DE69910001T2 - Messen von intermolekularen wechselwirkungen mit einem rasterkraftmikroskop - Google Patents

Messen von intermolekularen wechselwirkungen mit einem rasterkraftmikroskop Download PDF

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Rasterkraftmikroskopie (RKM) und Vorrichtungen und Verfahren zur effektiven Messung von intermolekularen Wechselwirkungen wie beispielsweise Rezeptor/Ligand-, Antikörper/Antigen- und DNA-Wechselwirkungen durch Rasterkraftmikroskopie.
  • 2. Beschreibung verwandter Gebiete
  • Bei herkömmlicher Rasterkraftmikroskopie wird eine Probe mit einer auf einem Ausleger montierten Sonde mit feiner Spitze abgetastet, und jede Auslenkung der Sondenspitze, die über die Probe bewegt wird, wird gemessen, um die Topographie der Probe zu bestimmen. Auslenkungen der Sondenspitze, wenn diese über die Probenoberfläche bewegt wird, können mithilfe verschiedener Verfahren überwacht werden, einschließlich optischer Reflexion, Interferometrie und piezoelektrischer Dehnungsmessverfahren. Siehe beispielsweise das US-Patent mit der Register-Nr. 33.387 von Binnig, US-Patent Nr. 5.144.833 von Amer et al., US-Patent Nr. 5.463.897 von Prater et al., US-Patent Nr. Re. 34.489 von Hansma et al. und US-Patent Nr. 5.260.824 von Okada et al.
  • In den letzten Jahren ist die Rasterkraftmikroskopie dazu verwendet worden, Grenzflächeneigenschaften und intermolekulare Wechselwirkungen, wie beispielsweise Elastizität, Reibung, Adhäsion, Rezeptor/Ligand-Wechselwirkungen und Antikörper/Antigen-Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen zu messen. Um Bindungswechselwirkungen zwischen komplementären Liganden und Rezeptoren zu messen, können die Sondenspitze eines Auslegers und eine Probenoberfläche auf verschiedene Weisen chemisch modifiziert werden, um die komplementären Liganden und Rezeptoren aneinander zu binden. (Zur Vereinfachung wird/werden die auf dem Ausleger oder ähnli chen Strukturen immobilisierte(n) Verbindungen) hierin als "Bezugs"verbindung(en) und die auf dem Proben-Trageelement oder der Probenoberfläche immobilisierte(n) Verbindungen) als "Proben"-Verbindung(en) bezeichnet.) Die Sondenspitze und Probenoberfläche können dann nahe zueinander oder in Kontakt gebracht werden, so dass ein Ligand und ein Rezeptor wechselwirken oder eine Bindung ausbilden. Wenn die Sondenspitze und Probenoberfläche dann getrennt werden, bricht die Ligand-Rezeptor-Bindung zusammen, und das Ausmaß der Wechselwirkungskraft zwischen dem Ligand und dem Rezeptor kann gemessen werden. Die Verwendung von Rasterkraftmikroskopie zur Untersuchung intermolekularer Kräfte ist beispielsweise in den folgenden Patenten und Veröffentlichungen beschrieben: US-Patent Nr. 5.363.697 von Nakagawa; US-Patent Nr. 5.372.930 von Colton et al.; Florin E.-L. et al., "Adhesion Forces Between Individual Ligand-Receptor Pairs", Science 264, S. 415–417 (1994); Lee G. U. et al., "Sensing Discrete Streptavidin-Biotin Interactions with Atomic Force Microscopy", Langmuir 10 (2), S. 354–357 (1994); Dammer U. et al., "Specific Antigen/Antibody Interactions Measured by Force Microscopy", Biophysical Journal 70, S. 2437–2441(Mai 1996); Chilikoti A. et al., "The Relationship Between Ligand-Binding Thermodynamics and Protein-Ligand Interaction Forces Measured by Atomic Force Microscopy", Biophysical Journal 69, S. 2125-2130 (Nov. 1995); Allen S. et al., "Detection of Antigen-Antibody Binding Events with the Atomic Force Microscope", Biochemistry, Bd. 36, Nr. 24, S. 7457–7463 (1997); und Moy V. T. et al., "Adhesive Forces Between Ligand and Receptor Measured by AFM", Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 93, S. 343–348 (1994). Wenn Wechselwirkungen zwischen Molekülen in Flüssigkeiten untersucht werden, können die Versuchsbedingungen, wie beispielsweise pH, Puffer/Ionen-Konzentration, Puffer/Ionen-Art, usw., variiert werden, um die Wirkung zu bestimmen, die diese auf die Wechselwirkungskräfte haben.
  • Rasterkraftmikroskopie besitzt großes Potenzial zur Verwendung in Screening-Anordnungen für Verbindungen, wie beispielsweise Bibliotheken von Verbindungen, die durch kombinatorische Verfahren hergestellt wurden, um nützliche Ligand/Rezeptor-Wechselwirkungen zu identifizieren und nützliche Medikamente zu entdecken. Moder ne Verfahren der kombinatorischen Chemie, Parallelsynthese und Mikrolithographie ermöglichen die Herstellung großer, kompakter Bibliotheken von chemischen Analogen in räumlich ansteuerbaren Anordnungen. Rasterkraftmikroskopie mit chemisch modifizierten Sondenspitzen bietet eine Möglichkeit zum Screenen dieser Anordnungen. Die Ausrüstung und Verfahren, die derzeit für Rasterkraftmikroskopie eingesetzt werden, sind jedoch für wiederholte Messungen oder effizientes Screenen von großen Volumina nicht geeignet. Vor allem sind chemisch modifizierte Ausleger-Sondenspitzen zerbrechlich und können leicht beschädigt oder inaktiviert werden. Bei einer typischen chemisch modifizierten Ausleger-Sondenspitze sind nur die Moleküle, die am äußersten Punkt der Spitze gebunden sind, für Kraftwechselwirkungen mit einem Substrat verfügbar. Der entscheidende Bereich der Sondenspitze ist typischerweise sehr klein, und die Anzahl der daran gebundenen Moleküle ist sehr gering; wenn etwas passiert und diese wenigen Moleküle beschädigt werden, der Zugang zu diesem kleinen Bereich der Sondenspitze blockiert oder anderweitig inaktiviert wird, dann ist die Sondenspitze wertlos und muss ausgetauscht werden. Ein Austausch der Sondenspitze erfordert normalerweise den Austausch des gesamten Auslegers – ein teures und zeitaufwendiges Verfahren. Darüber hinaus bietet eine typische Ausleger-Sondenspitze nur einer einzigen Bezugsverbindung Platz, die auf der Spitze immobilisiert wird, so dass der Ausleger jedes Mal ausgetauscht oder modifiziert werden muss, wenn gewünscht wird, eine andere Bezugsverbindung einzusetzen.
  • Die Erfindung ist durch die unabhängigen Ansprüche 1, 18 und 39 definiert.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Proben-Trageelement für Rasterkraftmikroskopie bereitgestellt, das eine Proben-Tragebasis mit einer Vielzahl von Vorsprüngen umfasst, wobei jeder Vorsprung einen an der Spitze befindlichen Substratbereich umfasst, der chemisch modifiziert worden ist, indem darauf eine Probenverbindung oder eine Linkerverbindung immobilisiert wurde, die eine Probenverbindung binden kann, worin die Probenverbindungen oder Linkerverbindungen auf jedem der Vorsprünge gleich oder voneinander verschieden sind.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Messen einer Wechselwirkung zwischen einer Bezugsverbindung und zumindest einer Probenverbindung bereitgestellt, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:
    ein Proben-Trageelement mit einer Vielzahl von Vorsprüngen, wobei jeder Vorsprung einen an der Spitze befindlichen Substratbereich umfasst, der chemisch modifiziert worden ist, indem darauf eine Probenverbindung immobilisiert wurde, worin die Probenverbindungen auf jedem der Vorsprünge gleich oder voneinander verschieden sein können,
    ein Bezugsverbindungs-Trageelement mit einem Oberflächenbereich, der chemisch modifiziert worden ist, indem darauf zumindest eine Bezugsverbindung immobilisiert worden ist,
    ein Mittel zur Steuerung der relativen Position und Ausrichtung des Bezugsverbindungs-Trageelements und des Proben-Trageelements, um einen bestimmten Vorsprung auszuwählen und Wechselwirkung zwischen der auf dem Oberflächenbereich des Bezugsverbindungs-Trageelements immobilisierten Bezugsverbindung und der auf dem an der Spitze befindlichen Substratbereich des ausgewählten Vorsprungs immobilisierten Probenverbindung zu bewirken, sowie
    ein Mittel zum Messen eines physikalischen Parameters, der mit der Wechselwirkung zwischen der Bezugsverbindung und der Probenverbindung in Zusammenhang steht.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Testen zumindest einer Probenverbindung auf Wechselwirkung mit zumindest einer Bezugsverbindung bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    • (a) das Bereitstellen eines Proben-Trageelements mit einer Vielzahl von Vorsprüngen, wobei jeder Vorsprung einen an der Spitze befindlichen Substratbereich und ein Bezugsverbindungs-Trageelement mit einem Oberflächenbereich aufweist,
    • (b) das chemische Modifizieren des an der Spitze befindlichen Substratbereichs jedes Vorsprungs des Proben-Trageelements, um darauf eine Probenverbindung zu im mobilisieren, worin die Probenverbindungen auf jedem der Vorsprünge gleich oder voneinander verschieden sein können,
    • (c) das chemische Modifizieren des Oberflächenbereichs des Bezugsverbindungs-Trageelements, um darauf zumindest eine Bezugsverbindung zu immobilisieren,
    • (d) das Koppeln des Proben-Trageelements und des Bezugsverbindungs-Trageelements an eine Vorrichtung, die Mittel zur Steuerung der relativen Position und Ausrichtung des Proben-Trageelements und des Bezugsverbindungs-Trageelements umfasst, um einen bestimmten Vorsprung des Proben-Trageelements auszuwählen und eine Wechselwirkung zwischen einer auf dem Oberflächenbereich des Bezugsverbindungs-Trageelements immobilisierten Bezugsverbindung und der auf der an der Spitze befindlichen Substratfläche des ausgewählten Vorsprungs immobilisierten Probenverbindung zu bewirken, sowie Mittel zum Messen eines physikalischen Parameters, der mit der Wechselwirkung zwischen der Bezugsverbindung und der Probenverbindung in Zusammenhang steht,
    • (e) das Steuern der relativen Position und Ausrichtung des Bezugsverbindungs-Trageelements und des Proben-Trageelements, um einen bestimmten Vorsprung auszuwählen und eine Wechselwirkung zwischen einer Bezugsverbindung und der auf dem ausgewählten Vorsprung immobilisierten Probenverbindung zu bewirken, und
    • (f) das Messen eines physikalischen Parameters, der mit der Wechselwirkung zwischen der Bezugsverbindung und der Probenverbindung auf dem ausgewählten Vorsprung in Zusammenhang steht.
  • So wird der Probenträger so modifiziert, dass anstatt einer flachen Oberfläche, auf der über einen relativ großen Bereich Moleküle der Probenverbindung oder -verbindungen ausgebreitet sind, eine Vielzahl von Vorsprüngen vorhanden ist, auf deren Spitzen Moleküle der Probenverbindung oder -verbindungen immobilisiert sind. Das Proben-Trageelement dieser Erfindung kann mehrere Millionen dieser Vorsprünge pro Quadratzentimeter aufweisen. Das Immobilisieren der Probenverbindungen auf die Spitzen von Vorsprüngen anstelle einer flachen Oberfläche platziert die Probenverbindungen in einer leichter zugänglichen Position, so dass es bei der Durchführung von Messungen mole kularer Wechselwirkungen zwischen einer Probenverbindung und einer Bezugsverbindung nicht notwendig ist, die Bezugsverbindung am Ende einer Ausleger-Sondenspitze zu platzieren, um Zugang zu den Probenmolekülen zu haben. Auf einzelne Moleküle der Probenverbindungen kann durch Bezugsverbindungen zugegriffen werden, die auf einer Oberfläche auf dem Ausleger immobilisiert sind. Somit dient die zweite Veränderung der Rasterkraftvorrichtung zur Modifizierung des Auslegers, so dass die Bezugsverbindung oder -verbindungen direkt auf einem Oberflächenbereich am freien Ende des Auslegers und nicht auf einer Sondenspitze immobilisiert werden.
  • Beim Betrieb des Rasterkraftmikroskops zur Messung molekularer Wechselwirkungen gemäß vorliegender Erfindung wird der Oberflächenbereich am freien Ende des Auslegers in Kontakt mit oder in die Nähe eines bestimmten Vorsprungs gebracht, so dass Wechselwirkungen zwischen einem Molekül der Bezugsverbindung und einem Molekül der Probenverbindung gemessen werden können. Piezoelektrische Übersetzer, die derzeit in der Rasterkraftmikroskopie eingesetzt werden, sind präzise genug, um einen speziellen aus Millionen von Vorsprüngen auf dem Proben-Trageelement mit einem bestimmten Abschnitt auf dem Oberflächenbereich des Auslegers auszurichten.
  • Die Vorsprünge in der vorliegenden Erfindung sind Ausleger-Sondenspitzen in herkömmlicher Rasterkraftmikroskopie insofern ähnlich, dass sie die Isolierung einer kleinen Anzahl einzelner Moleküle in einem kleinen Bereich in einer zugänglichen geometrischen Konfiguration ermöglichen, so dass Messungen an einzelnen Molekülen oder an einer kleinen Anzahl von Molekülen vorgenommen werden können. Ein bedeutender Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass, während bei herkömmlicher Rasterkraftmikroskopie nur eine einzige Sondenspitze vorhanden ist, die sich auf dem Ausleger befindet, in der vorliegenden Erfindung zahlreiche analoge Strukturen vorhanden sind - die Vorsprünge -, die sich auf dem Proben-Trageelement befinden. Bei einem herkömmlichen Rasterkraftmikroskop muss, wenn die Ausleger-Sondenspitze beschädigt oder inaktiviert ist, ein Versuch abgebrochen werden, bis die Spitze ausgetauscht ist. Bei der vorliegenden Erfindung kann, wenn ein bestimmter Vorsprung beschädigt oder inak tiviert ist, der Ausleger einfach über einem anderen Vorsprung mit derselben darauf immobilisierten Probenverbindung positioniert werden, und die Messungen können fortgesetzt werden. Tausende oder Millionen von Vorsprüngen pro Quadratzentimeter können geschaffen und mit einer Probenverbindung oder -verbindungen chemisch modifiziert werden.
  • Auf dem Oberflächenbereich des Auslegers können Milliarden oder Billionen von Molekülen der Bezugsverbindung immobilisiert sein, von denen jedes zur Messung von Wechselwirkungen mit einer auf einem Vorsprung immobilisierten Probenverbindung verwendet werden kann. Wenn Moleküle der Bezugsverbindung, die sich auf einem Teil des Auslegers befinden, im Laufe eines Versuchs beschädigt oder inaktiviert werden, kann der Ausleger neu positioniert werden, so dass stattdessen unbeschädigte, aktive Moleküle der Bezugsverbindung, die sich auf einem anderen Abschnitt des Auslegers befinden, verwendet werden können. Außerdem kann der Oberflächenbereich des Auslegers in räumlich ansteuerbare Unterbereiche unterteilt werden, auf denen jeweils eine andere Bezugsverbindung immobilisiert ist. Eine Reihe von verschiedenen Bezugsverbindungen kann auf separaten, räumlich ansteuerbaren Unterbereichen auf der Oberfläche des Auslegers immobilisiert werden, so dass keine Notwendigkeit besteht, jedes Mal der Ausleger auszutauschen muss, wenn gewünscht wird, eine andere Bezugsverbindung zu verwenden.
  • Mittels Durchführung der oben beschriebenen Änderungen am Probenträger und am Auslegers ist es nun möglich, Rasterkraftmikroskopie für effizientes Screenen von großen Volumina von Probenverbindungen und zur Durchführung von wiederholten Messungen von molekularen Wechselwirkungen einzusetzen, so dass Ergebnisse mit statistischer Exaktheit nachgeprüft werden können, ohne dass Forscher sich darüber Sorgen machen müssen, aufgrund einer Beschädigung oder Inaktivierung der Bezugsverbindung mitten in einem Versuch den Ausleger austauschen zu müssen.
  • Die Vorrichtung und das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung sind nicht auf Rasterkraftmikroskopie-Instrumente auf Ausleger-Basis beschränkt. Das Proben-Trageelement kann auch Probenverbindungen für andere Arten von Kraftmikroskopen halten – zusätzlich zu jenen, die die Verwendung eines Auslegers bedingen. Allgemein gesagt werden die Probenverbindung oder Probenverbindungen auf den an der Spitze befindlichen Substratbereichen von Vorsprüngen eines Proben-Trageelements immobilisiert, und die Bezugsverbindung oder Bezugsverbindungen werden auf dem Oberflächenbereich eines Bezugsverbindungs-Trageelement immobilisiert. Jedes beliebige auf dem Gebiet der Erfindung bekannte Verfahren kann verwendet werden, um die relative Position des Proben-Trageelements und des Bezugsverbindungs-Trageelements zu steuern und intermolekulare Wechselwirkungen zwischen Probenverbindungen und Bezugsverbindungen zu messen.
  • Bereitgestellt wird ein Proben-Trageelement für Rasterkraftmikroskopie, das eine Proben-Tragebasis mit einer Vielzahl von Vorsprüngen umfasst, wobei jeder Vorsprung einen an der Spitze befindlichen Substratbereich umfasst, der chemisch modifiziert worden ist, indem darauf eine Probenverbindung oder eine Linkerverbindung immobilisiert wurde, die eine Probenverbindung binden kann, worin die Probenverbindungen oder Linkerverbindungen auf jedem der Vorsprünge gleich oder voneinander verschieden sind.
  • Bereitgestellt wird außerdem ein Ausleger für Rasterkraftmikroskopie, der einen Ausleger-Körper mit einem fixierten Ende und einem freien Ende umfasst, wobei das freie Ende einen Oberflächenbereich mit einer Vielzahl von räumlich ansteuerbaren Unterbereichen aufweist, wobei die einzelnen Unterbereiche chemisch modifiziert wurden, indem unterschiedliche Bezugsverbindungen darauf immobilisiert wurden.
  • Bereitgestellt wird außerdem ein Ausleger für Rasterkraftmikroskopie, der einen Ausleger-Körper mit einem fixierten Ende und einem freien Ende umfasst, wobei das freie Ende einen Oberflächenbereich mit einer Vielzahl von darauf immobilisierten Kügelchen verschiedener Größenkategorien aufweist, wobei auf den Kügelchen Bezugsverbindungen immobilisiert sind, worin auf jeder Größenkategorie von Kügelchen eine andere Bezugsverbindung immobilisiert ist.
  • Bereitgestellt wird außerdem eine Vorrichtung zum Messen der Wechselwirkung zwischen einer Bezugsverbindung und zumindest einer Probenverbindung, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:
    ein Proben-Trageelement mit einer Vielzahl von Vorsprüngen, wobei jeder Vorsprung einen an der Spitze befindlichen Substratbereich umfasst, der chemisch modifiziert worden ist, indem darauf eine Probenverbindung immobilisiert wurde, worin die Probenverbindungen auf jedem der Vorsprünge gleich oder voneinander verschieden sein können,
    ein Bezugsverbindungs-Trageelement mit einem Oberflächenbereich, der chemisch modifiziert worden ist, indem darauf zumindest eine Bezugsverbindung immobilisiert worden ist,
    ein Mittel zur Steuerung der relativen Position und Ausrichtung des Bezugsverbindungs-Trageelements und des Proben-Trageelements, um einen bestimmten Vorsprung auszuwählen und Wechselwirkung zwischen der auf dem Oberflächenbereich des Bezugsverbindungs-Trageelements immobilisierten Bezugsverbindung und der auf dem an der Spitze befindlichen Substratbereich des ausgewählten Vorsprungs immobilisierten Probenverbindung zu bewirken, sowie
    ein Mittel zum Messen eines physikalischen Parameters, der mit der Wechselwirkung zwischen der Bezugsverbindung und der Probenverbindung in Zusammenhang steht.
  • Bereitgestellt wird außerdem eine Vorrichtung zum Messen einer Wechselwirkung zwischen zumindest einer Bezugsverbindung und zumindest einer Probenverbindung, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst:
    ein Proben-Trageelement mit einer Vielzahl von Vorsprüngen, wobei jeder Vorsprung einen an der Spitze befindlichen Substratbereich umfasst, der chemisch modifi ziert worden ist, indem darauf eine Probenverbindung immobilisiert wurde, worin die Probenverbindungen auf jedem der Vorsprünge gleich oder voneinander verschieden sein können,
    einen Ausleger mit einem fixierten Ende und einem freien Ende, wobei das freie Ende einen Oberflächenbereich aufweist, der chemisch modifiziert wurde, indem zumindest eine Bezugsverbindung darauf immobilisiert wurde,
    worin das Proben-Trageelement so angepasst ist, dass es auf einem Probengestellteil eines Rasterkraftmikroskops aufliegen kann, und der Ausleger so angepasst ist, dass er mit einem Ausleger-Halteabschnitt eines Rasterkraftmikroskops verbunden werden kann.
  • Bereitgestellt wird außerdem ein Verfahren zum Testen zumindest einer Probenverbindung auf Wechselwirkung mit zumindest einer Bezugsverbindung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    • (a) das Bereitstellen (1) eines Proben-Trageelements mit einer Vielzahl von Vorsprüngen, wobei jeder Vorsprung einen an der Spitze befindlichen Substratbereich aufweist, und (2) eines Bezugsverbindungs-Trageelements mit einem Oberflächenbereich,
    • (b) das chemische Modifizieren des an der Spitze befindlichen Substratbereichs jedes Vorsprungs des Proben-Trageelements, um darauf eine Probenverbindung zu immobilisieren, worin die Probenverbindungen auf jedem der Vorsprünge gleich oder voneinander verschieden sein können,
    • (c) das chemische Modifizieren des Oberflächenbereichs des Bezugsverbindungs-Trageelements, um darauf zumindest eine Bezugsverbindung zu immobilisieren,
    • (d) das Koppeln des Proben-Trageelements und des Bezugsverbindungs-Trageelements an eine Vorrichtung, die Mittel zur Steuerung der relativen Position und Ausrichtung des Proben-Trageelements und des Bezugsverbindungs-Trageelements umfasst, um einen bestimmten Vorsprung des Proben-Trageelements auszuwählen und eine Wechselwirkung zwischen einer auf dem Oberflächenbereich des Bezugsverbindungs-Trageelements immobilisierten Bezugsverbindung und der auf der an der Spitze befindlichen Substratfläche des ausgewählten Vorsprungs immobilisierten Probenverbindung zu bewirken, sowie Mittel zum Messen eines physikalischen Parameters, der mit der Wechselwirkung zwischen der Bezugsverbindung und der Probenverbindung in Zusammenhang steht,
    • (e) das Steuern der relativen Position und Ausrichtung des Bezugsverbindungs-Trageelements und des Proben-Trageelements, um einen bestimmten Vorsprung auszuwählen und eine Wechselwirkung zwischen einer Bezugsverbindung und der auf dem ausgewählten Vorsprung immobilisierten Probenverbindung zu bewirken, und
    • (f) das Messen eines physikalischen Parameters, der mit der Wechselwirkung zwischen der Bezugsverbindung und der Probenverbindung auf dem ausgewählten Vorsprung in Zusammenhang steht.
  • Bereitgestellt wird außerdem ein Verfahren zum Testen zumindest einer Probenverbindung auf Wechselwirkung mit zumindest einer Bezugsverbindung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    • (a) das Bereitstellen eines Rasterkraftmikroskops, das ein Proben-Trageelement mit einer Vielzahl von Vorsprüngen, wobei jeder Vorsprung einen an der Spitze befindlichen Substratbereich aufweist, und einen Ausleger mit einem fixierten und einem freien Ende, wobei das freie Ende einen Oberflächenbereich mit einer Vielzahl von räumlich ansteuerbaren Unterbereichen aufweist, umfasst,
    • (b) das chemische Modifizieren des an der Spitze befindlichen Substratbereichs jedes Vorsprungs, so dass auf den einzelnen Vorsprüngen gleiche oder voneinander verschiedene Probenverbindungen immobilisiert werden,
    • (c) das chemische Modifizieren der räumlich ansteuerbaren Unterbereiche des Oberflächenbereichs am freien Ende des Auslegers, um auf jedem Unterbereich eine andere Bezugsverbindung zu immobilisieren,
    • (d) das Steuern der relativen Position und Ausrichtung des Auslegers und des Proben-Trageelements, um einen bestimmten Unterbereich des Auslegers und einen bestimmten Vorsprung auszuwählen und eine Wechselwirkung zwischen einer auf dem gewählten Unterbereich immobilisierten Bezugsverbindung und der auf dem gewählten Vorsprung immobilisierten Probenverbindung zu bewirken, und
    • (e) das Messen eines physikalischen Parameters, der mit der Wechselwirkung zwischen der gewählten Bezugsverbindung und der gewählten Probenverbindung in Zusammenhang steht.
  • Bereitgestellt wird außerdem ein Verfahren zum Testen zumindest einer Probenverbindung auf Wechselwirkung mit zumindest einer Bezugsverbindung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    • (a) das Bereitstellen einer Vorrichtung, die Folgendes umfasst: ein Proben-Trageelement mit einer planaren Anordnung von verjüngten oder abgerundeten Vorsprüngen, worin die Höhe jedes Vorsprungs zwischen etwa 1 und etwa 10 μm liegt, der Krümmungsradius jedes Vorsprungs an der Spitze zwischen etwa 5 und etwa 1.000 nm liegt und der Abstand zwischen benachbarten Vorsprüngen zwischen etwa 2 und etwa 50 μm liegt, und worin jeder Vorsprung einen an der Spitze befindlichen Substratbereich aufweist, der durch Immobilisieren einer Probenverbindung darauf chemisch modifiziert wurde, worin die Probenverbindungen auf jedem der Vorsprünge gleich oder voneinander verschieden sein können, und einen Ausleger mit einem fixierten und einem freien Ende, wobei das freie Ende einen im Wesentlichen flachen Oberflächenbereich mit einer Fläche von zumindest 0,01 μm2 aufweist, und worin der Oberflächenbereich in eine Vielzahl von räumlich ansteuerbaren Unterbereichen unterteilt ist,
    • (b) das chemische Modifizieren des an der Spitze befindlichen Substratbereichs, um darauf eine Probenverbindung zu immobilisieren, worin die Probenverbindungen auf jedem der Vorsprünge gleich oder voneinander verschieden sein können,
    • (c) das chemische Modifizieren der räumlich ansteuerbaren Unterbereiche des Oberflächenbereichs am freien Ende des Auslegers, um auf jedem Unterbereich eine andere Bezugsverbindung zu immobilisieren,
    • (d) das Koppeln des Proben-Trageelements an einen Probengestellteil eines Rasterkraftmikroskops und Koppeln des Auslegers an einen Ausleger-Halteabschnitt des Rasterkraftmikroskops, worin das Rasterkraftmikroskop Mittel zur Steuerung der relativen Position und Ausrichtung des Auslegers und des Proben-Trageelements umfasst, um einen bestimmten Vorsprung auszuwählen und eine Wechselwirkung zwischen einer auf dem Oberflächenbereich am freien Ende des Auslegers immobilisierten Bezugsverbindung und der auf der an der Spitze befindlichen Substratfläche des ausgewählten Vorsprungs immobilisierten Probenverbindung zu bewirken, sowie Mittel zum Messen eines physikalischen Parameters, der mit der Wechselwirkung zwischen der Bezugsverbindung und der Probenverbindung in Zusammenhang steht, umfasst,
    • (e) das Steuern der relativen Position und Ausrichtung des Auslegers und des Proben-Trageelements, um einen bestimmten Vorsprung auszuwählen und eine Wechselwirkung zwischen einer auf dem gewählten Unterbereich immobilisierten Bezugsverbindung und der auf dem ausgewählten Vorsprung immobilisierten Probenverbindung zu bewirken, und
    • (f) das Messen eines physikalischen Parameters, der mit der Wechselwirkung zwischen der gewählten Bezugsverbindung und der gewählten Probenverbindung in Zusammenhang steht.
  • Kurzbeschreibung der Abbildungen
  • 1 (Stand der Technik) ist eine schematische, vergrößerte Darstellung einer Wechselwirkung zwischen einem herkömmlichen Ausleger und einem herkömmlichen Substrat.
  • 2 ist eine schematische, vergrößerte Darstellung einer Wechselwirkung zwischen einem Ausleger und einem Proben-Trageelement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 3 ist eine schematische, vergrößerte Draufsicht auf einen Abschnitt eines Proben-Trageelements gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4 ist eine schematische, vergrößerte Seitenansicht des freien Endes des Auslegers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5 ist eine schematische, vergrößerte Unteransicht des freien Endes des Auslegers gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • Wie in 1 (Stand der Technik) schematisch dargestellt, umfasst ein herkömmliche Rasterkraftmikroskop-Ausleger 1 eine spitze Abtastnadel oder eine scharfe Spitze 2, die modifiziert sein kann, um Moleküle 3 darauf zu immobilisieren. Die Abtastnadel wird mit einem Substrat 4 in Kontakt oder in seine Nähe gebracht, so dass eine Wechselwirkung zwischen Molekülen auf der Abtastnadel und auf dem Substrat immobilisierten Molekülen 5 gemessen werden kann.
  • Wie in 2 schematisch dargestellt, umfasst die Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung vorzugsweise einen Ausleger 10 mit einem freien Ende 15, das einen Oberflächenbereich 20 aufweist, der chemisch modifiziert ist, um Moleküle 30 einer Bezugsverbindung darauf zu immobilisieren. Das Proben-Trageelement 40 umfasst eine Vielzahl von Vorsprüngen 45, die jeweils einen an der Spitze befindlichen Substratbereich 48 mit darauf immobilisierten Probenmolekülen 50 umfassen. Gemäß vorliegender Erfindung können Wechselwirkungen zwischen Bezugsmolekülen und Probenmolekülen gemessen werden, indem der Oberflächenbereich des Auslegers mit dem an der Spitze befindlichen Substratbereich auf einem der Vorsprünge in Kontakt oder in dessen Nähe gebracht wird.
  • Das Proben-Trageelement umfasst eine Proben-Tragebasis mit einer Vielzahl von Vorsprüngen, von denen jeder einen an der Spitze befindlichen Substratbereich umfasst. Im Allgemeinen sollten die Vorsprünge eine Größe und Form aufweisen, die es nur einer kleinen Anzahl von Molekülen der Probenverbindung ermöglichen, auf der äußersten Spitze jedes Vorsprungs immobilisiert zu werden, so dass einzelne Moleküle der Probenverbindungen zur Untersuchung isoliert werden können. (Typischerweise sind die Vorsprünge nur unter einem optischen Mikroskop erkennbar und sind mit freiem Auge nicht klar erkennbar.) Die Vorsprünge sind vorzugsweise verjüngt oder abgerundet, wobei der Krümmungsradius an der Spitze zwischen etwa 5 und etwa 1.000 nm liegt. Der Krümmungsradius an der Spitze eines Vorsprungs sollte je nach Deckung (Anzahl an Molekülen pro Flächeneinheit) der Moleküle der Probenverbindung gewählt werden, die darauf immobilisiert werden soll. Für Verbindungen, die in relativ geringer Menge oder Deckung vorliegen, oder die schwer zu immobilisieren sind, sollten Vorsprünge mit relativ großen Krümmungsradien verwendet werden; für diese Art von Probenverbindungen werden beispielsweise abgerundete oder halbkugelförmige Formen bevorzugt. Der große Krümmungsradius trägt dazu bei, die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass auf jedem Vorsprung zumindest ein Probenmolekül immobilisiert ist. Für Moleküle, die leicht zu immobilisieren sind und in hoher Deckung vorliegen, sollten verjüngte Vorsprünge mit relativ kleinen Radien verwendet werden. Für diese Art von Probenverbindungen werden pyramidenförmige oder konische Formen bevorzugt. Die kleinen Krümmungsradien tragen dazu bei, sicherzustellen, dass, obwohl während des Immobilisierungsvorgangs eine große Anzahl von Molekülen an jeden Vorsprung gebunden werden kann, einzelne Moleküle an den äußersten Spitzen der Vorsprünge zur Untersuchung isoliert werden können. Ein Proben-Trageelement kann mit verschiedensten Vorsprüngen mit unterschiedlichen Krümmungsradien konstruiert werden, so dass dasselbe Trageelement zur Immobilisierung unterschiedlicher Arten von Probenverbindungen eingesetzt werden kann.
  • Prinzipiell ist die Gesamtgröße des Proben-Trageelements nicht eingeschränkt, aber in der Praxis wird die Größe des Proben-Trageelements im Allgemeinen nach der Größe des Probenhalter- oder Gestellbereiches des jeweils verwendeten Rasterkraftmikroskop-Instruments, gewählt. Die Größe und der Abstand der Vorsprünge können so gewählt sein, dass sie der Größe eines bestimmten Auslegers oder Bezugsverbindungs-Trageelements angepasst sind, so dass der an der Spitze befindliche Substratbereich jedes Vor sprungs für den Ausleger oder das Bezugsverbindungs-Trageelement zugänglich ist. Genauer gesagt sollte der Abstand zwischen den Vorsprüngen größer sein als die Breite des Bezugsverbindungs-Trageelements, so dass das Bezugsverbindungs-Trageelement gesteuert werden kann, um jeden Vorsprung ohne Störung von benachbarten Vorsprüngen anzusteuern. Auf der anderen Seite beschränkt ein zu großer Abstand der Vorsprünge die Anzahl an Vorsprüngen, die auf einer kleinen Fläche gebildet werden können. Die Breite der Vorsprünge an ihrem breitesten Punkt beträgt vorzugsweise etwa 0,5 bis 5 μm und der Abstand zwischen benachbarten Vorsprüngen etwa 2 bis 50 μm. So kann ein Proben-Trageelement, das nur einige Quadratzentimeter groß ist, Millionen von Vorsprüngen aufweisen.
  • Bei manchen Rasterkraftmikroskopen wird ein Ausleger in einem fixen Winkel zur Oberfläche des Probensubstrats gehalten, während der Ausleger und das Substrat relativ zueinander bewegt werden. Wenn diese Art von Mikroskop mit einem Ausleger und einem Proben-Trageelement gemäß vorliegender Erfindung verwendet wird, kann die Höhe der Vorsprünge beeinflussen, wie groß die Oberfläche des Auslegers ist, die für die äußerste Spitze der Vorsprünge zugänglich ist. Wenn ein Vorsprung nicht hoch genug ist, ist die Fläche des Auslegers, die in die vom freien Ende wegführende Richtung zugänglich ist, beschränkt, weil das freie Ende in das Proben-Trageelement hineinragen würde. Die Höhe der Vorsprünge beträgt vorzugsweise 1 bis 10 μm.
  • Wie in 3 schematisch dargestellt, umfasst das Proben-Trageelement typischerweise eine planare Anordnung von Vorsprüngen 45. Die Vorsprünge sind vorzugsweise regelmäßig, beispielsweise in einer quadratischen Anordnung, angeordnet, so dass die Lage der einzelnen Vorsprünge leicht überwacht werden kann. Um die Überwachung der Lage der einzelnen Vorsprünge und die Unterscheidung verschiedener Vorsprünge zu erleichtern, kann die Proben-Tragebasis Markierungen umfassen, die durch ein optisches Mikroskop erkennbar sind. Um die Unterscheidung bestimmter Vorsprünge zu erleichtern, können außerdem Gruppen von Vorsprüngen durch leere Reihen oder Säulen voneinander getrennt werden.
  • Neben einer planaren Anordnung sind auch andere Konfigurationen möglich. Beispielsweise könnte dasselbe Proben-Trageelement eine Terrassenstruktur aufweisen, wobei auf jeder Terrasse zumindest eine Reihe von Vorsprüngen vorliegt.
  • Das Proben-Trageelement kann aus jedem mikrobearbeitbarem Material bestehen. Vorzugsweise ist das Proben-Trageelement ein Silziumwafer. Die Vorsprünge sind vorzugsweise Teil der Tragebasis und können mithilfe herkömmlicher Mikrobearbeitungsverfahren, wie beispielsweise Photomuterung und Ätzen des Proben-Trageelements, hergestellt werden. Genauer gesagt können Mikrobearbeitungsverfahren verwendet werden, die jenen zur Herstellung herkömmlicher Ausleger-Sondenspitzen ähnlich sind, um die Vorsprünge des Proben-Trageelements auszubilden. Ein Verfahren zur Herstellung verjüngter Mikrominiatur-Silikonstrukturen ist beispielsweise in den US-Patenten Nr. 5.201.992 und 5.204.581 von Andreadakis beschrieben. Das Proben-Trageelement kann auch durch Gießen in eine mikrobearbeitete Form hergestellt werden. Das Proben-Trageelement kann mit einer oder mit mehreren Schichten eines Materials beschichtet werden, das zur Bindung bestimmter Arten von Probenverbindungen nützlich ist. Beispielsweise kann das Proben-Trageelement mit einer Goldschicht überzogen werden, was die Immobilisierung von thiolhältigen Verbindungen ermöglicht.
  • Die an der Spitze befindlichen Substratbereiche der Vorsprünge werden modifiziert, um mithilfe eines beliebigen auf dem Gebiet der Erfindung bekannten Verfahrens zur kovalenten oder nicht kovalenten Immobilisierung eines chemischen oder biochemischen Bestandteils auf einem Substrat Probenverbindungen darauf zu immobilisieren. Genauer gesagt können chemische Verfahren, die zur Modifizierung herkömmlicher Ausleger-Sondenspitzen und Probenoberflächen eingesetzt werden, zur Modifizierung der Vorsprünge gemäß vorliegender Erfindung verwendet werden. Eine allgemeine Behandlung der Immobilisierungschemie findet sich in Lee et al., "Chemically-specific Probes for the Atomic Force microscope", Israel Journal of Chemistry, Bd. 36, S. 81–87 (1996).
  • Auf dem Gebiet der Erfindung bekannte elektrochemische und elektrostatische Verfahren können zur Immobilisierung von Probenverbindungen auf den Vorsprüngen verwendet werden. Beispielsweise kann das elektrostatische Potential der Oberfläche des Proben-Trageelements beeinflusst werden, um Probenverbindungen auf den äußersten Spitzen der Vorsprünge zu konzentrieren.
  • Die auf den Vorsprüngen immobilisierten Probenverbindungen können gleich oder voneinander verschieden sein, je nach Art der Forschung, die betrieben wird. Wenn ein Forscher beispielsweise nur an der Untersuchung der Wechselwirkung einer Bezugsverbindung auf dem Ausleger mit einer einzigen Probenverbindung interessiert ist, kann das Proben-Trageelement so modifiziert werden, dass nur eine Verbindung auf den Vorsprüngen immobilisiert wird. Wenn ein Forscher auf der anderen Seite an der Untersuchung der Wechselwirkung einer Bezugsverbindung mit einer Reihe von unterschiedlichen Probenverbindungen interessiert ist, könnte das Proben-Trageelement so modifiziert werden, dass verschiedene Verbindungen auf unterschiedlichen, räumlich ansteuerbaren Vorsprüngen immobilisiert werden. Vorzugsweise würde jede Probenverbindung auf einer Reihe von Vorsprüngen immobilisiert werden, so dass, wenn ein Vorsprung mit einer bestimmten darauf immobilisierten Probenverbindung beschädigt wird, ein anderer Vorsprung mit derselben Probenverbindung zur Untersuchung gewählt werden kann. Außerdem können Versuche, wenn jede Probenverbindung auf einer Reihe unterschiedlicher Vorsprünge immobilisiert ist, wiederholt und Ergebnisse mit statistischer Exaktheit nachgeprüft werden. Jedes beliebige auf dem Gebiet der Erfindung bekannte Mustergebungsverfahren, einschließlich aber nicht ausschließlich Photomusterung und μ-Kontaktkopieren, können verwendet werden, um Anordnungen von Vorsprüngen zu schaffen, auf denen verschiedene Verbindungen immobilisiert sind. Wenn elektrochemische Verfahren eingesetzt werden, um Probenverbindungen an die Vorsprünge zu binden, können verschiedene Probenverbindungen auf dasselbe Proben-Trageelement aufgebracht werden, indem separate Elektroden auf unterschiedlichen Abschnitten des Proben-Trageelements verwendet werden. Darüber hinaus können kombinatorische Syntheseverfahren eingesetzt werden, um in situ kombinatorische Bibliothe ken zu schaffen, wobei Vorsprünge mit unterschiedlichen Elementen der kombinatorischen Bibliothek darauf immobilisiert werden. Beispiele für Verfahren zur Herstellung von Polypeptid- oder Oligonukleotid-Anordnungen sind in Fodor et al., "Light-Directed, Spatially Addressable Parallel Chemical Synthesis", Science 251, S. 767–773 (1991), im US-Patent Nr. 5.143.854 von Pirrung et al. und im US-Patent Nr. 5.445.934 von Fodor et al. offenbart. Die in diesen Publikationen beschriebenen Verfahren können für die Immobilisierung von kombinatorischen Bibliotheken von Probenverbindungen auf den Vorsprüngen gemäß vorliegender Erfindung angepasst werden.
  • Bei Immobilisierung einer Probenverbindung oder von Probenverbindungen auf den an der Spitze befindlichen Substratbereichen der Vorsprünge ist es unwichtig, ob das jeweilige Verfahren die Probenverbindung auch auf anderen Abschnitten des Proben-Trageelements immobilisiert, solange der Zugang zu dem auf der Spitze befindlichen Substratbereich nicht blockiert wird.
  • Wenn hierin bereitgestellt wird, dass das Proben-Trageelement eine Proben-Tragebasis mit einer Vielzahl von Vorsprüngen umfasst, worin "jeder Vorsprung" einen an der Spitze befindlichen Substratbereich aufweist, der durch die Immobilisierung einer Probenverbindung darauf modifiziert ist, sollen Fälle, bei denen ein Proben-Trageelement auch Vorsprünge aufweist, die nicht chemisch modifiziert sind, nicht aus dem Schutzumfang der Erfindung ausgeschlossen werden. Ein Forscher kann beispielsweise nur einen Abschnitt eines Proben-Trageelements chemisch modifizieren und den verbleibenden Abschnitt des Proben-Trageelements unberührt lassen. Oder eine Probenverbindung kann so schwer auf ein Substrat zu immobilisieren sein, dass nur ein Teil der Vorsprünge eines Proben-Trageelements erfolgreich modifiziert werden kann und die restlichen Vorsprünge unmodifiziert sind. Diese Fälle liegen innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Proben-Trageelement, das modifiziert ist, um eine Linkerverbindung auf den an der Spitze befindlichen Substratbereichen der Vorsprünge zu immobilisieren, worin die Linkerverbindung eine Verbindung ist, die zur Bindung einer Probenverbindungen fähig ist. Diese Ausführungsform bietet Flexibilität, indem sie einem Forscher erlaubt, eine bestimmte Probenverbindung oder bestimmte Probenverbindungen auszuwählen, um das Proben-Trageelement an einem späteren Zeitpunkt nach dem anfänglichen Immobilisierungsschritt zu binden. Jede auf dem Gebiet der Erfindung bekannte Linkerverbindung zur Bindung einer Probenverbindung an ein Substrat kann eingesetzt werden. Typische Linkerverbindungen sind heterobifunktionelle Vernetzer, die einen Teil des Moleküls aufweisen, das zur Bindung einer bestimmten Substratart funktionalisiert ist, und einen Teil des Moleküls, das zur Bindung einer bestimmten Probenverbindungsart funktionalisiert ist. Zur Bindung der Linkerverbindung an ein Siliziumsubstrat kann die Linkerverbindung beispielsweise eine oder mehrere funktionelle Silangruppen der Formel -O(CH2)nSi(OR)3–mCLm aufweisen, worin R = CH3 oder CH2CH3 ist, m eine ganze Zahl von 0 bis 3 ist und n eine ganze Zahl von etwa 9 bis etwa 25 ist. Zur Bindung der Linkerverbindung an ein goldbeschichtetes Substrat kann die Linkerverbindung eine oder mehrere funktionelle Thiolgruppen aufweisen. Der Proben-bindende Teil der Linkerverbindung kann ebenso gewählt sein, um bestimmte Arten von Probenverbindungen, wie beispielsweise Proteine oder Nukleinsäuren, zu binden. Die Linkerverbindung kann beispielsweise eine oder mehrere Maleimidgruppen umfassen, die thiolhältige Reste von Polypeptiden binden, oder die Linkerverbindung kann eine oder mehrere Succinimidgruppen umfassen, welche die Aminogruppen von Polypeptiden oder Nukleinsäuren binden. Die Linkerverbindung kann auch durch Licht aktivierbar sein, so dass die Verbindung erst nach Bestrahlung zur Bindung einer Probenverbindung fähig ist. Beispiele für durch Licht aktivierbare Linkerverbindungen, die auf Silizium immobilisiert werden können, sind in der US-Anmeldung mit der Seriennummer 08/797.325 von Conrad et al., eingereicht am 10. Februar 1997, beschrieben.
  • Es ist zu erwarten, dass das Proben-Trageelement gemäß vorliegender Erfindung meist in Rasterkraftmikroskopen mit einem Ausleger verwendet wird, wie es hierin beschrieben ist. Das Proben-Trageelement kann jedoch auch als Probenträger zum Halten von Pro benverbindungen für andere Arten von Mikroskopie auf Sondenbasis, wie beispielsweise Rastertunnelmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie, verwendet werden, und zwar in einem Aufbau, in dem es von Vorteil ist, eine Probe auf geometrisch zugängliche Weise auf den äußersten Spitzen einer Vielzahl von Vorsprüngen zu immobilisieren. Andere Mechanismen zur Kraftweitergabe und andere Arten von Plattformen zum Halten einer Bezugsverbindung als ein herkömmlicher Ausleger können ebenfalls eingesetzt werden. In dieser Anmeldung bezieht sich der Begriff "Bezugsverbindungs-Trageelement" auf jede Struktur – egal ob Ausleger oder nicht –, die einen Oberflächenbereich bereitstellt; auf dem die Bezugsverbindung immobilisiert wird, so dass sie in eine Position gebracht werden kann, um mit der Probenverbindung auf eine Weise wechselzuwirken, dass physikalische Parameter, die mit der Wechselwirkung in Zusammenhang stehen, gemessen werden können. Ein Mechanismus zur Kraftweitergabe kann an das Bezugsverbindungs-Trageelement oder das Proben-Trageelement gekoppelt sein. In einer Variation von Rastersondenmikroskopie, die in Amrein, M., et al., "A Novel Forcesensing Arrangement for Combined Scanning Force/Scanning Tunnelling Microscopy Applied to Biological Objects", Journal of Microscopy, Bd. 179, S. 261–265 (3. September 1995) und in Schenk, M., et al., "An Electret Microphone as a Force Sensor for Combined Scanning Probe Microscopy", Ultramicroscopy 65, S. 109–118 (1996), die beide durch Verweis hierin aufgenommen sind, beschrieben ist, wird eine Probe oben auf einem Kraftumwandler, der eine Elektret-Mikrophon-Membran ist, montiert, und Beugungen der Membran als Reaktion auf Kraft, die von einer Sondenspitze ausgeübt wird, werden gemessen. Das Proben-Trageelement gemäß vorliegender Erfindung und ein Bezugsverbindungs-Trageelement könnten für diese Art der Anordnung oder für ähnliche Aufstellungen, bei denen das Proben-Trageelement mit einem Kraftaufnehmer verbunden ist, angepasst werden.
  • Das Bezugsverbindungs-Trageelement ist vorzugsweise ein Ausleger. Der Ausleger kann aus jedem beliebigen auf dem Gebiet der Erfindung zur Verwendung bei Rasterkraftmikroskop-Auslegern bekannten Material, einschließlich Si, SiO2, Si3N4, Si3N4Ox, Al oder aus piezoelektrischen Materialien bestehen. Die chemische Zusammensetzung des Auslegers ist nicht entscheidend und ist vorzugsweise ein Material, das leicht mikrobearbeitet werden kann und die erforderlichen mechanischen Eigenschaften aufweist, so dass es für Rasterkraftmikroskop-Messungen verwendet werden kann. Desgleichen kann der Ausleger jede beliebige Größe und Form aufweisen, die auf dem Gebiet der Erfindung für Rasterkraftmikroskop-Ausleger bekannt sind, außer dass er anders als herkömmliche Ausleger keine Abtastnadel oder keine Sondenspitze an seinem freien Ende aufweisen muss. Stattdessen weist der Ausleger am freien Ende einen Oberflächenbereich auf, der chemisch modifiziert ist, indem zumindest eine Bezugsverbindung darauf immobilisiert wurde. Vorzugsweise ist der Ausleger rechteckig ("Sprungbrett"-Form) oder "V"-förmig. Die Größe des Auslegers liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 5 Mikrometer bis etwa 1.000 Mikrometer in Bezug auf die Länge, von etwa 1 Mikrometer bis etwa 100 Mikrometer in Bezug auf die Breite und von etwa 0,04 Mikrometer bis etwa 5 Mikrometer in Bezug auf die Stärke. Typische Rasterkraftmikroskop-Ausleger sind etwa 100 Mikrometer lang, etwa 20 Mikrometer breit und etwa 0,3 Mikrometer stark. Im Allgemeinen ermöglicht eine Vergrößerung des Auslegers einen größeren chemisch modifizierten Oberflächenbereich, wodurch wiederum eine größere Anzahl von Molekülen darauf immobilisiert werden kann. Durch eine Vergrößerung des Auslegers nehmen jedoch im Allgemeinen die Empfindlichkeit des Auslegers gegenüber bestimmten intermolekularen Wechselwirkungen und die Genauigkeit von Kraftmessungen ab.
  • Das fixierte Ende des Auslegers kann so angepasst werden, dass der Ausleger mit einem Ausleger-Halteabschnitt eines herkömmlichen Rasterkraftmikroskops zusammenpasst oder mit ihm verbunden werden kann.
  • Der chemisch modifizierte Oberflächenbereich des Auslegers befindet sich auf dem Abschnitt des Auslegers, der dem Proben-Trageelement gegenüberliegt, wenn der Ausleger in ein Rasterkraftmikroskop eingebaut wird. Der Oberflächenbereich ist vorzugsweise eine ebene Fläche mit zumindest 0,01 μm2 nahe dem Ende des Auslegers.
  • Der Oberflächenbereich des freien Endes des Auslegers kann modifiziert werden, um eine Bezugsverbindung mithilfe eines beliebigen auf dem Gebiet der Erfindung bekannten Verfahrens zur Immobilisierung einer chemischen Bestandteils auf einem Substrat zu immobilisieren. Typischerweise weist der Oberflächenbereich Milliarden oder Billionen von Molekülen der darauf immobilisierten Bezugsverbindung auf.
  • In einer alternativen Ausführungsform kann der Oberflächenbereich des Auslegers durch Immobilisieren von Kügelchen darauf modifiziert werden. Kügelchen bestimmter Größen können verwendet werden, um die Krümmungsradien oder andere geometrische Merkmale der Vorsprünge des Proben-Trageelements einzustellen. Außerdem können Kügelchen als Weg zur Anbindung einer Vielzahl von verschiedenen Bezugsverbindungen an den Ausleger verwendet werden. Unterschiedliche Bezugsverbindung können auf verschieden großen Kügelchen immobilisiert werden, d. h. jede Bezugsverbindung wird auf einer bestimmten Kügelchengröße immobilisiert, und die Kügelchen können dann zufällig auf dem Ausleger immobilisiert werden. Bei der Durchführung von Messungen der Wechselwirkung zwischen Bezugsverbindungen und auf einem Proben-Trageelement gemäß vorliegender Erfindung immobilisierten Probenverbindungen können spezielle Bezugsverbindungen durch die Größe der Kügelchen, an die sie gebunden sind, unterschieden werden. Diese Ausführungsform stellt einen praktischen Weg zur Immobilisierung einer Vielzahl von verschiedenen Bezugsverbindungen auf dem Ausleger bereit. Beispiele für Kügelchengrößen verschiedener Kategorien, die voneinander unterschieden werden können, sind 2 bis 2 nm große Kügelchen, 10 bis 15 nm große Kügelchen und 20 bis 25 nm große Kügelchen. Diese Ausführungsform ist in 4 dargestellt, die eine schematische, vergrößerte Seitenansicht des freien Endes eines Auslegers 100 mit kleinen Kügelchen 110, auf denen eine erste Bezugsverbindung 115 immobilisiert ist, mittleren Kügelchen 120, auf denen eine zweite Bezugsverbindung 125 immobilisiert ist, und großen Kügelchen, auf denen eine dritte Bezugsverbindung 135 immobilisiert ist, zeigt.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Oberflächenbereich des Auslegers oder Bezugsverbindungs-Trageelements in räumlich ansteuerbare Unterbereiche unterteilt sein, wobei auf jedem Unterbereich eine andere Bezugsverbindung immobilisiert ist. Der Ausleger dieser Ausführungsform kann mithilfe jedes beliebigen auf dem Gebiet der Erfindung bekannten Verfahrens zur Herstellung räumlich ansteuerbarer Anordnungen von immobilisierten Verbindungen, wie beispielsweise durch Photomusterung, hergestellt werden. Obwohl die Anzahl räumlich ansteuerbarer Unterbereiche nur durch die Auflösung von Mustergebungsverfahren, die zur Schaffung der Unterbereiche eingesetzt werden, und die Auflösung des Verfahrens, das zur Steuerung der relativen Position des Auslegers und des Proben-Trageelements eingesetzt wird, beschränkt ist, beträgt die Anzahl dieser Unterbereich vorzugsweise etwa 10 oder weniger. Diese Ausführungsform ist in 5 dargestellt, die eine schematische, vergrößerte Unteransicht des freien Endes eines Auslegers 200 zeigt, der die Unterbereiche 210, 220, 230, 240, 250, 260, 270, 280 und 290 mit den darauf immobilisierten Bezugsverbindungen 215, 225, 235, 245, 255, 265, 275, 285 und 295 aufweist.
  • Durch Immobilisieren von bis zu 10 verschiedenen Bezugsverbindungen auf dem Oberflächenbereich des Bezugsverbindungs-Trageelements und von bis zu 1.000 verschiedenen Probenmolekülen auf den Vorsprüngen des Proben-Trageelements ist es möglich, bis zu 10.000 verschiedene molekulare Wechselwirkungen zu untersuchen, ohne das Bezugsverbindungs-Trageelement oder das Proben-Trageelement auszutauschen. Die Verfahren und Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung können verwendet werden, um Rezeptor/Ligand-Wechselwirkungen, Antikörper/Antigen-Wechselwirkungen und Wechselwirkungen zwischen DNA oder RNA und komplementären Strängen zu untersuchen oder screenen. Ein Rezeptor kann beispielsweise auf dem Oberflächenbereich des Bezugsverbindungs-Trageelements immobilisiert werden, und eine große Bibliothek von möglichen Liganden kann gescreent werden, um zu bestimmten, ob einer davon mit dem Rezeptor wechselwirkt, und um die Stärke der Wechselwirkung zu messen. Mit der vorliegenden Erfindung wird rasches, effizientes und statistisch exaktes Screening von möglichen Bestandteilen für pharmazeutischen und landwirtschaftlichen Ein satz in großem Umfang ermöglicht. Alternativ dazu kann auch ein Ligand auf dem Oberflächenbereich des Bezugsverbindungs-Trageelements immobilisiert werden, und eine Bibliothek von möglichen Rezeptoren kann gescreent werden, um zu bestimmen, ob der Ligand mit einem davon wechselwirkt. Ähnliche Verfahren können verwendet werden, um Antikörper/Antigen-Wechselwirkungen und die Wechselwirkungen von DNA oder RNA mit komplementären Strängen zu screenen.
  • Um molekulare Wechselwirkungen zwischen einer Bezugsverbindung und einer Probenverbindung zu untersuchen, können die relative Position und Ausrichtung des Bezugsverbindungs-Trageelements und des Proben-Trageelements mithilfe jedes beliebigen Mittels gesteuert werden, um einen bestimmten Vorsprung auszuwählen und eine Wechselwirkung zwischen der auf dem Oberflächenbereich des Bezugsverbindungs-Trageelements immobilisierten Bezugsverbindung und der auf dem auf der Spitze befindlichen Substratbereich des gewählten Vorsprungs immobilisierten Probenverbindung zu bewirken. Entweder das Bezugsverbindungs-Trageelement oder das Proben-Trageelement oder beide können bewegt, gescannt oder oszilliert werden. Wenn der Ausleger auf verschiedenen Unterbereichen immobilisierte Bezugsverbindungen aufweist, kann die relative Position des Auslegers und des Proben-Substratelements auch so gesteuert werden, dass nur ein gewählter Unterbereich des Auslegers mit einem gewählten Vorsprung wechselwirkt. Vorzugsweise wird das Mittel zur Steuerung der relativen Position und Ausrichtung des Auslegers und des Proben-Trageelements durch Einsatz eines piezoelektrischen Antriebs erzielt, der elektrische Signale mit Sub-Nanometer-Auflösung in mechanische Bewegungen umwandeln kann.
  • Jeder mit der Wechselwirkung zwischen einer Bezugsverbindung und einer Probenverbindung in Zusammenhang stehende Parameter, der durch Rasterkraftmikroskopie gemessen werden kann, kann mithilfe der Vorrichtung und des Verfahren gemäß vorliegender Erfindung gemessen werden. Physikalische Parameter umfassen Adhäsion, Elastizität und Veränderungen der Resonanzeigenschaften, wie beispielsweise Amplitude, Frequenz und Phase, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Die physikalischen Para meter können mithilfe jedes beliebigen bekannten Verfahrens gemessen werden, einschließlich optischer Beugung, optischer Interferometrie und piezoelektrischer Effekte, sind jedoch nicht auf diese beschränkt. Wechselwirkungskräfte zwischen der Bezugsverbindung und der Probenverbindung, wenn diese in Kontakt gebracht oder der Kontakt zwischen ihnen gelöst bzw. diese nahe zueinander gebracht oder wieder voneinander entfernt werden, werden vorzugsweise durch Messen der Abweichungen des Auslegers von seiner Gleichgewichtsposition gemessen. Abweichungen des Auslegers können mithilfe einer Reihe von Verfahren gemessen werden, einschließlich durch Reflektieren eines Laserstrahls von der Rückseite des Auslegers auf einen positionsempfindlichen Detektor.
  • Messungen können in jedem Medium und unter allen Umgebungsbedingungen durchgeführt werden, die für Rasterkraftmikroskopie geeignet sind, einschließlich unter normalen Umgebungsbedingungen oder in einem flüssigen Medium, ohne auf diese beschränkt zu sein. In einem flüssigen Medium können Versuchsbedingungen, wie beispielsweise pH, Ionenkonzentration und die Gegenwart von Inhibitoren oder Kompetitoren, geregelt und variiert werden.
  • Im Handel erhältliche Rasterkraftmikroskop-Instrumente können zur Steuerung der relativen Position des Auslegers und des Proben-Trageelements und zur Messung physikalischer Parameter, die mit der Wechselwirkung zwischen Bezugsverbindungen auf dem Ausleger und Probenverbindungen auf dem Proben-Trageelement eingesetzt werden. Typischerweise besitzen im Handel erhältliche Rasterkraftmikroskope abnehmbare Ausleger und Probenträger, so dass diese Instrumente modifiziert werden können, indem diese einfach durch Ausleger und Proben-Trageelemente gemäß vorliegender Erfindung ersetzt werden. Das Verfahren zur Durchführung von Messungen kann automatisiert und computerisiert werden, so dass eine große Anzahl von Probenverbindungen, wie beispielsweise in einer kombinatorischen Bibliothek, rasch, effizient und mit statistischer Exaktheit analysiert werden kann. Der Ausleger und das Proben-Trageelement gemäß vorliegender Erfindung können auch in einem Rasterkraftmikroskop eines Typs ver wendet werden, das mehrere unabhängig gesteuerte Ausleger umfasst, wie es beispielsweise im US-Patent Nr. 5.047.633 von Finlan et al. beschrieben ist, das durch Verweis hierin aufgenommen ist.
  • Die Vorrichtung gemäß vorliegender Erfindung kann auch als Sensor für Umweltveränderungen verwendet werden. In einem Sensor werden Verbindung mit bekannter Wechselwirkung als Bezugsverbindung und als Probenverbindungen verwendet. Eine Änderung der Wechselwirkung zwischen der Bezugsverbindung und der Probenverbindung weist auf Umweltveränderungen, wie beispielsweise die Gegenwart von störenden Molekülen, hin. Die Verwendung eines Rasterkraftmikroskops als Sensor ist beispielsweise im US-Patent Nr. 5.371.930 von Coton et al. beschrieben.
  • Der Beschreibung der Erfindung folgen nun Beispiele, die zur Veranschaulichung bestimmter Anwendungen der Erfindung dienen, einschließlich der besten Umsetzungsform der Erfindung. Diese spezifischen Beispiele dienen nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der in dieser Anmeldung beschriebenen Erfindung.
  • BEISPIEL
  • Ein Proben-Trageelement mit einer mikrobearbeiteten Anordnung von verjüngten Vorsprüngen wurde mithilfe herkömmlicher Silzium-Mikrobearbeitungsverfahren hergestellt. Genauer gesagt wurde ein Siliziumwafer bearbeitet, indem eine Oxidschicht gebildet und dann die Schicht mit einem Photoresist-Muster mit systematisch variierenden Radien gebildet wurde. Das belichtete Oxid wurde dann abgeätzt, wodurch geschützte Maskeninseln oder Oxidkappen erhalten wurden. Durch anisotropes Ätzen wurde die Siliziumschicht um und unter den Oxidkappen geätzt, um pyramidenförmige Vorsprünge mit Kappen zu erhalten. Das Ätzen wurde fortgesetzt, bis die Kappen sich lösten. Die verbleibenden Strukturen wurden durch Oxidbildung und -entfernung nachgebessert, um eine Anordnung von pyramidenförmigen Vorsprüngen mit systematisch variierenden Krümmungsradien an den Spitzen herzustellen. Streptavidin wurde auf den äußersten Spitzen der Vorsprünge immobilisiert. Biotinyliertes PEG und Aminosilan wurden auf einem 20 μm breiten, 2 μm starken und 440 μm langen Silizium-Ausleger NanoProbe von Digital Instruments mit einer nominalen Kraftkonstante von 0,08 N/m immobilisiert. Das Proben-Trageelement und der Ausleger wurden in ein modifiziertes, im Handel erhältliches Rasterkraftmikroskop auf Basis optischer Strahlablenkung (Digital Instruments Nanoscope IIIa) eingebaut, das verwendet wurde, um die Adhäsionskräfte in Zusammenhang mit der Trennung des Auslegers und des Proben-Trageelements zu messen. In diesem Vorgang wurde der Ausleger über einem der pyramidenförmigen Vorsprünge zentriert, und der z-Piezo wurde mit einer Dreieckswelle angeregt, was bei 10 Hz zwischen dem Ausleger und dem Vorsprung zu einer relativen vertikalen Bewegung von 3 μm führte. Ein Schrittmotor wurde verwendet, um den Ausleger in die Nähe der äußersten Spitze des Vorsprungs abzusenken (weniger als 2 μm, aber keine Berührung). An diesem Punkt wurden der z-Piezo-Bereich und die Frequenz auf 500 nm bzw. 1 Hz verringert. Ein Trigger-Algorithmus wurde ausgelöst, so dass der Ausleger daran gehindert wurde, mehr als 1,0 nN an Kraft auf die äußerste Spitze des Vorsprungs einwirken zu lassen. Adhäsionsmessungen wurde vorgenommen und Kraftkurven aufgezeichnet. Der Ausleger wurde dann über einem anderen Vorsprung positioniert, und die Messungen wurden wiederholt.

Claims (40)

  1. Proben-Trageelement für Rasterkraftmikroskopie, umfassend eine Proben-Tragebasis (40) mit einer Vielzahl von Vorsprüngen (45), wobei jeder Vorsprung (45) einen an der Spitze befindlichen Substratbereich (48) umfasst, der chemisch modifiziert worden ist, indem darauf eine Probenverbindung oder eine Linkerverbindung immobilisiert wurde, die eine Probenverbindung binden kann, worin die Probenverbindungen oder Linkerverbindungen auf jedem der Vorsprünge gleich oder voneinander verschieden sind.
  2. Proben-Trageelement nach Anspruch 1, worin die Vorsprünge (45) verjüngt oder abgerundet sind.
  3. Proben-Trageelement nach Anspruch 1, worin die Vorsprünge (45) pyramidenförmig sind.
  4. Proben-Trageelement nach Anspruch 1, worin die Vorsprünge (45) konisch sind.
  5. Proben-Trageelement nach Anspruch 1, worin die Vorsprünge (45) halbkugelförmig sind.
  6. Proben-Trageelement nach Anspruch 1, worin die Höhe jedes Vorsprungs (45) zwischen etwa 1 und etwa 10 μm liegt, der Krümmungsradius jedes Vorsprungs (45) an der Spitze zwischen etwa 5 und etwa 1.000 nm liegt und der Abstand zwischen benachbarten Vorsprüngen (45) zwischen etwa 2 und etwa 50 μm liegt.
  7. Proben-Trageelement nach Anspruch 6, worin jeder Vorsprung (45) einen Krümmungsradius aufweist, der ausreichend klein ist, damit ein einzelnes isoliertes Molekül einer Probenverbindung auf dem an der Spitze befindlichen Substratbereich (48) immobilisiert werden kann.
  8. Proben-Trageelement nach Anspruch 1, worin die an der Spitze befindlichen Substratbereiche (48) der Vorsprünge (45) chemisch modifiziert worden sind, indem darauf Probenverbindungen immobilisiert worden sind, die Elemente einer kombinatorischen Bibliothek sind.
  9. Proben-Trageelement nach Anspruch 8, worin die Probenverbindungen in situ auf den an der Spitze befindlichen Substratbereichen (48) der Vorsprünge (45) synthetisiert worden sind.
  10. Proben-Trageelement nach Anspruch 1, worin die Vorsprünge (40) in einer planaren Anordnung vorliegen.
  11. Proben-Trageelement nach Anspruch 1, worin das Proben-Trageelement in Form von mehreren Terrassen vorliegt, wobei jede Terrasse zumindest eine Reihe von Vorsprüngen (45) aufweist.
  12. Proben-Trageelement nach Anspruch 1, worin die Proben-Tragebasis (40) an einen Kraftaufnehmer gekoppelt ist.
  13. Proben-Trageelement nach Anspruch 1, worin die an der Spitze befindlichen Substratbereiche (40) der Vorsprünge (45) chemisch modifiziert worden sind, indem darauf eine Linkerverbindung immobilisiert worden ist, die zur Bindung einer Thiolgruppe einer thiolhältigen Probenverbindung fähig ist.
  14. Proben-Trageelement nach Anspruch 1, worin die an der Spitze befindlichen Substratbereiche (40) der Vorsprünge (45) chemisch modifiziert worden sind, indem darauf eine Linkerverbindung immobilisiert worden ist, die zur Bindung einer Aminogruppe einer aminhältigen Verbindung fähig ist.
  15. Proben-Trageelement nach Anspruch 1, worin die an der Spitze befindlichen Substratbereiche (48) der Vorsprünge (45) chemisch modifiziert worden sind, indem darauf eine Linkerverbindung immobilisiert worden ist, die durch Licht aktivierbar ist.
  16. Proben-Trageelement nach Anspruch 1, das weiters Mittel umfasst, um die Vorsprünge durch optische Mikroskopie voneinander zu unterscheiden.
  17. Proben-Trageelement nach Anspruch 16, worin das Mittel, um die Vorsprünge voneinander zu unterscheiden, Markierungen auf der Proben-Tragebasis umfasst, die durch ein optisches Mikroskop sichtbar sind.
  18. Vorrichtung zum Messen einer Wechselwirkung zwischen einer Bezugsverbindung und zumindest einer Probenverbindung, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: ein Proben-Trageelement (40) mit einer Vielzahl von Vorsprüngen (45), wobei jeder Vorsprung (45) einen an der Spitze befindlichen Substratbereich (48) umfasst, der chemisch modifiziert worden ist, indem darauf eine Probenverbindung immobilisiert wurde, worin die Probenverbindungen auf jedem der Vorsprünge gleich oder voneinander verschieden sein können, ein Bezugverbindungs-Trageelement (10) mit einem Oberflächenbereich (2), der chemisch modifiziert worden ist, indem darauf zumindest eine Bezugsverbindung immobilisiert worden ist, Mittel zur Steuerung der relativen Position und Ausrichtung des Bezugsverbindungs-Trageelements (10) und des Proben-Trageelements (40), um einen bestimmten Vorsprung auszuwählen und Wechselwirkung zwischen der auf dem Oberflächenbereich (20) des Bezugsverbindungs-Trageelements (10) immobilisierten Bezugsverbindung und der auf dem an der Spitze befindlichen Substratbereich (48) des ausgewählten Vorsprungs immobilisierten Probenverbindung zu bewirken, sowie Mittel zum Messen eines physikalischen Parameters, der mit der Wechselwirkung zwischen der Bezugsverbindung und der Probenverbindung in Zusammenhang steht.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die Vorsprünge (45) verjüngt oder abgerundet sind.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die Vorsprünge (45) pyramidenförmig sind.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die Vorsprünge (45) konisch sind.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die Vorsprünge (45) halbkugelförmig sind.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die Vorsprünge (45) in einer planaren Anordnung vorliegen.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die Höhe jedes Vorsprungs (45) zwischen etwa 1 und etwa 10 μm liegt, der Krümmungsradius jedes Vorsprungs (45) an der Spitze zwischen etwa 5 und etwa 1.000 nm liegt und der Abstand zwischen benachbarten Vorsprüngen (45) zwischen etwa 2 und etwa 50 μm liegt.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin der chemisch modifizierte Oberflächenbereich des Bezugsverbindungs-Trageelements im Wesentlichen eben ist und eine Oberfläche von zumindest 0,01 μm2 aufweist.
  26. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin der chemisch modifizierte Oberflächenbereich des Bezugsverbindungs-Trageelements mehrere räumlich ansteuerbare Unterbereiche umfasst, wobei jeder Unterbereich chemisch modifiziert worden ist, indem darauf eine andere Bezugsverbindung immobilisiert worden ist.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die Oberfläche des an der Spitze befindlichen Substratbereichs jedes Vorsprungs kleiner als die Oberfläche des Oberflächenbereichs des freien Endes des Auslegers ist.
  28. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die Bezugsverbindung ein Rezeptor ist und die Probenverbindungen bekannte oder potenzielle komplementäre Liganden sind.
  29. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die Bezugsverbindung ein Ligand ist und die Probenverbindungen bekannte oder potenzielle komplementäre Rezeptoren sind.
  30. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die Bezugsverbindung ein Antikörper ist und die Probenverbindungen bekannte oder potenzielle komplementäre Antigene sind.
  31. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die Bezugsverbindung ein Antigen ist und die Probenverbindungen bekannte oder potenzielle komplementäre Antikörper sind.
  32. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die Bezugsverbindung ein DNA- oder RNA-Einfachstrang ist und die Probenverbindungen bekannte oder potenzielle komplementäre DNA- oder RNA-Stränge sind
  33. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die Probenverbindungen Elemente einer kombinatorischen Bibliothek sind.
  34. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin die Probenverbindungen Elemente einer kombinatorischen Bibliothek sind und worin jede Probenverbindung in situ auf dem an der Spitze befindlichen Substratbereich eines Vorsprungs des Proben-Trageelements synthetisiert worden ist.
  35. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin das Bezugsverbindungs-Trageelement und das Proben-Trageelement in eine Flüssigkeit eingetaucht sind.
  36. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin das Mittel zum Messen eines physikalischen Parameters, der mit der Wechselwirkung zwischen der Bezugsverbindung und der Probenverbindung in Zusammenhang steht, einen Kraftaufnehmer umfasst, der an das Proben-Trageelement gekoppelt ist.
  37. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin das Mittel zum Messen eines physikalischen Parameters, der mit der Wechselwirkung zwischen der Bezugsverbindung und der Probenverbindung in Zusammenhang steht, einen Kraftaufnehmer umfasst, der an das Bezugsverbindungs-Trageelement gekoppelt ist.
  38. Vorrichtung nach Anspruch 18, worin das Bezugsverbindungstrageelement (10) ein Ausleger mit einem fixierten Ende und einem freien Ende ist und worin sich der chemisch modifizierte Oberflächenbereich (20) am freien Ende des Auslegers befindet.
  39. Verfahren zum Testen zumindest einer Probenverbindung auf Wechselwirkung mit zumindest einer Bezugsverbindung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) das Bereitstellen eines Proben-Trageelements (40) mit einer Vielzahl von Vorsprüngen (45), wobei jeder Vorsprung (45) einen an der Spitze befindlichen Substratbereich (48) und ein Bezugsverbindungs-Trageelement (10) mit einem Oberflächenbereich (20) aufweist; (b) das chemische Modifizieren des an der Spitze befindlichen Substratbereichs (48) jedes Vorsprungs (45) des Proben-Trageelements (40), um darauf eine Probenverbindung zu immobilisieren, worin die Probenverbindungen auf jedem der Vorsprünge gleich oder voneinander verschieden sein können, (c) das chemische Modifizieren des Oberflächenbereichs (20) des Bezugsverbindungs-Trageelements (10), um darauf zumindest eine Bezugsverbindung zu immobilisieren, (d) das Koppeln des Proben-Trageelements (40) und des Bezugsverbindungs-Trageelements (10) an eine Vorrichtung, die Mittel zur Steuerung der relativen Position und Ausrichtung des Proben-Trageelements (40) und des Bezugsverbindungs-Trageelements (10) umfasst, um einen bestimmten Vorsprung (45) des Proben-Trageelements (40) auszuwählen und eine Wechselwirkung zwischen einer auf dem Oberflächenbereich (20) des Bezugsverbindungs-Trageelements (10) immobilisierten Bezugsverbindung und der auf der an der Spitze befindlichen Substratfläche (48) des ausgewählten Vorsprungs (45) immobisilierten Probenverbindung zu bewirken, sowie Mittel zum Messen eines physikalischen Parameters, der mit der Wechselwirkung zwischen der Bezugsverbindung und der Probenverbindung in Zusammenhang steht, (e) das Steuern der relativen Position und Ausrichtung des Bezugsverbindungs-Trageelements (10) und des Proben-Trageelements (4), um einen bestimmten Vorsprung (45) auszuwählen und eine Wechselwirkung zwischen einer Bezugsverbindung und der auf dem ausgewählten Vorsprung (45) immobilisierten Probenverbindung zu bewirken, und (f) das Messen eines physikalischen Parameters, der mit der Wechselwirkung zwischen der Bezugsverbindung und der Probenverbindung auf dem ausgewählten Vorsprung (45) in Zusammenhang steht.
  40. Verfahren nach Anspruch 39, worin nach Abschluss von Schritt (f) die Schritte (e) und (f) mit einem anderen ausgewählten Vorsprung (45) und/oder einer anderen Bezugsverbindung wiederholt werden.
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