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Hintergrund
der Erfindung
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(a) Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zur Herstellung molekularer
Schichten mit hoher Dichte an primären Amingruppen auf festen
Trägern
gerichtet.
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Insbesondere
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung entweder linear
oder hyperverzweigter Polymerschichten, die eine hohe Dichte an
primären
Amingruppen auf hydroxylierten festen Trägern aufweisen. Ebenso betrifft
die Erfindung ein Verfahren zum Wachstum von Polymererschichten
mit einer hohen Dichte an primären
Amingruppen auf den festen Substraten unter Verwendung der primären Amine
auf der Oberfläche
eines aminosilylierten Substrats, um eine Ringöffnungspolymerisation von Aziridin
oder Aziridin-Derivaten zu initiieren.
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(b) Beschreibung des Standes
der Technik
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Die
Silylierung, insbesondere die Aminosilylierung, auf den Oberflächen fester
Träger
wurde in einer Vielzahl von Gebieten angewendet, einschließlich der
Immobilisierung von Biomolekülen,
wie Enzymen und Antikörpern,
Immobilisierung von anorganischen Katalysatoren, Modifikation von
Elektroden, Chromatographie und Bildung von selbstorientierenden
Anordnungen unter Verwendung verschiedener Arten von Molekülen, wie
ionischer Polymere, nichtlinearer optischer Chromophore, Fullerene,
Porphyrin, Übergangsmetallkomplexen
und anorganischen Kolloidalteilchen.
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Die
physiko-chemischen Eigenschaften der Aminosilanschichten, welche
auf der Oberfläche
von festen Trägern
gebildet werden, sind sehr wichtig, da diese die Struktur und die
endgültige
Funktionalität
des dünnen
Films bestimmen, während
sie die Form und die Oberflächendichte
der immobilisierten oder selbstorientierenden Moleküle beeinflussen.
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Andererseits
hat die Polymerisation, welche an der Oberfläche eines Substrats initiiert
wird, wegen der weiten Anwendbarkeit eine so große Aufmerksamkeit gewonnen.
Diese Erfindung weist auf die Tatsache hin, dass neue molekulare
Strukturen, welche mit der Polymerisation einhergehen, die Oberflächeneigenschaften eines
Trägers
verändern
können
und somit verschiedene Anforderungen erfüllen können. Außerdem garantiert die chemische
Bindung zwischen dem an der Oberfläche gebundenen Initiator auf
einem Träger
und der Polymerkette eine ausgezeichnete Stabilität.
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Außerdem stellt
das Verfahren des „Aufpfropfens" die gewünschten
Morphologien an der Oberfläche eines
Trägers
zur Verfügung.
Daher scheint es nur natürlich
zu sein, dass man an Polymerisationen interessiert ist, die an festen
Oberflächen
initiiert werden.
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Ulman
et al. zeigten, dass 2-Ethyl-2-Oxazolin auf einer Goldoberfläche mit ω-Hydroxylthiol
kationisch polymerisiert werden können (J. Am. Chem. Soc. 120,
243(1998)) und sie zeigten, dass die oberflächeninitiierte anionische Polymerisation
von Styrol gegenüber
der Aufpfropfmethode vorteilhaft ist (J. Am. Chem. Soc. 121, 1016
(1999)). Kürzlich
haben Grubbs et al. erfolgreich gezeigt, dass die Ring öffnende
Metathesepolymerisation (ROMP) Katalyse Norbornen unter Bildung
einer Polymerbürste
an einer festen Oberfläche
polymerisierte (J. Am. Chem. Soc. 121, 4088(1999)).
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Es
ist allgemein bekannt, dass die Oberflächendichte von primären aminfunktionellen
Gruppen (-NH2) etwa 3,5 Amine/100 Å2 an der äußersten
Oberfläche
beträgt,
wenn ein entsprechendes Reagenz an der Oberfläche eines festen Trägers angewandt
wurde. Jedoch leiden herkömmliche
feste Träger,
die eine derart geringe Dichte von primären Amin gruppen an der Oberfläche aufweisen,
an einer begrenzten Anwendbarkeit und müssen daher verbessert werden.
Ein fester Träger,
der primäre
Amingruppen an seiner Oberfläche
trägt,
ist als Substrat für
DNA-Chips oder verschiedene Arten von Bio-Chips geeignet. Jedoch
ist die Dichte von 3,5 Aminen/100 Å2 an
der Oberfläche
eines Trägers
nicht hoch genug, um Hydrogele, welche DNA-Oligonukleotide oder
andere Biomoleküle
enthalten, aus verschiedenen Gründen
nicht geeignet, da diese Microbeads stärkere Adhäsion für bessere Verwendbarkeit benötigen. Daher
genügen
die herkömmlichen
festen Träger
nicht der hohen Stabilität
der Biochips und deren weitem Anwendungsbereich.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist darauf gerichtet, ein Verfahren zur Bildung
molekularer Schichten mit hoher Dichte an primären Amingruppen auf Substraten
zur Verfügung
zu stellen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung molekularer
Schichten mit hoher Dichte an primären Amingruppen auf festen
Trägern
durch Reaktion der primären
Amingruppen auf der Oberfläche
eines aminosilylierten Substrates mit Aziridin oder Aziridin-Derivaten.
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Diese
Erfindung betrifft ferner aminosilylierte Substrate mit einer hohen
Dichte an primären
Amingruppen, welche gemäß den Verfahren
der vorliegenden Erfindung erzeugt wurden.
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Die
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass primäre Amingruppen von aminosilylierten
Substraten mit Aziridin oder dessen Derivaten umgesetzt werden,
wobei die chemischen und physikalischen Eigenschaften der dünnen Filme
auf den Substraten maßgeschneidert
werden. Es ist bevorzugt, Aziridin der Formel 1 zu verwenden [Formel
1]
oder ein geschütztes
Aziridin-Derivat der Formel 2 [Formel
2]
zu verwenden.
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Kurze Beschreibung
der Figuren
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Eine
bessere Würdigung
der Erfindung und vieler der sie begleitenden Vorteile wird offensichtlich
und wird besser verstanden mit Bezugnahme auf die folgende ausführliche
Beschreibung, insbesondere, wenn diese im Zusammenhang mit den angefügten Zeichnungen
beurteilt wird, worin:
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1 das
Reaktionsverfahren zwischen Aziridin und primären Aminogruppen auf der Oberfläche eines
aminosilylierten Substrates zeigt, worin eine Ringöffnungspolymerisation
auftritt, um Polyethyleniminketten (linear oder verzweigt) auf der
Oberfläche
zu bilden.
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2 zeigt
das schrittweise Wachstum von Polyethylenimin durch Umsetzung eines
geschützten
Aziridin, Benzyl-1-Aziridincarboxylat (N-Cbz-Aziridin), mit den
primären
Amingruppen auf der Oberfläche
eines aminosilylierten Substrates.
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3 ist
die grafische Darstellung eines W-Vis-Spektrums einer mit 4-Nitrobenzaldimin
derivatisierten Oberfläche
eines aminosilylierten Substrats vor und nach der Polymerisation
gemäß Beispiel
1.
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4a ist eine Rasterkraftmikroskopie(AFM)-Aufnahme, welche
die Oberflächenmorphologie
eines aminosilylierten (nicht polymerisierten) Substrates zeigt,
welches gemäß Beispiel
1 hergestellt wurde.
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4b zeigt die Rasterkraftmikroskopie(AFM)-Aufnahme der Oberflächenmorphologie
eines polymerisierten, aminosilylierten Substrates hergestellt gemäß Beispiel
1.
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Ausführliche
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Diese
Erfindung ist charakterisiert durch die Behandlung primärer Amingruppen
auf aminosilylierten Substraten mit Aziridin oder dessen Derivaten,
wobei die chemischen und physikalischen Eigenschaften der dünnen Filme,
welche auf den Substraten gebildet werden, maßgeschneidert werden. In einer
Ausführungsform
ist es bevorzugt, Aziridin der Formel 1 zu verwenden.
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In
einem anderen Ausführungsbeispiel
ist es bevorzugt, ein geschütztes
Aziridin-Derivat zu verwenden. Jede Aziridin-Verbindung, in welcher
die stickstofffunktionale Gruppe geschützt ist, kann als geschütztes Aziridin-Derivat verwendet
werden. Eine bevorzugte geschützte
Aziridin-Verbindung ist ein Aziridin-Derivat der Formel 2.
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Die
Verbindungen der Formel 2, worin X ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend
aus Wasserstoff, Nitro, Alkoxy und deren Mischungen, sind bevorzugt
wegen der leichten Entfernbarkeit (d.h. Entschützung) der Schutzgruppen nach
der Polymerisationsreaktion.
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Die
primären
Amingruppen in aminosilylierten molekularen Schichten und Aziridin
oder Aziridin-Derivate werden umgesetzt durch Eintauchen (d.h. in
Kontakt bringen) des aminosilylierten Substrates in einer Lösemittellösung (z.B.
Dichlormethan), welches das gelöste
Aziridin oder Aziridin-Derivat und eine katalytische Menge einer
Säure (z.B.
Essigsäure)enthält. Die
Lösung
wird vorzugsweise unter einer Inertatmosphäre erhitzt, um die Umsetzungsrate
zu erhöhen
(z.B. Rückfluss
erhitzen für
24 Stunden unter Stickstoff).
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Wegen
der Reaktivität
zwischen dem Aziridin und den primären Aminen, tritt eine Ring öffnende
Polymerisation auf, welche Poly(ethylenimin) in einer Form entweder
von linearen oder verzweigten Ketten auf den Oberflächen der
aminosilylierten Substrate erzeugt (siehe 1). Bei
Verwendung der geschützten
Aziridine erzeugt die Ring öffnende
Reaktion eine lineare Kette, ohne die Bildung von Verzweigungen
an der Oberfläche der
aminosilylierten Substrate, wobei ein Entschützungsschritt der Ring öffnenden
Reaktion folgt, um das weitere Wachstum zu bewirken.
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In
dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung molekularer Schichten
mit hoher Dichte an primären Amingruppen
auf der Oberfläche
von aminosilylierten Substra ten unter Bezugnahme auf die Figuren
näher detailliert
erklärt.
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Zunächst wird
ein fester Träger
mit einer sauberen und trockenen Oberfläche in eine Mischung eingetaucht
(in Kontakt gebracht), welche eine Aminosilanverbindung und ein
geeignetes Lösemittel
für die
entsprechende Reaktionszeit enthält,
um die reaktive primäre
Aminfunktionalitätsgruppe
auf der Oberfläche
des Trägers
zu bilden. Der Träger
ist vorzugsweise ein hydroxylierter Träger, wie beispielsweise ein
Silizium-Wafer, Quarzglas oder derartige bekannte Materialien. Die
verwendete Aminosilanverbindung erzeugt vorzugsweise keine sauren
Nebenprodukte. Bevorzugte Aminosilanverbindungen sind 3-Aminopropyldiethoxymethylsilan, 3-Aminopropylethoxy-dimethlysilan,
3-Aminoprpyltriethoxysilan und deren Mischungen. Ein geeignetes
Lösemittel
ist jedes Lösungsmittel,
das verwendet werden kann, um Aminosilanverbindungen zu lösen, welche
organische Lösungsmittel
wie Toluol oder Benzol umfassen. Die entstehenden aminosilylierten
Substrate werden sorgfältig
mit dem Lösemittel
gewaschen und unter Vakuum bei Raumtemperatur getrocknet.
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Das
aminosilylierte Substrat wird in die Lösung eingetaucht (in Kontakt
gebracht), die das Aziridin oder Aziridin-Derivat, den Säurekatalysator
und das Lösemittel
enthält.
Wie oben beschrieben wird die Lösung
vorzugsweise am Rückfluss
in einer Inertgasatmosphäre
erhitzt. Eine geeignete Reaktionstemperatur für die Reaktion zwischen der
aminosilylierten Oberfläche
und der Aziridin-Verbindung
liegt vorzugsweise zwischen 40°C
und 100°C.
Das Aziridin oder die Aziridin-Derivate verdampfen über 100°C und vermindern
daher die Effizienz der Reaktion. Die Reaktivität der Komponenten verringert
sich gleichfalls unter 40°C.
Säurekatalysatoren,
die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, schließen Essigsäure, p-Toluolsulfonsäure und
dergleichen ein. Lösemittel,
die in der vorliegenden Erfindung verwendet wer den, sind organische
Lösungsmittel
wie Dichlormethan, Toluol, Acetonitril und dergleichen. Anschließend wird
das hergestellte Substrat sorgfältig
mit dem geeigneten organischen Lösemittel
gewaschen.
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Wird
ein geschütztes
Aziridin verwendet, sollte der Umsetzung des aminosilylierten Substrates
mit dem geschützten
Aziridin ein Entschützungsschritt
folgen, um die Schutzgruppe von der Oberfläche des Substrates zu entfernen.
Beispielsweise wenn Benzyl-1-Aziridincarboxylat (oder N-Cbz-Aziridin)
als geschütztes Aziridin
verwendet wird, wird das Substrat in reine Trifluoressigsäure eingetaucht
und zur Entschützung
bei Raumtemperatur mit Ultraschall beschallt. Anschließend wird
die Oberfläche
des Substrats mit einer reichlichen Menge eines Lösemittels,
wie Methanol, gewaschen, um verbleibende Trifluoressigsäure aus
dem vorherigen Schritt zu entfernen. Eine bestimmte Säure, wie
Trifluoressigsäure,
wässrige
Trifluoressigsäure
und Bortribromid (BBr3), können für die Entschützung verwendet
werden, das beste Ergebnis wird mit reiner Trifluoressigsäure erzielt
(keine andere generische Säure
wirkt wie diese).
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In
dieser Erfindung werden Substrate erhalten, welche molekulare Schichten
der Strukturen haben, wie diese in 1 und 2 gezeigt
sind. Unter Bezugnahme auf 1 geschieht
eine Ring öffnende
Polymerisation unter Bildung eines hyperverzweigten Polymers auf
dem aminosilylierten Substrat unter Verwendung von Aziridin. Die
Polymerisation kann entweder zu einer linearen Kette oder einer
verzweigten Kette führen,
abhängig
davon, ob das primäre
Amin zu einem sekundären
oder tertiären
Amin während
der Reaktion mit Aziridin umgewandelt wird. Im letzteren Fall tritt
die Verzweigung auf, wenn das Stickstoffatom der Aminosilanverbindung
oder des umgesetzten. Aziridins mit mehr als einem Aziridin unter
Bildung eines hyperverzweigten Polyethylenimins an der Oberfläche reagiert.
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Ein
sicherer Weg um zu beurteilen, ob eine Verzweigung aufgetreten ist,
ist es, die Oberflächendichte der
Endgruppen (d.h. des primären
Amins) zu bestimmen. Die Absorption bei 284 nm gehört zum 4-Nitrobenzaldimin
und tritt auf, wenn das primäre
Amin in ein Imin unter Verwendung von 4-Nitrobenzaldehyd umgewandelt
wird, wie beschrieben in Moon et al., Langmuir 13, 4305 (1997),
welches hiermit als Referenz eingeschlossen ist. Daher wird, wegen
der erhöhten
Anzahl von primären
Aminen nach der Polymerisation, ein starker Anstieg der Absorption
erwartet. Die absolute Dichte der primären Amingruppe wird ebenso
bestimmt, und zwar durch die Hydrolisierung von Imingruppen mit
einer bekannten Menge Wasser wie beschrieben in Moon et al.
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Vor
der Behandlung mit Aziridin oder den Aziridin-Derivaten hat die Oberfläche der
aminosilylierten Substrate eine vergleichsweise flache Struktur
mit einer konstanten Höhe
und Dichte. Jedoch ist das Wachstum der Verzweigung üblicherweise
begleitet von der Bildung einer rauen Oberfläche wegen der Bildung von unterschiedlichen
Polymerkettenlängen,
was vermutlich durch die zufällige
Reaktion von Aziridin mit anderen Aziridin-Molekülen verursacht wird. Die Verzweigung
stellt somit eine höhere
Oberflächendichte
der primären Amine
her, als diese mit einer Population von gleichmäßigen Längen erzeugt werden könnte.
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Um
eine besser definierte (d.h. glattere) Oberflächenpolymerschicht an der Oberfläche des
Substrats zu erzeugen, wird eine schrittweise Polymerisation verwendet.
Unter Bezugnahme auf 2 werden primäre Amine
an der Oberfläche
eines aminosilylierten Substrates mit N-Cbz-Aziridin umgesetzt, wobei nur modifizierte
Amine an der äußersten
Oberfläche
des Substrats mit ähnlichen
Polymerkettenlängen
resultieren. Dies vermeidet die Bildung irregulärer Polymerkettenlängen, welches
zu einer raueren Polymeroberfläche
führt (d.h. eine
stärker
uneben ausgeprägte
Oberflächenmorphologie).
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In
einer weiteren Ausführungsform
dieser Erfindung wird ein fester Träger mit einer großen Dichte
an primären
Aminen zur Verfügung
gestellt. Eine absolute Oberflächendichte
der primären
Amine von wenigstens mehr als 3,5 Aminen/nm2 ist
bevorzugt. Eine Oberflächendichte
von wenigstens 10 Aminen/nm2 mit wenigstens
48 Aminen/nm2 oder mehr ist ebenfalls erhältlich.
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Feste
Träger
mit einer hohen Oberflächendichte
an primären
Aminen gemäß dieser
Erfindung sind äußerst nützlich in
der Entwicklung von DNA-Chips (Arrays) oder verschiedenen anderen
Arten von Bio-Chips. Genauer gesagt können im Falle von DNA-Chips
Hydrogele oder Polymere, welche ein Oligonucleotid sowie -N=C=O-Gruppen,
die für
die chemische Bindung mit einem primären Amin verfügbar sind,
stabiler an der Oberfläche
von polymerisierten aminosilylierten festen Trägern gemäß der Erfindung befestigt werden,
da wegen der hohen Dichte der primären Amine mehrere Stellen für die Befestigung
vorgesehen sind. Ebenso im Falle von Bio-Chips, welche ein Enzym
oder andere Biomoleküle
verwenden, kann das Host-Makromolekül stabiler an der polymerisierten
Oberfläche
auf der oberen Seite des festen Trägers befestigt werden. Daher verbessert
diese Erfindung die Stabilität
von Bio-Chips und verbessert die Herstellung und die Handhabungsverfahren.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun im Detail näher unter Bezugnahme auf die
folgenden Beispiele erläutert.
Man wird sehen, dass die Erfindung in verschiedenen Aspekten modifiziert
werden kann, ohne von der Erfindung selbst abzuweichen. Daher werden
die Beschreibung und die Abbildungen lediglich als erläuternd angesehen,
nicht als beschränkend.
Jedoch dienen sie zur Erläuterung
der vorliegenden Erfindung und die vorliegende Erfindung wird hierdurch
nicht beschränkt.
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Beispiele
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Beispiel 1: Aminosilylierung
und Polymerisation eines festen Trägers
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Ein
Siliziumdioxid- oder Glassubstrat wird sorgfältig gewaschen und im Vakuum
bei etwa 20 mTorr getrocknet und in eine Toluollösung, welche 10–3 M
3-Aminopropyldiethoxymethylsilan enthielt, unter Stickstoff bei
Raumtemperatur eingetaucht und inkubiert. Üblicherweise ist das Substrat
in der Form rechteckig (10 × 30 × 1,5 mm
für Quarzglas;
10 × 30 × 0,5 mm
für Silizium-Wafer;
25 × 75 × 1,0 mm
für Objektträger). Das
Quarzglas ist ein UV-durchlässiges Material,
welches aus geschmolzenem SiO2 hergestellt
ist, wo hingegen Silizium-Wafers aus reinem Silizium (Si) hergestellt
sind. Da die Oberfläche
des Letzteren eine sich natürlich
an der Luft bildende Oxydoberfläche
hat, entspricht die Oberfläche
praktisch der vom Quarzglas. Jedoch ist es nicht durchlässig für UV-vis-Licht, da das
zugrunde liegende Material, Si, das Licht absorbiert. Ein Objektträger aus Sodaglas
kann für
die Veränderungen
verwendet werden, und Objektträger
aus anderen Materialien, wie Borsilikatglas, können ebenso verwendet werden.
Wegen der einfacheren Zusammensetzung und der Gleichmäßigkeiten
der Oberflächen
werden besser zufrieden stellende Resultate mit Quarzglas und Silizium-Wafern erhalten.
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Nach
der Aminosilylierungsreaktion wird das Substrat mit Toluol gewaschen
und bei 120°C
30 Minuten lang gebacken. Das Substrat wird auf Raumtemperatur abgekühlt und
mittels Ultraschall für
3 Minuten nacheinander in Toluol, einer Mischung aus Toluol und
Methanol (Volumenverhältnis
1:1) und dann Methanol gewaschen.
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Die
aminosilylierten Siliziumsubstrate werden in Dichlormethanlösung (20
ml), welche 0,2 ml Aziridin und einen Tropfen (ca. 20 Mikroliter)
Essigsäure
enthält, eingetaucht.
Die Lösung
wird bei 80°C
am Rückfluss 24
Stunden lang unter Stickstoff erhitzt.
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Das
erhaltene Substrat wird sorgfältig
mit einer großen
Menge von Dichlormethan gewaschen und in Methanol 3 mal mit Ultraschall
gewaschen. Schließlich
wird das gewaschene Substrat im Vakuum bei Raumtemperatur getrocknet.
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Beispiel 2: Reaktion mit
geschütztem
Aziridin und Entfernung der Schutzgruppen
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Das
gleiche Verfahren wie im Beispiel 1 wurde verwendet mit der Ausnahme,
dass Toluol als Lösemittel
für die
Reaktion verwendet wurde. Zusätzlich
wurde ein geschütztes
Aziridin-Derivat, Benzyl-1-aziridincarboxylat (N-Cbz-Aziridin)anstelle
von Aziridin, für
die Behandlung der primären
Amine auf der Oberfläche
des Substrates verwendet.
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Die
N-Cbz-Gruppe wurde von der modifizierten Oberfläche mit dem folgenden Verfahren
entfernt. Das Siliziumdioxidsubstrat wurde in reine Trifluoressigsäure eingetaucht
und 20 Minuten lang bei Raumtemperatur ultrabeschallt. Anschließend wurde
das Substrat mit einer großen
Menge Methanol gewaschen und in Methanol dreimal 10 Minuten lang
ultrabeschallt.
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Beispiel 3: Aminosilylierung
einer Oberfläche
auf einem Siliziumdioxidsubstrat unter Verwendung von 3-Aminopropyldimethylethoxysilan
für eine
geringere anfängliche
Dichte der primären
Aminogruppen auf dem Substrat
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Die
primären
Amine auf der Oberfläche
eines Siliziumdioxidsubstrats und N-Cbz-Aziridin wurden nach der
gleichen Methode wie im Beispiel 1 umgesetzt, mit der Ausnahme,
dass 3-Aminopropyldimethylethoxysilan anstelle von 3-Aminopropyldiethoxymethylsilan
für den
Aminosilylierungsschritt verwendet wurde, um eine geringere an fängliche
Dichte an primären
Amingruppen auf der Oberfläche
des Substrates zu erzeugen.
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Beispiel 4: Bestimmung
der primären
Amingruppendichte und der Dicke der aminosilylierten Schicht vor
und nach der Polymerisation mit Aziridin
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Die
Dichte der primären
Amingruppen auf der Oberfläche
und die Dicke der aminosilylierten Schicht, die auf dem Siliziumdioxidsubstrat
im Beispiel 1 aufgebaut wurden, wurden vor der Behandlung des festen
Trägers
mit Aziridin gemessen. Die Dicke der aminosilylierten Oberfläche wurde
mit einem optischen Ellipsometer gemessen und die Oberflächendichte
der Amingruppen wurde mit der Methode bestimmt, welche von Moon et
al. entwickelt wurde. Die Dicke der aminosilylierten Schicht betrug
8 Å und
die Oberflächendichte
der funktionalen Gruppen betrug 3,5 Amine/nm2.
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Nach
der Umsetzung mit Aziridin wurde die Dicke des Films auf dem Siliziumdioxidsubstrat
erneut gemessen. Die Dicke des Films wuchs inkrementell mit der
Reaktionszeit an und erreichte 36 Å nach 24 Stunden. Daher scheint
es, dass das Wachstum einen Sättigungspunkt
erreicht, wenn die Fortsetzungsrate abnimmt. Am Sättigungspunkt
betrug die Dichte der primären
Amingruppen 66 Amine/nm2. Nach diesem Punkt
war die Dichte der primären
Amingruppen konstant.
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Beispiel 5: Bestimmung
der primären
Amindichte und der Dicke eines Films auf dem hyperverzweigten Polymer
an der Oberfläche
eines festen Trägers
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Erfindungsgemäß verläuft die
Reaktion zwischen Aziridin und dem aminosilylierten Substrat über eine Ring öffnende
Polymerisation unter Bildung eines hyperverzweigten Polymers, d.h.
Poly(ethylenimin) auf dem festen Träger (1). Die
Polymerisation kann entweder zu einer linearen Kette oder zu einer
verzweigten führen,
in Abhängigkeit
davon, ob die primären
Amingruppen während
der Reaktion mit Aziridin in sekundäre oder tertiäre Amine
umgewandelt werden.
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Ein
verlässlicher
Weg um zum beurteilen, ob eine Verzweigung auftritt, ist die Berechnung
der Oberflächendichte
der Endgruppen, d.h. der primären
Amine. Die Absorption bei 284 nm, die zum 4-Nitrobenzaldimin gehört, tritt
auf, wenn das primäre
Amin in ein Imin umgewandelt wird. Durch Vergleich der Absorption
vor und nach der Ring öffnenden
Polymerisation wurde eine relative Abschätzung der Oberflächendichte
für das Siliziumdioxidsubstrat
gemäß Beispiel
1 in Anlehnung an das Verfahren in Moon et al., Langmuir 13, 4305 (1997),
bestimmt. Wie in 3 gezeigt, ist im Falle von
Beispiel 1 wegen der erhöhten
Anzahl von primären Aminen
nach der Polymerisation die Absorption bei 284 nm deutlich höher.
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Die
absolute Dichte der Amingruppen wurde auch durch Hydrolyse des Imins
mit einer bekannten Menge Wasser gemäß dem Verfahren von Moon et
al. bestimmt. Es wurde gefunden, dass die absolute Dichte der primären Amine
sich dramatisch von 3,5 Aminen/nm2 auf 66
Amine/nm2 innerhalb von 24 Stunden, wie
in Tabelle 1 gezeigt, erhöhte.
Diese Beobachtung zeigt klar, dass Verzweigung anhielt; sonst wäre eine
konstante Oberflächendichte,
unabhängig
von dem Kettenwachstum, erhalten worden. Es ist erwähnenswert,
dass sich die Dichte nach 24 Stunden nicht mehr erhöhte. Berücksichtigt
man das langsame aber stetige Ansteigen der Dicke nach 24 Stunden,
so bleibt die Verzweigung zu einem bestimmten Zeitpunkt konstant.
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Tatsächlich scheint
das Wachstum, welches das Verzweigen begleitet, in Lösung nach
2 bis 3 Zyklen zu stoppen, welches der sterischen Hinderung zugeschrieben
wird. Daher sollte das Ansteigen der Oberflächendichte wegen der räumlichen
Begrenzung weniger als 16-fach (24) bezogen
auf die Verzweigung sein. Der beobachtete höhere Anstieg der Dichte (etwa
19-fach) zeigt an, dass die Länge
der Polymerketten variiert. Polymerketten, die ungleichmäßig in Bezug
auf ihre Länge
sind, ergeben eine rauere Oberfläche
(d.h. eine stärker
unebene Oberflächenmorphologie)
und bewirken eine höhere
Oberflächendichte
der primären
Amingruppen, als diese mit einer Population aus ähnlich langen Polymerketten.
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Beispiel 6: Bestimmung
der Oberflächendichte
der primären
Amine und der Dicke eines Polymerfilms, gebildet auf der Oberfläche mit
einer geringeren Dichte an primären
Aminen
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Die
gleiche ring öffnende
Polymerisationsreaktion wie in den Beispielen 1 und 2 wurde auf
Siliziumdioxidsubstraten angewendet, welche zuvor mit (3-Aminopropyl)dimethylethoxysilan
aminosilyliert wurden, um eine absolute Oberflächendichte an primären Aminen
von 1,5 Aminen/nm2 zu erhalten. Die Dichte
von 1,5 Aminen/nm2 wird als die geringe
Oberflächendichte
in Bezug zu der des Substrates aus (3-Aminopropyl)diethoxymethylsilan
angesehen. Die Dicke des Films, wie sie mit dem Verfahren nach Moon
et al. bestimmt wurde, stieg von 4 auf 18 Å während der Reaktion innerhalb
von 24 Stunden an. Ebenso stieg die absolute Oberflächendichte
der primären
Amingruppen auf 48 Amine/nm2 an. Es scheint,
dass die Oberflächen dichte
diejenige erreicht, die entweder im Beispiel 1 oder 2 erzielt wurden,
unabhängig
von der anfänglichen
geringen Dichte. Dieses Phänomen
zeigt, dass die endgültige
Oberflächendichte
hauptsächlich
durch das Molekularvolumen kontrolliert wird, welches durch die
Van-der-Waals-Radien
bestimmt ist.
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Beispiel 7: Bestimmung
des schrittweisen Wachstums des Polymers unter Verwendung geschützter Aziridine
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Das
aminosilylierte Substrat nach Beispiel 2 vor und nach der Polymerisation
mit N-Cbz-Aziridin wurde gemäß dem Verfahren
von Moon et al. untersucht. Die aminosilylierte Schicht (8 Å, 3,5 Amine/nm2), welche mit (3-Aminopropyl)diethoxymethylsilan gebildet
wurde, wurde mit N-Cbz-Aziridin in am Rückfluss siedendem Toluol umgesetzt.
Um die Reaktion abzuschließen,
wurde ein Lösemittel
mit einem höheren
Siedepunkt, Toluol, gewählt.
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Nach
der Reaktion wurde die Oberflächendichte
der primären
Amingruppen des polymerisierten Substrats nach Beispiel 2 gemessen,
und zwar durch Derivatisierung der intakten primären Amingruppen mit 4-Nitrobenzaldehyd,
Hydrolyse der so gebildeten Amine durch Eintauchen des derivatisierten
Substrats in einer bekannten Menge Wasser und anschließende Messung
der Absorption bei 284 nm.
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Wie
bereits vorweggenommen, wurden die primären Amingruppen wegen des Fehlens
der Absorption bei 284 nm nicht nachgewiesen. In anderen Worten,
alle primären
Amine wurden an N-Cbz-Aziridin gebunden, womit nur modifizierte
Amine an der äußersten
Oberfläche
des Films ( 2) zur Verfügung gestellt wurden. Die polymerisierten
aminosilylierten Substrate nach Beispiel 2 zeigten einen erweiterten
Kontaktwinkel von 70°,
welcher die hydrophobe Natur der modifizierten Oberfläche widerspiegelt.
Ebenso verringerte sich die Dicke des Films von 16 Å auf 8 Å, welches
dem berechneten wert entspricht. Nach der Ent schützung in Trifluoressigsäure, kehrte
der Kontaktwinkel des Wassers zu dem Wert der aminosilylierten Schicht
(60°) zurück und die
Dicke reduzierte sich auf 12 Å.
Die physikalischen Eigenschaften der Oberfläche zeigen an, dass die Entschützung ebenso
erfolgreich ist, wie in der flüssigen
Phase. Es ist lohnend, zu erwähnen,
dass die absolute Dichte der primären Amingruppen (3,5 Amine/nm2) insgesamt nicht anstieg. Die verlängerte Reaktionszeit
vergrößerte nicht
die Dichte an der entstandenen Oberfläche. Nach der anschließenden Reaktion
mit N-Cbz-Aziridin wurde beobachtet, dass sich die Dicke der Schicht
erneut erhöhte.
Nach dem ersten vollen Zyklus stieg die Dicke auf 12 Å an und
nach dem zweiten vollen Zyklus stieg sie auf 18 Å an. Das heißt, dass
die Dicke um jeweils 6 Å nach
jedem vollen Zyklus anstieg. Es wird angenommen, dass die sterische
Beanspruchung der Schutzgruppen die molekularen Ketten von der Verzweigung
abhalten (das heißt,
sie verhindern die Umwandlung der primären Amine in tertiäre Amine).
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Beispiel 8: Bestimmung
der Oberflächenmorphologie
in einem polymerisierten festen Träger unter Verwendung von AFM
(Rasterkraftmikroskopie)
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Die
Oberflächenstruktur
eines Siliziumdioxidsubstrates, welches Poly(ethylenimin) aufweist,
welches durch die Ring öffnende
Polymerisationsreaktion zwischen aminosilyliertem Substrat und Aziridin
in Übereinstimmung
mit Beispiel 1 hergestellt wurde, wurde mittels AFM (Rasterkraftmikroskopie
(2 μm × 2 μm)) untersucht.
Die Höhendifferenz
in der teilweisen Überschneidung
der Oberflächen
von aminosilyliertem (nicht polymerisiertem) Substrat betrug 4,61
nm (4a) und die des polymerisierten
Substrates betrug 6,23 nm (4). Ebenso
betrug die mittlere Höhendifferenz
in der Oberfläche
des polymerisierten Substrates 11,5 nm und die des aminosilylierten
Substrates 9,89 nm. Die Daten zeigen, dass die Oberfläche des polymerisierten
Substrates etwas rauer ist, als die Oberfläche des aminosilylierten Substrates.
Jedoch ist der Unterschied in der mittleren Höhendifferenz nicht signifikant
und beide Oberflächenstrukturen
zeigen die glatte und ähnliche
Morphologie in den Bildern aus der Rasterkraftmikroskopie (AFM)
(4). AFM ist derzeit ein analytisches Instrument, welches
weltweit vielfältig
wegen der hervorragenden Auflösung
verwendet wird. Es wird kein Probenaufbereitungsschritt zur Aufnahme
von Bildern benö tigt.
Proben von angemessener Größe (ca.
2–3 cm
in der Länge) können direkt
untersucht werden.
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Nachdem
die vorliegende Erfindung im Detail unter Bezugnahme auf die bevorzugten
Ausführungsformen
be schrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedene
Modifikationen und Ersetzungen gemacht werden können, ohne vom Sinn der vorliegenden
Erfindung abzuweichen, wie diese in den angehängten Ansprüchen gegeben ist.
zu verwenden.
