DE19751658A1 - Verfahren zur Bildung lateral organisierter Strukturen auf Trägeroberflächen - Google Patents

Verfahren zur Bildung lateral organisierter Strukturen auf Trägeroberflächen

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur elektrisch adressierbaren Immobilisierung von monomolekularen Schichten aus bereits fertigen Molekülen auf Trägeroberflächen sowie die Verwendung des Verfahrens zur Herstellung von Multisensor-Arrays.
Es gibt einige Verfahren für die adressierbare Immobilisierung, mit deren Hilfe man mehrere unterschiedliche Molekültypen gezielt auf eine Trägeroberfläche binden kann. Man kann diese Technik u. a. zur Herstellung von Multisensor-Arrays benutzen. Bisher sind die mikromechanische Adressierbarkeit und die optische Adressierbarkeit im Einsatz. Bei der mikromechanischen Immobilisierung verwendet man ein Sprühsystem mit präziser Positionierung [Yershov et al., 1996; Blanchard et al., 1996]. Die optische Immobilisierung erfolgt über die Verknüpfung funktioneller Gruppen mit photolabilen Schutzgruppen. Die Aktivierung des Systems erfolgt durch das Abspalten der Schutzgruppe mittels Photolyse [US-P.-5,412,087]. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Adsorption unter Verwendung der Photoresist-Technik durchzuführen [Chrisey et al., 1996].
Bei den bisher bekannten Immobilisierungsverfahren bestehen allerdings gewisse Nachteile, welche die Anwendbarkeit der Verfahren einschränken. So ist z. B. die Auflösung der mikromechanischen Immobilisierung durch die Größe der einzelnen Sprühpartikel limitiert. Im besten Fall erreicht man eine Auflösung von ca. 100 µm [Yershov et al., 1996; Blanchard et al., 1996]. Bei der optischen Immobilisierung muß immer mit Schutzgruppen gearbeitet werden, die die Einhaltung bestimmter Bedingungen (z. B. Lösungsmittel, Abdunklung wegen Lichtempfindlichkeit) erfordern und zu einem bestimmten Zeitpunkt wieder abgespalten werden müssen. Die Photoresist-Methode [Chrisey et al., 1996] ist sehr zeit- und kostenaufwendig, da eine große Anzahl von Photomasken verwendet werden muß.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren bereitzustellen, mit Hilfe dessen Moleküle auf einfache Weise auf Oberflächen adressierbar immobilisiert werden können.
Es ist bekannt, daß die chemische Adsorption von Molekülen auf eine Elektrode durch Veränderungen des angelegten elektrischen Potentials beeinflußt werden kann. Diese Potentialabhängigkeit gilt auch für die chemische Adsorption von Thiolverbindungen auf Elektroden. Von den Erfindern wurden die Bedingungen untersucht, bei denen die Gold-Schwefel Bindung stabil ist. Zusätzlich zu den in der Literatur bereits bekannten Ergebnissen [Imabayashi et al., 1997; Yang et al., 1997], konnte gezeigt werden, daß eine chemisch adsorbierte Molekularschicht auf einer Elektrode nur bei einem bestimmten pH-abhängigen Potentialbereich stabil ist. Mit der Änderung des Potentials innerhalb oder außerhalb des Potentialstabilitätsbereichs kann man die Desorption oder Adsorption von Molekülen steuern. Man kann dieses Prinzip benutzen, um eine bestimmte laterale Struktur der chemisch adsorbierten Schicht aufzubauen. Von den Erfindern wird nun diese Methode der elektrisch adressierbaren Immobilisierung von Molekülen eingesetzt, um mannigfaltige Molekültypen auf engstem Raum auf Oberflächen zu immobilisieren.
Für die elektrisch adressierbare Immobilisierung werden Elektroden beliebiger Größe, Form und Anzahl verwendet, welche auf einen Träger aus einem dielektrischen Stoff aufgebracht ist. Die Immobilisierung erfolgt durch chemische Adsorption nach anschließendem Schema (s. a. Bild 1, 2). Dabei werden verschiedene Molekültypen (A, B, C, usw.), die eine oder mehrere Thiolgruppen enthalten, gezielt auf verschiedene Elektroden (E1, E2, E3, usw.) immobilisiert: Molekültyp A auf Elektrode E1, Molekültyp B auf Elektrode E2, usw. Um dies zu erreichen geht man wie folgt vor: An die Elektrode E1 wird in wäßriger Lösung ein geeignetes Elektrodenpotential (Adsorptionspotential) gegenüber einer Referenzelektrode anlegt, welches die Bindung mit Thiolgruppen unterstützt. Gleichzeitig werden die anderen Elektroden (E2, E3, usw.) mit einem Elektrodenpotential (Desorptionspotential) gegenüber derselben Referenzelektrode belegt, welches ausreicht, um die Bindung der Thiolgruppen mit diesen Elektroden zu unterdrücken. Darum wird der zugegebene Molekültyp A nur an die Elektrode E1 gebunden. Anschließend ersetzt man den Molekültyp A in der wäßrigen Lösung durch den Molekültyp B und adressiert diese Moleküle an den nachfolgenden Elektrodenplatz E2. Durch das Desorptionspotential werden die unbeschichteten Elektrodenplätze weiterhin inert gehalten. Das weiterhin an bereits beschichtete Elektrodenplätze angelegte Adsorptionspotential verhindert die Desorption von Molekülen ebenso wie die weitere chemische Adsorption andersstrukturierter Moleküle, weil der Elektrodenplatz mit dem ersten Molekültyp vollständig bedeckt ist. Diesen Vorgang wiederholt man solange, bis der Sensor-Array vollständig aufgebaut ist. Zwischen dem immobilisierten Molekül und der Elektrode bildet sich eine feste Bindung. Somit ist es möglich, einen Multisensoren-Array mit beliebiger Molekülzusammensetzung zu erzeugen.
Unter dem Begriff Träger soll jedes feste dielektrische Substrat (z. B. Glas nichtleitender Kunststoff, etc.) sowie jedes leitende und halbleitende Substrat mit dielektrischer Beschichtung (z. B. Silizium) verstanden werden.
Als Elektroden werden allgemein dünne Schichten leitender Materialien bezeichnet, die fest an einen Träger gebunden sind (z. B. Au, Pd, Pt, Ag, dotierte Halbleiter). Durch separate elektrische Leitungen kann das Potential welches an den verschiedenen Elektroden anliegt, individuell gesteuert werden.
Als Referenzelektroden sollen die allgemein in der Elektrochemie verwendeten Referenzelektroden (z. B. Ag/AgCl, etc.) mit oder ohne Salzbrücke verstanden werden.
Als Molekültypen, welche mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren zur elektrisch adressierbaren Immobilisation an Elektroden chemisch adsorbiert werden können, kommen solche in Frage, deren Bindung mit den Elektroden durch das Elektrodenpotential gesteuert werden kann. Im Fall von Goldelektroden können beliebige Molekültypen (z. B., Toxine, Hormone, Hormonrezeptoren, Peptide, Proteine, Enzyme, Enzymsubstrate, Cofaktoren, Arzneimittel, Lektine, Zucker, Oligonukleotide, DNA, RNA, Oligosaccharide, Epitope, Antikörper und künstliche Rezeptoren) mit Thiol- oder Sulfidgruppen verwendet werden. Die Thiolgruppen können in derartigen Molekülen entweder schon ursprünglich vorhanden sein oder aber erst durch chemische Modifikation eingeführt werden.
Unter einem "Adsorptionspotential" versteht man ein elektrisches Potential, bei dem die Bindung der Elektrode mit dem Molekül unterstützt bzw. aufrechterhalten wird. Für die chemische Adsorption von Thiolen auf Gold liegt das Adsorptionspotential bei pH 7.0 im Bereich von 0 bis +600 mV gegenüber der Ag/AgCl-Elektrode. Das Optimum liegt bei ca. +300 mV. Bei alkalischem pH wird dieser Potentialbereich nach unten verschoben.
Unter dem Begriff "Desorptionspotential" versteht man ein Potential außerhalb des oben definierten Stabilitätsbereichs. Das Desorptionspotential muß ausreichend hoch sein, um die chemische Adsorption von Molekülen, die während des Immobilisierungsverfahrens eingesetzt werden, zu verhindern.
In den Bildern sind Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie typische Meßdaten dargestellt. Sie sind im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Bild 1 einen schematisch dargestellten Aufbau zur Durchführung der elektrisch adressierbaren Immobilisierung,
Bild 2 den Algorithmus der elektrisch adressierbaren Beschichtung eines Arrays mit n Einzelelektroden,
Bild 3 die Kapazitätserniedrigung (in Abhängigkeit von der Zeit) einer unbeschichteten Goldelektrode bei der Adsorption von 6-Mercaptohexansäure bei einem Elektrodenpotential von +300 mV gegenüber einer Ag/AgCl-Elek­ trode. Durch die folgende Spülung wird nur ein geringer Teil des adsorbierten Thiols wieder entfernt,
Bild 4 die Kapazitätsänderungen einer unbeschichteten Goldelektrode bei mehreren Zyklen der Adsorption von Octanthiol bei einem Elektrodenpotential von -1400 mV gegenüber einer Ag/AgCl-Elektrode. Eine anschließenden Spülung entfernt das adsorbierte Thiol vollständig,
Bild 5 die Kapazitätsänderung einer unbeschichteten Goldelektrode, an die nacheinander das Desorptions-(-1400 mV) und das Adsorptionspotential (+300 mV) gegenüber einer Ag/AgCl-Elektrode angelegt wurde. Bei beiden Potentialen wurde die Adsorption von 6-Mercaptohexadecansäure verfolgt.
Bild 6 die Kapazitätsänderungen eines Systems bestehend aus zwei Goldelektroden, bei dem die elektrisch adressierbare Immobilisierung von 6-Mer­ captohexansäure und Octanthiol bei Elektrodenpotentialen von +300 mV bzw. -1400 mV gegenüber einer Ag/AgCl-Elektrode durchgeführt wurde.
Bei dem in Bild 1 gezeigten Aufbau handelt es sich um ein System mit Probenwechsler (Bezugszeichen 1) für Reagenzgefäße, welche die Molekültypen und die Spüllösungen enthalten, und peristaltischer Pumpe (Bezugszeichen 2), welche die gewünschten Moleküle in die Durchflußzelle (Bezugszeichen 3) transportiert und wieder in ein Auffanggefäß (Bezugszeichen 4) auswäscht. In der Zelle befinden sich n Elektroden (um einen gewissen Überblick zu gewährleisten sind in Bild 1 nur fünf Elektroden explizit dargestellt) auf einem Träger (Bezugszeichen 5), die durch einen rechnergesteuerten Multiplexer (Bezugszeichen 6), welcher durch einen Adressbus (Bezugszeichen 7) gesteuert wird, separat entweder mit einem Adsorptionspotential (Bezugszeichen 8) oder einem Desorptionspotential (Bezugszeichen 9) gegenüber einer Referenzelektrode (Bezugszeichen 10) belegt werden.
Bild 2 zeigt detailliert die Einzelschritte der elektrisch adressierbaren Immobilisierung von Molekülen der Typen A, B, . . ., X auf den Elektroden E1, E2, . . ., En. Dabei werden mit dem Bezugszeichen 11 der Zugabeschritt eines thiolhaltigen Moleküls, dem Bezugszeichen 12 der Adsorptionsschritt dieses Moleküls und dem Bezugszeichen 13 der Spülungsschritt mit Elektrolyt bezeichnet. Über die Pumpe 2 wird Molekültyp A in die Zelle 3 transportiert. Dort adsorbiert Molekültyp A auf die Elektrode E1, an welche das Adsorptionspotential angelegt ist. Gleichzeitig wird die chemische Adsorption auf die Elektroden E2 bis En durch das dort angelegte Desorptionspotential verhindert. Nach dem Auswaschen von Molekültyp A werden die Elektrodenpotentiale in der Weise geändert, daß an Elektrode E1 das Adsorptionspotential und an den Elektroden E3 bis En das Desorptionspotential beibehalten wird. Bei Elektrode E2 verändert man das elektrische Potential unter Anlegen des Adsorptionspotentials. Über die Pumpe 2 wird aus dem Probenwechsler 1 der Molekültyp B in die Zelle transportiert. Dort wird Molekültyp B nur auf Elektrode E2 immobilisiert, weil Elektrode E1 bereits mit Molekültyp A beschichtet ist und an die Elektroden E3 bis En das Desorptionspotential angelegt ist. Die Reinigung erfolgt wie oben beschrieben die Beschichtung der Elektroden E3 bis En mit den Molekültypen C bis X wird analog zu den Elektroden E1 und E2 durchgeführt.
Die Bilder 3 bis 5 zeigen die Kapazitätsänderungen, welche bei der elektrisch adressierbaren Immobilisierung mit Einzelelektroden auftreten. Dabei werden mit dem Bezugszeichen 14 die Zugabe von Octanthiol, mit dem Bezugszeichen 16 die Zugabe von 6-Mercaptohexansäure und mit dem Bezugszeichen 15 die Spülung (Waschen) der Elektroden mit Reinstwasser und Chloroform bezeichnet. Als Elektrolyt wurde immer wäßrige KCl-Lösung (100 mM) von pH 6,7 verwendet. In den Bildern sind zusätzlich die spezifischen Kapazitätswerte angegeben. Die vollständige Entfernung der bei -1400 mV adsorbierten Thiole bei der Spülung zeigt, daß diese Moleküle nur physikalisch auf der Goldelektrode adsorbiert waren (Bild 4). Im Gegensatz dazu war der größte Teil der bei +300 mV adsorbierten Thiole chemisch adsorbiert und deshalb stabil gegenüber der Spülung.
Bild 6 zeigt analog dazu das Ergebnis mit einem Zweielektrodensystem. Als Elektrolyt wurde wäßrige KCl-Lösung (100 mM) von pH 6,7 verwendet. Die Zugabe von 6-Mercaptohexansäure 16 sowie die Spülung 15 erfolgten bei Elektrodenpotentialen von +300 mV (Adsorptionspotential) für Elektrode 1 und -1400 mV (Desorptionspotential) für Elektrode 2. Die Zugabe von Octanthiol 14 wurde bei Elektrodenpotentialen von +300 mV für beide Elektroden durchgeführt.
Beispiele Beschichtung von Einzelelektroden Vorbereitung der Elektroden
Silizium-Wafer Stückchen mit einer Größe von 3,20 mm × 10,02 mm und einer Stärke von 450 µm werden in einem allgemein üblichen Sputterprozeß mit einer Goldelektrode der Größe 1,56 mm × 1,56 mm (reaktive Oberfläche) und einer Zuleitung von 10 µm Breite und 6,65 mm Länge versehen. Die Elektrode wurde aus Titan- und Palladiumschichten (Haftvermittler, jeweils 50 nm dick) und einer deckenden Goldschicht (200 nm) aufgebaut. Als Kontaktstelle für das Meßsystem wird am oberen Ende der Zuleitungen ein versilberter Draht angelötet. Die Waferplättchen wurden vor dem Reinigungsprozeß optisch mit einem Auflichtmikroskop auf Beschädigungen überprüft. Die Reinigung erfolgte in mehreren Schritten. Zuerst wurden die Wafer 30 min vollständig in Chloroform getaucht. Nach dem Trocknen im Stickstoffstrom wurden die Wafer in eine 1 : 1 (v/v) Mischung aus Chloroform und Methanol getaucht und 10 min im Ultraschallbad behandelt. Analog zu dem verwendeten Chloroform kann man bei diesen Reinigungsschritten auch Ethanol (99%) und eine 1 : 1 (v/v) Mischung aus Ethanol und Methanol benutzen. Die Wafer wurden getrocknet und für 5 min in eine heiße 3 : 1 (v/v) Mischung aus konzentrierter Schwefelsäure und 30% Wasserstoffperoxid getaucht. Bei den letzten beiden Schritten wurde darauf geachtet, daß nur die reaktive Elektrodenfläche und max. 4,50 mm der Zuleitung in die Mischung eintauchten. Die Elektroden wurden gründlich mit Reinstwasser (Millipore: Mili-QPlus-185; 18,2 MΩ.cm-1) gespült und getrocknet. Alle Glas- und Teflongeräte wurden vor ihrer Verwendung in analoger Weise gereinigt, um eine Kontaminierung mit möglichen Adsorbat-Molekülen zu verhindern.
Durchführung der Messung
Die Waferplatte mit der aufgesputterten Goldelektrode wurde gemeinsam mit einer Ag/AgCl Referenzelektrode (Oberfläche ca. 1 cm2) an einem Teflonhalter befestigt, der als Deckel für die Meßzelle (Schnappdeckelglas, 40 mm × 19 mm) dient und eine Öffnung für die Zugabe und Entnahme von Flüssigkeiten besitzt. Die Zelle wird mit Elektrolyt (100 mM KCl; pH 6,7; ca. 3 ml) soweit gefüllt, daß die reaktive Oberfläche der Goldelektrode und die Referenzelektrode (Ag/AgCl) vollständig eintauchen. Für eine gleichmäßige Durchmischung sorgt ein Magnetrührer. Ein Lock-in-Verstärker mit integriertem Sinusgenerator erzeugt ein konstantes Sinussignal mit einer Frequenz von 20 Hz und einer Amplitude von 10 mV. Alle Messungen wurden bei Raumtemperatur (22°C) durchgeführt. Der Lock-in-Verstärker wird auch zur Registrierung des kapazitiven Stroms verwendet. Zusätzlich zu der Wechselspannung wird eine Gleichspannung über einen Spannungsgeber zugegeben. Erfolgt die Adsorption von Molekülen auf die Elektrodenoberfläche, wurde dieses als Kapazitätsänderung gemessen. Das Meßsignal wurde auf einen x-t Schreiber aufgezeichnet und über einen 16 bit A-D Umwandler in den Rechner übertragen. Zu Beginn der Messung wurde die absolute Kapazität der unbeschichteten Goldelektrode bei einem elektrischen Potential von +300 mV bestimmt. Man erhielt Werte von mindestens 12-14 µF/cm2.
Adsorptionspotential
Nachdem die Elektrode einen stabilen Kapazitätswert erreicht hatte, wurde das Adsorptionspotential (+300 mV) beibehalten und soviel 6-Mercaptohexansäure gelöst in Elektrolyt zugegeben, das in der Meßzelle eine Konzentration von 50 µmol/l vorlag. Die Adsorption setzte sofort ein und war nach ca. 2,5 Stunden abgeschlossen (s. Bild 3). Die Halbwertszeit der Beschichtung betrug ca. 10 min und der absolute Kapazitätswert war mit 4,3 µF/cm2 vergleichbar mit dem einer in Chloroform oder Ethanol (1 mM 6-Mercaptohexansäure) beschichteten Goldelektrode. Nach dieser Beschichtung wurde die Meßzelle geöffnet, die Goldelektroden mit Reinstwasser gespült und ca. 5 s in Chloroform getaucht, um nur physikalisch adsorbiertes Thiol von den Elektroden zu entfernen. Die Referenzelektrode, die Meßzelle und der Rührer wurden gründlich mit Reinstwasser, Chloroform, Ethanol und Aceton gereinigt, um das 6-Mer­ captohexansäure zu entfernen. Anschließend wurde die Qualität der Beschichtung durch erneute Messung der Kapazität überprüft. Nur eine geringfügige Kapazitätserhöhung (1-2%) gegenüber der zuvor erhaltenen Werte wurde gemessen.
Desorptionspotential
An die Goldelektrode wurde ein Desorptionspotential von -1400 mV gegenüber einer Ag/AgCl-Referenzelektrode angelegt und die Stabilität des Kapazitätswertes abgewartet. Anschließend wurde soviel Octanthiol zugegeben, daß in der Zelle eine Konzentration von 250 µmol/l vorlag. Die folgende Kapazitätserniedrigung betrug nach 2 Stunden ca. 30% bei einer Halbwertszeit von 45 Minuten (s. Bild 4). Der absolute Kapazitätswert war mit 7,8 µF/cm2 deutlich größer als bei der Goldelektrode die unter Anlegen des Adsorptionspotentials beschichtet worden war. Nach Reinigung der Elektrode mit Reinstwasser und Chloroform (5 s) zeigte sich, daß die Kapazitätserniedrigung nur auf physikalisch adsorbiertes Thiol zurückzuführen war, weil die Startwerte von 12-14 µF/cm2 wieder erreicht wurden. Die physikalische Adsorption und der darauf folgende Reinigungsschritt wurden mehrmals wiederholt und lieferte stets das gleiche Ergebnis.
Desorptions-/Adsorptionspotential
An die Goldelektrode wurde ein Desorptionspotential von -1400 mV gegenüber einer Ag/AgCl-Referenzelektrode angelegt und die Einstellung eines stabilen Kapazitätswertes abgewartet. Anschließend wurde soviel 6-Mercaptohexansäure gelöst in Elektrolyt zugegeben, daß in der Meßzelle eine Konzentration von 50 µmol/l vorlag. Die Kapazitätserniedrigung betrug nach 1 Stunde nur ca. 7% (s. Bild 5). Das angelegte Desorptionspotential wurde jetzt durch das Adsorptionspotential (+300 mV) ersetzt. Die Kapazitätsänderung, welche durch die Potentialänderung verursacht wurde, wurde von der sofort beginnenden chemischen Adsorption überlagert und konnte nicht bestimmt werden. Nach ca. 2 Stunden war die Adsorption abgeschlossen (Halbwertszeit 8 Minuten) und der absolute Kapazitätswert (4,9 µF/cm2) mit einer in organischer Lösung beschichteten Goldelektrode vergleichbar. Durch die Reinigung der Elektrode mit Reinstwasser und Ethanol (10 s) wurde kein adsorbiertes Thiol mehr entfernt.
Beschichtung eines Elektrodenarrays Vorbereitung der Elektroden
Silizium-Wafer Stückchen mit einer Größe von 6,40 mm × 10,02 mm und einer Stärke von 450 µm werden in einem allgemein üblichen Sputterprozeß mit 2 Goldelektroden der Größe von jeweils 1,56 mm × 1,56 mm (reaktive Oberfläche) und einer Zuleitung von 10 µm Breite und 6,65 mm Länge versehen. Die Elektroden wurden aus Titan- und Palladiumschichten (Haftvermittler, jeweils 50 nm dick) und einer deckenden Goldschicht (200 nm) aufgebaut. Der Abstand der Elektroden voneinander beträgt 1,56 mm. Das Anbringen der Kontaktstelle und der Reinigungsprozeß verlaufen analog zur oben beschriebenen Durchführung.
Messung
Die Waferplatte mit den zwei Goldelektroden wurde gemeinsam mit einer Ag/AgCl Referenzelektrode (Oberfläche ca. 1 cm2) an einem Teflonhalter befestigt, der als Deckel für die Meßzelle (ein Schnappdeckelglas, 40 mm × 19 mm) dient und eine Öffnung für die Zugabe und Entnahme von Flüssigkeiten besitzt. Die Zelle wird mit Elektrolyt (100 mM KCl; pH 6,7; ca. 3 ml) soweit gefüllt, daß die reaktive Oberfläche der Goldelektroden und die Referenzelektrode vollständig eintauchen. Für eine gleichmäßige Durchmischung sorgt ein Magnetrührer. Ein Lock-in-Verstärker mit integriertem Sinusgenerator erzeugt ein konstantes Sinussignal mit einer Frequenz von 20 Hz und einer Amplitude von 10 mV. Alle Messungen wurden bei Raumtemperatur (22°C) durchgeführt. Der Lock-in-Verstärker wird auch zur Registrierung des kapazitiven Stroms verwendet. Zusätzlich zu der Wechselspannung wird eine Gleichspannung über einen Spannungsgeber zugegeben. Die zwei Potentialgeber ermöglichen das separate Anlegen von elektrischen Potentialen (P1, P2) an die Goldelektroden (E1, E2) gegenüber einer Ag/AgCl-Referenzelektrode. Die Adsorption von Molekülen auf die Elektrodenoberfläche wurde als Kapazitätsänderung gemessen. Das Meßsignal wurde auf einen x-t Schreiber aufgezeichnet und über einen 16 bit A-D Umwandler in den Computer übertragen. Vor der Zugabe des ersten Thiols wurde die Kapazität der unbeschichteten Goldelektroden bei einem Elektrodenpotential P1 = P2 = +300 mV geprüft. Man erhielt Werte von mindestens 12-14 µF/cm2, welche typisch für unbeschichtete Goldelektroden sind.
Nachdem beide Elektroden stabile Kapazitätswerte erreicht hatten, wurde die Kapazität der Elektrode E1 mit den Detektoren aufgezeichnet. Das an Elektrode E2 angelegte Potential von +300 mV wurde nach -1400 mV verschoben. Kapazitätsänderungen an Elektrode E1 auf Grund dieser Potentialverschiebung wurden abgewartet. Dann wurde soviel 6-Mercaptohexadecansäure gelöst in Elektrolyt zugegeben, daß eine Konzentration von 50 µmol/l in der Zelle vorlag. Die Adsorption setzte sofort ein und war nach ca. 2,5 Stunden abgeschlossen. Die Halbwertszeit der Beschichtung betrug ca. 15 min und der absolute Kapazitätswert war mit 4 bis 5 µF/cm2 vergleichbar mit dem einer in Chloroform (1 mM 6-Mercaptohexadecansäure) beschichteten Goldelektrode. Nach dieser Beschichtung wurde die Meßzelle geöffnet, die Goldelektroden mit Reinstwasser gespült und ca. 5 s in Chloroform getaucht um physikalisch adsorbiertes Thiol von den Elektroden zu entfernen. Die Referenzelektrode, die Meßzelle und der Rührer wurden gründlich mit Reinstwasser, Chloroform, Ethanol und Aceton gereinigt, um die 6-Mercaptohexadecansäure zu entfernen. Die Meßzelle wird, wie oben beschrieben aufgebaut, und mit frischem Elektrolyt befüllt. Bei einem Potential von P1 = P2 = +300 mV wurden erneut die absoluten Kapazitätswerte gemessen. Die mit 6-Mercaptohexadecansäure beschichtete Elektrode E1 hatte einen Wert von 4,2 µF/cm2, die zweite Elektrode hatte nur eine geringe Änderung vom Ausgangswert erfahren (ca. 10%). Elektrode E2 wurde wurde während des zweiten Beschichtungsschrittes verfolgt. Bei Zugabe Octanthiol (Konzentration in der Zelle 150 µmol/l) erfolgte eine sofortige Adsorption, die nach ca. 3 Stunden beendet war (Halbwertszeit 10,5 min). Die absoluten Kapazitätswerte der beiden Goldelektroden betrugen nach einem erneuten Reinigungsschritt 1,4 µF/cm2 für Elektrode 2 und 4,1 µF/cm2 für Elektrode 1.
Literatur
Blanchard, A. P., Kaiser, R. J., Hood, L. E., Biosens. & Bioelectron. 11 (1996) 687-690
Chrisey, L. A., O'Ferall, E., Spargo, B. J., Dulcey, C. S., Calvert, J. M., Nucl. Adcids Res. 24 (1996) 3040-3047
McGall, G. H., Fodor, S. P. A., Sheldon, E. L., Spatially-addressable immobilization of oligonucleotides and other biological polymers on surfaces, US-P.-5,41 2,087 (24.41992, 2.51995)
Imabayashi, S., Iida, M., Hobara, D., Feng, Z. Q., Niki, K., Kakiuchi, T., J. Electroanal. Chem. 428 (1997) 33-38
Khrapko, K. R., Lysov, Y. P., Khorlyn, A. A., Shick, V. V., Florentiev, V. L., Mirzabekov, A. D., FEBS Lett. 256 (1989) 118-122
Yang, D.-F., Morin, M., J. Electroanal. Chem. 429 (1997) 1-5
Yershov, G., Barsky, V., Belgovskiy, A., Kirillov, E., Kreindlin, E., Ivanov I., Parinov, S., Guschin, D., Drobishev, A., Dubiley, S., Mirzabekov, A., Proc. Natl. Acad. Sci. 43 (1996) 4913-4918

Claims (5)

1. Verfahren zur elektrisch adressierbaren Immobilisierung von Molekülen auf Elektroden, die sich auf dem Träger befinden, gekennzeichnet durch das Anlegen eines Adsorptionspotentials an mindestens eine Elektrode und das Anlegen eines Desorptionspotentials an mindestens eine andere Elektrode die sich auf einem Träger befindet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei sich die Elektroden auf demselben Träger oder auf separaten Trägern befinden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Moleküle, welche immobilisiert werden, ausgewählt sind aus der Gruppe der Toxine, Hormone, Hormonrezeptore, Peptide, Proteine, Enzyme, Enzymsubstrate, Cofaktoren Arzneimittel, Lektine, Zucker, Oligonukleotide, DNA, RNA, Oligosaccharide, natürlichen und künstlichen Rezeptoren, redox-aktiven Substanzen, Farbstoffe, Säuren, Basen, Epitopen oder Antikörper, die mindestens eine Thiolgruppe besitzen oder welche mit mindestens einer thiolhaltigen Verbindung gekoppelt sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Elektrode aus Au, Pd, Ag, GaAs, Pt oder einem anderen leitenden oder halbleitenden anorganischen oder organischen Material hergestellt wird.
5. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung von Arrays von chemischen, biolpgischen und physikalischen Sensoren, Elementen zur Informationsspeicherung und Bearbeitung sowie für Anwendungen für die chemische Oberflächensynthese.
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