DE60211685T2

DE60211685T2 - Verfahren zur Bindung hydophiler Substanzen an hydrophile Makromoleküle und Immobilisierung derselben auf hydrophoben Oberflächen

Info

Publication number: DE60211685T2
Application number: DE60211685T
Authority: DE
Inventors: c/oAdv. Techn. Center Stuttgart Oliver Harnack; c/oAdv. Techn. Center Stuttgart William E. Ford; c/oAdv. Techn. Center Stuttgart Jurina Wessels; c/oAdv. Techn. Center Stuttgart Akio Yasuda
Original assignee: Sony Deutschland GmbH
Current assignee: Sony Deutschland GmbH
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2022-08-03
Also published as: EP1387169A1; EP1387169B1; US7785901B2; US20040023287A1; DE60211685D1; JP4671215B2; JP2004068020A

Description

Mit dem Aufkommen von Nanotechnologie ist das Anhängen und die Anordnung von Molekülen/Makromolekülen in einem vorbestimmten Muster zum Zentrum und Gegenstand intensiver Forschung geworden. In diesem Hinblick sind Makromoleküle, wie etwa Nukleinsäuren und Proteine, hinsichtlich ihres Verhaltens in Lösung und bei Anhängung an Oberflächen studiert worden (Y. Xia et al., Chemical Reviews 99 (1999) 1823–1848). Einhergehend mit einem kontinuierlichen Bestreben zur Miniaturisierung gibt es einen wachsenden Bedarf für die Entwicklung von Techniken, die das Zusammenbauen von Vorrichtungen ermöglichen, basierend auf einzelnen Molekülen. Zu diesem Zweck sind Nukleinsäuren sowohl an hydrophilen als auch hydrophoben Substratmaterialien immobilisiert worden. Über die Immobilisierung von DNA auf hydrophilen Oberflächen wurde auf Plasma-behandeltem Siliciumdioxid (O. Harnack, W.E. Ford, J.M. Wessels, Europäische Patentveröffentlichung Nr. 1 207 207 A1), Amino-Silan-behandelten Oberflächen (J.-F. Allemand et al., Biophysical Journal 73 (1997) 2064–2070), Glimmer-Oberflächen und anderen berichtet worden. WO 95/15970 beschreibt ein Verfahren zur Immobilisierung von Nukleinsäuremolekülen auf Polystyrol-Oberflächen, die durch die Zugaben von geeigneten chemischen Funktionalitäten hydrophil gemacht worden sind.
Über die Immobilisierung von Nukleinsäuren auf hydrophoben Oberflächen ist für verschiedene Polymeroberflächen berichtet worden, wie etwa Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol und anderen (J.-F. Allemand et al., Bbiophysical Journal 73 (1997) 2064–2070). Klein et al. berichteten über die Anhängung von DNA auf lithographisch gemusterten hydrophoben Polystyrollinien (D.C. G. Klein et al., Appl. Phys. Lett., 78, 16(2001)2396–2398). Jüngst berichteten Nakao et al über die erfolgreiche DNA-Immobilisierung auf Polyvinylbutyral-, Poly(vinylcarbazol)- und Polyphenazasilin-beschichteten Oberflächen (H. Nakao et al., Nano-Letters 2 (2002) 475–479). US 5,747,244 beschreibt die Immobilisierung von Nukleinsäuresonden auf Polystyrol-Oberflächen, die mit einem Polypeptid vorbehandelt worden sind, das eine Vielzahl von reaktiven primären Aminogruppen und/oder Sulfhydryl- oder Carboxylatgruppen hat, die eine kovalente Bindung der Nukleinsäure an das Polypeptid ermöglichen, das an die Oberfläche adsorbiert ist.
WO 02/46760 offenbart ein Verfahren zum Immobilisieren von Molekülen oder Partikeln auf der Oberfläche eines hydrophoben polymeren Materials, wobei die Immobilisierung durch eine Mucin-Schicht vermittelt wird, die an die Oberfläche adsorbiert ist. Die durch die Mucin-Schicht ermöglichte Immobilisierung kann auf adsorptiven oder kovalenten Mechanismen beruhen. WO 02/46760 berichtet nirgendwo über hydrophile Spezies, umfassend Nanopartikel.
Die Fertigung von Nano-Vorrichtungen erfordert nicht nur die spezifische Anordnung von Molekülen/Makromolekülen, sondern möglicherweise ebenfalls die Dekorierung der angeordneten Moleküle/Makromoleküle durch geeignete Spezies, wie etwa Metall-Nanopartikel, die den molekularen Anordnungen spezifische Eigenschaften verleihen. Durch eine Metallisierung, z.B. von linearen Molekülanordnungen, können leitfähige Nanodrähte hergestellt werden. Bislang wurde über eine Metallisierung von Nukleinsäuren nur für DNA auf hydrophilen Oberflächen (Plasma-behandelten SiO₂-Oberflächen, silanisierten Oberflächen) berichtet. Zum Beispiel berichten Braun et al. über die Ag-Metallisierung von DNA auf SiO₂ (E. Braun et al., Nature 1998, 391,775). Darüberhinaus ist DNA, die auf SiO₂ immobilisiert war, mit Pt metallisiert worden (J. Richter et al., Appl. Phys. Lett. 2001, 78,536), und Ford et al. (Adv. Mater. 2001, 13, 1793) berichten über die Pt-Metallisierung Pt von DNA, die auf Sauerstoffplasma-behandeltem SiO₂ immobilisiert war. In vielen Anwendungen ist es jedoch wünschenswert, eine hydrophobe Oberfläche als das Substrat zu haben, auf dem alle weiteren Reaktionen durchgeführt werden. Keines der oben zitierten Dokumente nach dem Stand der Technik bietet jedoch eine Lehre darüber, wie die obigen Reaktionen, wie Immobilisierung und Dekorierung mit Spezies, auf hydrophoben Oberflächen durchgeführt werden sollen. Darüberhinaus erfordern die im Stand der Technik bezüglich hydrophiler Oberflächenbeschriebenen Verfahren lange Reaktions- und Verarbeitungszeiten. Zusätzlich haben die bislang gemäß dem Stand der Technik produzierten Nanovorrichtungen keine zufriedenstellenden Ergebnisse im Hinblick auf die Dimensionen der so hergestellten Vorrichtungen (Elongation von Nanodrähten etc.) und die Anwesenheit oder eher Abwesenheit von Defekten geliefert.
Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung gewesen, ein Verfahren zum Herstellen von Nanovorrichtungen bereitzustellen, das weniger Zeit benötigt und perfektere Nanovorrichtungen liefert. Darüberhinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, durch das der Anhängungsprozeß der Spezies an die Makromoleküle die Immobilisierung der Makromoleküle auf der Oberfläche nicht stört. Darüberhinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung gewesen, ein Verfahren bereitzustellen, das eine spezifische Dekorierung der Makromoleküle mit Spezies ermöglicht und die nicht-selektive Bindung der Spezies and die Oberfläche vermeidet.
Es wird ein Verfahren zum Anhängen von hydrophilen Spezies an hydrophile Makromoleküle und zum Immobilisieren der hydrophilen Makromoleküle auf eine hydrophobe Oberfläche offenbart, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

– Aussetzen der hydrophilen Makromoleküle gegenüber hydrophilen Spezies, wodurch die hydrophilen Spezies an die hydrophilen Makromoleküle angehängt werden,
– Bereitstellen einer hydrophoben Oberfläche,
– Immobilisieren der hydrophilen Makromoleküle auf der hydrophoben Oberfläche.

Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst durch ein Verfahren zum Anhängen von hydrophilen Spezies an hydrophile Makromoleküle, die auf einer hydrophoben Oberfläche immobilisiert sind, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

– Bereitstellen einer hydrophoben Oberfläche,
– Immobilisieren von hydrophilen Makromolekülen auf der hydrophoben Oberfläche durch Aufbringen besagter hydrophiler Makromoleküle auf besagte hydrophobe Oberfläche,
– Aussetzen der hydrophilen Makromoleküle, die auf der hydrophoben Oberfläche immobilisiert sind, gegenüber hydrophilen Spezies, wodurch die hydrophilen Spezies an die hydrophilen Makromoleküle angehängt werden, wobei die hydrophilen Spezies in Lösung sind und Nanopartikel umfassen.

Bevorzugt umfaßt das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung den zusätzlichen Schritt:

– Wachsenlassen der angehängten hydrophilen Spezies auf eine größere Größe, wobei, bevorzugter, das Wachsenlassen der angehängten hydrophilen Spezies auf eine größere Größe erzielt wird durch Aussetzen der angehängten hydrophilen Spezies gegenüber einer stromlosen Abscheidungslösung („electroless plating solution").

In einer Ausführungsform findet das Immobilisieren der hydrophilen Makromoleküle auf der hydrophoben Oberfläche durch Auftragen der hydrophilen Makromoleküle auf die hydrophobe Oberfläche statt.
In einer Ausführungsform findet das Auftragen der hydrophilen Makromoleküle auf die hydrophobe Oberfläche mittels einer Prozesses statt, ausgewählt aus Spin-Coating, Dip-Coating, Drop-Casting, Stempeln, molekulares Kämmen („molecular combing"), Sprühtechniken, Tintenstrahldrucken und Doktor-Blading.
In einer Ausführungsform findet das Aussetzen der hydrophilen Makromoleküle gegenüber hydrophilen Spezies, wodurch die hydrophilen Spezies an die hydrophilen Makromoleküle angehängt werden, über eine Zeitperiode zwischen 1 Sekunde und 120 Minuten statt, wobei, bevorzugt, das Aussetzen der hydrophilen Makromoleküle gegenüber hydrophilen Spezies über eine Zeitperiode zwischen 10 Sekunden und 10 Minuten stattfindet.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Lösung eine Lösung der hydrophilen Spezies in Wasser oder der hydrophilen Spezies in einem Wasser-mischbaren organischen Lösungsmittel/Wasser-Gemisch, wobei, bevorzugt, das Wasser-mischbare organische Lösungsmittel ein Alkohol ist, bevorzugter Methanol oder Ethanol oder eine Kombination von beiden.
Bevorzugt hat Wasser auf der hydrophoben Oberfläche einen Kontaktwinkel im Bereich von 30° bis 110°.
Bevorzugter hat Wasser einen Kontaktwinkel auf der hydrophoben Oberfläche im Bereich von 60° bis 110°.
Kontaktwinkel können mit jedem Kontaktwinkel-Goniometer nach dem Stand der Technik gemessen werden. In einer bevorzugten Ausführungsform werden sie mit einem Goniometer von Rame-Hart, Inc., US, gemessen, bevorzugter dem Modell 100-00-(115/220)-S.
In einer Ausführungsform ist die hydrophile Spezies ausgewählt aus der Gruppe, umfassend wasserlösliche Metall-Nanopartikel, Halbleiter-Nanopartikel und dielektrische (Isolator)-Nanopartikel, hydrophile Cluster und metallische Komplexe.
In einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung hat das Nanopartikel einen Kern und umfaßt ein Metall oder Metalloxid im Kern, wobei das Metall ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Ag, Pt, Au oder Kombinationen, insbesondere Legierungen dieser Metalle.
In einer Ausführungsform sind die hydrophilen Makromoleküle ausgewählt aus der Gruppe, umfassend Nukleinsäuren, Proteine, Dendrimere, Latex-Sphären, Polyelektrolyte und wasserlösliche Polymere.
Bevorzugt ist die Nukleinsäure ausgewählt aus der Gruppe, umfassend DNA, RNA, PNA, CNA, Oligonukleotide, Oligonukleotide von RNA, A-DNA, B-DNA, Z-DNA, Polynukleotide von DNA, Polynukleotide von RNA, T-Junctions von Nukleinsäuren, Triplexe von Nukleinsäuren, Quadruplexe von Nukleinsäuren, Domänen von Nicht-Nukleinsäure-Polymer-Nukleinsäure-Block-Copolymeren und Kombinationen davon.
Bevorzugter ist die Nukleinsäure doppelsträngig oder einzelsträngig.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die hydrophile Spezies ausgewählt aus der Gruppe, umfassend Tris(hydroxymethyl)phosphin-gold-Nanopartikel (THPAuNPs).
Bevorzugt umfaßt die stromlose Abscheidungslösung ein Goldsalz und ein Reduktionsmittel.
Ebenso wird eine Nano-Anordnung offenbart, umfassend

– eine hydrophobe Oberfläche
– hydrophile Makromoleküle, die auf der hydrophoben Oberfläche immobilisiert sind,
– eine hydrophile Spezies, angehängt an die hydrophilen Makromoleküle.

Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden weiterhin durch eine Nano-Anordnung gelöst, die mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird.
Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden weiterhin durch einen Nukleinsäure- und/oder Protein-Draht gelöst, der gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung herstellbar ist, mit einem mittleren Durchmesser von zwischen 2 nm–500 nm, und vollständig dekoriert mit hydrophilen Spezies ist, wobei besagter Nukleinsäure- und/oder Proteindraht auf einer hydrophoben Oberfläche immobilisiert ist. Bevorzugt ist der mittlere Durchmesser im Bereich von 5 nm–200 nm.
Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden weiterhin durch die Verwendung einer Nano-Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung als ein nanoskaliertes Element („nanoscale element") in einer Vorrichtung gelöst, wobei bevorzugt die Funktion des nanoskalierten Elements ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Verbindung („interconnect"), Sensor, optischer Absorber, Stellglied („actuator"), Umwandler („transducer") und Speicher.
Wie hierin verwendet soll der Begriff „Dekorierung von Makromolekülen durch oder mit geeigneten Spezies" in seiner Bedeutung mit „Anhängen von geeigneten Spezies an Makromoleküle" austauschbar verstanden werden. Es sollte darüberhinaus klar sein, daß, obwohl das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung so vorgestellt wird, daß es die vorerwähnten drei Schritte umfaßt, keine spezifische Abfolge vorgesehen ist, d.h. die drei Schritte können in jeglicher Reihenfolge durchgeführt werden, mit der Beschränkung, daß der Schritt der Bereitstellung einer hydrophoben Oberfläche immer dem Schritt der Immobilisierung der hydrophilen Makromoleküle auf der hydrophoben Oberfläche vorangeht.
Unter Verwendung des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung widerstehen die immobilisierten Makromoleküle überraschenderweise dem Anhängungsschritt der hydrophilen Spezies, und die Dichte der nicht-selektiv gebundenen Spezies an die hydrophobe Oberfläche kann reduziert werden, ohne den Grad der Dekorierung von immobilisierten Makromolekülen mit hydrophilen Spezies zu verringern (d.h. der Anhängungsschritt ist hochspezifisch). Darüberhinaus kann die Dauer des Anhängungsschrittes auf nur einige wenige Minuten reduziert werden, was ein signifikanter Vorteil gegenüber den Ansätzen zur Anhängung auf hydrophilen Oberflächen nach dem Stand der Technik ist. Zum Beispiel kann eine vollständige Metallisierung von DNA-Molekülen mit dem erfinderischen Verfahren unter Verwendung von einem kurzen Anhängungsschritt von weniger als 5 Minuten plus der Zeit für einen stromlosen Abscheidungsschritt erzielt werden. Ein weiterer Vorteil des Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist z.B. eine höhere Menge an elongierten Drähten mit weniger Defekten im Vergleich mit den Anordnungen nach dem Stand der Technik.
Statistisch ermöglicht das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung die Herstellung von signifikant längeren Drähten, deren mittlerer Durchmesser über einen weiteren Bereich vari iert werden kann und die weniger Defekte im Vergleich mit den Verfahren nach dem Stand der Technik haben. Darüberhinaus erlaubt die Verwendung eines hydrophoben Substrats gemäß der vorliegenden Erfindung die Erzielung einer DNA-Metallisierung unter Verwendung von wäßrigen THPAuNP-Stammlösungen, während schlechte Resultate erzielt werden, wenn hydrophile Substrate verwendet werden. Dies schließt einen höheren Grad der Reproduzierbarkeit ein.
Es wird jetzt auf die Figuren Bezug genommen, bei denen
1 ein AFM-Bild einer metallisierten DNA-Leiter auf Polystyrol gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 zeigt ein SEM-Bild einer DNA-auf-Polystyrol-Probe, behandelt gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt ein SEM-Bild einer DNA-auf-Polystyrol-Probe, behandelt gemäß einer Ausführungsform der Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt eine SEM-Inlens-Bild eines DNA-Draht-Abschnitts, behandelt gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt ein SEM-SE2-Bild eines DNA-Draht-Abschnitts, behandelt gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt ein SEM-Bild einer DNA-auf-Polystyrol-Probe, behandelt gemäß einer Ausführungform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer 100-fach-verdünnten Nanopartikel NP-Lösung.
7a zeigt ein SEM-Bild von metallisierten DNA-Drähten auf Polystyrol (behandelt gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung). Metallische Aggregationen sind zwischen den DNA-Molekülen eingebettet.
7b zeigt ein SEM-Bild von metallisierten DNA-Drähten auf Polystyrol (behandelt gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung) bei höherer Vergrößerung als für 7a. Metallische Aggregationen sind zwischen den DNA-Molekülen eingebettet.
8a zeigt ein SEM-Bild von THPAuNPs auf Elektronenstrahl-bestrahlten Gebieten.
8b: SEM-Bild von THPAuNPs auf Elektronenstrahl-bestrahlten Gebieten in höherer Vergrößerung als für 8a.
Ohne durch irgendeine Theorie gebunden sein zu wollen, wird vorgeschlagen, daß der Mechanismus hinter der verstärkten „Bindung" von wasserlöslichen NPs an DNA auf hydrophoben Polymeroberflächen durch die Tendenz der Partikel angetrieben sein könnte, sich mit hydrophilen Gebieten auf der hydrophoben Substratoberfläche zu verbinden. Die immobilisierten DNA-Moleküle stellen solche hydrophilen Gebiete dar. Dies führt zu einer Antriebskraft, die die Selbstorganisation/Selbst-Anordnung der Nanopartikel entlang des DNA-Moleküls unterstützt. Wir schließen nicht die Möglichkeit von zusätzlichen Bindungsmechanismen aus, die am Ende zu dem Anhängen von NPs an die DNA beitragen.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, daß die Anwesenheit eines Wasser-mischbaren organischen Lösungsmittels, insbesondere eines Alkohols, die Reproduzierbarkeit und die Ausbeute des Metallisierungsprozesses verbessert. Ein Grund könnte sein, daß die niedrigere dielektrische Konstante eines wasser-mischbaren organischen Lösungsmittel/Wasser-Gemischs im Vergleich mit reinem Wasser die elektrostatische Abstoßung der negativ geladenen THPAuNPs verringert (vergl. S.L. Westcott et al., Langmuir 1998, 14, 5396). Ebenso könnte die Tendenz der Partikel, sich in die Hydratisierungshülle, die die DNA umgibt, aufzulösen, durch die Zugabe eines nicht-polaren Lösungsmittels zu dem NP/Wassergemisch verstärkt werden.
Eine weitere Beobachtung bei den SEM-Bildern kann die Idee der Antriebskräfte unterstützen, die durch die hydrophilen-hydrophoben-Wechselwirkungen verursacht werden. 7 zeigt ein Netzwerk von DNA-Molekülen, die durch Durchführung von Schritt 1, 2, 3, 4b, und 5 metallisiert wurden. Die DNA-Moleküle scheinen Gebiete zu überspannen, wo NPs in der Form von dünnen Filmen gesammelt wurden. DNA-Moleküle umgeben solche Gebiete, und dies führt zu der Schlußfolgerung, daß Wasser auf solchen Gebieten stabilisiert worden sein könnte. Dies würde zu der beobachteten Aggregation von leitfähigen Material auf der Oberfläche zwischen DNA-Molekülen führen.
Die THPAuNPs, die in einer Beispielprozedur verwendet wurden, zeigten eine verringerte Affinität gegenüber hydrophoben Oberflächen ebenso in einem verschiedenen Typ unseres Experiments: SiO₂/Si-Oberflächen wurden unter Verwendung des Elektronstrahls eines SEM bestrahlt. Es ist bekannt, daß eine hydrophobe Oberflächenschicht von amorphem Kohlenstoff bei hohen Elektronendosen aufgrund der Zersetzung von Kohlenwasserstoffbestandteilen von dem Vakuumhintergrund gebildet werden kann. In den unten beschriebenen Experimenten wurden solche Elektronenstrahl-bestrahlten Gebiete mit den wasserlöslichen Gold-NPs gemäß Schritt 4a/b und 5 (für Einzelheiten siehe Beispiel 1) behandelt, und es wurden weniger Partikel auf den zuvor bestrahlten (jetzt hydrophoben) Gebieten gefunden (8), was die verstärkte Spezifizität der Anhängung der hydrophilen Spezies an die hydrophilen Makromoleküle, die durch die vorliegende Erfindung erzielt wird, unterstreicht.
Obwohl die folgenden Beispiele ein Szenario beschreiben, in dem hydrophile Spezies an hydrophile Makromoleküle angehängt werden, die auf einer hydrophoben Oberfläche immobilisiert sind, sollte im Prinzip ebenfalls der gegenteilige Fall der Anhängung von hydrophoben Spezies an hydrophobe Makromoleküle, die auf hydrophilen Oberflächen immobilisiert sind, ebenfalls effektiv sein. Kein spezifisches Beispiel kann jedoch für diesen Fall zu diesem Zeitpunkt gegeben werden.
Die Erfindung wird jetzt durch Bezugnahme auf die folgenden Beispiele weiter beschrieben werden, die den Umfang der Erfindung veranschaulichen, nicht jedoch beschränken sollen.
Beispiel 1
Probenzubereitung
Alle experimentellen Resultate, die in dem folgenden Abschnitt bereitgestellt werden, wurden unter Verwendung von Kalbsthymus-DNA-(ctDNA)-Molekülen, von SIGMA" oder einer DNA-Leiter (Roche Diagnostics DNA Molekulargewichtsmarker XVI, Cat. No. 1855638) erzielt. Die ctDNA wurde in Natriumphosphatpuffer (10 mM) aufgelöst, um eine optische Dichte von 1,26 bei 258 nm Wellenlänge und einer 1 cm Weglänge zu erhalten. Die DNA-Leiter besteht aus einer Mischung von 12 stumpfendingen, doppelsträngigen DNA-Fragmenten, die den Größenbereich von 250 bis 300 Basenpaaren abdecken, und wird als eine 250 μ/ml-Lösung in 10 mM Tris-HCl, 1 mM EDTA, pH 8,0, bereitgestellt. Diese Lösung wurde mit Wasser auf eine Konzentration von 0,5 μg/ml vor der Verwendung verdünnt.
In allen Fällen war das Substratmaterial SiO₂ auf Si. Auf diesen Substraten wurde der Polymerfilm gewöhnlich mittels Spin-Coating aufgetragen. Im Folgenden wird ein Tropfen von Lösung als ein Volumen von ungefähr 25 μl betrachtet.
Eine Ausführungsform des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung wird wie folgt durchgeführt:
Schritt 1
1,2 g Polystyrol (Produktnummer 44,114-7, Aldrich Inc., durchschnittliches Molekulargewicht ca. 350000), wurde in 50 ml Toluol aufgelöst.
Schritt 2
Diese Lösung wurde für 40 Sekunden bei 4000 upm auf dem Substrat mittels spin-coating, was einen dünnen Polymerfilm bildete. Ein darauffolgender Erhitzungsschritt („post-bake") zum Entfernen des Lösungsmittels wurde gewöhnlich nicht durchgeführt.
Schritt 3
Ein Tropfen von ctDNA wurde auf die Oberfläche des Polymerfilms aufgetragen. Dieser Tropfen wurde bei 3000–4000 upm für ungefähr 40 s mittels spin-coating auftragen. Danach wurde ein Tropfen Wasser aufgebracht und mittels spin-coating aufgetragen, um die Oberfläche zu waschen und jegliche Puffersalze zu entfernen.
Schritt 4
Version a), THPAuNP in reinem Wasser
Ein Tropfen von THPAuNPs in Wasser (für Syntheseeinzelheiten siehe Beispiel 2 unten) wurde auf die Probenoberfläche aufgebracht und blieb dort für wenigstens mehrere Sekunden bis zu 1 h, bevorzugt für 5 bis 10 Minuten.
Version b), THPAuNP in einem Alkohol/Wasser-Gemisch
1 ml des THPAuNP-Sol wurde mit 10 ml Ethanol verdünnt und für 2 h auf 4°C gekühlt, um die Partikel auszufällen. Die Mischung wurde bei 5000 upm für 10 Minuten zentrifugiert, und der Überstand wurde entfernt. Die ausgefällten Nanopartikel wurden in 0,05–1,0 ml Wasser wieder aufgelöst, und ein geeignetes Volumen von Methanol oder Ethanol wurde zugegeben, um ein Gesamtvolumen von 1,0 ml zu ergeben. Ein Tropfen dieser Lösung wurde auf die Probenoberfläche aufgetragen und blieb dort für wenigstens mehrere Sekunden, bevorzugt für bis zu 5 bis 10 Minuten.
Schließlich wurde die Probenoberfläche unter Verwendung von einem Tropfen Wasser gewaschen, und sie wurde darauf folgend unter Verwendung eines Stroms Druckluft getrocknet. Beide Versionen führten zu dem erwünschten Resultat der Anhängung von metallischen Nanopartikeln an die DNA. Version b) scheint jedoch reproduzierbarere Ergebnisse zu geben, aber, als ein geringfügiger Nachteil wird eine größere experimentelle Anstrengung in diesem Fall benötigt.
Schritt 5
Ein Tropfen kommerziell erhältlicher stromloser Abscheidungslösung (GoldEnhance-LM^TM, Katalog Nummer 2112, www.nanoprobes.com, Nanoprobes Inc., USA) wurde auf die Substratoberfläche für wenigstens mehrere Sekunden Minuten aufgebracht, bevorzugt für ungefähr 5 Minuten. In diesem Schritt wurden die anfänglich angehängten NPs auf eine größere Größe wachsen gelassen, um eine kontinuierliche metallische Kette zu bilden. Danach wurde die Probenoberfläche unter Verwendung von einem Tropfen Wasser gewaschen, und sie wurde dann unter Verwendung eines Stroms von Druckluft getrocknet.
Beispiel 2
Nanopartikelsynthese
Die THPAuNPs wurden gemäß der Veröffentlichung von Duff et al. synthetisiert, J. Chem. Soc., Chem. Commun. (1993) 96; Duff et al., Langmuir 9 (993) 2301; W. Vogel, Langmuir 11 (1995) 401. Ihre Standardzubereitung, die die Zugabe einer Lösung von HAuCl₄ zu einer Lösung von hydrolysiertem Tetrakis(hydroxymethyl)phosphoniumchlorid (THPC) beinhaltet, gibt ein wässriges kolloidales Sol von THPAuNPs mit einem mittleren Partikeldurchmesser von ca. 1,5 nm.
Im einzelnen wurden die folgenden Reagenzien aufeinanderfolgend zu einem Rundboden-Glaskolben mit konstantem magnetischem Rühren bei Zimmertemperatur zugegeben: 18,5 ml Wasser, 1,5 einer wässrigen 0,2 M NaOH, 0,5 ml wässrigem 0,13 M THPC und 4,5 ml wässrigem 0,011 M HAuCl₄. Die THPC- und HAuCl₄-Lösung wurden zu dem Reaktionsgefäß innerhalb von 2–10 Minuten zugegeben, nachdem sie hergestellt worden waren. Die THPAuNP-Sole wurden gekühlt in Polypropylenbehältern gelagert.
Beispiel 3
Erforschungen der Oberfläche
1 zeigt ein Atomic-Force-Mikroskopie (AFM)-Bild einer Probe, die gemäß Schritt 1, 2, 3, 4 (ohne Schritt 5) unter Verwendung der DNA-Leiter als Makromolekül behandelt wurde. Das Bild zeigt deutlich, daß NPs an die DNA-Moleküle angehängt sind. Proben, die unter Einschluß von Schritt 5 behandelt wurden, wurden gewöhnlich unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops²² (SEM) untersucht. 2 zeigt das SEM-Bild der resultierenden Probenoberfläche einer Polystyrol-Oberfläche, die unter Anwendung von Schritt 1, 2, 3, 4a, 5 verarbeitet wurde. Die NP-Lösung wurde für 10 Minuten aufgetragen, und der stromlose Abscheidungsschritt wurde für 5 Minuten durchgeführt. Das Bild zeigt eine hohe Dichte an gestreckten und metallisierten DNA-Molekülen. Die DNA-Moleküle scheinen sich hauptsächlich an die Oberfläche an ihren Enden anzuhängen.
3 zeigt ein SEM-Bild der resultierenden Polystyrol-Oberfläche, die durch Anwenden von Schritt 1, 2, 3, 4a, 5 verarbeitet wurde. In diesem Falle wurde ein 95%-Methanol/Wassergemisch für das Lösungsmittel der THPAuNPs verwendet. Die NP-Lösung wurde für 10 Minuten aufgetragen, und der stromlose Abscheidungsschritt wurde für 6 Minu ten durchgeführt. Drähte mit DNA als Matrize, die mehrere 10 µm lang und vollständig metallisiert waren, können auf diesem Bild identifiziert werden.
4 und 5 wurden von derselben Probe aufgenommen, die in 3 gezeigt ist; 4 zeigt das SEM-Bild eines Segments der metallisierten DNA, das unter Verwendung des Inlens-Detektors aufgenommen wurde. Dieser Detektor sammelt hauptsächlich die reflektierten Elektronen, die die Information hinsichtlich der Leitfähigkeit der Probenoberfläche tragen. Daher zeigen die Bilddaten an, daß der Draht ein guter elektrischer Leiter ist (hohes Detektorsignal). Zusätzlich leiten einige Teile der angehängten Zweige von NPs ebenfalls, während der Hintergrund dunkel erscheint (niedriges Detektorsignal). 5 zeigt ein SEM-Bild derselben Region, das unter Verwendung des SE2-Detektors aufgenommen wurde. Dieser Detektor sammelt die rückgestreuten Elektronen, die Daten über die Topologie der Oberfläche tragen. Dieses Bild zeigt eine hohe Dichte an überschüssigen NPs, die jedoch, gemäß 4, nicht signifikant zu der elektrischen Leitfähigkeit beitragen.
Es ergab sich, daß diese Ergebnisse viel reproduzierbarer waren als die Ergebnisse, die auf dem selben Metallisierungsansatz basierten, aber auf einem hydrophilen (Sauerstoffplasmabehandeltem) SiO₂-Substrat durchgeführt worden waren. In der Tat führte Schritt 4, Version a) zu zuverlässigen und reproduzierbaren Resultaten nur auf hydrophoben Polymeroberflächen. Dies bedeutet, daß unter Verwendung des erfinderischen Verfahrens hydrophile Spezies in zuverlässiger Weise an hydrophile Makromoleküle angehängt werden können, die auf einer hydrophoben Oberfläche immobilisiert sind. Es muß jedoch betont werden, daß im Prinzip der gegenteilige Fall des Anhängens von hydrophoben Spezies an hydrophobe Makromoleküle, die auf hydrophilen Oberflächen immobilisiert sind, ebenfalls effektiv sein sollte. Kein spezifisches Beispiel kann jedoch für diesen Fall zu diesem Zeitpunkt gegeben werden.
Beispiel 4
Allgemeine Tendenzen (Einstellung der Prozeßparameter)
Überschüssige Partikel
Eine Verringerung der Konzentration der NP/Wasser-Lösung verringerte die Dichte an überschüssigen Partikeln auf der Substratoberfläche. Wie in 6 gezeigt, war die Dichte an Eine Verringerung der Konzentration der NP/Wasser-Lösung verringerte die Dichte an überschüssigen Partikeln auf der Substratoberfläche. Wie in 6 gezeigt, war die Dichte an überschüssigen Partikeln bei einer 100-fachen Verdünnung in deutlicher Weise reduziert, und zur selben Zeit wurden gute Matrizeneigenschaften („templating properties") immer noch beobachtet. Diese Probe wurde gemäß Schritt 1, 2, 3, 4a, 5 behandelt. Das Lösungsmittel war ein 75%-Methanol/Wasser-Gemisch, die Behandlungszeit in Schritt 4b war 20 Minuten, und die Zeit für die stromlose Abscheidung in Schritt 5 betrug 5 Minuten.
Mittlerer Drahtdurchmesser
Der mittlere Durchmesser der DNA-Drähte betrug ungefähr 200 bis 500 nm, was signifikant höher als der durchschnittliche mittlere Durchmesser war, der normalerweise unter Verwendung von anderen Metallisierungsansätzen oder dieses Ansatzes auf einem hydrophilen Substrat beobachtet wurde. Der Grund hierfür ist, daß die DNA-Moleküle dazu tendieren, miteinander verflochtene und deshalb relativ dicke Seilstrukturen auf hydrophobem Polystyrol zu bilden. Eine Verringerung der DNA-Konzentration könnte den mittleren Durchmesser der Seile verringern. Zusätzlich könnte der endgültige mittlere Durchmesser, der aus einer Metallisierung resultiert, weiter verringert werden durch Verringerung der Dauer des stromlosen Abscheidungsschrittes (Schritt 5).
Verarbeitungszeit
Eine vollständige Metallisierung der DNA-Moleküle kann unter Verwendung einer kurzen NP-Behandlung der DNA von weniger als 5 Minuten (plus der Zeit für den stromlosen Abscheidungsschritt) erzielt werden. Die genaue Zeit zum Erzielen einer beinahe vollständigen Metallisierung wurde noch nicht genau bestimmt, wird aber auf ungefähr 2 Minuten geschätzt.

Claims

Verfahren zum Anhängen von hydrophilen Spezies an hydrophile Makromoleküle, die auf einer hydrophoben Oberfläche immobilisiert sind, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: – Bereitstellen einer hydrophoben Oberfläche, – Immobilisieren von hydrophilen Makromolekülen auf der hydrophoben Oberfläche durch Aufbringen besagter hydrophiler Makromoleküle auf besagte hydrophobe Oberfläche, – Aussetzen der hydrophilen Makromoleküle, die auf der hydrophoben Oberfläche immobilisiert sind, gegenüber hydrophilen Spezies, wodurch die hydrophilen Spezies an die hydrophilen Makromoleküle angehängt werden, wobei die hydrophilen Spezies in Lösung sind und Nanopartikel umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den zusätzlichen Schritt: – Wachsenlassen der angehängten hydrophilen Spezies auf eine größere Größe.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Wachsenlassen der angehängten hydrophilen Spezies auf eine größere Größe dadurch erzielt wird, daß man die angehängten hydrophilen Spezies einer stromlosen Abscheidungslösung („electroless plating solution") aussetzt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufbringen der hydrophilen Makromoleküle auf die hydrophobe Oberfläche mittels eines Prozesses stattfindet, ausgewählt aus Spin-Coating, Dip-Coating, Drop-Casting, Stempeln, molekulares Kämmen („molecular combing"), Sprühtechniken, Tintenstrahldrucken und Doctor-Blading.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Aussetzen der hydrophilen Makromoleküle gegenüber hydrophilen Spezies, wodurch die hydrophilen Spezies an die hydrophilen Makromoleküle angehängt werden, über eine Zeitperiode zwischen einer Sekunde und 120 Minuten stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Aussetzen der hydrophilen Makromoleküle gegenüber hydrophilen Spezies über eine Zeitperiode zwischen 10 Sekunden und 10 Minuten stattfindet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung eine Lösung der hydrophilen Spezies in Wasser oder eine Lösung der hydrophilen Spezies in einem Wasser-mischbaren organischen Lösungsmittel/Wasser-Gemisch ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser einen Kontaktwinkel auf der hydrophoben Oberfläche im Bereich von 30° bis 110° hat.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser einen Kontaktwinkel auf der hydrophoben Oberfläche im Bereich von 60° bis 110° hat.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrophilen Spezies ausgewählt sind aus der Gruppe, umfassend wasserlösliche Metall-Nanopartikel, Halbleiter-Nanopartikel und dielektrische (Isolator)-Nanopartikel, hydrophile Cluster und Metallkomplexe.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Nanopartikel einen Kern hat und ein Metall oder Metalloxid im Kern umfaßt, wobei das Metall ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Fe, Co, Ni, Cu, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Ag, Pt, Au oder Kombinationen, insbesondere Legierungen dieser Metalle.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrophilen Makromoleküle ausgewählt sind aus der Gruppe, umfassend Nukleinsäuren, Proteine, Dendrimere, Latex-Sphären, Polyelektrolyte und wasserlösliche Polymere.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Nukleinsäure ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend DNA, RNA, PNA, CNA, Oligonukleotide, Oligonukleotide von RNA, A-DNA, B-DNA, Z-DNA, Polynukleotide von DNA, Polynukleotide von RNA, T-Junctions von Nukleinsäuren, Triplexe von Nukleinsäuren, Quadruplexe von Nu kleinsäuren, Domänen von Nicht-Nukleinsäure-Polymer-Nukleinsäure-Block-Copolymeren und Kombinationen davon.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Nukleinsäure doppelsträngig oder einzelsträngig ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die hydrophilen Spezies ausgewählt sind aus der Gruppe, umfassend Tris(hydroxymethyl)phosphin-gold-Nanopartikel (THPAuNPs).
Verfahren nach einem der Ansprüche 3–15, dadurch gekennzeichnet, daß die stromlose Abscheidungslösung ein Goldsalz und ein Reduktionsmittel umfaßt.
Nukleinsäure- und/oder Protein-Draht, herstellbar nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12–16, mit einem mittleren Durchmesser von zwischen 2 nm–500 nm, und vollständig dekoriert mit hydrophilen Spezies, umfassend Nanopartikel, wobei besagter Nukleinsäure- und/oder Protein-Draht auf einer hydrophoben Oberfläche immobilisiert ist.
Verwendung eines Nukleinsäure- und/oder Protein-Drahts nach Anspruch 17 als ein nanoskaliertes Element („nanoscale element") in einer Vorrichtung.
Verwendung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Funktion des nanoskalierten Elements ausgewählt ist aus der Gruppe, umfassend Verbindung („interconnect"), Sensor, optischer Absorber, Stellglied („actuator"), Umwandler („transducer") und Speicher.