DE19740806A1 - Mikrotiterplatte aus Kunststoff - Google Patents
Mikrotiterplatte aus KunststoffInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Mikrotiterplatte aus transparentem Kunststoff mit
spalten- und zeilenförmig zu einer Rundwabenstruktur angeordneten kleinen
Reaktionsräumen (Kavitäten).
Mikrotiterplatten besitzen eine Vielzahl von spalten- und zeilenförmig
angeordneten, eine Rundwabenstruktur bildenden sehr kleinen
Reaktionsräumen, auch Kavitäten genannt, in die jeweils kleinste Anteile einer
Flüssigkeitsprobe, z. B. einer Blutprobe für die Diagnose von im Blut
erkennbaren medizinischen Parametern oder Krankheiten, oder einer
Wasserprobe für die Überwachung der Wasserqualität, eingebracht werden, die
anschließend jeweils mit einem unterschiedlichen Reagenz aus einer Bürette
oder eine Pipette in Kontakt gebracht werden, um so eine chemische oder
biologische Reaktion oder dergleichen hervorzurufen, welche von einem
optischen Effekt, z. B. Färbung oder Entfärbung in der Flüssigkeitsprobe
begleitet wird. Diese Farbänderung als Ergebnis der Reaktion wird
üblicherweise visuell oder fotometrisch überwacht, weshalb die
Mikrotiterplatten aus einem transparenten Material aufgebaut sind. Anstelle
viele eingefüllte Teile derselben Flüssigkeitsprobe mit unterschiedlichen
Reagenzien zu versetzen, können die Mikrotiterplatten auch in der Weise bei
der Titration verwendet werden, indem man viele unterschiedliche eingebrachte
Flüssigkeitsproben mit demselben Reagenz reagieren läßt.
Die Mikrotiterplatten sind dabei mit unterschiedlichen Durchmessern der
Kavitäten, beispielsweise im Bereich von 3 bis 7 mm, d. h. mit unterschiedlich
großen Reaktionsräumen bzw. Kavitäten im Handel. Sie weisen typischerweise
eine Abmessung von 120×80 mm auf.
Es ist bekannt, Mikrotiterplatten aus Glas oder transparentem Kunststoff
herzustellen.
Mikrotiterplatten aus Glas haben eine hohe chemische Beständigkeit, sind
jedoch sehr aufwendig in der Herstellung und damit teuer. Wie bei allen
Glasprodukten bestehen Bruchgefahr und nur sehr begrenzte
Design-Möglichkeiten. Ferner sind die mit Glas erreichbaren Toleranzen werk
stoff- und verfahrensbedingt sehr viel schlechter als bei typischerweise
spritzgegossenen Kunststoffteilen.
Es ist auch bekannt, Mikrotiterplatten aus Kunststoff herzustellen. In der Fig.
4 ist eine solche bekannte Mikrotiterplatte dargestellt. Sie besteht aus einem
plattenförmigen Grundkörper 30 aus transparentem Kunststoff, wie
Polyvinylchlorid, vorzugsweise Polystyrol oder aus Polymethylmethacrylat
(PMMA), in dem in einer wabenartigen Struktur zahlreiche
Reaktionsvertiefungen, die Kavitäten 20 mit Öffnungen 21 und mit geraden
oder abgerundeten Böden 22 ausgeformt sind, die die Kavitäten für die
miteinander reagierenden Flüssigkeiten bilden. Teilweise sind ihre Oberflächen
modifiziert, um eine verbesserte Adsorption von Reagenzien zu gewährleisten.
Die miteinander reagierenden Flüssigkeiten, Proben wie Reagenzien, werden
aus einer Bürettenanordnung tropfenweise in jede Kavität 20 fallengelassen.
Nach Ende der jeweiligen Reaktion bzw. Behandlung werden die erhaltenen
Ergebnisse durch optische Mittel festgestellt, indem beispielsweise ein sehr
schmaler Lichtstrahl axial auf den Inhalt der Kavitäten gerichtet und die
Intensität oder Färbung des aus dem Bodenteil austretenden durchgelassenen
Lichtes bestimmt wird.
Diese bekannten Mikrotiterplatten aus Kunststoff sind zwar einfach
sterilisierbar, z. B. durch eine Strahlensterisilation, sowie kostengünstig
herstellbar, weisen jedoch eine für moderne Anwendungen nur sehr begrenzte
chemische Resistenz, insbesondere gegenüber organischen Lösungsmitteln und
eine geringe thermische Belastbarkeit auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs bezeichnete
Mikrotiterplatte so auszubilden, daß sie bei kostengünstiger Herstellung eine
deutlich erhöhte chemische Resistenz auch gegenüber aggressiven
Lösungsmitteln bzw. auch bei erhöhten Temperaturen aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der Erfindung dadurch, daß
zumindest die innere Wandung der Kavitäten mit mindestens einer Schicht aus
SiOxCyHz und/oder TiOxCyHz versehen sind.
Durch die erfindungsgemäße Beschichtung der Kunststoff-Miktrotiterplatte
weist diese eine drastisch erhöhte chemische Resistenz, insbesondere auch
gegenüber den organischen Lösungsmitteln wie Azeton, Methyl-Ethylketon
(MEK), Isopropanol, Dimethylsulfoxid (DMSO), Dymethylformamid (DMF),
Tetrahydrofuran (THF), Toluol, Xylol etc., auch bei erhöhten Temperaturen,
auf.
Vorzugsweise wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Schicht nach
dem PICVD-Verfahren aufgebracht. Dieses Verfahren gewährleistet
überraschenderweise eine hinreichend gleichförmige Beschichtung der
Mikrotiterplatte, die durch die Vielzahl der Kavitäten an sich eine recht
komplexe Geometrie besitzt.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß gemäß einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung auch verhältnismäßig thermolabile Kunststoffbasismaterialien für
die Mikrotiterplatte, wie Polystyrol oder Polymethylmethacrylat (PMMA) nach
dem PICVD-Verfahren beschichtbar sind und sich die chemische Beständigkeit
gravierend erhöhen läßt.
Die Beschichtung von Kunststoffen mit einer SiOxCyHz- bzw. TiOxCyHz-Schicht
ist an sich durch den Aufsatz "Multilayer barrier coating System produced by
plasma-impulse chemical vapor deposition (PICVD), von M. Walther, M.
Heming, M. Spallek", veröffentlicht in "Surtace and Coatings Technology" 80
(19%) S. 200-205 bekanntgeworden. Im bekannten Fall geht es jedoch um die
Erzeugung von Sperrschichten bei Verpackungsbehältern mit wenig komplexer
Konfiguration, insbesondere im Pharmabereich, um die Durchlässigkeit der
Kunststoffwandung der Verpackung gegenüber Wasserdampf und anderen
Dämpfen bzw. Gasen zu verringern. Im Fall der Erfindung geht es dagegen
um das Aufbringen einer Schicht bei einem Körper mit komplexer
Konfiguration, der Kunststoff-Mikrotiterplatte, zur Erhöhung der chemischen
Resistenz dieser Mikrotiterplatte. Für diese Lehre sind in der vorgenannten
Literaturstelle keine Hinweise vorhanden.
Weitere ausgestaltende Merkmale der Erfindung ergeben sich anhand von in
der Beschreibung dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. 1 einen stark vergrößerten Ausschnitt aus einem Längsschnitt
durch eine Mikrotiterplatte unter Darstellung der Beschichtung
einer Kavität,
Fig. 2 in drei Ansichten A, B, C in Form von stark vergrößerten
Ausschnitten aus dem Längsschnitt nach Fig. 1, drei
verschiedene Fälle für die Struktur der Beschichtung,
Fig. 3 eine blockschaltbildartige Prinzipdarstellung einer
PICVD-Beschichtungsstation zur Erzeugung der Schichten nach den
Fig. 2, und
Fig. 4 in einer perspektivischen Schnittdarstellung die Struktur einer
bekannten Mikrotiterplatte.
Die Fig. 1 zeigt in einem sehr vergrößerten Maßstab einen Ausschnitt aus
einem Längsschnitt durch eine Mikrotiterplatte 30 unter Darstellung eines ihrer
Reaktionsräume, den Kavitäten 1, deren Wandung 2 aus Kunststoff besteht.
Typischerweise ist als Kunststoffmaterial wegen der notwendigen Transparenz,
Festigkeit und Resistenz gegenüber den üblicherweise verwendeten Proben und
Reagenzien Polystyrol oder Polymethylmethacrylat (PMMA) vorgesehen, es
können jedoch auch zahlreiche andere, transparente Kunststoffe wie
Polycarbonat, Polyethylenterephalat (PET), Cycloolefincopolymere eingesetzt
werden.
Mehrere solcher Kavitäten 1 sind entsprechend der bekannten Mikrotiterplatte
nach Fig. 4 spalten- und zeilenförmig zu einer Grundwabenstruktur
angeordnet.
Die Auswahl des Kunststoffes für eine erfindungsgemäß beschichtete
Mikrotiterplatte kann ohne Rücksicht auf eine geringe chemische Beständigkeit
des Kunststoffes erfolgen. So kann z. B. Polycarbonat Verwendung finden,
dessen Lösungsmittelbeständigkeit zwar sehr schlecht ist, aber das eine hohe
Temperaturbeständigkeit aufweist.
Zur drastischen Erhöhung der chemischen Resistenz der Mikrotiterplatte 30,
insbesondere gegenüber organischen Lösungsmitteln wie Azeton oder
Dimethylsulfoxid (DMSO), ist gemaß Fig. I eine Schicht 3 vorgesehen, die
eine Dicke von ca. 20-500 mm hat, die aber, der besseren Darstellung halber,
in Fig. 1 nicht maßstäblich im Verhältnis zur Wandung 2, deren Dicke
typischerweise bei 0,5-1 mm liegt, dargestellt ist.
Die Schicht 3 kann gemäß Fig. 2, Teil A, aus einer Schicht 3a aus SiOxCyHz
oder gemäß Fig. 2, Teil B, aus einer Schicht 3b aus TiOxCyHz oder gemäß
Fig. 2, Teil C, aus einer Doppelschicht 3c, gebildet aus den Schichten 3a und
3b nach Teil A und B der Fig. 2, aufgebaut sein.
Vorzugsweise liegt dabei, wie in Fig. 2C dargestellt, die Schicht 3a direkt auf
der Wandung 2, während die Schicht 3b außen liegt. Es hat sich nämlich
gezeigt, daß SiOxCyHz besser als TiOxCyHz an den typischerweise verwendeten
Kunststoffmaterialien haftet.
Die Beschichtungsfolge kann jedoch auch prinzipiell umgekehrt sein oder
mehrere Lagen dieser Folge übereinander aufgebracht werden.
Das Aufbringen der Schicht 3 nach Fig. 1 bzw. der Schichten 3a, 3b und 3c
nach Fig. 2, kann auf verschiedene bekannte Weise erfolgen, z. B. durch
Sputtering (Sputtern). Vorzugsweise erfolgt jedoch die Beschichtung nach dem
PICVD-Verfahren (Plasma-Impuls-Chemical-Vapor-Deposition). Diese
Technologie ist beispielsweise bekannt durch die DE 40 08 405 C1 sowie
durch die US-A-5,154,943 und wird bislang insbesondere zur Erzeugung von
Sperrschichten auf Kunststoffbehältern angewendet (DE 44 38 359 A1 und
vorgenannter Aufsatz).
Das Prinzip einer Beschichtungsstation, in der das PICVD-Verfahren
durchgeführt wird, ist in Fig. 3 dargestellt. In einer Vakuumkammer 4 befindet
sich die zu beschichtende Mikrotiterplatte 30. Diese Vakuumkammer 4, die als
Reaktionskammer dient, kann mittels einer Vakuumeinrichtung 5, die
typischerweise eine Vakuumpumpe und die notwendigen Armaturen aufweist,
entlüftet werden, z. B. auf einen Druck von 0,3 mbar. Oberhalb der
Vakuumkammer 4, getrennt durch ein Mikrowellenfenster 6, befindet sich eine
Horn-Mikrowellenantenne 7. Über diese Mikrowellenantenne wird eine
Mikrowellenstrahlung 8 impulsweise in die Vakuumkammer 4 geleitet, die im
Innern der Vakuumkammern ein Mikrowellenplasma bildet. Die Impulsdauer
ist dabei ein zusätzlicher Parameter, der die Zusammensetzung der
abgeschiedenen Schicht beeinflußt.
Die Mikrowellenimpulse, deren Dauer im Bereich von 0,1 bis 10 ms liegt,
werden von einem Mikrowellengenerator 9 erzeugt, der über ein Magnetron 10
mit der Mikrowellenantenne 7 verbunden ist. Die Mikrowellen-Anordnung
besitzt typischerweise Standard-Komponenten der 2,45 GHz-Technologie.
Über eine Gaszuführ-Anordnung 11 wird einmal das Gas, in welchem ein
Plasmabogen gezündet wird, typischerweise Sauerstoff sowie Inertgase (z. B.
Stickstoff, Argon, Helium, Wasserstoff), und zum anderen das zur
Schichtbildung notwendige Gas, das Reaktionsgas, eingeleitet. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel sind es typischerweise metall-organische Reaktionsgase,
wie Hexamethyldisiloxane (HMDSO) oder Titantetraisopropoxide (TIPT), aus
denen über die Wahl einer geeigneten Impulsdauer die Schichten SiOxCyHz
bzw. TiOxCyHz aufgebaut werden.
Eine Prozeßsteuerung 12 steuert den Ablauf in bekannter Weise, bei dem
zunächst aus der Zufuhranordnung 11 die Mischung aus Sauerstoff und dem
Reaktionsgas in die Vakuumkammer 4 eingeleitet wird. Danach wird durch
einen Mikrowellenimpuls 8 ein Plasma in der Vakuumkammer gezündet, das
die Moleküle des Reaktionsgases spaltet. Die dabei entstehenden
Crack-Produkte diffundieren zur nächst gelegenen Oberfläche, hier der
Mikrotiterplatte 30 und bauen nach und nach die gewünschte Schicht 3 auf. In
der Impulspause bis zur Zündung des nächsten Impulses, die im Bereich von
100 ms liegt, werden jeweils die verbrauchten Reaktionsgase aus der
Vakuumkammer nach Art eines Zweitakt-Motors durch Absaugen mittels der
Vakuumstufe 5 entfernt und durch frisches Reaktionsgas und Sauerstoff ersetzt.
Soll eine Mehrfachschicht gemäß Fig. 2C erzeugt werden, wird, sobald die
genügende Schichtdicke für die Schicht 3a, bestehend aus SiOxCyHz, erreicht
ist, das entsprechende Reaktionsgas - hier Hexamethyldisiloxan (HMDSO) -
durch das zur Erzeugung der Schicht 3b, bestehend aus TiOxCyHz, notwendige
Reaktionsgas Titantetraisopropoxid (TIPT) ersetzt. Zur Erzeugung eines
unscharfen Überganges zwischen den beiden Schichten kann für einen gewissen
Zeitraum ein Gemisch aus beiden Reaktionsgasen einleiten. Für gleichmäßige
Übergänge kann man dabei den Anteil des ersten Reaktionsgases vermindern
und gleichzeitig den Anteil des zweiten Reaktionsgases stetig bis auf den
Nennwert erhöhen.
Bei Mikrotiterplatten 30 mit konventionellen typischen Abmessungen von
120×80 mm genügt, wie in Fig. 3 dargestellt, eine einzige
Hornmikrowellenantenne 7 mit den entsprechenden Komponenten. Bei
größeren Abmessungen wird ein Array von Mikrowellenantennen entsprechend
der DE 38 30 249 C2, vorzugsweise gesteuert entsprechend der
DE 196 34 795.5, verwendet.
Zusätzlich oder anstelle von Sauerstoff als Gas für das Plasma können auch
andere aus der Plasmatechnik bekannte Gase zur Erzeugung eines
Plasmabogens verwendet werden, wie beispielsweise Argon, Helium,
Wasserstoff oder Stickstoff; weitere Beispiele dafür werden z. B. in dem Buch
"Plasma-Technik" von Schade u. a., erschienen 1990 im Verlag Technik GmbH
Berlin, beschrieben.
Mittels der Beschichtungstechnologie nach Fig. 3 lassen sich
überraschenderweise die sehr komplex geformten Mikrotiterplatten 30
erfolgreich beschichten, ohne daß es zu größeren unbeschichteten Bereichen
käme. Ebenso überraschenderweise können auch relativ thermolabile
Kunststoffbasismaterialien wie Polystyrol oder PMMA nach dem
PICVD-Verfahren nach Fig. 3 beschichtet werden.
So wurde in einem Ausführungsbeispiel eine Mikrotiterplatte aus Polystyrol
ohne weitere vorhergehende Reinigung mit Hilfe des PICVD-Verfahrens mit
SiOxCyHz beschichtet. Die beschichteten Mikrotiterplatten weisen eine deutlich
erhöhte Beständigkeit gegenüber Azeton und DMSO auf.
Eine Funktionalisierung der beschichteten Oberfläche einer Kavität, z. B. das
Einstellen von Proteinbindungsfähigkeit gelingt, indem die Oberfläche zunächst
mit einem Silanisierungsreagenz beaufschlagt wird, um funktionelle Gruppen
auf die Oberfläche zu bringen. An diese funktionellen Gruppen (z. B. -PH,
-SH, NH2) können dann durch bekannte chemische Reaktionen andere
Reagenzien reaktiv gekoppelt werden.
Claims (6)
1. Mikrotiterplatte aus transparentem Kunststoff mit spalten- und
zeilenförmig zu einer Rundwabenstruktur angeordneten kleinen
Reaktionsräumen (Kavitäten), dadurch gekennzeichnet, daß zumindest
die Wandungen (2) der Kavitäten (1) mit mindestens einer Schicht (3)
aus SiOxCyHz und/oder TiOxCyHz versehen sind.
2. Mikrotiterplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei
Schichten (3a, 3b) vorgesehen sind, mit einer unmittelbar auf das
Kunststoffbasismaterial der Wandung der Kavitäten (1) aufgebrachte
SiOxCyHz-Schicht, auf der eine TiOxCyHz-Schicht als äußere Schicht
aufgebracht ist.
3. Mikrotiterplatte nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schicht (3) mit dem PICVD-Verfahren aufgebracht ist.
4. Mikrotiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß sie aus Polystyrol oder Polymethylmethacrylat
(PMMA) als Kunststoffbasismaterial besteht.
5. Mikrotiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß sie aus Polycarbonat (PC), Polyethylenterephalat
(PET) oder aus Cycloolefincopolymeren (COC) besteht.
6. Mikrotiterplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die innere Kavitätenoberfläche funktionale
Gruppen aufweist, die durch Silanisierungsmethoden aufgebracht
werden.
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