with small dimensions. For example, if an array of macropores having a diameter of 1.5 μm and a pitch of 2.5 μm is etched in a 500 μm thick Si wafer, then 1 cm 2 of substrate surface corresponds to a membrane with an area of more than 100 cm 2 and 1 μm Thickness.

Ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Substrat auf Silicium-Basis, das sich zur Anwendung in der Chromatographie eignet, besteht aus einer 500 μm dicken Si-Scheibe, in die ein Array von Makroporen mit einem Durchmesser von 2 μm in einem 4 μm Raster geätzt ist. Die Seitenwände der Makroporen enthalten Mesoporen von 10 nm Durchmesser (bei 50% Porosität). Somit ergibt sich für einen Stapel aus 20 Stücken von jeweils 1 cm2 ein Reaktionsvolumen von 1 cm3 und ein Gewicht von 0,87 g.An exemplary silicon-based substrate of the present invention suitable for use in chromatography consists of a 500 μm thick Si wafer into which an array of 2 μm diameter macropores is etched in a 4 μm grid. The side walls of the macropores contain mesopores of 10 nm diameter (at 50% porosity). Thus, for a stack of 20 pieces of 1 cm 2 each, a reaction volume of 1 cm 3 and a weight of 0.87 g.

Dieses Reaktionsvolumen hat eine innere Oberfläche von etwa 150 m2 bei einem inneren (von Flüssigkeit gefülltem) Volumen von nur 0,625 cm3. Dabei ist der maximale Diffusionsweg (Wurzel aus 2 mal halber Makroporenabstand) 1,4 μm. Die Flusskanäle haben alle einen Durchmesser von 2 μm und sind alle 1 cm lang.This reaction volume has an inner surface area of about 150 m 2 at an internal (liquid filled) volume of only 0.625 cm 3 . The maximum diffusion path (root from 2 times half the macropore distance) is 1.4 μm. The flow channels are all 2 μm in diameter and are all 1 cm long.

1 zeigt eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Substrats auf Silicium-Basis 10 mit Makroporen 20 und in den Seitenwänden der Makroporen vorliegenden Mesoporen 30. Die Makroporen 20 bilden dabei eine poröse Primärstruktur und weisen erfindungsgemäß einen Durchmesser von vorzugsweise 0,3 bis 30 μm auf. Sie werden erfindungsgemäß durch elektrochemisches Ätzen beispielsweise eines entsprechenden einkristallinen, n-dotierten Siliciumwafers erhalten. Die Mesoporen 30 finden sich in den Seitenwänden der Makroporen 20, bilden eine poröse Sekundärstruktur und weisen erfindungsgemäß einen Durchmesser von vorzugsweise 3 bis 300 nm auf. Sie werden durch elektrochemisches Ätzen erzeugt, nachdem das poröse Substrat auf Silicium-Basis zuvor einer BSG-Dotierung und/oder PSG-Dotierung unterworfen wurde. 1 shows a cross-sectional view of a silicon-based substrate according to the invention 10 with macropores 20 and mesopores present in the sidewalls of the macropores 30 , The macropores 20 form a porous primary structure and according to the invention have a diameter of preferably 0.3 to 30 .mu.m. According to the invention, they are obtained by electrochemical etching of, for example, a corresponding monocrystalline, n-doped silicon wafer. The mesopores 30 can be found in the sidewalls of the macropores 20 , form a porous secondary structure and according to the invention have a diameter of preferably 3 to 300 nm. They are produced by electrochemical etching after the porous silicon-based substrate has been previously subjected to BSG doping and / or PSG doping.

1010
Substrat auf Silicium-Basissubstratum silicon-based
2020
Makroporemacropore
3030
Mesoporemesopore

Claims (11)

Poröses Substrat auf Silicium-Basis, umfassend mindestens bereichsweise Makroporen (20) als poröse Primärstruktur, welche sich im wesentlichen parallel von der Ober- bis zu der Unterseite des Substrats (10) erstrecken, wobei in den Seitenwänden der Makroporen (20) mindestens bereichsweise Mesoporen (30) vorliegen, welche eine poröse Sekundärstruktur ausbilden.Porous silicon-based substrate comprising macropores at least in certain areas ( 20 ) as a porous primary structure extending substantially parallel from the top to the bottom of the substrate ( 10 ), wherein in the sidewalls of the macropores ( 20 ) mesopores at least in certain areas ( 30 ), which form a porous secondary structure. Substrat nach Anspruch 1, wobei die Makroporen (20) einen Durchmesser von 0,3 bis 30 μm aufweisen.Substrate according to claim 1, wherein the macropores ( 20 ) have a diameter of 0.3 to 30 microns. Substrat nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Mesoporen (30) einen Durchmesser von 3 bis 300 nm aufweisen.Substrate according to claim 1 or 2, wherein the mesopores ( 30 ) have a diameter of 3 to 300 nm. Substrat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das poröse Substrat (10) mindestens bereichsweise eine Oberflächenschicht aufweist, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einer SiO2-Schicht, einer Si3N4-Schicht und einer Schicht auf Silan-Basis.Substrate according to one of claims 1 to 3, wherein the porous substrate ( 10 ) at least partially has a surface layer selected from the group consisting of an SiO 2 layer, a Si 3 N 4 layer and a silane-based layer. Substrat nach Anspruch 4, wobei das poröse Substrat (10) mindestens bereichsweise eine SiO2-Schicht mit einer Dicke von 1 bis 5 nm aufweist.Substrate according to claim 4, wherein the porous substrate ( 10 ) at least partially has a SiO 2 layer having a thickness of 1 to 5 nm. Verfahren zur Herstellung des porösen Substrats auf Silicium-Basis gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die Schritte, (i) Bereitstellen eines n-dotierten, einkristallinen Siliciumsubstrats (10), (ii) Erzeugen von Makroporen (20) durch elektrochemisches Ätzen, (iii) Durchführen einer BSG- oder PSG-Dotierung des in Schritt (ii) erhaltenen Substrats (10) und (iv) Erzeugen von Mesoporen (30) durch elektrochemisches Ätzen.A method of manufacturing the silicon-based porous substrate according to any one of claims 1 to 5, comprising the steps of (i) providing an n-doped monocrystalline silicon substrate ( 10 ), (ii) generating macropores ( 20 ) by electrochemical etching, (iii) performing a BSG or PSG doping of the substrate obtained in step (ii) ( 10 ) and (iv) generating mesopores ( 30 ) by electrochemical etching. Verfahren nach Anspruch 6, worin in Schritt (iii) eine PSG-Dotierung durchgeführt wird.A method according to claim 6, wherein in step (iii) a PSG doping performed becomes. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, worin in Schritt (iii) die Dotierstoffkonzentration in einem Bereich von 1017/cm3 bis 1019/cm3 eingestellt wird.The method of claim 6 or 7, wherein in step (iii) the dopant concentration is adjusted in a range of 10 17 / cm 3 to 10 19 / cm 3 . Verwendung eines Substrats nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 zur Chromatographie.Use of a substrate according to one of the preceding claims 1 to 5 for chromatography. Verwendung eines Substrats nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 zur Synthese von Molekülen, insbesondere Biomolekülen wie Oligonukleotiden.Use of a substrate according to one of the preceding claims 1 to 5 for the synthesis of molecules, in particular biomolecules like oligonucleotides. Verwendung eines Substrats nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 zur Filtration.Use of a substrate according to one of the preceding claims 1 to 5 for filtration.
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