EP1366088A1 - Phosphorhaltige polymere für optischen signalwandler - Google Patents

Phosphorhaltige polymere für optischen signalwandler

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Publication number
EP1366088A1
EP1366088A1 EP02704708A EP02704708A EP1366088A1 EP 1366088 A1 EP1366088 A1 EP 1366088A1 EP 02704708 A EP02704708 A EP 02704708A EP 02704708 A EP02704708 A EP 02704708A EP 1366088 A1 EP1366088 A1 EP 1366088A1
Authority
EP
European Patent Office
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polymer
groups
different
functional groups
phosphorus
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02704708A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ingmar Dorn
Burkhard KÖHLER
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Bayer Intellectual Property GmbH
Original Assignee
Bayer AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayer AG filed Critical Bayer AG
Publication of EP1366088A1 publication Critical patent/EP1366088A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/1221—Basic optical elements, e.g. light-guiding paths made from organic materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F230/00—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and containing phosphorus, selenium, tellurium or a metal
    • C08F230/02—Copolymers of compounds having one or more unsaturated aliphatic radicals, each having only one carbon-to-carbon double bond, and containing phosphorus, selenium, tellurium or a metal containing phosphorus
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
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    • C08F251/02—Macromolecular compounds obtained by polymerising monomers on to polysaccharides or derivatives thereof on to cellulose or derivatives thereof
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    • C08F8/00—Chemical modification by after-treatment
    • C08F8/40—Introducing phosphorus atoms or phosphorus-containing groups
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C09D151/00—Coating compositions based on graft polymers in which the grafted component is obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • C09D151/003—Coating compositions based on graft polymers in which the grafted component is obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds; Coating compositions based on derivatives of such polymers grafted on to macromolecular compounds obtained by reactions only involving unsaturated carbon-to-carbon bonds
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09D—COATING COMPOSITIONS, e.g. PAINTS, VARNISHES OR LACQUERS; FILLING PASTES; CHEMICAL PAINT OR INK REMOVERS; INKS; CORRECTING FLUIDS; WOODSTAINS; PASTES OR SOLIDS FOR COLOURING OR PRINTING; USE OF MATERIALS THEREFOR
    • C09D151/00—Coating compositions based on graft polymers in which the grafted component is obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds; Coating compositions based on derivatives of such polymers
    • C09D151/02—Coating compositions based on graft polymers in which the grafted component is obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds; Coating compositions based on derivatives of such polymers grafted on to polysaccharides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C09D153/00—Coating compositions based on block copolymers containing at least one sequence of a polymer obtained by reactions only involving carbon-to-carbon unsaturated bonds; Coating compositions based on derivatives of such polymers
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    • Y10T428/29—Coated or structually defined flake, particle, cell, strand, strand portion, rod, filament, macroscopic fiber or mass thereof

Definitions

  • the invention relates to a phosphorus-containing polymer for coating dielectric materials, a process for its production and its use, and an optical signal converter with a coating of the polymer and its use.
  • Dielectric materials are coated with multifunctional polymers for bio- and chemofunctionalization, i.e. H. with the aim of chemical and / or biochemical ((bio-) chemical) recognition elements, such as. B. receptors, antibodies, DNA, etc., can be immobilized on their surface.
  • Such coated dielectric materials e.g. B. coated optical waveguides are used as signal transducers (transducers), such as those used in sensors for bio or chemical sensors.
  • bio or chemical sensors Devices that can detect an analyte qualitatively or quantitatively with the aid of a signal converter and a detection reaction are referred to as bio or chemical sensors.
  • Identified detection element examples include the binding of ligands to complexes, the complexation of ions, the binding of ligands to (biological) receptors, membrane receptors or ion channels, from antigens or haptens to antibodies, from substrates to enzymes, from DNA or RNA to certain proteins, the hybridization of DNA / RNA / PNA or the
  • Analytes can be: ions, proteins, natural or artificial antigens or haptens, hormones, cytokines, mono- and oligosaccharides, metabolic products, or other biochemical markers that are used in diagnostics, enzyme substrates, DNA, RNA, PNA, potential active substances, drugs , Cells, viruses.
  • recognition elements are:
  • bio or chemical sensors can be used in environmental analysis, the
  • Food sector, human and veterinary diagnostics and plant protection are used to determine analytes qualitatively and / or quantitatively.
  • the specificity of the recognition reaction makes it possible to analyze analytes in complex samples such as B. ambient air, polluted water or body fluids without or only with little prior purification to determine qualitatively or quantitatively.
  • bio or chemical sensors can also be used in (bio) chemical research and drug discovery to investigate the interaction between two different substances (e.g. between proteins, DNA, RNA, or biologically active substances and proteins, DNA, RNA etc.).
  • the integration of the recognition reaction with the signal converter into a bio or chemical sensor can take place by immobilizing the recognition element or the analyte on the surface of the signal converter.
  • the recognition reaction i.e. H. binding or reaction of the analyte with the
  • the optical properties of the medium change directly on the surface of the signal converter (e.g. change in the optical refractive index, absorption, fluorescence, phosphorescence, luminescence etc.), which is converted by the signal converter into a measurement signal.
  • Optical waveguides are a class of signal converters that can be used to detect the change in the optical properties of a medium that borders a waveguiding layer, typically a dielectric. If light is transported as a guided mode in the wave-guiding layer, the light field at the medium / waveguide interface does not drop abruptly, but rather sounds at it
  • Waveguide adjacent so-called detection medium exponentially.
  • This exponentially falling light field is called evanescent field.
  • the refractive index of which differs as much as possible from that of the adjacent medium decay lengths of the evanescent field (intensity drops to the value 1 / e) of ⁇ 200 nm are achieved.
  • Do the optical properties of the medium bordering the waveguide change e.g.
  • the waveguide detection medium interface must be stable.
  • the detection elements must be immobilized within the range of the evanescent field of the waveguide. • Under the reaction conditions of the recognition reaction, the
  • Immobilization of the detection element must be stable.
  • the surface of waveguides can be used in many different ways
  • Detection elements are immobilized. This can e.g. B. happen by physisorption of the detection elements on the signal converter surface. Clerc and Lukosz 7 describe the physisorption of avidin on SiO 2 -TiO 2 waveguide surfaces.
  • biotinylated antibodies can be immobilized on the avidin layers applied in this way.
  • a disadvantage of this immobilization method of recognition elements on waveguide surfaces is the instability of the physisorbed avidin layer. A change in the reaction conditions, such as. B. temperature changes, pH changes, addition of detergents etc., can lead to desorption of the avidin layer and thus also of the antibody.
  • the detection elements can also be covalently bound to the surface of a waveguide.
  • Bifunctional silanes which form a covalent bond with the waveguide surface, represent one possibility 8 .
  • the recognition elements such as. B. proteins or DNA 9 , covalently bound.
  • These bifunctional silanes are very reactive and the covalent bond to the waveguide surface has to be carried out under absolutely dry reaction conditions to avoid hydrolysis of the reactive silane.
  • the binding of the detection elements via these silanes to the waveguide surfaces is stable under acidic, neutral and slightly basic conditions. At pH values above 9, however, hydrolysis of the silane can occur, which can lead to desorption of the detection elements from the surface.
  • Another disadvantage of this immobilization method is the relatively high non-specific adsorption of proteins such as. B. albumin to the functionalized waveguide surfaces 10 .
  • the non-specific binding to these waveguide surfaces can be reduced by blocking agents such as e.g. B. polyethylene glycols 11 are bound to the surface.
  • hydrophilic polymers such as. B. polyacrylamides, dextrans, polyethylene glycols etc.
  • these polymers have the task of minimizing the non-specific binding of proteins etc. to the surface.
  • the recognition elements are then covalently bound to these polymers in a further step.
  • the problem with this surface functionalization is that several steps have to be carried out to immobilize the detection elements on the surface and the instability of the silane bond to the waveguide surfaces at pH> 9.
  • the detection elements can also be bound to polymers which are applied directly to the waveguide layers without prior silanization.
  • Charged copolymers based on polylysine and polyethylene glycol electrostatically adsorb onto some metal oxide surfaces 13 , such as TiO 2 , Si 0j4 Ti 0 ⁇ 6 O 2 and Nb 2 O 5 . With the help of optical waveguides it could be shown that this
  • Polymers are derivatized with photoactivatable groups either 14 or are incubated together with photo crosslinkers 15 '16, may be applied by photoreaction directly to the waveguide surface and networked together.
  • polymers have a low ui-specific adsorption of proteins and are stable over a wide range of reaction conditions.
  • the recognition elements can either be bound during the photoreaction or after the photoreaction.
  • polymers are used which, in addition to the photoreactive groups, also carry functional groups which enable covalent immobilization of the recognition elements.
  • the photoreactive compounds must either be applied to the surface by spotter or spin coating and then concentrated or dried there. This can result in partial dewetting of the waveguide surface, which results in incomplete coverage.
  • U.S. Patent 4,904,634 1S describes an active material that can be used as an adsorbent.
  • This material consists of a metal oxide V-hydroxide surface and a chemically bonded monolayer of a phosphorus-containing organic material.
  • the phosphorus-containing organic material is specified there as follows:
  • the organic material has 1-2 phosphorus-containing groups.
  • the phosphorus-containing groups have the general formula RR'PO (OH) or RR'PO (OH), where R consists of one to 30 carbon-containing groups and R 'consists either of hydrogen or from one to 30 carbon-containing groups.
  • R or R ' can also be an organic radical from the group of long- or short-chain aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, carboxylic acids, aldehydes, ketones, amines, amides, tioamides,
  • R or R ' can also have a functional group at a position in the molecule which is distant from the phosphorus-containing group.
  • the functional group can be a carboxyl, glucose, cyano, cyanate, isocyanate, thiocyanate, phenyl, diphenyl, tertiary butyl, sulfonic acid, benzyl sulfone, halogen, nitrate, phosphate, phosphinate, phosphinite , Phosphonate, hydroxymethylamide,
  • Alkoxymethylamide benzophenone, azide, triazene, acylphosphane, quaternary ammonium group or combinations of these groups.
  • R or R ' can also carry a cation exchange group, such as -HSO 3 , -N (CH 3 ) 3 C1, -COONa, -NH 2 and -CN.
  • R can also be an oligomer composed of 2-4 monomers and one
  • Coupling element for biological material such as enzymes, antibodies, cells, yeasts, proteins, microbes, pharmaceuticals, vaccines. • Coating of piezo crystals. • Coatings for the passivation of biological implants (bones etc.).
  • Detection elements must be immobilized within the range of the evanescent field of the waveguide. • The immobilization of the recognition elements must be stable under the reaction conditions of the recognition reaction.
  • the invention relates to a phosphorus-containing polymer, suitable for coating dielectric surfaces of the general formulas I or II,
  • F for functional groups which are present in addition to A are the same or different and are bonded directly or indirectly to P,
  • nl for a number from 1 to about 1000
  • n2 for a number from 1 to about 100
  • ol for a number from 0 to about 1000
  • o2 stands for a number from 1 to about 1000.
  • the polymer according to the invention is suitable for coating dielectric materials, in particular dielectric waveguide surfaces.
  • the thickness of the coating is usually between 0.5 and 700 nm, preferably between 0.5 and 200 nm, in particular between 0.5 and 10 nm.
  • the second object of the invention is a method for producing a polymer according to the invention by copolymerization of
  • (C) optionally a monomer containing a segment U or a plurality of monomers containing the same or different, identical or different segments U.
  • the third subject of the invention is a further process for producing a polymer according to the invention
  • step (iii) optionally converting part of the functional groups to the same or different segments U, wherein step (iii) can be carried out after, before or together with step (ii), and wherein in steps (ii) and (iii) not all functional groups are reacted and the unreacted functional groups form the functional groups F of the polymer , The can not in the
  • Steps (ii) and (iii) implemented functional groups are partially or completely converted to functional groups F using one or more identical or different crosslinkers.
  • the fourth object of the invention is the use of an inventive
  • Polymers for coating dielectric materials, in particular dielectric waveguides can be used to coat dielectric materials, in particular dielectric waveguides, from TiO 2 , TajOj, ZrO 2 , HfO 2 or Al 2 O 3 , preferably from TiO 2 or be used.
  • the fifth object of the invention is an optical signal converter with a coated dielectric waveguide, the coating of which consists of a polymer according to the invention.
  • the sixth object of the invention is the use of an optical signal converter according to the invention for immobilizing chemical and / or biochemical recognition elements.
  • the phosphorus-containing polymer according to the invention contains various functional groups or segments in order to meet the requirements mentioned for the waveguide coating:
  • the polymer component P is the polymer component P.
  • the phosphorus-containing groups A of the polymer which ensure stable binding of the polymer to the surface of the waveguide.
  • mEq milliequivalents
  • the functional groups F of the polymer by means of which recognition elements can be immobilized directly or with the aid of a crosslinker, covalently, coordinatively or via another chemical bond to the polymer and thus to the surface of the bio- or chemosensor.
  • the segments U which suppress the non-specific binding of proteins etc. to the polymer and thus to the waveguide. U may be absent in the polymer if the non-specific binding is already suppressed by the polymer component.
  • the polymers according to the invention can be linear, branched or crosslinked and an average molecular weight of 1,000 to 10,000,000 g / mol, preferably 2,100 to 1,000,000 g / mol, particularly preferably 5,000 to 500,000 g / mol, is extremely preferred
  • the determination of the molecular weight can, for. B. done by vapor pressure osmosis or light scattering.
  • the polymer components P can be constructed randomly or in blocks.
  • these are hydrophilic polymers, in the context of the teaching according to the invention a hydrophilic polymer is understood to mean a polymer which can be wetted or swelled with water or aqueous solutions. Examples include: • Polyvinyl alcohols, polyvinylamine, polyallylamine, polyethyleneimine, polyacrylates, polyacrylamides, imides of polymaleic anhydride-alt-methyl vinyl ether or derivatives thereof. • Linear polyethylene glycols, polypropylene glycols or derivatives thereof.
  • polyureas • polyureas, polyurethanes, polyesters, polycarbonates, polyhydroxycarboxylic acids or derivatives thereof, which consist of hydrophilic diols / polyols and / or
  • Diamines / polyamines are built up.
  • the hydrophilic diols / polyols can be polyethylene glycols, polypropylene glycols etc.
  • the diamines / polyamines can be Jeffamines, polyethyleneimines, polyvinylamines, polyallylamines, polyethyleneimines etc. Polysaccharides such as cellulose, starch, agarose, dextran, chitosan,
  • Hyaloronic acid or derivatives thereof especially hydroxyalkyl derivatives or acid half esters.
  • Polypeptides or derivatives thereof which are made up of one or more different amino acids, such as.
  • Branched polyols based on glycidol such as. B. in the patent application EP 0 116 978 and WO 00/37532, both of which are referred to in this regard and the content of which is hereby incorporated into this application, or derivatives thereof.
  • Preferred are polyols based on glycidol with a degree of polymerization of 1 to 300, a polydispersity less than 1.7, a content of branched units, based on the totality of all monomer units and determined by 13 C-NMR spectroscopy, of 10 to 33 mol%.
  • a stable anchoring of the polymer on the waveguide surface is achieved by several phosphorus-containing groups which are bonded directly or via a spacer S to a carbon atom of the polymer component.
  • the groups A preferably satisfy the formula
  • group or groups Y is selected from the following phosphorus-containing radicals:
  • the polymer preferably contains one or more of the following groups Y: -O (R'O) PO 2 H, -P (RO) O 2 H, -N (CH 2 -P (R'O) O 2 H) 2 , in particular -N (CH 2 -P (R'O) O 2 H) 2 , where R 'is preferably -H.
  • the spacer S is coupled directly to a C atom of the polymer and carries p the same or different phosphorus-containing radicals Y.
  • the following spacers (group (s) Y are also indicated) are preferred according to the invention:
  • the polymer according to the invention contains phosphorus-containing groups A in the form of a spacer S which carries one to six identical or different phosphorus-containing radicals.
  • Functional groups F for immobilizing recognition elements F stands for functional groups which are bonded directly to a carbon atom of the polymer and covalently, coordinatively or via another chemical bond to the polymer and thus to the surface via the recognition elements or with the aid of a crosslinker of the bio or chemical sensor can be immobilized.
  • the detection elements can be directly coupled before the waveguide is coated with the polymer or afterwards.
  • Typical functional groups for covalently immobilizing recognition elements are e.g.
  • the recognition elements can also be coordinatively immobilized on the polymer.
  • Typical groups for this are, for example: iminodiacetic acid, nitrilotriacetic acid.
  • biochemical recognition reactions can be used to immobilize recognition elements on the polymer.
  • the following groups can be bound to the polymer: StrepTag 24 , digoxin, digoxigenin, biotin, thiobiotin, fluorescein, dinitrophenol, streptavidin, avidin, etc.
  • the polymer according to the invention contains functional groups F with crosslinkers which can be bound to the polymer before or after the coating of the waveguide.
  • crosslinkers can be linear, branched or crosslinked molecules, oligomers or polymers with a molecular weight or average molecular weight of 50 to 50,000 which carry two or more identical or different functional groups, or other commercial crosslinkers.
  • Preferred crosslinkers can generally be expressed using the formula
  • Pl can be: • Linear or branched alkyl or aryl radicals with 1-10 C atoms. • Linear polyethylene glycols, polypropylene glycols, copolymers of these polymers or derivatives thereof.
  • Polysaccharides such as cellulose, starch, agarose, dextran, chitosan, hyaloronic acid or derivatives thereof.
  • Polypeptides or derivatives thereof which are made up of one or more different amino acids, such as.
  • Polyserine Polyglycine, polyseringlycerin etc.
  • Branched polyols or oligools based on glycidol such as. B. in the patent application EP 0 116 978 and WO 00/37532, both of which are referred to in this regard and the content of which is hereby incorporated into this application, or derivatives thereof.
  • Preferred are polyols based on glycidol with a degree of polymerization of 1 to 300, a poly-dispersity less than 1.7, a content of branched units, based on the totality of all monomer units and determined by 13 C-NMR spectroscopy, of 10 to 33 mol%.
  • FI are functional groups that allow coupling of the crosslinker to the functional groups F of the polymer.
  • F2 are functional groups to which recognition elements can be bound via a covalent, coordinative or other chemical bond.
  • FI and F2 can be the same or different functional groups. Examples of groups FI and F2 are the following functional groups:
  • a preferred crosslinker of the Fonnel Pl (Fl) m (F2) n is ethylene glycol bisuccinimidyl succinate.
  • the polymer can have segments U which suppress the non-specific binding of proteins etc. to the polymer and thus to the waveguide. These segments are covalently attached to the polymer unit P and can preferably be hydrophilic linear, branched or crosslinked oligomers or polymers with a preferred molecular weight or average molecular weight of 100 to
  • Oligo- or polysaccharides such as cellulose, starch, agarose, dextran, chitosan, hyaloronic acid or derivatives thereof.
  • Oligo- or polypeptides or derivatives thereof which are made up of one or more different amino acids, such as. B. polylysine, polyphenylalanine lysine, polyglutamate, polymethylglutamate glutamate, polyphenyl-ala inglutamate, polyserine, polyglycine, polyseringlycerol etc. Branched polyols or oligools based on glycidol, such as. B. in the patent application EP 0 116 978 and WO 00/37532, both of which are referred to in this regard and the content of which is hereby incorporated into this application, or derivatives thereof.
  • These segments can be missing in the polymer if the non-specific binding is already suppressed by the polymer component.
  • the polymer of the invention can be prepared by, for.
  • different monomers containing groups A, F and U can be copolymerized by methods known to the accomplished synthetic chemist. So the polymer z. B. by copolymerization of vinylphosphonic acid, polyethylene glycol methyl ether acrylate and acrylic acid.
  • the detection element can then be bound before or after the polymer is applied to the waveguide surface. For this, the carboxylic acid groups are through
  • polymers can be synthesized according to known methods which have identical or different functional groups F.
  • the phosphorus-containing groups A and optionally segments U can then be introduced in further steps. It is ensured that only a certain part of groups F is implemented.
  • the recognition elements can then be bound via the remaining groups F.
  • the phosphorus-containing groups A can be generated by the reaction with polyphosphoric acid. Only part of the hydroxyl groups are converted.
  • the detection element can then be bound before or after the polymer is applied to the waveguide surface. For this purpose, the hydroxyl groups are converted by, for. B. with
  • Toluene sulfonic acid chloride activated and then reacted with nucleophilic functional groups of the recognition element, which leads to a covalent connection of the recognition element to the polymer.
  • the polymer can e.g. B. can also be made from polymers that carry carboxylic acid groups or derivatives thereof.
  • z. B. aminoethylphosphonic acid or H 2 N- (C 6 H 4 ) 2 -N (CH 2 PO 3 H 2 ) 2
  • the phosphorus-containing groups A are introduced. Only some of the carboxylic acid groups are reacted.
  • the detection element can then be bound before or after the polymer is applied to the waveguide surface.
  • the carboxylic acid groups by reaction z. B. activated with carbodiimides and then implemented with nucleophilic functional groups of the recognition element, which leads to a covalent attachment of the recognition element to the polymer.
  • amine-containing polymers such.
  • the phosphorus-containing groups A can be introduced in this way. Only a part of the amine groups is implemented.
  • the detection element can then be bound before or after the polymer is applied to the waveguide surface. To do this, the amine groups are through
  • the phosphorus-containing groups A are preferably suitable for anchoring the polymer to waveguides made of materials such as TiO 2 , Ta ⁇ s, ZrO 2 , HfO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 (Si (Ti) O 2 ), In 2 O 3 / SnO 2 (ITO), aluminum silicates, Nb 2 O 5 , vanadium oxides, or mixtures of these materials.
  • the waveguide materials can also be oxides or hydroxides of the following elements, which can form oxides or hydroxides: Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru , Os, Co, Rh, Ir, Ni, PD, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, B, AI, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Lanthanide , Actinides and mixtures thereof as well as mixtures from group Ha (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) and Vlb (Se, Te, Po)).
  • the polymer is applied to the waveguide surfaces from organic or aqueous solution. This can be done by incubation in the solution, dipping, spraying, spotting, spin coating or similar conventional methods. Typically, solutions between 0.001 and 1,000 g / 1, in particular between 0.1 and 10 g / 1, are used and the waveguide surfaces are coated at temperatures between 0 and 200 ° C., in particular between 20 and 30 ° C.
  • the incubation time of the waveguide materials with the polymer solutions can be between 10 s and 48 h, typically between 10 min and 24 h. After the incubation, the waveguides are rinsed with organic solvents or aqueous solutions and, if necessary, further derivatized.
  • Detection elements can be covalently, coordinatively or via another chemical bond to the functional groups directly or with the aid of a crosslinker
  • the detection elements can be directly coupled before the waveguide is coated with the polymer or afterwards.
  • the recognition elements can have their own functional groups such as carboxylic acid, carboxylic acid ester, carboxylic acid chloride, carboxylic acid anhydride, carbonic acid nitrophenyl ester, carboxylic acid N-hydroxysucinimide, carboxylic acid imidazolide, carbon acid pentafluorophenyl ester, hydroxy, toluenesulfonyl, trifluoromethylsulfonyl, epoxy, aldehyde, ketone, ß-dicarbonyl, isocyanate, thioisocyanate, nitrile, amine, aziridine, hydrazine, hydrazide, nitro, thiol, disulfide, thiosetamide, chloroacetamide, halogeno, iodoacetamide, halogeno,
  • Proteins as recognition elements can e.g. B. can be immobilized on the polymer via their amino acid side chains. Especially amino acids such as B. lysines, cysteines, serines, tyrosines, histidines, glutamates, aspartates, which are located on the surface of a protein have functional groups in their side chains which can form a covalent bond with the functional groups of the polymer. Functional groups can also be generated in the recognition elements by derivatization (phosphorylation of tyrosines), oxidation (e.g. oxidation of diol units of glycosylated proteins to aldehyde groups), reduction (e.g. from disulfide bridges to thiols) or coupling of a crosslinker.
  • derivatization phosphorylation of tyrosines
  • oxidation e.g. oxidation of diol units of glycosylated proteins to aldehyde groups
  • reduction e.g. from disulfide bridges to
  • the recognition elements can also be coordinated to the polymer.
  • B. proteins such as enzymes, antibody fragments and receptors with special affinity sequences such.
  • B. the 6xHistidine day 27 These affinity sequences have a high affinity and specificity for metal ion complexes such as. B. nickel nitrilotriacetic acid or copper iminodiacetic acid, which can be introduced as functional group F in the polymer.
  • biochemical recognition reactions can also be used to immobilize recognition elements on the polymer.
  • the very specific and high affinity binding of biotin to streptavidin 28 can be used to immobilize recognition elements on the polymer.
  • the functional groups F of the polymer z.
  • B. Streptavidin The
  • the recognition element is then functionalized with biotin and can thus be bound to the polymer.
  • the recognition element can be provided with a short amino acid sequence, the so-called StrepTag 24 , which also has a high specificity and affinity for streptavidin.
  • IM high salt concentrations
  • the presence of detergents in the reaction solution also does not lead to desorption of the polymer from the waveguide surface. Since the polymer is specifically bound to the waveguide surface via the phosphorus-containing groups, only a monolayer of polymer can be applied to the surface in the sense of chemiso ⁇ tion.
  • the thickness of the polymer layers on the surface is therefore self-limiting and can be adjusted in a targeted manner using the average molecular weight and the chemical structure of the polymer. This can ensure that the detection elements are immobilized within the evanescent light field and thus in the sensitive detection area of the signal converter.
  • the recognition elements are stably bound to the polymer via covalent, coordinative or other chemical bonds. Deso ⁇ tion of the detection elements from the polymer is avoided. Another effect of the very low non-specific interaction of the polymer with proteins and other organic molecules is the high activity of the immobilized recognition elements.
  • the recognition elements are very specifically bound to the polymer, further non-specific interactions of the recognition elements with the polymer, which lead to a reduction in activity of the detection elements could not occur or only occur to a very small extent.
  • the polymer can be applied to a wide variety of waveguide materials. Detection elements can then be immobilized on the polymer while maintaining their activity. The polymer thus acts as an interface to detection elements on signal converters such. B. immobilize waveguides.
  • the polymer thus enables the integration of the detection reaction and signal converter into one sensor. Due to the flexible concept of the polymer, a wide variety of detection elements can be immobilized, so that the sensor can be used in environmental analysis, the food sector, human and veterinary diagnostics and crop protection to determine analytes qualitatively and / or quantitatively. Since the polymer prevents the non-specific binding of organic, inorganic compounds and macromolecules to the sensor surface, analytes in complex samples such as B. ambient air, polluted water or body fluids can be determined qualitatively or quantitatively without or only with little previous purification. In addition, the polymer can also be used in (bio) chemical research and drug discovery in order to investigate the interaction between two different substances in parallel or sequentially using a suitable signal converter. So z. B. the interaction of biologically active substances, such as. B. potential drugs with biomolecules such as proteins, membrane receptors, ion channels, DNA, RNA, etc. are examined.
  • biologically active substances such as. B. potential drugs with biomolecules such
  • Example 1 Polymer from phosphonate-functional copolymers.
  • NMP N-methyl-2-pyrrolidone
  • a solution of 2 mg / ml monoclonal mouse antibody against myobglobin in 10 mM sodium acetate buffer, adjusted to pH 5, was prepared and the waveguide surfaces were incubated therein for 2 hours. A surface concentration of antibody of 1.5 ng / mm 2 was obtained.
  • Example 2 Polymer from phosphate esters of polyvinyl alcohol.
  • Succinic anhydride was added to the solution and stirred at 21 ° C for 3 h.
  • the solution in ethanol was adjusted to a concentration of 1 mg polymer per ml solution and the waveguide surfaces in this solution
  • Example 3 Polymer made from imidized MA copolymers.
  • Waveguide surfaces incubated in this solution for 18 h.
  • the waveguides were then rinsed with ethanol and 10 mM NaOH.
  • the surfaces were incubated in a 10 mg / ml solution of ethylene glycol bisuccinimidyl succinate in DMSO for 30 min and then rinsed with DMSO and ultrapure water.
  • a solution of 2 mg / ml of monoclonal mouse antibodies against human chorionic gonadotropin in 10 mM sodium acetate buffer, adjusted to pH 5, was prepared and the waveguide surfaces were incubated therein for 2 hours.
  • a surface concentration of antibody of 2.0 ng / mm 2 was obtained.
  • Example 4 Polymer grafted with phosphonate-functional copolymers
  • graft base (fatty acid-modified polyglycidol): A mixture of 28 g soybean oil fatty acid and 74 g epoxypropanol (glycidol) was heated to 140 ° C. for 1 h and then a mixture of 0.4 g within 6 h
  • Phosphoric acid and 333.5 g epoxypropanol were added. The mixture was then stirred at 140 ° C for 16 h.
  • Example 5 Polyglycidol, derivatized with maleic anhydride and imino-bis-methylenephosphonic acid.
  • the mixture was heated to 80 ° C. for 15 minutes and 0.2 g of thiol-derivatized imido-bis-methylenephosphonic acid reagent and 0.3 g of triethylamine were added. After 15 minutes, 0.05 g of azoisobutyronitrile was added and stirring was continued for 4 hours at 80 ° C. and 1 hour at 100 ° C.
  • Example 6 Polymer made from acetoacetoxy- and phosphate ester-modified dextran.
  • Example 7 Polymer made from phosphonate-functional polylysine.
  • the solution was cooled in ethanol to a concentration of 1 mg of polymer per ml of solution and the waveguide surfaces were incubated in this solution for 2 h.
  • the waveguides were then rinsed with ethanol and 10 mM NaOH.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein phosphorhaltiges Polymer zur Beschichtung von dielektrischen Materialien, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung sowie einen optischen Signalwandler mit einer Beschichtung aus dem Polymer und dessen Verwendung.

Description

Phosphorhaltige Polymere für optischen Signalwandler
Die Erfindung betrifft ein phosphorhaltiges Polymer zur Beschichtung von dielek- trischen Materialien, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung.sowie einen optischen Signalwandler mit einer Beschichtung aus dem Polymer und dessen Verwendung.
Dielektrische Materialien werden mit multifunktionellen Polymeren zur Bio- und Chemofunktionalisierung beschichtet, d. h. mit dem Ziel, chemische und/oder biochemische ((bio-)chemische) Erkennungselemente, wie z. B. Rezeptoren, Antikörper, DNA etc., an deren Oberfläche immobilisieren zu können. Solche beschichtete dielektrische Materialien, z. B. beschichtete optische Wellenleiter, finden Anwendung als Signalwandler (Transducer), wie sie in der Sensorik bei Bio- oder Chemosensoren eingesetzt werden.
Als Bio- oder Chemosensoren bezeichnet man Geräte, die mit Hilfe eines Signalwandlers und einer Erkennungsreaktion einen Analyten qualitativ oder quantitativ nachweisen können. Als Erkennungsreaktion wird ganz allgemein die spezifische Bindung oder Reaktion eines sogenannten Analyten mit einem sogenannten
Erkennungselement bezeichnet. Beispiele für Erkennungsreaktionen sind die Bindung von Liganden an Komplexe, die Komplexierung von Ionen, die Bindung von Liganden an (biologische) Rezeptoren, Membranrezeptoren oder Ionenkanäle, von Antigenen oder Haptenen an Antikörper, von Substraten an Enzyme, von DNA oder RNA an bestimmte Proteine, die Hybridisierung von DNA/RNA/PNA oder die
Prozessierung von Substraten durch Enzyme. Analyten können sein: Ionen, Proteine, natürliche oder künstliche Antigene oder Haptene, Hormone, Cytokine, Mono- und Oligosaccharide, Soffwechselprodukte, oder andere biochemische Marker, die in der Diagnostik verwendet werden, Enzymsubstrate, DNA, RNA, PNA, potentielle Wirkstoffe, Medikamente, Zellen, Viren. Beispiele für Erkennungselemente sind:
Komplexbildner für Metalle/Metallionen, Cyclodextrine, Kronenether, Antikörper, Antikörperfragmente, Anticaline1, Enzyme, DNA, RNA, PNA, DNA/RNA-bindende Proteine, Enzyme, Rezeptoren, Membranrezeptoren, Ionenkanäle, Zelladhäsions- proteine, Ganglioside, Mono- oder Oligosaccharide.
Diese Bio- oder Chemosensoren können in der Umweltanalytik, dem
Nahrungsmittelbereich, der Human- und Veterinärdiagnostik und dem Pflanzenschutz eingesetzt werden, um Analyten qualitativ und/oder quantitativ zu bestimmen. Die Spezifität der Erkennungsreaktion ermöglicht es, auch Analyten in komplexen Proben wie z. B. Umgebungsluft, verschmutztem Wasser oder Körperflüssigkeiten ohne oder nur mit geringer vorherige Aufreinigung qualitativ oder quantitativ zu bestimmen. Zusätzlich können Bio- oder Chemosensoren auch in der (bio-) chemischen Forschung und Wirkstoffsuche eingesetzt werden, um die Interaktion zwischen zwei unterschiedlichen Substanzen zu untersuchen (z. B. zwischen Proteinen, DNA, RNA, oder biologisch aktiven Substanzen und Proteinen, DNA, RNA etc.).
Die Integration der Erkennungsreaktion mit dem Signalwandler zu einem Bio- oder Chemosensor kann geschehen, indem man das Erkennungselement oder den Analyten auf der Oberfläche des Signalwandlers immobilisiert. Durch die Erkennungsreaktion, d. h. das Binden oder die Reaktion des Analyten mit dem
Erkennungselement, ändern sich die optischen Eigenschaften des Mediums direkt an der Oberfläche des Signalwandlers (z. B. Änderung des optischen Brechungsindexes, der Absorption, der Fluoreszenz, der Phosphoreszenz, der Lumineszenz etc.), was vom Signalwandler in ein Messsignal übersetzt wird.
Optische Wellenleiter sind eine Klasse von Signalwandlern, mit denen man die Änderung der optischen Eigenschaften eines Mediums detektieren kann, das an eine wellenleitende Schicht, typischer Weise ein Dielektrikum, grenzt. Wird Licht als geführte Mode in der wellenleitenden Schicht transportiert, fällt das Lichtfeld an der Grenzfläche Medium/Wellenleiter nicht abrupt ab, sondern klingt in dem an den
Wellenleiter angrenzenden sogenannten Detektionsmedium exponentiell ab. Dieses exponentiell abfallende Lichtfeld wird als evaneszentes Feld bezeichnet. Werden sehr dünne Wellenleiter verwendet, deren Brechungsindex möglichst stark von dem des angrenzenden Mediums differiert, werden Abfalllängen des evaneszenten Feldes (Intensität fällt auf den Wert 1/e ab) von < 200 nm erreicht. Ändern sich die optischen Eigenschaften des an den Wellenleiter grenzenden Mediums (z. B.
Änderung des optischen Brechungsindexes2'3, der Lumineszenz4'5'6 etc.) innerhalb des evaneszenten Feldes, kann dies über einen geeigneten Messaufbau detektiert werden. Entscheidend für die Verwendung von Wellenleitern als Signalwandler in Bio- oder Chemosensoren ist dabei, dass die Änderung der optischen Eigenschaften des Mediums nur sehr nahe an der Oberfläche des Wellenleiters detektiert wird. Wird nämlich das Erkennungselement oder der Analyt an der Grenzfläche des Wellenleiters immobilisiert, kann das Binden an das Erkennungselement oder die Reaktion des Erkennungselementes oberflächensensitiv detektiert werden, wenn sich dabei die optischen Eigenschaften des Detektionsmediums (flüssig, fest, gasförmig) an der Grenzfläche zum Wellenleiter ändern.
Bei der Verwendung von optischen Wellenleitern als Bio- oder Chemosensoren werden an die Grenzfläche Wellenleiter zu Detektionsmedium hohe Anforderungen gestellt:
• Unter den Reaktionsbedingungen der Erkennungsreaktion uss die Grenzfläche Wellenleiter Detektionsmedium stabil sein.
• Die Erkennungselemente müssen innerhalb der Reichweite des evaneszenten Feldes des Wellenleiters immobilisiert werden. • Unter den Reaktionsbedingungen der Erkennungsreaktion muss die
Immobilisierung der Erkennungselement stabil sein.
• Die Funktionalität der Erkennungselemente muss auch nach der Immobilisierung noch vorhanden sein. • Damit nur die spezifische Erkennungsreaktion durch den Signalwandler detektiert wird, muss jede Art von unspezifischer Bindung an die Grenzfläche Wellenleiter Detektionsmedium unterdrückt werden.
An die Oberfläche von Wellenleitern können auf verschiedenste Weise
Erkennungselemente immobilisiert werden. Dies kann z. B. durch Physisorption der Erkennungselemente auf die Signalwandleroberfläche geschehen. Clerc und Lukosz7 beschreiben die Physisorption von Avidin auf SiO2-TiO2 Wellenleiteroberflächen. In einem zweiten Schritt können unter Ausnutzung der hochaffinen Avidin-Biotin Bindung biotinylierten Antikörpern an die so aufgebrachten Avidin Schichten immobilisiert werden. Ein Nachteil dieser Immobilisierungsmethode von Erkennungselementen auf Wellenleiteroberflächen ist die Instabilität der physisorbierten Avidinschicht. Eine Änderung der Reaktionsbedingungen, wie z. B. Temperaturänderungen, ph-Änderungen, Zugabe von Detergenzien etc., kann zu einer Desorption der Avidinschicht und damit auch des Antikörpers führen.
Die Erkennungselemente können auch kovalent an die Oberfläche eines Wellenleiters gebunden werden. Eine Möglichkeit dazu stellen bifunktionelle Silane dar, die eine kovalente Bindung mit der Wellenleiteroberfläche eingehen8. Über eine zweite funktionelle Gruppe in diesem Silan können nun die Erkennungselemente, wie z. B. Proteine oder DNA9, kovalent gebunden werden. Diese bifunktionellen Silane sind sehr reaktiv und bei der kovalenten Bindung an die Wellenleiteroberfläche muss unter absolut trockenen Reaktionsbedingungen gearbeitet werden, um eine Hydrolyse des reaktiven Silans zu vermeiden. Die Bindung der Erkennungselemente über diese Silane an die Wellenleiteroberflächen ist bei sauren, neutralen und leicht basischen Bedingungen stabil. Bei pH- Werten über 9 kann aber eine Hydrolyse des Silans eintreten, was zu einer Desorption der Erkennungselemente von der Oberfläche führen kann. Ein weiterer Nachteil dieser Immobilisierungsmethode liegt in der relativ hohen unspezifischen Adsorption von Proteinen wie z. B. Albumin an die so funktionalisierten Wellenleiteroberflächen10. Die unspezifische Bindung an diese Wellenleiteroberflächen kann reduziert werden, indem nach der Bindung der Erkennungselemente in einem zweiten Schritt Blockierungsagenzien wie z. B. Polyethylenglycole11 an die Oberfläche gebunden werden.
Alternativ wird die Bindung von hydrophilen Polymeren, wie z. B. Polyacrylamide, Dextrane, Polyethylenglycole etc. an zuvor silanisierte Wellenleiteroberflächen beschrieben12. Diese Polymere haben die Aufgabe, die unspezifische Bindung von Proteinen etc. an die Oberfläche zu minimieren. Die Erkennungselemente werden dann in einem weiteren Schritt an diese Polymere kovalent gebunden. Problematisch bei dieser Oberflächenfunktionalisierung ist, dass mehrere Schritte zur Immobilisierung der Erkennungselemente an der Oberfläche durchgeführt werden müssen und die Instabilität der Silanbindung an die Wellenleiteroberflächen bei pH > 9.
Die Erkennungselemente können auch an Polymere gebunden werden, die ohne vorangegangene Silanisierung direkt auf die Wellenleiterschichten aufgebracht werden. Geladene Copolymere basierend auf Polylysin und Polyethylenglycol adsorbieren elektrostatisch auf einige Metalloxid Oberflächen13, wie TiO2, Si0j4Ti0ι6O2 und Nb2O5. Mit Hilfe von optischen Wellenleitern konnte gezeigt werden, dass diese
Polymere die unspezifische Bindung von Proteinen an Wellenleiteroberflächen minimiert. Eine Verwendung dieser Copolymere in der Biosensorik wird von den Autoren diskutiert. Ein Nachteil dieser Methode stellt die Instabilität dieser Schichten gegenüber pH- Werten von kleiner 3 und größer 9, sowie gegenüber hohen Salzkonzentrationen dar, da unter diesen Bedingungen das elektrostatisch gebundene
Polymer von der Oberfläche desorbiert.
Polymere, die entweder mit photoaktivierbaren Gruppen derivatisiert sind14 oder zusammen mit Photocrosslinkern inkubiert werden15'16, können per Photoreaktion direkt auf die Wellenleiteroberfläche aufgebracht und miteinander vernetzt werden.
Diese Polymerschichten weisen eine geringe uiispezifische Adsorption von Proteinen auf und sind über einen weiten Bereich von Reaktionsbedingungen stabil. Die Erkennungselemente können entweder während der Photoreaktion gebunden werden oder nach der Photoreaktion. Für die zuletzt beschriebene Immobilisierung werden Polymere verwendet, die neben den photoreaktiven Gruppen auch funktioneile Gruppen tragen, die eine kovalente Immobilisierung der Erkennungselemente ermöglichen. Die photoreaktiven Verbindungen müssen entweder per Spotter oder Spincoating auf die Oberfläche aufgebracht und dort aufkonzentriert oder eingetrocknet werden. Dabei kann es zur partiellen Entnetzung der Wellenleiteroberfläche kommen, was in einer unvollständigen Bedeckung resultiert.
In der wissenschaftlichen Literatur wird das Beschichten von Ta^ Wellenleiteroberflächen mit langkettigen Alkylphosphaten der allgemeinen Formel H2O3P-O-(CH2)n-CH3 beschrieben17. Es konnte gezeigt werden, dass diese langkettigen Phosphate dicht gepackte Monoschichten (sogenannte self-assembled monolayers) auf der Oberfläche der Wellenleiter ausbilden. Ohne weitere Darstellung von Experimenten wurde vorgeschlagen ω-funktionalisierte langkettige Alkylphosphate in der Biosensorik zu verwenden, wobei die funktionelle Gruppe in ω-Position von der Wellenleiteroberfläche weg zeigen soll und über diese funktionelle Gruppe Erkennungselemente gebunden werden könnten.
Im US-Patent 4 904 6341S wird ein aktives Material beschrieben, das als Adsorbens verwendet werden kann. Dieses Material besteht aus einer MetalloxiάV-hydroxid Oberfläche und einer chemisch daran gebundenen Monolage eines phosphorhaltigen organischen Materials. Das phosphorhaltige organische Material wird dort wie folgt näher spezifiziert:
• das organische Material besitzt 1-2 phosphorhaltige Gruppen.
• die Phosphorhaltigen Gruppen haben die allgemeine Formel RR'PO(OH) oder RR'PO(OH), wobei R aus einer bis 30 kohlenstoffhaltigen Gruppen besteht und R' entweder aus Wasserstoff oder aus einer bis 30 kohlenstoffhaltigen Gruppen besteht.
• R oder R' kann auch ein organisches Radikal aus der Gruppe von lang- oder kurzkettigen aliphatischen Kohlenwasserstoffen, aromatischen Kohlenwasser- Stoffen, Carbonsäuren, Aldehyden, Ketonen, Aminen, Amiden, Tioamiden,
Imiden, Lactamen, Anilinen, Pyridinen, Piperidinen, Carbohydraten, Estern, Lactonen, Ethern, Alkenen, Alkinen, Alkoholen, Nitrilen, Oximen, Organosiliconen, Harnstoffen, Thioharnstoffen, Perfluoro-Verbindungen (organisch), Perchloro-Verbindungen, Perbromo-Verbindungen und Kombinationen dieser Gruppen.
• R oder R' kann auch eine funktionelle Gruppe an einer Position im Molekül besitzen, die von der phosphorhaltigen Gruppe entfernt ist. Die funktionelle Gruppe kann eine Carboxyl-, Glucose-, Cyano, Cyanat-, Isocyanat, Thiocyanat, Phenyl-, Diphenyl-, tertiäre Butyl-, Sulfonsäure-, Benzylsulfon-, Halogen-, Nitrat-, Phosphat-, Phosphinat-, Phosphinit-, Phosphonat, Hydroxymethylamid,
Alkoxymethylamid, Benzophenon, Azid, Triazen, Acylphosphan-, quartäre Ammoniumgruppe oder Kombinationen aus diesen Gruppen sein.
• R oder R' kann auch eine Kationaustauschgruppe Gruppe tragen, wie -HSO3, -N(CH3)3C1, -COONa, -NH2 und -CN. • R kann auch ein Oligomer sein, das aus 2-4 Monomeren aufgebaut ist und eine
Molmasse von < 2.000 g/mol besitzt.
Als Anwendung wird von einem aktiven Material gesprochen, das als Adsorbent geeignet ist. Weitere erwähnte Anwendungen sind:
• Trägermaterial für die Chromatographie.
• Ionenaustauschermaterial.
• Kopplungselement für biologisches Material wie Enzymen, Antikörper, Zellen, Hefen, Proteine, Mikroben, Pharmazeutika, Vakzine. • Beschichtung von Piezokristallen. • Beschichtungen zur Passivierung von biologischen Implantaten (Knochen etc.).
• Additive von medizinischen Produkten.
In der Patentanmeldung GB 2 221 46619 werden von dem selben Autor biologisch aktive Partikel beschrieben, die aus einem MetalloxiαV-hydroxid Kern aufgebaut sind, an dessen Oberfläche funktionalisierte Organophosphorverbindungen gebunden sind, wie sie auch in US-Patent 4 904 634 beschrieben sind. Das Patent bezieht sich ausschließlich auf biologisch aktive Partikel.
Im US-Patent 4 308 07920 werden Korrosionsinhibitoren für Aluminiumoxidoberflächen beschrieben. Als Inhibitoren werden Aminophosphonate verwendet, die folgende allgemeine Struktur besitzen: NR3, NHR2, R'NR2, (CH2NR2)2 und R2NCH2CH2NRCH2CH2NR2, wobei R CH2PO(OH)2 ist und R' eine Alkylkette mit 1- 5 Kohlenstoffatomen. Alternative Anwendungen werden nicht beschrieben.
In der wissenschaftlichen Literatur werden Polyoxyalkylen-diphosphonate beschrieben, mit deren Hilfe Calciumcarbonat21 und Magnetit-Nanopartikel22 besser dispergiert werden können. Dafür werden Polymere der Struktur H-(OCH2CH2)n-N(CH3)-CH2-PO3H2 und H-(OCH2CH2)π-N(CH2PO3H2)2 mit 20 < n < 70 verwendet, die an der Oberfläche der Nanopartikel eine Polymerschicht aufbauen. Werden diese Polymere bereits bei der Synthese der Nanopartikel zugesetzt beobachtet man eine enge Größenverteilung. Eine weitere chemische Modifizierung und eine Bindung biologisch aktiver Agenzien an diese polymerbeschichteten Nanopartikel wird diskutiert.
Abgesehen von den im Stand der Technik beschriebenen zu vermeidenden Nachteilen werden bei der Verwendung von optischen Wellenleitern als Bio- oder Chemosensoren an die Grenzfläche Wellenleiter zu Detektionsmedium hohe Anforderungen gestellt: • Unter den Reaktionsbedingungen der Erkennungsreaktion muss die Grenzfläche Wellenleiter Detektionsmedium stabil sein.
• Erkennungselemente müssen innerhalb der Reichweite des evaneszenten Feldes des Wellenleiters immobilisiert werden. • Unter den Reaktionsbedingungen der Erkennungsreaktion muss die Immobilisierung der Erkennungselemente stabil sein.
• Die Funktionalität der Erkennungselemente muss auch nach der Immobilisierung noch vorhanden sein.
• Damit nur die spezifische Erkennungsreaktion durch den Signalwandler detektiert wird, muss jede Art von unspezifischer Bindung der zu erkennenden
Elemente an die Grenzfläche Wellenleiter Detektionsmedium unterdrückt werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein phosphorhaltiges Polymer, geeignet zur Beschichtung von dielektrische Oberflächen, der allgemeinen Formeln I oder II,
P(A)m(F)nl(U)0l (I)
P(A)m(UFn2)o2 (II)
in denen
P für eine lineare oder verzweigte, unvernetzte oder vernetzte, homo- oder heteropolymere Polymerkomponente,
A für gleiche oder verschiedene, an P gebundene phosphorhaltige Gruppen,
m für eine Zahl von 3 bis etwa 1000, F für zusätzlich zu A vorhandene, gleiche oder verschiedene, direkt oder indirekt an P gebundene funktionelle Gruppen,
nl für eine Zahl von 1 bis etwa 1000,
n2 für eine Zahl von 1 bis etwa 100,
U für gleiche oder verschiedene, an P gebundene, lineare oder verzweigte, unvernetzte oder vernetzte, aus gleichen oder verschiedenen Monomeren aufgebaute oligomere oder polymere Segmente,
ol für eine Zahl von 0 bis etwa 1000 und
o2 für eine Zahl von 1 bis etwa 1000 steht.
Das erfindungsgemäße Polymer eignet sich zur Beschichtung von dielektrischen Materialien, insbesondere von dielektrischen Wellenleiteroberflächen. Die Dicke der Beschichtung beträgt üblicherweise zwischen 0,5 und 700 nm, bevorzugt zwischen 0,5 und 200 nm, insbesondere zwischen 0,5 und 10 nm.
Zweiter Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Polymers durch Copolymersiation von
(A) einem eine phosphorhaltige Gruppe A enthaltendem Monomer oder mehreren, gleichen oder verschiedenen, gleiche oder verschiedene phosphorhaltige Gruppen A enthaltenden Monomeren
mit (B) einem eine funktionelle Gruppe F enthaltendem Monomer oder mehreren, gleichen oder verschiedenen, gleiche oder verschiedene funktionelle Gruppen F enthaltenden Monomeren und
(C) optional einem ein Segment U enthaltenden Monomer oder mehreren, gleichen oder verschiedenen, gleiche oder verschiedene Segmente U enthaltenden Monomeren.
zu einem Polymer der Formel I
oder mit
(B') einem eine Einheit (UFn2)o2 gemäß Formel II enthaltendem Monomer oder mehreren, gleichen oder verschiedenen, gleiche oder verschiedene Einheiten der Formel (UF^)^ gemäß Formel II enthaltenden Monomeren
zu einem Polymer der Formel II.
Dritter Gegenstand der Erfindung ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Polymers durch
(i) Herstellung eines Polymers, das die Polymerkomponente P bildet und gleiche oder verschiedene, als funktionelle Gruppen F geeignete funktionelle Gruppen trägt, bevorzugt Hydroxy-Gruppen, Carboxy-Gruppen, Derivate von Carboxy-Gruppen und oder Amin-Gruppen,
(ii) Umsetzung eines Teils der funktionellen Gruppen zu gleichen oder verschiedenen phosphorhaltigen Gruppen A und
(iii) optional Umsetzung eines Teils der funktioneilen Gruppen zu gleichen oder verschiedenen Segmenten U, wobei Schritt (iii) nach, vor oder zusammen mit Schritt (ii) durchgeführt werden kann, und wobei in den Schritten (ii) und (iii) nicht alle funktionellen Gruppen umgesetzt werden und die nicht umgesetzten funktioneilen Gruppen die funktionellen Gruppen F des Polymers bilden. Dabei können die nicht in den
Schritten (ii) und (iii) umgesetzten funktionellen Gruppen teilweise oder vollständig mit einem oder mehreren gleichen oder verschiedenen Crosslinkern zu funktionellen Gruppen F umgesetzt werden.
Vierter Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines erfmdungsgemäßen
Polymers zur Beschichtung von dielektrischen Materialien, insbesondere von dielektrischen Wellenleitern. Dabei kann das Polymer zur Beschichtung von dielektrischen Materialien, insbesondere von dielektrischen Wellenleitern, aus TiO2, TajOj, ZrO2, HfO2 oder Al2O3, bevorzugt aus TiO2 oder verwendet werden.
Fünfter Gegenstand der Erfindung ist ein optischer Signalwandler mit einem beschichteten dielektrischen Wellenleiter, dessen Beschichtung aus einem erfindungsgemäßen Polymer besteht.
Sechster Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen optischen Signalwandlers zur Immobilisierung von chemischen und/oder biochemischen Erkennungselementen.
Das erfindungsgemäße phosphorhaltige Polymer enthält verschiedene funktionelle Gruppen oder Segmente, um die genannten Anforderungen an die Wellenleiter- beschichtung zu erfüllen:
• Die Polymerkomponente P.
• Die phosphorhaltigen Gruppen A des Polymers, die eine stabile Bindung des Polymers an die Oberfläche des Wellenleiters gewährleisten. Dabei sind vorzugsweise zwischen 0,001 und lO Milliäquivalente (mEq) phosphorhaltige Gruppen pro Gramm Polymer vorhanden, insbesondere 0,01 bis 5 mEq/g, besonders bevorzugt 0,1 bis 3 mEq/g.
• Die funktionellen Gruppen F des Polymers, über die Erkennungselemente direkt oder mit Hilfe eines Crosslinkers kovalent, koordinativ oder über eine andere chemische Bindung an das Polymer und somit an die Oberfläche des Bio- oder Chemosensors immobilisiert werden können. Dabei sind vorzugsweise zwischen 0,001 und 20 Milliäquivalente (mEq) funktionelle Gruppen pro Gramm Polymer vorhanden, insbesondere 0,01 bis 10 mEq/g, besonders bevorzugt 0,5 bis 10 mEq/g.
• Die Segmente U, die die unspezifische Bindung von Proteinen etc. an das Polymer und damit an den Wellenleiter unterdrücken. U kann in dem Polymer fehlen, wenn die Unterdrückung der unspezifischen Bindung bereits durch die Polymerkomponente erreicht wird. Dabei sind vorzugsweise zwischen 0,001 und 20 Milliäquivalenten (mEq) Segmente U pro Gramm Polymer vorhanden, insbesondere 0,01 bis 10 mEq/g, besonders bevorzugt 0,5 bis 10 mEq/g.
Die erfindungsgemäßen Polymere können linear, verzweigt oder vernetzt sein und eine mittlere Molmasse von 1.000 bis 10.000.000 g/mol, vorzugsweise 2.100 bis 1.000.000 g/mol, besonders bevorzugt 5.000 bis 500.000 g/mol, äußerst bevorzugt
5.000 bis 300.000 g/mol, insbesondere 10.000 bis 150.000 g/mol aufweisen. Die Bestimmung der Molmasse kann z. B. durch Dampfdruckosmose oder Lichtstreuung erfolgen.
Polymerkomponente P
Die Polymerkomponenten P können statistisch oder blockweise aufgebaut sein. Typischerweise handelt es sich dabei um hydrophile Polymere, wobei im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre unter einem hydrophilen Polymer ein mit Wasser bzw. wässrigen Lösungen benetzbares oder quellbares Polymer verstanden wird. Beispiele dafür sind: • Polyvinylalkohole, Polyvinylamin, Polyallylamin, Polyethylenimin, Polyacrylate, Polyacrylamide, Imide von Polymaleinsäureanhydrid-alt-methylvinylether oder Derivate davon. • Lineare Polyethylenglycole, Polypropylenglycole oder Derivate davon.
• Verzweigte oder sternförmige Polyethylenglycole, wie z. B. in US-Patent 5 171 264 beschrieben23, auf das in dieser Hinsicht Bezug genommen und dessen Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird, oder Derivate davon.
• Polyharnstoffe, Polyurethane, Polyester, Polycarbonate, Polyhydroxycarbon- säuren oder Derivate davon, die aus hydrophilen Diolen/Polyolen und/oder
Diaminen/Polyaminen aufgebaut sind. Die hydrophilen Diole/Polyole können Polyethylenglycole, Polypropylenglycole etc. sein. Die Diamine/Polyamine können Jeffamine, Polyethylenimine, Polyvinylamin, Polyallylamin, Polyethylenimin etc. sein. • Polysaccharide wie Cellulose, Stärke, Agarose, Dextran, Chitosan,
Hyaloronsäure oder Derivate davon, insbesondere Hydroxyalkylderivate oder saure Halbester.
• Polypeptide oder Derivate davon, die aus einer oder mehreren verschiedenen Aminosäuren aufgebaut sind, wie z. B. Polylysin, Polyphenylalaninlysin, Poly- glutamat, Polymethylglutamatgiutamat, Polyphenylalaninglutamat, Polyserin,
Polyglycin, Polyseringlycerin etc.
• Verzweigte Polyole auf Glycidolbasis, wie z. B. in der Patentanmeldung EP 0 116 978 und WO 00/37532, auf die beide in dieser Hinsicht Bezug genommen und deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird, beschrieben, oder Derivate davon. Bevorzugt sind Polyole auf Glycidolbasis mit einem Polymerisationsgrad von 1 bis 300, einer Polydispersität kleiner 1,7, einem Gehalt an verzweigten Einheiten, bezogen auf die Gesamtheit aller Monomereinheiten und bestimmt durch 13C-NMR-Spektroskopie, von 10 bis 33 mol%. Phosphorhaltige Gruppen A
Eine stabile Verankerung des Polymers auf der Wellenleiteroberfläche wird durch mehrere phosphorhaltige Gruppen erreicht, die direkt oder über einen Spacer S an ein Kohlenstoffatom der Polymerkomponente gebunden sind.
Die Gruppen A genügen vorzugsweise der Formel
A = sYp,
in der
p für die Zahl 1 und s für die Zahl 0 (d. h. A = Y) oder 1 (d. h. A = SY) steht
oder
p für die Zahl 2, 3, 4, 5 oder 6 und s für die Zahl 1 steht (d. h. A = S Yp)
und in der die Gruppe bzw. Gruppen Y aus folgenden phosphorhaltigen Radikale ausgewählt ist bzw. sind:
-O(R'O)PO2H, -P(RO)O2H, -N(CH2-P(R'O)O2H)2, -N(R')-CΗ2-P(RO)02H,
-CH(P(R'O)O2H)N(CH2-P(RO)O2H)2, -CH(CH2-P(RO)O2H)2,
-CR(CH2-P(RO)O2H)2, -C(CH2-P(RO)O2H)3, wobei R' für -H, -CH3 oder -C2H5 steht.
Vorzugsweise enthält das Polymer eine oder mehrere der folgenden Gruppen Y: -O(R'O)PO2H, -P(RO)O2H, -N(CH2-P(R'O)O2H)2, insbesondere -N(CH2-P(R'O)O2H)2, wobei R' bevorzugt für -H steht. Der Spacer S ist direkt an ein C-Atom des Polymers gekoppelt und trägt p gleiche oder unterschiedliche phosphorhaltige Radikale Y. Erfindungsgemäß bevorzugt sind folgende Spacer (Gruppe(n) Y sind mit angegeben):
-(CH2)q-(O-CH2-CH2)r-Y, -(CH2)q-(O-CH2-CH2-CH2)r-Y, -(CH2)q-(O-CH2-CH2)r-C6H4Y, -(CH2)q-(O-CH2-CH2)r-C6H3Y2,
-(CH2)q-(O-CH2-CH2)r-C6H2Y33
wobei q für Zahlen von 0 bis 20 und r für Zahlen 0 bis 100 steht.
In einer besonderen Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße Polymer phosphorhaltige Gruppen A in Form eines ein bis sechs gleiche oder verschiedene phosphorhaltige Reste tragenden Spacer S.
Bevorzugt sind folgende Gruppen A, die direkt an ein C-Atom des Polymers gekoppelt sind:
-PO3H2, -NH-CH2-CH2-PO3H2, -CH2-N(CH2-PO3H2)2, -N(CH2-PO3H2)2, -(CH2)4-N(CH2-PO3H2)2, -OPO3H2.
Funktionelle Gruppen F zur Immobilisierung von Erkennungselementen F steht für funktionelle Gruppen, die direkt an ein Kohlenstoffatom des Polymers gebunden sind, und über die Erkennungselemente direkt oder mit Hilfe eines Crosslinkers kovalent, koordinativ oder über eine andere chemische Bindung an das Polymer und somit an die Oberfläche des Bio- oder Chemosensors immobilisiert werden können. Die direkte Kopplung der Erkenungselemente kann vor der Beschichtung der Wellenleiter mit dem Polymer erfolgen oder danach. Typische funktionelle Gruppen, um Erkennungselemente kovalent zu immobilisieren, sind z. B.: Carbonsäure, Carbonsäureester, Carbonsäurechlorid, Carbonsäureanhydrid, Carbonsäurenitrophenylester, Carbonsäurenitrophenylester, Carbonsäure-N-hydroxy- succinimid, Carbonsäureimidazolid, Carbonsäure-pentafluorophenylester, Hydroxy, Toluolsulfonyl, Trifluoromethylsulfonyl, Epoxy, Aldehyd, Keton, ß-Dicarbonyl, Isocyanat, Thioisocyanat, Nitril, Amin, Aziridin, Hydrazin, Hydrazid, Nitro, Thiol, Disulfid, Thiosulfit, Halogen, Jodacetamid, Bromacetamid, Chloracetamid, Borsäureester, Maleimid, α,ß -ungesättigte Carbonyle, Phosphat, Phosphonat, Hydroxymethylamid, Alkoxymethylamid, Benzophenon, Azid, Triazen, Acylphosphan.
Alternativ können die Erkennungselemente auch koordinativ an das Polymer immobilisiert werden. Typische Gruppen dafür sind zum Beispiel: Iminodiessigsäure, Nitrilotriessigsäure.
Alternativ können biochemische Erkennungsreaktionen genutzt werden, um Erkennungselemente an das Polymer zu immobilisieren. Dazu können folgende Gruppen an das Polymer gebunden werden: StrepTag24, Digoxin, Digoxigenin, Biotin, Thiobiotin, Fluorescein, Dinitrophenol, Streptavidin, Avidin, etc.
In einer besonderen Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße Polymer funktionelle Gruppen F mit Crosslinkern, die vor oder nach der Beschichtung der Wellenleiter an das Polymer gebunden werden können. Diese Crosslinker können lineare, verzweigte oder vernetzte Moleküle, Oligomere oder Polymere mit einer Molmasse bzw. mittleren Molmasse von 50 bis 50.000 sein, die zwei oder mehr identische oder verschiedene funktionelle Gruppen tragen, oder andere kommerzielle Crosslinker sein. Bevorzugte Crosslinker lassen sich allgemein mit der Formel
Pl(Fl)m(F2)n
mit m, n = 0, 1, 2, ...100, bevorzugt mit m + n > 2, bevorzugt mit m, n = 1, 2 oder 3 beschreiben.
Pl kann sein: • Lineare oder verzweigte Alkyl- oder Arylreste mit 1-10 C-Atomen. • Lineare Polyethylenglycole, Polypropylenglycole, Copolymerisate dieser Polymere oder Derivate davon.
• Verzweigte oder sternförmige Polyethylenglycole wie z. B. in US-Patent 5 171 264 beschrieben25, auf das in dieser Hinsicht Bezug genommen und dessen Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird, oder Derivate davon.
• Polysaccharide wie Cellulose, Stärke, Agarose, Dextran, Chitosan, Hyaloronsäure oder Derivate davon.
• Polypeptide oder Derivate davon, die aus einer oder mehreren verschiedenen Aminosäuren aufgebaut sind, wie z. B. Polylysin, Polyphenylalaninlysin, Polyglutamat, Polymethylglutamatglutamat, Polyphenylalaninglutamat,
Polyserin, Polyglycin, Polyseringlycerin etc.
• Verzweigte Polyole oder Oligoole auf Glycidolbasis, wie z. B. in der Patentanmeldung EP 0 116 978 und WO 00/37532, auf die beide in dieser Hinsicht Bezug genommen und deren Inhalt hieπnit in diese Anmeldung aufgenommen wird, beschrieben, oder Derivate davon. Bevorzugt sind Polyole auf Glycidolbasis mit einem Polymerisationsgrad von 1 bis 300, einer Poly- dispersität kleiner 1,7, einem Gehalt an verzweigten Einheiten, bezogen auf die Gesamtheit aller Monomereinheiten und bestimmt durch 13C-NMR- Spektroskopie, von 10 bis 33 mol%.
FI sind funktionelle Gruppen, die eine Kopplung des Crosslinkers an die funktionellen Gruppen F des Polymers erlauben. F2 sind funktionelle Gruppen, an die Erkennungselemente über eine kovalente, koordinative oder über eine andere chemische Bindung gebunden werden können. FI und F2 können gleiche oder unterschiedliche funktionelle Gruppen sein. Beispiele für die Gruppen FI und F2 sind folgende funktionelle Gruppen:
Carbonsäure, Carbonsäureester, Carbonsäurechlorid, Carbonsäureanhydrid, Carbonsäurenitrophenylester, Carbonsäure-N-hydroxysucinimid, Carbonsäureimidazolid, Carbonsäure-pentafluorophenylester, Hydroxy, Toluolsulfonyl, Trifluoromethylsul- fonyl, Epoxy, Aldehyd, Keton, ß-Dicarbonyl, Isocyanat, Thioisocyanat, Nitril, A in, Aziridin, Diazirin, Hydrazin, Hydrazid, Nitro, Thiol, Dithiol, Thiosulfit, Halogen, Jodacetamid, Bromacetamid, Chloracetamid, Borsäureester, Maleimid, α,ß-unge- sättigte Carbonyle, Phosphat, Phosphonat, Hydroxymethylamid, Alkoxymethylamid, Benzophenon, Azid, Triazen, Acylphosphan.
Ein bevorzugter Crosslinker der Fonnel Pl(Fl)m(F2)n ist Ethylenglycolbissuccin- imidylsuccinat.
Segmente U zur Unterdrückung von unspezifischer Bindung
Das Polymer kann Segmente U besitzen, die die unspezifische Bindung von Proteinen etc. an das Polymer und damit an den Wellenleiter unterdrücken. Diese Segmente sind kovalent an der Polymereinheit P angebunden und können vorzugsweise hydrophile lineare, verzweigte oder vernetzte Oligomere oder Polymere mit einer bevorzugten Molmasse bzw. mittleren Molmasse von 100 bis
10.000 sein. Beispiele für solche Segmente sind:
• Lineare Oligo- oder Polyethylenglycole, Oligo- oder Polypropylenglycole, Copolymerisate dieser Oligomere bzw. Polymere oder Derivate davon. • Verzweigte oder sternförmige Oligo- oder Polyethylenglycole wie z. B. in US-
Patent 5 171 264 beschrieben26, auf das in dieser Hinsicht Bezug genommen und dessen Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird, oder Derivate davon.
• Oligo- oder Polysaccharide wie Cellulose, Stärke, Agarose, Dextran, Chitosan, Hyaloronsäure oder Derivate davon.
• Oligo- oder Polypeptide oder Derivate davon, die aus einer oder mehreren verschiedenen Aminosäuren aufgebaut sind, wie z. B. Polylysin, Polyphenylalaninlysin, Polyglutamat, Polymethylglutamatglutamat, Polyphenyl- ala inglutamat, Polyserin, Polyglycin, Polyseringlycerin etc. • Verzweigte Polyole oder Oligoole auf Glycidolbasis, wie z. B. in der Patentanmeldung EP 0 116 978 und WO 00/37532, auf die beide in dieser Hinsicht Bezug genommen und deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird, beschrieben, oder Derivate davon. Bevorzugt sind Polyole auf Glycidolbasis mit einem Polymerisationsgrad von 1 bis 300, einer Poly- dispersität kleiner 1,7, einem Gehalt an verzweigten Einheiten, bezogen auf die Gesamtheit aller Monomereinheiten und bestimmt durch 13C-NMR- Spektroskopie, von 10 bis 33 mol%.
Diese Segmente können in dem Polymer fehlen, wenn die Unterdrückung der unspezifischen Bindung bereits durch die Polymerkomponente erreicht wird.
Herstellung des Polymers
Das erfindungsgemäße Polymer kann hergestellt werden, indem z. B. unterschied- liehe Monomere, die die Gruppen A, F und U enthalten, nach Verfahren, die dem versierten synthetischen Chemiker bekannt sind, copolymerisiert werden. So kann das Polymer z. B. durch Copolymerisation von Vinylphosphonsäure, Polyethylen- glykolmethyletheracrylat und Acrylsäure hergestellt werden. Vor oder nach Aufbringen des Polymers auf die Wellenleiteroberfläche kann dann das Erkennungselement gebunden werden. Dazu werden die Carbonsäuregruppen durch
Umsetzung z. B. mit Carbodiimiden aktiviert und dann mit nukleophilen funktionellen Gruppen des Erkennungselementes umgesetzt, was zu einer kovalenten Anbindung des Erkennungselementes an das Polymer führt.
Alternativ können aber auch nach bekannten Verfahren Polymere synthetisiert werden, die identische oder unterschiedliche funktionelle Gruppen F besitzen. In weiteren Schritten können dann die phosphorhaltigen Gruppen A und gegebenenfalls Segmente U eingeführt werden. Dabei wird darauf geachtet, dass nur ein bestimmter Teil der Gruppen F umgesetzt wird. Über die verbleibenden Gruppen F können dann die Erkennungselemente gebunden werden. Bei Polymeren, die z. B. Hydroxygruppen als funktionelle Gruppen F tragen, können durch die Umsetzung mit Polyphosphorsäure die phosphorhaltigen Gruppen A erzeugt werden. Dabei wird nur ein Teil der Hydroxygruppen umgesetzt. Vor oder nach Aufbringen des Polymers auf die Wellenleiteroberfläche kann dann das Erkennungselement gebunden werden. Dazu werden die Hydroxygruppen durch Umsetzung z. B. mit
Toluolsulfonsäurechlorid aktiviert und dann mit nukleophilen funktionellen Gruppen des Erkennungselementes umgesetzt, was zu einer kovalenten Anbindung des Erkennungselementes an das Polymer führt.
Das Polymer kann z. B. auch aus Polymeren hergestellt werden, die Carbonsäuregruppen oder Derivate davon tragen. Durch Umsetzung z. B. mit Aminoethyl- phosphonsäure oder H2N-(C6H4)2-N(CH2PO3H2)2 werden die phosphorhaltigen Gruppen A eingeführt. Dabei wird nur ein Teil der Carbonsäuregruppen umgesetzt. Vor oder nach Aufbringen des Polymers auf die Wellenleiteroberfläche kann dann das Erkennungselement gebunden werden. Dazu werden die Carbonsäuregruppen durch Umsetzung z. B. mit Carbodiimiden aktiviert und dann mit nukleophilen funktionellen Gruppen des Erkennungselementes umgesetzt, was zu einer Kovalenten Anbindung des Erkennungselementes an das Polymer führt.
Werden aminhaltige Polymere wie z. B. Polyethylenimin, Polyvinylamin,
Polyallylamin oder Polylysin nach Mannich-Mödritzer mit Formaldehyd und phosphoriger Säure umgesetzt, können so die phosphorhaltigen Gruppen A eingeführt werden. Dabei wird nur ein Teil der Amingruppen umgesetzt. Vor oder nach Aufbringen des Polymers auf die Wellenleiteroberfläche kann dann das Erkennungselement gebunden werden. Dazu werden die Amingruppen durch
Umsetzung z. B. mit einem bifunktionellen Crosslinker wie Ethylenglycolbissuccin- imidylsuccinat umgesetzt. Dabei werden aktivierte Carbonsäuregruppen emgeführt, an die nukleophile Gruppen des Erkennungselementes binden können. Aufbringung des Polymers auf die Wellenleiter
Die phosphorhaltigen Gruppen A eignen sich bevorzugt für die Verankerung des Polymers auf Wellenleitern aus Materialien wie TiO2, Ta^s, ZrO2, HfO2, Al2O3, SiO2 (Si(Ti)O2), In2O3/SnO2 (ITO), Aluminumsilicate, Nb2O5, Vanadiumoxide, oder Mischungen dieser Materialien. Die Wellenleitermaterialien können aber auch Oxide oder Hydroxide folgender Elemente sein, die Oxide oder Hydroxide bilden können: Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, PD, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, B, AI, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Lanthanide, Actinide und Mixturen davon ebenso wie Mixturen von Gruppe Ha (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) und Vlb (Se, Te, Po)).
Das Polymer wird aus organischer oder wässriger Lösung auf die Wellenleiteroberflächen aufgebracht. Dies kann durch Inkubation in der Lösung, Tauchen, Sprühen, Spotten, Spincoating oder ähnliche übliche Verfahren geschehen. Typischerweise werden Lösungen zwischen 0,001 und 1.000 g/1, insbesondere zwischen 0,1 und 10 g/1, verwendet und die Wellenleiteroberflächen bei Temperaturen zwischen 0 und 200 °C, insbesondere zwischen 20 und 30 °C, beschichtet. Die Inkubationszeit der Wellenleitermaterialien mit den Polymer- Lösungen kann zwischen 10 s und 48 h liegen, typischerweise zwischen 10 min und 24 h. Nach der Inkubation werden die Wellenleiter mit organischen Lösungsmitteln oder wässrigen Lösungen gespült und gegebenenfalls weiter derivatisiert.
Immobilisierung der Erkennungselemente am Polymer
Erkennungselemente können direkt oder mit Hilfe eines Crosslinkers kovalent, koordinativ oder über eine andere chemische Bindung an die funktionellen Gruppen
F des Polymers und somit an die Oberfläche des Bio- oder Chemosensors immobilisiert werden. Die direkte Kopplung der Erkenungselemente kann vor der Beschichtung der Wellenleiter mit dem Polymer erfolgen oder danach. Die Erkennungselemente können über eigene funktionelle Gruppen wie Carbonsäure, Carbonsäureester, Carbonsäurechlorid, Carbonsäureanhydrid, Carbonsäurenitro- phenylester, Carbonsäure-N-hydroxysucinimid, Carbonsäureimidazolid, Carbon- säure-pentafluorophenylester, Hydroxy, Toluolsulfonyl, Trifluoromethylsulfonyl, Epoxy, Aldehyd, Keton, ß-Dicarbonyl, Isocyanat, Thioisocyanat, Nitril, Amin, Aziridin, Hydrazin, Hydrazid, Nitro, Thiol, Disulfid, Thiosulfit, Halogen, Jodacetamid, Bromacetamid, Chloracetamid, Borsäureester, Maleimid, α,ß- ungesättigte Carbonyle, Phosphat, Phosphonat, Hydroxymethylamid,
Alkoxymethylamid, Benzophenon, Azid, Triazen, Acylphosphan, an die funktionellen Gruppen F des Polymers kovalent gebunden werden. Die Kombination welche funktionelle Gruppe des Erkennungselementes mit welcher funktionellen Gruppe des Polymers reagiert ergibt sich aus den dem Chemiker bekannten Reaktionsmöglichkeiten zwischen den funktionellen Gruppen.
Proteine als Erkennungselemente können z. B. über ihre Aminosäureseitenketten an dem Polymer immobilisiert werden. Speziell Aminosäuren wie z. B. Lysine, Cysteine, Serine, Tyrosine, Histidine, Glutamate, Aspartate, die an der Oberfläche eines Proteins lokalisiert sind besitzen funktionelle Gruppen in ihren Seitenketten, die eine kovalente Bindung mit den funktionellen Gruppen des Polymers eingehen können. Funktionelle Gruppen können auch in den Erkennungselemente auch durch Derivatisierung (Phosphorylierung von Tyrosinen), Oxidation (z. B. Oxidation von Dioleinheiten glycosilierter Proteine zu Aldehydgruppen), Reduktion (z. B. von Disulfidbrücken zu Thiolen) oder Kopplung eines Crosslinkers erzeugt werden.
Neben der kovalenten Immobilisierung der Erkennungselemente an das Polymer können die Erkennungselemente auch koordinativ an das Polymer gebunden werden. Mit Methoden der Molekularbiologie können z. B. Proteine wie Enzyme, Antikörperf agmente und Rezeptoren mit speziellen Affinitätssequenzen wie z. B. dem 6xHistidin-Tag27 hergestellt werden. Diese Affinitätssequenzen besitzen eine hohe Affinität und Spezifität zu Metallionenkomplexen wie z. B. Nickel Nitrilotriessigsäure oder Kupfer Iminodiessigsäure, die als funktionelle Gruppe F in das Polymer eingebracht sein kann. Alternativ können auch biochemische Erkennungsreaktionen genutzt werden, um Erkennungselemente an das Polymer zu immobilisieren. Die sehr spezifische und hochaffme Bindung von Biotin an Streptavidin28 kann zur Immobilisierung von Erkennungselementen an das Polymer genutzt werden. Dazu müssen die funktionellen Gruppen F des Polymer z. B. Streptavidin sein. Das
Erkennungselement wird dann mit Biotin funktionalisiert und kann so an das Polymer gebunden werden. Alternativ kann das Erkennungselement molekularbiologisch oder chemisch mit einer kurzen Aminosäuresequenz versehen werden, dem sogenannten StrepTag24, der ebenfalls eine hohe Spezifität und Affinität für Streptavidin aufweist.
Vorteile
Multifunktionelle Polymere zur Bio- und Chemofunktionalisierung chemisorbieren aus organischer oder wässriger Lösung auf Wellenleiteroberflächen. Sie bilden aufgrund der spezifischen Bindung der phosphorhaltigen Gruppen an
Wellenleitermaterialien eine stabile Schicht auf dem Wellenleiter aus. Die Bindung ist über einen weiten pH-Bereich (ph = 1 bis pH = 14), Temperaturbereich (0 °C bis 100 °C) wie auch gegenüber hohen Salzkonzentrationen (IM) stabil. Auch die Anwesenheit von Detergenzien in der Reaktionslösung führt nicht zu einer Desorption des Polymers von der Wellenleiteroberfläche. Da das Polymer über die phosphorhaltigen Gruppen spezifisch auf die Wellenleiteroberfläche gebunden werden, kann ganz im Sinne einer Chemisoφtion nur eine Monolage an Polymer auf der Oberfläche aufgebracht werden. Die Dicke der Polymerschichten auf der Oberfläche ist somit selbstlimitierend und kann über die mittlere Molmasse und die chemische Struktur des Polymers gezielt eingestellt werden. Damit kann sichergestellt werden, dass die Erkennungselemente innerhalb des evaneszenten Lichtfeldes und somit im sensitiven Detektionsbereich des Signalwandlers immobilisiert werden.
Spezielle Segmente des Polymers bzw. die Polymerkomponente verhindern sehr effektiv die unspezifische Bindung von Proteinen und anderen organischen wie anorganischen Verbindungen an die Wellenleiteroberflächen. Damit ist es möglich sehr spezifisch nur die gewünschte Erkennungsreaktion mit Hilfe des Signalwandlers zu detektieren. Somit wird sowohl die Spezifität des Sensors erhöht wie auch das Signal-Rausch- Verhältniss deutlich verbessert.
Die Erkennungselemente werden über kovalente, koordinative oder andere chemische Bindungen stabil an das Polymer gebunden. Eine Desoφtion der Erkennungselemente vom Polymer wird so vermieden. Ein weiterer Effekt der sehr geringen unspezifischen Wechselwirkung des Polymers mit Proteinen und anderen organischen Molekülen stellt die hohe Aktivität der immobilisierten Erkennungselemente dar. Die Erkennungselemente sind sehr spezifisch an das Polymer gebunden, weitere unspezifische Wechselwirkungen der Erkennungselemente mit dem Polymer, die zu einer Verringerung der Aktivität der Erkennungselemente führen könnten, treten nicht bzw. nur in sehr geringen Maße auf.
Verwendung
Das Polymer kann auf verschiedenste Wellenleitermaterialien aufgebracht werden. An das Polymer können dann Erkennungselemente unter Erhalt ihrer Aktivität immobilisiert werden. Das Polymer agiert somit als Interface, um Erkennungselementen auf Signalwandlern wie z. B. Wellenleitern zu immobilisieren.
Das Polymer ermöglicht somit die Integration von Erkennungsreaktion und Signalwandler zu einem Sensor. Aufgrund des flexiblen Konzepts des Polymers können die unterschiedlichsten Erkennungselemente immobilisiert werden, so dass der Sensor in der Umweltanalytik, dem Nahrungsmittelbereich, der Human- und Veterinärdiagnostik und dem Pflanzenschutz eingesetzt werden kann, um Analyten qualitativ und/oder quantitativ zu bestimmen. Da das Polymer die unspezifische Bindung von organischen, anorganischen Verbindungen und Makromolekülen an die Sensoroberfläche verhindern, können auch Analyten in komplexen Proben wie z. B. Umgebungsluft, verschmutztem Wasser oder Köφerflüssigkeiten ohne oder nur mit geringer vorherige Aufreinigung qualitativ oder quantitativ bestimmt werden. Zusätzlich kann das Polymer auch in der (bio-)chemischen Forschung und Wirkstoffsuche eingesetzt werden, um mittels eines geeigneten Signalwandlers parallel oder sequentiell die Interaktion zwischen zwei unterschiedlichen Substanzen zu untersuchen. Damit kann z. B. die Interaktion von biologisch aktiven Substanzen, wie z. B. potentiellen Wirkstoffen mit Biomolekülen wie Proteinen, Membranrezeptoren, Ionenkanälen, DNA, RNA etc. untersucht werden.
Literatur
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Beispiele
Beispiel 1: Polymer aus phosponatfunktionellen Copolymeren.
Eine Mischung aus 50 g N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), 5 g Vinylphosphonsäure,
10 g Triethylamin, 15 g Methacryloxyethylacetoacetat, 30 g Polyethylenglykol- methyletheracrylat (Molmasse 750 g/mol), 0,5 g Azobisisobutyronitril und 1,5 g Dodecylmercaptan wurde 6 h auf 65 °C erhitzt. Nach dem Abkühlen wurde die Lösung in Ethanol auf eine Konzentration von 0,1 mg Polymer pro ml Lösung eingestellt und die Wellenleiteroberflächen in dieser Lösung 18 h inkubiert. Danach wurden die Wellenleiter mit Ethanol und lO mM (M ^ mol 1) NaOH gespült. Es wurde eine Lösung von 2 mg/ml monoklonaler Maus-Antiköφer gegen Myobglobin in lO mM Natriumacetatpuffer, eingestellt auf pH = 5, hergestellt und die Wellenleiteroberflächen 2 h darin inkubiert. Es wurde eine Oberflächenkonzentration von Antiköφer von 1 ,5 ng/mm2 erhalten.
Beispiel 2: Polymer aus Phosphatestern von Polyvinylalkohol.
Eine Mischung aus 50 g einer 10 %igen Lösung von Polyvinylalkohol (Polyvinylacetat mit einem Verseifungsgrad von 88 % und einer Höppler- Viskosität der 4 %igen Lösung in Wasser von 18) in DMSO und 0,1 % Polyphosphorsäure wurde 15 min auf 100 °C erhitzt. Nach dem Abkühlen wurden 10 g
Bernsteinsäureanhydrid zu der Lösung gegeben und bei 21 °C für 3 h gerührt. Im nächsten Schritt wurde die Lösung in Ethanol auf eine Konzentration von 1 mg Polymer pro ml Lösung eingestellt und die Wellenleiteroberflächen in dieser Lösung
18 h inkubiert. Danach wurden die Wellenleiter mit Ethanol und 10 mM NaOH gespült. Die Oberfläche wurde 10 min in einer Lösung von I M N-
Hydroxysuccmimid und 1 M N-Dimethylaminopropyl-N'-ethyl-carbodiimid- hydrochlorid in Reinstwasser inkubiert und danach mit Reinstwasser gespült. Es wurde eine Lösung von 2 mg/ml monoklonaler Maus-Antiköφer gegen Myobglobin in 10 mM Natriumacetatpuffer, eingestellt auf pH = 5, hergestellt und die Wellenleiteroberflächen 2 h darin inkubiert. Es wurde eine Oberflächenkonzentration von Antiköφer von 2,5 ng/mm2 erhalten.
Beispiel 3: Polymer aus imidisierten MSA-Copolymeren.
Eine Mischung aus 9,5 g 2-(2-Aminoethoxy)-ethanol, 1,11 g Aminomethanphos- phonsäure, 1 g Triethylamin und 100 ml Wasser wurde portionsweise bei 70 °C mit 15,6 g Polymaleinsäureanhydrid-alt-methylvinylether (MW (mittlere Molmasse) = 216.000 g/mol) versetzt. Nach dem Abkühlen wurde die Lösung in Ethanol auf eine Konzentration von 10 mg Polymer pro ml Lösung eingestellt und die
Wellenleiteroberflächen in dieser Lösung 18 h inkubiert. Danach wurden die Wellenleiter mit Ethanol und lO mM NaOH gespült. Die Oberflächen wurden in einer 10 mg/ml Lösung von Ethylenglycolbissuccinimidylsuccinat in DMSO 30 min inkubiert und danach mit DMSO und Reinstwasser gespült. Es wurde eine Lösung von 2 mg/ml monoklonaler Maus-Antiköφer gegen human chorionic Gonadotropin in 10 mM Natriumacetatpuffer, eingestellt auf pH = 5, hergestellt und die Wellenleiteroberflächen 2 h darin inkubiert. Es wurde eine Oberflächenkonzentration von Antiköφer von 2,0 ng/mm2 erhalten.
Beispiel 4: Polymer aus phosphonatfunktionellen Copolymeren gepfropft mit
Polyglycidol.
Herstellung der Pfropfgrundlage (fettsäuremodifiziertes Polyglycidol): Eine Mischung aus 28 g Sojaölfettsäure und 74 g Epoxypropanol (Glycidol) wurde 1 h auf 140 °C erhitzt und dann innerhalb von 6 h eine Mischung aus 0,4 g
Phosphorsäure und 333,5 g Epoxypropanol hinzudosiert. Dann wurde 16 h bei 140 °C nachgerührt.
Eine Mischung aus 20 g des zuvor hergestellten fettsäuremodifizierten Polyglycidols, 20 g Methacryloyloxyethylacetoacetat, 2 g Vinylphosphonsäure, 2 g Triethylamin,
42 g NMP und 0,4 g Azobisisobutyronitril wurde 16 h auf 65 °C und 1 h auf 100 °C erhitzt. Nach dem Abkühlen wurde die Lösung in Ethanol auf eine Konzentration von 3 mg Polymer pro ml Lösung eingestellt und die Wellenleiteroberflächen in dieser Lösung 10 h inkubiert. Danach wurden die Wellenleiter mit Ethanol und lO mM NaOH gespült. Es wurde eine Lösung von 2 mg/ml monoklonaler Maus- Antiköφer gegen Myobglobin in 10 mM Natriumacetatpuffer, eingestellt auf pH = 5, hergestellt und die Wellenleiteroberflächen 2 h darin inkubiert. Es wurde eine Oberflächenkonzentration von Antiköφer von 3,5 ng/mm2 erhalten.
Beispiel 5: Polyglycidol, derivatisiert mit Maleinsäureanhydrid und Imino- bis-methylenphosphonsäure.
Herstellung des thiolderivatisierten Imido-di-methylenphosphonsäure-Reagenz: 100 g Mercaptoethylamin-hydrochlorid, 150 g phosphorige Säure und 170 g Wasser wurden vorgelegt, auf 100°C erhitzt und innerhalb von 1 h 287 g Formalin (37 %) hinzugetropft. Es wurde 1 h nachgerührt und dann das Lösungsmittel im Vakuum abgezogen.
Herstellung des Polyglycidols:
1,88 g Hexadecylamin wurden in einem auf 100°C beheizten 250 ml Glasreaktor aufgeschmolzen und mit 1,2 g Glycidol zur Reaktion gebracht. Dann wurden 0,9 ml
Kaliummethoxidlösung (25 %ig in Methanol) zugesetzt und überschüssiges Methanol im Vakuum entfernt. Bei 140°C wurde der Rückstand in 15 ml trockenem Diglyme gelöst. Mit einer Geschwindigkeit von 25 ml pro Stunde wurden 260 g Glycidol in 350 ml trockenem THF zudosiert. Nach beendeter Zugabe wurde die Reaktionsmischung in 1200 ml Methanol gelöst und durch Filtration über einen sauren Ionentauscher (Amberlite® IR-120) neutralisiert. Das Filtrat wurde in 121 Aceton ausgefällt und das gewonnene Polymer bei 80°C für 12 h im Vakuum getrocknet. Es wurden 254 g einer farblosen, hochviskosen Flüssigkeit mit einer Molmasse von 30.000 g/mol und einer Polydispersität von 1,23 gewonnen. Alle Moleküle enthalten den Initiator als Kerneinheit und 27 % verzweigte Baueinheiten. Anschließend wurden 1 g zuvor hergestellten Polyglycerin und 5 g DMSO vorgelegt und auf 50°C erwärmt. Dann wurden 0,2 g Maleinsäureanhydrid zugegeben. Nach
15 min wurde auf 80°C erwärmt und 0,2 g thiolderivatisiertes Imido-bis- methylenphosphonsäure-Reagenz und 0,3 g Triethylamin zugegen. Nach 15 min wurde 0,05 g Azoisobutyronitril zugegeben und 4 h bei 80°C und 1 h bei 100°C nachgerührt.
Nach dem Abkühlen wurde die Lösung in Ethanol auf eine Konzentration von 2 mg Polymer pro ml Lösung eingestellt und die Wellenleiteroberflächen in dieser Lösung
16 h inkubiert. Danach wurden die Wellenleiter mit Ethanol und Wasser gespült. Die Oberfläche wurde 10 min in einer Lösung von 1 M N-Hydroxysuccinimid und 1 M N-Dimethylaminopropyl-N'-ethyl-carbodiimid-hydrochlorid in Reinstwasser inkubiert und danach mit Reinstwasser gespült. Es wurde eine Lösung von 2 mg/ml monoklonalem Maus-Antiköφer gegen Myoglobin in lO mM Natriumacetatpuffer, eingestellt auf pH = 5, hergestellt und die Wellenleiteroberflächen 2 h darin inkubiert. Es wurde eine Oberflächenkonzentration von Antiköφer von 2,8 ng/mm2 erhalten.
Beispiel 6: Polymer aus acetoacetoxy- und phophatestermodifϊziertem Dextran.
Eine Mischung aus 10 g Dextran (MW = 40.000 g/mol), 7g Acetessigsäure-tert- butylester, 100 g DMSO und 0,5 g Polyphosphorsäure wurde 4 h auf 80 °C erhitzt. Nach dem Abkühlen wurde die Lösung in Ethanol auf eine Konzentration von 1 mg Polymer pro ml Lösung eingestellt und die Wellenleiteroberflächen in dieser Lösung
8 h inkubiert. Danach wurden die Wellenleiter mit Ethanol und lO mM NaOH gespült. Es wurde eine Lösung von 2 mg/ml Streptavidin in lO mM Natriumacetatpuffer, eingestellt auf pH = 5, hergestellt und die Wellenleiteroberflächen 2 h darin inkubiert. Es wurde eine Oberflächenkonzentration von Streptavidin von 4,5 ng/mm2 erhalten. Beispiel 7: Polymer aus phosphonatfunktionellem Polylysin.
500 mg Poly-L-Lysin-hydrobromid (MW = 150.000 bis 300.000 g/mol), 170 mg phosphorige Säure und 4 ml Wasser wurden auf 100 °C erhitzt und dann 324 mg Formalin (37 %ig) hinzugegeben. Es wurde 1 h bei 100 °C gerührt. Nach dem
Abkühlen wurde die Lösung in Ethanol auf eine Konzentration von 1 mg Polymer pro ml Lösung eingestellt und die Wellenleiteroberflächen in dieser Lösung 2 h inkubiert. Danach wurden die Wellenleiter mit Ethanol und 10 mM NaOH gespült. Die Oberflächen wurden mit einer Lösung von 10 mg/ml Carboxymethyldextran (MW = 15.000 g/mol), 0,1 M N-Hydroxysuccinimid und 0,1 M N-Dimethylamino- propyl-N'-ethyl-carbodiimid-hydrochlorid in Reinstwasser 20 min inkubiert. Danach wurden die Oberflächen kurz mit Reinstwasser gespült und sofort mit 0,1 mg/ml einer aminfunktionalisierten DNA (20 Nucleotide) in 10 mM Natriumacetatpuffer (pH = 5) inkubiert. Es wurde eine Oberflächenkonzentration von DNA von 0,5 ng/mm2 erhalten.

Claims

Patentansprtiche
1. Phosphorhaltiges Polymer, geeignet zur Beschichtung von dielektrische Oberflächen, der allgemeinen Formeln I oder π,
P(A)m(F)nl(U)01 (I)
P(A)m(UFn2)o2 (H)
in denen
P für eine lineare oder verzweigte, unvemetzte oder vernetzte, homo- oder heteropolymere Polymerkomponente,
A für gleiche oder verschiedene, an P gebundene phosphorhaltige
Gruppen,
m für eine Zahl von 3 bis etwa 1000,
F für zusätzlich zu A vorhandene, gleiche oder verschiedene, direkt oder indirekt an P gebundene funktionelle Gruppen,
nl für eine Zahl von 1 bis etwa 1000,
n2 für eine Zahl von 1 bis etwa 100,
U für gleiche oder verschiedene, an P gebundene, lineare oder verzweigte, unvemetzte oder vernetzte, aus gleichen oder verschiedenen Monomeren aufgebaute oligomere oder polymere Segmente, 01 für eine Zahl von 0 bis etwa 1000 und
02 für eine Zahl von 1 bis etwa 1000 steht.
2. Polymer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es phosphorhaltige
Gruppen A in einer Menge von 0,001 bis 1 mEq (Milliäquivalente), vorzugsweise 0,01 bis 5 mEq, insbesondere 0,1 bis 3 mEq, enthält.
3. Polymer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es funktionelle Gruppen F in einer Menge von 0,001 bis 20 mEq, vorzugsweise
0,01 bis 10 mEq, insbesondere 0,5 bis 10 mEq, enthält.
4. Polymer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es Segmente U in einer Menge von 0,001 bis 20 mEq, vorzugsweise 0,01 bis 10 mEq, insbesondere 0,5 bis 10 mEq, enthält.
5. Polymer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer eine mittlere Molmasse von 1.000 bis 10.000.000 g/mol, vorzugsweise 2.100 bis 1.000.000 g/mol, besonders bevorzugt 5.000 bis 500.000 g/mol, äußerst bevorzugt 5.000 bis 300.000 g/mol, insbesondere
10.000 bis 150.000 g/mol aufweist.
6. Polymer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerkomponente P ein statistisches Copolymer oder Block- Copolymer ist.
7. Polymer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerkomponente P hydrophil ist.
8. Polymer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es phosphorhaltige Gruppen A in Form eines ein bis sechs gleiche oder verschiedene phosphorhaltige Reste tragenden Spacer enthält.
9. Polymer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es funktionelle Gruppen F enthält, die kovalente Bindungen, koordinative Bindungen oder biochemische Erkennungsreaktionen eingehen können.
10. Polymer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es funktionelle Gruppen F mit Crosslinkern enthält.
11. Polymer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente U eine Molmasse bzw. mittlere Molmasse von 100 bis 10.000 aufweisen.
12. Polymer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen bzw. Segmente U hydrophil sind.
13. Verfahren zur Herstellung eines Polymers nach einem Ansprüche 1 bis 12 durch Copolymersiation von
(A) einem eine phosphorhaltige Gruppe A enthaltendem Monomer oder mehreren, gleichen oder verschiedenen, gleiche oder verschiedene phosphorhaltige Gruppen A enthaltenden Monomeren
mit
(B) einem eine funktionelle Gruppe F enthaltendem Monomer oder mehreren, gleichen oder verschiedenen, gleiche oder verschiedene funktionelle Gruppen F enthaltenden Monomeren und (C) optional einem ein Segment U enthaltenden Monomer oder mehreren, gleichen oder verschiedenen, gleiche oder verschiedene Segmente U enthaltenden Monomeren.
zu einem Polymer der Formel I
oder mit
(B') einem eine Einheit (UFn2)o2 gemäß Formel II enthaltendem Monomer oder mehreren, gleichen oder verschiedenen, gleiche oder verschiedene Einheiten der Formel gemäß Formel II enthaltenden Monomeren
zu einem Polymer der Formel II.
14. Verfahren zur Herstellung eines Polymers nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durch
(i) Herstellung eines Polymers, das die Polymerkomponente P bildet und gleiche oder verschiedene, als funktionelle Gruppen F geeignete funktionelle Gruppen trägt, bevorzugt Hydroxy-Gruppen, Carboxy- Gruppen, Derivate von Carboxy-Gruppen und/oder Amin-Gruppen,
(ii) Umsetzung eines Teils der funktionellen Gruppen zu gleichen oder verschiedenen phosphorhaltigen Gruppen A und
(iii) optional Umsetzung eines Teils der funktionellen Gruppen zu gleichen oder verschiedenen Segmenten U, wobei Schritt (iii) nach, vor oder zusammen mit Schritt (ii) durchgeführt werden kann, und wobei in den Schritten (ii) und (iii) nicht alle funktionellen Gruppen umgesetzt werden und die nicht umgesetzten funktionellen Gruppen die funktionellen Gruppen F des Polymers bilden.
15. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht in den Schritten (ii) und (iii) umgesetzten funktionellen Gruppen teilweise oder vollständig mit einem oder mehreren gleichen oder verschiedenen Crosslinkern zu funktionellen Gruppen F umgesetzt werden.
16. Verwendung eines Polymers nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Beschichtung von dielektrischen Materialien, insbesondere von dielektrischen Wellenleitern.
17. Verwendung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer zur Beschichtung von dielektrischen Materialien, insbesondere von dielektrischen Wellenleitern, aus TiO2, TajO5, ZrO2, HfO2 oder Al2O3, bevorzugt aus TiO2 oder Ta^, verwendet wird.
18. Optischer Signalwandler mit einem beschichteten dielektrischen Wellenleiter, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einem Polymer nach einem der Ansprüche 1 bis 12 besteht.
19. Verwendung eines optischen Signalwandlers mit einem beschichteten dielektrischen Wellenleiter nach dem vorstehenden Ansprach zur
Immobilisierung von chemischen und/oder biochemischen Erkennungselementen.
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