EP1594607A1

EP1594607A1 - Verfahren zur erzeugung von mustern von physikalischen, chemischen oder biochemischen strukturen auf trägern

Info

Publication number: EP1594607A1
Application number: EP03727442A
Authority: EP
Inventors: Dieter Institut für Angewandte Physik KERN; Heinrich Hoerber; Christoph Lienau; Erik Nibbering; Manfred Wick
Original assignee: Europaisches Laboratorium fuer Molekularbiologie EMBL; Eberhard Karls Universitaet Tuebingen
Current assignee: Eberhard Karls Universitaet Tuebingen
Priority date: 2002-05-06
Filing date: 2003-05-06
Publication date: 2005-11-16
Also published as: WO2003092881A1; AU2003233242A8; AU2003233242A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erzeugung von Mustern von physikalischen, chemischen und/oder biochemischen Strukturen auf einem Träger mittels eines ortsaufgelösten Transfers von Elektronen und/oder Energie aus den auf dem Träger befindlichen Nanostrukturen bereitgestellt. Bei diesem Verfahren wird dieser Transfer durch eine selektive Anregung der Plasmonen in den Nanostrukturen induziert. Die Anregung der Plasmonen erfolgt insbesondere elektrisch, mittels elektromagnetischer Bestrahlung und/oder mittels Elektronenbestrahlung.

Description

Verfahren zur Erzeugung von Mustern von physikalischen, chemischen oder biochemischen Strukturen auf Trägern

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Mustern von physikalischen, chemischen und/oder biochemischen Strukturen auf einem Träger mittels eines ortsaufgelösten Transfers von Elektronen und / oder Energie aus den auf dem Träger befindlichen Nanostrukturen.

In der biologischen und medizinischen Forschung sowie in der medizinischen Analytik existiert ein großer Bedarf an effektiven Methoden zur Analyse komplexer Gemische von Molekülen wie DNA, Proteinen, Zuckern, Stoffwechselmetaboliten etc. Die hierzu entwickelte Microarray-Technologie, bei der viele verschiedene Sensormoleküle dicht gepackt in einem vordefinierten Muster auf einer Träger- Oberfläche aufgebracht sind, ist mittlerweile zur Standardmethode vor allem im Bereich der parallelen Analyse biologischer Proben geworden. Sie wird z.B. bei der Analyse der Genexpression, bei der genetischen Diagnostik, in der biologischen und pharmazeutischen Forschung und zur Bestimmung genmanipulierter Organismen in der Lebensmittelindustrie verwendet.

Die Microarray-Technologie benötigt in der Fertigung einfache, reproduzierbare und preisgünstige Methoden, um hinreichend viele unterschiedliche Moleküle auf kleinstem Raum mit hoher Güte und Qualität anzubieten. Ein wesentliches Problem bei der Herstellung von Microarrays aus komplexen Molekülen mit hoher Dichte und großer Variation ist das vielfach reproduzierbare ortsspezifische Aufbringen von Molekülen auf die Träger-Oberflächen. Hierfür sind prinzipiell die folgenden zwei Verfahren für die Produktion von DNA-Arrays bekannt. Bei der ersten Methode werden fertige Makromoleküle entweder in Tropfenform (spotting) mittels Drucknadel (US 6,101 ,946), Mikropipetten (US 5,601 ,980) oder Tintenstrahldruckern (US 5,927,547) auf die Träger-Oberfläche aufgetragen. Die Durchmesser der Molekül- Fixierstellen (Spots) betragen bei diesen Verfahren 50 μm bis 200 μm. Eine dichtere Auftragung bzw. kleinere Spot-Größen sind mit dieser Technik nicht möglich. Bei der zweiten Methode findet eine in situ- Synthese von Array-Molekülen aus Monomeren mittels photochemisch- oder elektrostatisch-vermittelter Reaktionen am Ort direkt auf einem Träger statt. Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine photolithographische Technik, bei der mittels speziell dafür hergestellter Licht- bzw. Photomasken spezifische Endschutzgruppen entfernt werden und somit eine direkte Festphasen-Synthese der DNA auf einer Trägeroberfläche ermöglicht wird (WO 92/10092). Die Ortsinformation bzw. Position der zu adressierenden Oligonukleotidsequenz wird bei diesem Verfahren durch die jeweils aufgebrachte Lichtmaske gegeben. Diese fest bestehende Abfolge, bzw. Permutation von Masken legt ein starres Muster der synthetisierten Sequenzen fest. Mit diesem Verfahren können zwar wesentlich kleinere Spot-Größen und höhere Dichten als mit der ersten Methode erreicht werden, die bisher erreichten Effizienzen der Einzelsynthese von 80% bis 95% pro Syntheseschritt grenzen die Anwendbarkeit dieser Techniken jedoch auf kurze Oligosequenzen bzw. auf wenige Variationen der Sequenzen ein. Darüber hinaus ist diese Methode mit einem erheblichen technischen sowie Zeit- und Kostenaufwand verbunden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Effektivität der Synthesemethoden zur Herstellung von Microarrays zu erhöhen und ein flexibles, effektives und günstiges Verfahren zur ortsaufgelösten Herstellung von molekularen Mustern auf einem Träger bereitzustellen, das auch als Basis zur Produktion von Halbleiter- Molekülhybridstrukturen für den Bereich der sog. molekularen Elektronik dienen kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung in erster Linie ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen vor. Eine Ausweitung der Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ist Gegenstand der übrigen abhängigen und unabhängigen Ansprüche 2 bis 24, deren Wortlaut ebenso wie der Wortlaut der Zusammenfassung durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird.

Das oben genannte Ziel wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, dass die an der Oberfläche des Trägers stattfindenden Reaktionen bzw. Veränderungen auf Grund der Antenneneigenschaften der auf der Träger-Oberfläche vorhandenen Nanostrukturen als Folge einer Anregung ihrer Plasmonen und einen anschließenden Transfer von Energie und / oder Elektronen auf an ihre Oberfläche chemisch oder physikalisch gebunden Moleküle induziert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst also die Erzeugung von Mustern von physikalischen, chemischen und/oder biochemischen Strukturen auf einen Träger mittels eines ortsaufgelösten Transfers von Elektronen und/oder Energie aus den auf dem Träger befindlichen Nanostrukturen bzw. Nanopartikeln, wobei dieser Transfer durch eine selektive Anregung der Plasmonen in den Nanostrukturen induziert wird. Unter den physikalischen, chemischen oder biochemischen Strukturen werden in der vorliegenden Erfindung chemische oder biochemische Moleküle aller Art, Zellen oder Zellbestandteile, Viruspartikel, einzelne Atome, Elektronen oder dergleichen verstanden.

Als Plasmonen werden kollektive Anregungen (Elektronendichtewellen) eines Elektronengases eines Metalls oder Halbleiters an einer

Grenzfläche Metall / Dielektrikum bzw. Halbleiter / Dielektrikum bezeichnet. Aufgrund der starken Lokalisierung der Plasmonen an der Grenzfläche, man spricht hier auch von Oberflächenplasmonen, sind ihre Eigenschaften sehr empfindlich von den physikalischen Parametern der Grenzschicht abhängig. So besitzen Metall- / Halbleiter- Nanostrukturen ein charakteristisches Plasmonenspektrum, welches durch das Material (Dichte, effektive Masse der Leitungselektronen), ihre äußere Form und Größe, sowie die Kopplung mit der Umgebung, z.B. einer Wechselwirkung mit einer Oberfläche, mit anderen Nanostrukturen und damit deren Dichte, oder mit einem umgebenden gasförmigen, flüssigen oder festen Medium bestimmt ist. Für vereinfachte Geometrien (z.B. planare Oberfläche oder Kugeln mit einem Radius der viel kleiner als die Wellenlänge ist) lassen sich die Frequenz der Plasmonresonanz direkt aus den Maxwell'schen Gleichungen ableiten (H. Raether, Surface Plasmons, Springer Tracts Mod. Phys., Vol. 111 , Springer, 1988, U. Kreibig, M. Vollmer, Springer Ser. Mat. Sei. 25, Springer, 1995). Speziell für spärische Nanopartikel in einem dielektrischen Medium mit dielektrischer Funktion ε_m ergibt sich die Resonanzfrequenz ω_P wenn (ει(ω)+2ε_m)² +ε₂(ω)² ein Minimum annimmt. Dabei bezeichnet ει(ω)+iε₂(ω) die komplexe frequenzabhängige dielektrische Funktion des Nanopartikels. Oftmals kann die dielektrische Funktion von leitfähigen Nanopartikeln gut durch ein freies Elektronmodell (Drude-Modell) wiedergegeben werden, wobei sich dann die Resonanzfrequenz zu ωp² = (N e²)/(4 π εo m_e R³) ergibt. Dabei bezeichnet R den Radius der Kugel, e die Elementarladung, ε₀ die Vakuum-Dielektrizitätskonstante, m_e die effektive Masse und N die Gesamtzahl der Leitungselektronen in der Kugel. Für kugelförmige metallische Nanostrukturen aus Silber liegen die Plasmonresonanzen je nach Größe der Kugel zwischen 350 und 650 nm (U. Kreibig, M. Vollmer, Springer Ser. Mat. Sei. 25, Springer, 1995, S. R. Emory et al., J. Am. Chem. Soc. 120, 8009, (1998)), bei Goldpartikeln mit Abmessungen von 1 nm bis 100 nm werden Resonanzfrequenzen zwischen etwa 500 nm und 700 nm beobachtet (U. Kreibig, M. Vollmer, Springer Ser. Mat. Sei. 25, Springer, 1995. T. Klar et al., Phys. Rev. Lett. 80, 4249 (1998)). Bei halbleitenden Nanostrukturen kann die Resonanzfrequenz durch Variation der Dotierung, d.h. der Elektronendichte N/R³, über einen grossen Bereich variiert werden und speziell den nahen, mittleren und fernen Infrarotbereich abdecken (R. Hillenbrand et al., Nature 418, 159 (2002)). Die Dämpfung der Plasmonresonanz wird wiederum durch die dielektrische Funktion, die Größe und Form des Nanopartikels bestimmt. Sie beträgt für metallische Nanoparktikel typischerweise einige 10 bis 100 meV (Feldmann) und im infraroten Spektralbereich einige meV. Es ist bekannt, dass sich im Nahfeld der Nanostruktur aufgrund ihrer sich aus den Maxwell-Gleichungen ergebenden Antennenwirkung eine starke lokale Resonanzüberhöhung des elektrischen Feldes auftritt (L. Novotny et al. Phys. Rev. Lett. 79, 645 (1997)). Dieses bedeutet, dass sich durch spektral resonante Anregung des Nanopartikels ein lokales elektrisches Plasmon-Feld erzeugen läßt, dessen geometrische Abmessungen nicht mehr wie in der konventionellen Optik durch die Wellenlänge des Lichtes, sondern durch Größe und Form der Nanostruktur bestimmt ist.

In der vorliegenden Erfindung wird diese elektrische Feldüberhöhung zur selektiven, lokalen Induktion photochemischer Elementarprozesse nutzbar gemacht.

Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, dass in metallischen oder halbleitenden Nanostrukturen (Fig. 1 ) auf einem Träger durch elektrische oder elektromagnetische Anregung Plasmonen lokal erzeugt werden, die als Folge durch einen Energie- und / oder Elektronentransfer in die darauf befindlichen physikalischen, chemischen oder biologischen Strukturen in diesen Strukturen Veränderungen auslösen. Die Art und Stärke der Wechselwirkungen zwischen den Nanostrukturen und den darauf befindlichen physikalischen, chemischen oder biologischen Strukturen hängt von der Kombination der Materialien, der Dichte und Umgebung der Strukturen, ihren Absorptions- und Emissionsspektren, ihrer physikalischen und / oder chemischen Kopplung, ihrem relativen Abstand, ihrem Abstand von der Trägeroberfläche und von dem Zeitablauf der Anregung ab.

In einer bevorzugten Ausführung werden die Plasmonen von auf einem Träger aufgebrachten Nanostrukturen optisch angeregt. Die Anregung erfolgt, wenn sowohl Energie als auch Impuls des einfallenden Lichtfeldes mit dem der Plasmonen übereinstimmt (Resonanz). Eine selektive Anregung der Plasmonenresonanz einer bestimmten Gruppe von Nanostrukturen kann somit sowohl mit Hilfe der Variation der Wellenlänge (Energie), des Einfallwinkels (Impuls), der Polarisation und der Intensität des einfallenden Lichtes erreicht werden.

Besonders gut geeignet zur Anregung von Plasmonen sind Lasersysteme, die Femtosekunden-Pulse (fs-Pulse) erzeugen können. Ein fs-Puls ist zeitlich kürzer als die typischen Schwingungsperioden molekularer Anregungen, und er verursacht zugleich eine praktisch zeitlich unverzögerte Initialisierung vibronischer Kernbewegung im Molekül. Ein fs-Puls führt auf Grund seiner relativ großen spektralen Breite zu einer Überlagerung von vielen synchronen Schwingungen in Phase im angeregten Zustand. Dies wird erfindungsgemäß dazu genutzt, um eine synchrone und effektive Elektronen- und / oder Energieübertragung auf die darauf befindlichen Strukturen zu initiieren. Ultrakurze Lichtimpulse mit zeitlichen Dauern von 10 bis 100 fs besitzen spektrale Breiten von 10 - 100 meV und lassen sich somit spektral an die Plasmonresonanzen anpassen. Dieses ermöglicht eine impulsive Anregung vibronischer Kernbewegungen im Molekül, wodurch durch Wahl der Amplituden-, Farben- und Phasenzusammensetzung des Lichtimpulses die Dynamik der Kernbewegung in gewissen Grenzen kontrolliert werden kann. Hieraus ergeben sich Möglichkeiten zur kohärenten Kontrolle photochemischer Elementarreaktionen, sowohl in elektronisch angeregten Zuständen im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich (A. Assion et al., Science 282, 919 (1998)) wie auch für Reaktionen im elektronischen Grundzustand bei Anregung mit ultrakurzen Infrarot-Impulsen im Spektralbereich zwischen 500 und 4000 cm^"1 (T. Witte et al., J. Chem. Phys. 118, 2021 (2003)).

Der Energie- und / oder Elektronentransfer aus den angeregten Nanostrukturen an die darauf befindlichen physikalischen, chemischen und/oder biochemischen Strukturen kann nach unterschiedlichen Mechanismen stattfinden. Das Plasmon kann unter Aussendung eines Photons zerfallen, das in Resonanz mit einer Absorptionslinie im Spektrum der darauf befindlichen Struktur ist und daher absorbiert wird (Strahlungskopplung). Bei entsprechendem Abstand kann auch durch eine Nahfeldkopplung (Förster-Transfer) Energie übertragen werden. Eine andere Möglichkeit stellt nach der Anregung der Nanostrukturen ein Elektronentransfer auf die daran befindlichen Strukturen dar. Der grundlegende Mechanismus für den optisch induzierten Elektronentransfer wird z.B. bei D.S. Ginger in Physical Rev. B Vol. 59, Nr 16, 10622-29: „Photoinduced electron transfer from conjugated polymers to CdSe nanocrystals" in umgekehrter Richtung beschrieben.

Das räumliche Muster, d.h. die Positionen der Nanostrukturen, an denen die optische Anregung erfolgen und von denen ausgehend der Energie- und / oder Elektronentransfer stattfinden soll, können erfindungsgemäß prinzipiell durch zwei verschiedene Methoden definiert werden.

In der ersten Ausführungsvariante können die Plasmonen von ausgewählten Nanostrukturen räumlich aufgelöst angeregt werden. Das kann beispielsweise durch die Verwendung von Photomasken erreicht werden, die einzelne Trägerbereiche abdecken und nur die Nanostrukturen für das einfallende Licht offen lassen, an denen bei der Bestrahlung der Energie- und / oder Elektronentransfer erfolgen und die darauf folgende Reaktion stattfinden soll. Ein serielles Bestrahlung und damit eine Anregung von Trägerbereichen mit einem Laserschreiber, analog zu einem Laserdrucker bzw. Scanner ist ebenfalls möglich und wird von der Erfindungen umfasst.

In der zweiten Ausführungsvariante wird die gesamte Trägeroberfläche gleichmäßig und gleichzeitig bestrahlt. Zur variablen, selektiven, ortsaufgelösten Anregung ausgewählter Nanostrukturen und somit zur Erzeugung des gewünschten Musters werden nunmehr die intrinsisch beim Design der Träger vorgebbaren Eigenschaften der Nanostrukturen ausgenutzt. Durch die Wahl der Materialien, Größe, Form, Anordnung und Umgebung einzelner Nanostrukturen oder Gruppen können ihre Anregungswellenlänge, Anregungsdauer, Anregungspolarisation und/oder -Intensität vorgegeben werden. Diese hochspezifischen spektralen Eigenschaften der Nanostrukturen in Verbindung mit dem Design ihrer Anordnung auf einem Träger und den darauf befindlichen physikalischen, chemischen oder biologischen Strukturen ermöglichen eine ortsspezifische optische Anregung, definiert durch die Wahl der Anregungsparameter wie Farbe, spektrale Bandbreite, Intensität, Polarisation oder Einfallswinkel des Lichts, und ersetzen somit eine oder mehrere Masken. Mit dieser zweiten Methode lassen sich somit variable Muster von Nanostrukturen selektiv und ortsaufgelöst anregen. Bei dieser Ausführung werden vor der Bestrahlung Spektren für die entsprechenden Nanostrukturen auf dem Träger ermittelt. Alternativ können die beschichtete Nanostrukturen passend zu den entsprechenden vorher festgelegten Spektren maßgeschneidert angefertigt werden.

Zur Korrelation zwischen den physikalischen Eigenschaften der Nanostrukturen und deren spezifischen Anregungsspektren wird auf folgende Artikel verwiesen: B. Palpant, Physical Review B, Vol 57, Nr 3, S. 1963-1970, „Optical properties of gold clusters in the size ränge 2-4 nm"; M. Gaudry, Physical Review B, Vol 64, 085407-1 -7, „Optical properties of Au/Ag-clusters embedded in aluminia: Evolution with size and stoichiometry"; Steven R. EmoiN, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 8009-8010, "Direct observation of Size-Dependend Optical Enhancment in Single Metal Nanoparticles". Der Vorteil dieser Ausführungsvariante besteht darin, dass bei jedem Reaktionsschritt die gesamte Träger- Oberfläche bestrahlt werden kann. Eine Plasmonenanregung und ein Energie- und / oder Elektronentransfer erfolgt nur an den Nanostrukturen, die entsprechende Spektren aufweisen, die übrigen Nanostrukturen bleiben unverändert. Auf diese Weise kann auf aufwändige Photomasken ganz oder teilweise verzichtet werden.

Die beiden oben beschriebenen Möglichkeiten der gezielten Anregung ausgewählter Nanostrukturen können erfindungsgemäß kombiniert werden. Dadurch erhöht sich die mögliche Variationsbreite der herzustellenden Muster auf der Träger-Oberfläche erheblich.

Die Anregung der Plasmonen in den Nanostrukturen kann auch elektrisch erfolgen. In diesem Fall muss der Träger oder darauf aufgebrachte Strukturen aus einem elektrisch leitenden Material sein. Die Nanostrukturen sollten vorteilhafterweise elektrisch in einer Weise isoliert sein, dass kein Elektronentransport oder nur ein Elektronentransport durch Elektronentunnel in der Isolationschicht stattfindet. Dies kann dadurch erreicht werden, dass auf einen isolierenden Träger eine leitende Schicht, gefolgt von einer wenige Nanometer dicken Isolatorschicht aufgebracht wird. Auf diesem Sandwich können die metallischen oder halbleitenden Nanostrukturen erzeugt werden. Eine elektrische Potentialdifferenz zwischen leitender Unterschicht und Nanostrukturen - etwa als Potentialdifferenz zwischen Grundelektrode und einem die Strukturen bedeckenden Elektrolyten - ermöglicht die Anregung von Plasmonen in den Nanostrukturen mittels durch die Isolatorschicht tunnelnder Elektronen. Bei einer bevorzugten Ausführung kann die lokalisierte elektrische Anregung dadurch erfolgen, dass die leitende Unterlage strukturiert auf einem geeignet modifizierten Halbleiterchip, z.B. einem SRAM-Chip (Static Random Access Memory) aufgebracht wird, so dass wohl definiert lokale Bereiche von wenigen Mikrometern Ausdehnung spezifisch mit einer geeigneten Spannung belegt werden können. Die Kombination der beiden Anregungsmechanismen - optische und elektronische Anregung der Plasmonen an den Nanostrukturen - ist möglich und ist Teil der Erfindung.

Auch andere aus der Physik bekannten Anregungs- und Transfermechanismen sind möglich, z.B. der Einsatz von Elektronenstrahlen, Tunnel- und Kraftmikroskopen, und werden von der Erfindung umfasst.

Als Materialien für die Nanostrukturen verwendet man vorteilhaft Metalle, Legierungen oder Halbleiterstrukturen. Besonders bevorzugt werden Nanostrukturen aus Gold, Silber, Gallium-Arsenid (GaAs) oder anderen aus der Physik der Quantendots bekannten Materialien hergestellt. Eine Kombination von verschiedenen Materialien für Nanostrukturen ist ebenso möglich, diese wird jedoch eventuell durch die verwendeten Fertigungsprozesse beschränkt.

Erfindungsgemäß weisen die auf den Träger aufgebrachten Nanostrukturen Dimensionen im sub-Mikrometer-Bereich auf, bevorzugt kleiner als 200 nm. Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei sphärischen Nanostrukturen die Intensität des lokalen elektrischen Feldes proportional zum Quadrat des Volumens der Nanostruktur ist. Daher sind speziell Nanostrukturen mit Abmessungen im Bereich von 2 bis 100 nm bevorzugt, da sie zum einen eine Lokalisierung des Feldes auf Dimensionen weit unterhalb der Wellenlänge des Lichtes ermöglichen und zum anderen eine hinreichend hohe Feldintensität gewährleisten. Die Abstände zwischen einzelnen Nanostrukturen sind variierbar und ein möglicher Parameter beim Design der Trägerstrukturen zur Anpassung der Kopplungsparameter für die Wechselwirkungen zwischen den Nanostrukturen und den darauf befindlichen physikalischen, chemischen und/oder biologischen Strukturen.

In einer besonders bevorzugten Ausführung weisen die Nanostrukturen auf einem Träger unterschiedliche Formen auf. Sie können z.B. kreisförmig oder elliptisch sein oder eine sonstige geometrische Form aufweisen. Die Form und die Größe der Nanostrukturen sowie das Material bestimmen im Zusammenspiel mit anderen Faktoren die spektralen Eigenschaften der Plasmonen und ihre

Wechselwirkungskopplung mit den angebundenen Strukturen.

Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der spektralen Variabilität der Plasmonen der Nanostrukturen besteht in der Verwendung spezieller Abstands- und / oder Kopplungselemente und ihrem Abstand für die Nanostruktur zum Träger, bzw. zwischen den Nanostrukturen und zu den darauf befindlichen Strukturen (Fig. 2 und Fig. 3). Hierfür können alle dem Fachmann bekannten Abstandhalter und / oder Kopplungselemente eingesetzt werden. Für Beispiele möglicher Abstand- und/oder Kopplungselemente sowie ihrer Auswirkung auf die dazugehörige Plasmonenspektren wird auf die folgenden Artikel verwiesen: Dustin J. Maxwell, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, S. 9606- 9612, "Self-Assembied Nanoparticle Probes for Recognition and Detection of Biomolecules"; D.S. Ginger, Physical Rev. B, Vol 59, Nr 16, S. 10622-10629, "Photoinduced electron transfer from conjugated polymers to CdSe nanocrystals"; Yun Wei, Science 2002, Vol 297, S. 1536-1540, "Nanoparticles with Raman Spectroscopic Fingerprints for DNA and RNA Detection"; Wensha Yang, Nature materials 2002, Vol 1 , S. 253-257, "DNA-modified nanocrystalline diamond thin-films as stable, biologically active Substrate"; Zhang Lin, Langmuier 2002, 18, S. 788- 796, "DNA Attachment and Hybridization at Silicon (100) Surface". Die verwendeten Abstands- und/oder Kopplungsstrukturen zwischen dem Träger, den Nanostrukturen und den an diese darauf befindlichen physikalischen, chemischen und / oder biologischen Strukturen fungiert somit nicht nur als verbindendes Element, sondern moduliert außerdem die Wechselwirkungen zwischen der angeregten Nanostrukur und den aufgebrachten bzw. synthetisierten physikalischen, chemischen und / oder biologischen Strukturen und die Anregungseigenschaften der Strukturen.

Zur Erzeugung der Nanostrukturen auf der Träger-Oberfläche können alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verwendet werden. Dabei können je nach Größe der Strukturen entweder konventionelle, aus der Halbleiterfertigung abgeleitete Techniken wie z.B. Elektronenstrahllithographie und reaktives oder physikalisches lonenätzen, oder neue selbstorganisierende chemische Oberflächenstrukturierungsmethoden verwendet werden. Auch ist es möglich, dass durch sog. Stempeltechniken spezifische Bindungsstellen für kolloidale Partikel entsprechender Größe, die die Funktion der beschriebenen Nanostrukturen übernehmen, erzeugt werden.

Der Energie- und / oder Elektronentransfer kann erfindungsgemäß nicht nur an den oben beschriebenen über die Träger-Oberfläche erhobenen Nanostrukturen erfolgen. Alternativ können zu diesem Zweck auch entsprechende Strukturen in einem Trägermaterial versenkt bzw. in Form von Vertiefungen bzw. Löchern auf der Träger-Oberfläche vorhanden sein. Auch in diesem Fall weisen diese Strukturen Dimensionen im Nanometer-Bereich auf, bevorzugt unterhalb der anregenden Wellenlänge. Zu Oberflächenplasmonen an eingesenkten Strukturen wird auf den folgenden Artikel verwiesen: L. Martin-Moreno et al., Phys. Rev. Lett. 2001 , Vol. 86, 6, S. 11 14-1117 „Theory of extraordinary optical transmission through subwavelength hole arrays". Als Träger können erfindungsgemäß unterschiedliche Materialien verwendet werden (Fig. 4). Im Falle einer optischen Anregung werden bevorzugt dielektrische Materialien wie Glas, Kunststoffe, Siliziumoxid und Keramik eingesetzt. Bei einer elektrischen Anregung muss der Träger zumindest zum Teil aus leitfähigen Strukturen bestehen. Schichten und Strukturen aus Metalloxiden können hierbei als Isolatoren benutzt werden. Beispiele aus der Halbleitertechnik sind hierfür hinlänglich bekannt.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante verwendet man für den Träger ein für das Licht transparentes Material. Ein Beispiel eines solchen Trägers kann ein gewöhnlicher Objektträger aus Glas sein. Fig. 5 stellt ein Beispiel eines als Träger verwendbaren, in acht Bereiche (1 bis 8) unterteilten Objektträgers dar, wobei einzelne dieser Bereiche in vier unterschiedlichen Ebenen weiter unterteilt werden können (Fig. 6). Im Fall eines transparenten Trägermaterials können die Nanostrukturen auch von der unteren, von den Nanostrukturen weg gerichteten Seite angeregt werden. Der besondere Vorteil liegt hierbei in der Verwendung einer Anregung unter totalen Reflexionsbedingungen an der oberen Grenzfläche des Trägers, die nur Anregungen sehr nahe an dieser Oberfläche zulassen, wie sie z.B. von Stout A.L. und Axelrod D.: in „Evanescent field excitation of fluorescence by epi-illumination microscopy, Applied Optics Vol.28, pp. 5237-5242 (1989) beschrieben wurden, wodurch eine Durchstrahlung der weiteren Umgebung, z.B. der in Lösung befindlichen Reagenzien nicht stattfindet. Die Reflexionsbedingungen werden dafür durch das Gesetz von Snell beschrieben: mit dem Brechungsindex n-iund ß: dem Winkel zur Oberflächennormalen im Medium n₂.

Erfindungsgemäß können über die zur Lokalisierung und als Antenne benutzten Nanostrukturen beliebige Reaktionen hervorgerufen werden, die durch einen Energie- und / oder Elektronentransfer induziert werden können. Besonders bevorzugt werden chemische und/oder biochemische Reaktionen wie Synthese, Spaltung, Ankopplung von Funktionsgruppen, Isomerisierung, Konformationsänderung, enzymatische oder Bindungsreaktionen u. a. durchgeführt. Die oben genannten auf den Nanostrukturen befindlichen physikalischen, chemischen oder biologischen Strukturen können beispielsweise Reaktanden bzw. molekulare Bestandteile sein, die an der gewünschten Reaktion teilnehmen sollen. Alternativ können an die Nanostrukturen als Katalysatoren wirkende Moleküle, wie beispielsweise Enzyme, angekoppelt sein, die mit den Reaktanden aus der Umgebung wechselwirken und chemische Reaktion katalysieren.

In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung werden an den Nanostrukturen Polymerverbindungen synthetisiert, im Speziellen handelt es sich dabei um eine ortsaufgelöste Synthese aus Monomeren wie z.B. Nukleotiden, Aminosäuren, Zuckereinheiten sowie aus anderen molekularen Bestandteilen zur Herstellung von Microarrays chemischer Verbindungen. Mit diesem Verfahren lassen sich polymere Verbindungen wie DNA, RNA, Aptamere und ihre Derivate wie PNA oder thioRNA, Peptide, Proteine, komplexe Kohlenhydrate, sowie weitere chemische Verbindungen ortsaufgelöst herstellen.

Als Beispiel sei an dieser Stelle auf die Synthese von Oligonukleotidsequenzen eingegangen (Fig. 7). Hierzu kann die Ankopplung der einzelnen Nukleotide nach dem klassischen Verfahren erfolgen, bei dem vor jedem Synthese-Schritt die Schutzgruppen entfernt werden müssen. Erfindungsgemäß wird jedoch die ortspezifische Abspaltung der Schutzgruppen durch den Energie- und / oder Elektronentransfer aus den Nanostrukturen an die Startsequenzen bzw. an die bereits synthetisierten Sequenzen induziert. Nach einer Anlagerung eines Nukleotids oder einer Nukleotidsequenz an die entschützten Sequenzen wiederholt sich die Abfolge.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Molekül- Arrays können vorteilhaft für analytische Zwecke verwendet werden. Die Anwendungsgebiete für derart hergestellte Arrays umfassen eine Vielzahl von Untersuchungen in der medizinischen und/oder veterinärmedizinischen Diagnostik, Arzneimittel-Entwicklung,

Qualitätskontrolle biologischer Agenzien, Forensik, der Untersuchung von Pflanzenmetaboliten, Analytik im Rahmen des Umweltschutzes, Forschung und Entwicklung u. a..

Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auch im Bereich Sensorik einsetzen. Die in einer zu untersuchenden Probe vorhandenen Ausgangsstoffe beinflussen dabei die spektralen Eigenschaften der Nanostrukturen, das Emissionsspektrum, also die Farbe und/oder spektrale Bandbreite oder ihre Leuchtintensität. Eine induzierte Ankopplung von Probeelementen oder eine durch eine durch die Probeteilchen induzierte Reaktion - wie Abspaltung von Gruppen, Änderung der Oberflächenladung - kann hierfür ein Auslöser sein.

Auch Anwendungen in Bereichen außerhalb der Microarray-Technologie sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung. So können beispielsweise gezielt angeregte Plasmonen von Nanostrukturen dazu genutzt werden, angekoppelte Chromophore ortselektiv zu aktivieren. Durch die Auswahl des Chromophors kann der Emissionswellenlängenbereich und somit die Farbenvariation festgelegt werden. Dies kann eine Anwendung im Bereich der organischen Leuchtdioden (LED) finden, deren Einsatz in der modernen Display-Technologie, als optische Datenspeicher oder auch als Anzeiger einer Reaktion, eines Zustandes - z.B. pH-Wert einer Lösung oder eines Gefahren Stoffes liegt. Außer zur Durchführung chemischer oder biochemischer Reaktionen kann das beschriebene Verfahren dazu genutzt werden, um Elektronen von den Nanostrukturen mittels Elektroden in eine nachgeschaltete Elektronik abzuleiten. Damit können einzelne Nanostrukturen als eine Art Schalter bzw. ein Muster von Nanostrukturen als Schalterarray in der molekularen Elektronik verwendet werden. Die auf die Nanostrukturen aufgebrachten biochemischen, physikalischen oder chemischen Strukturen können als passive Verzögerungsglieder oder als Dämpf ungsterme oder aber auch als aktive Elemente, also als Elektronenquelle oder Leitung benutzt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Abbildungen und Ausführungsbeispiele erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig.1 : Schematische Darstellung von Metall- / Halbleiter-

Nanostrukturen. Die spezifischen Eigenschaften der Nanostrukturen sind durch das Material, ihre äußere Form und Größe sowie durch die Kopplung mit der Umgebung gegeben. Etwaige Materialunterschiede sind hier durch die unterschiedlichen Schraffierungen angedeutet.

Fig. 2: Schematische Darstellung von Metall- / Halbleiter- Nanostrukturen mit aufgebrachten molekularen

Abstandshaltern (Rechtecke) und darauf befindlichen physikalischen, chemischen oder biochemischen Strukturen

(Kreise).

Fig. 3: Schematische Darstellung von verschiedenen

Kombinationen von Metall- / Halbleiter-Nanostrukturen mit aufgebrachten molekularen Abstandshaltern (Rechtecke) und darauf befindlichen physikalischen, chemischen oder biochemischen Strukturen (Kreise).

Fig. 4: Schematische Darstellung von verschiedenen Kombinationen von Metall- / Halbleiter-Nanostrukturen mit aufgebrachten molekularen Abstandshaltern (Rechtecke) und darauf befindlichen physikalischen, chemischen oder biochemischen Strukturen (Kreise), aufgebracht auf verschiedene Trägermaterialien, die durch die unterschiedlichen Schraffierungen angedeutet sind.

Fig. 5: Exemplarische schematische Darstellung eines

Objektträgers, der als Träger für eine Herstellung von Mustern von physikalischen, chemischen oder biochemischen Strukturen geeignet ist.

Fig. 6: Exemplarische Darstellung eines Trägers mit unterschiedlichen Auflösungsebenen mit einem schematischen Aufbau von Nanostrukturen.

Fig. 7: Exemplarisches Beispiel einer Oligonukleitid-Synthese auf einer Nanostruktur induziert anhand der spezifischen Anregung ihres Plasmonenspektrums.

Ausführunqsbeispiel

Als spezielles Anwendungsbeispiel soll hier die Induktion eines lokalen photochromischen Schaltprozesses diskutiert werden. Photochrome Materialien verändern ihre optischen und / oder elektrischen Eigenschaften bei Lichteinstrahlung und bieten daher Möglichkeiten zur Nutzung als optische Datenspeicher. Dabei kann der Zustand des Datenspeichers z.B. durch die lichtinduzierte Konversion zwischen unterschiedlichen Isomeren eines Moleküls erreicht werden. Speziell optisch bistabile Fulgide (z.B. das Phenyl-Thiophen-Fulgid Ph-T-F, S. Rath et al., J. Lum. 94, 156 (2001 )) sind dabei interessante Kandidaten, da bei ihnen durch Lichteinstrahlung eine Umwandlung zwischen dem farbigen C-Isomer und dem farblosen E-Isomer ermöglicht wird. Während das C-Isomer um 600 nm eine starke Absorptionsbande mit einer Breite von etwa 100 nm und einer optischen Dichte von 0,04 aufweist, zeigt das E-Isomer keine Absorptionsresonanz im sichtbaren Spektralbereich und weist bei 600 nm eine um etwa einen Faktor 10 geringere optische Dichte auf. Das E-Isomer zeigt eine Absorptionsresonanz bei 350 nm. Bei Einstrahlung von UV-Licht wandelt sich das E-Isomer in das C-Isomer um, während die Einstrahlung vom sichtbaren Licht um 600 nm zu einer Photoisomerisierung von C nach E führt. Die Reaktionszeiten für Isomerisierungsreaktionen liegen im Pikosekunden-Bereich und sind im Detail untersucht worden (M. Handschuh et al., J. Phys. Chem. A 101 , 502 (1997). Durch geeignete Impulsfolgen von sichtbaren und UV-Impulsen kann optisch reversibel zwischen C- und E-Isomer geschaltet werden.

Werden Fulgid-Beschichtungen nun auf einem Träger mit plasmonischen Nanostrukturen aufgebracht, so ermöglicht dies ein räumlich lokales optisches Schalten zwischen C- und E-Isomer. Im vorliegenden Beispiel wurden dabei die plasmonischen Nanostrukturen so gewählt, dass ihre Plasmonresonanzen mit der Absorptionsbande des C-Isomers übereinstimmen. Dieses konnte im vorliegenden Beispiel durch Wahl sphärischer Goldnanopartikel mit einer Größe von etwa 50 nm gewährleistet werden (T. Klar et al., Phys. Rev. Lett. 80, 4249 (1998)). Durch Wahl des Linkermaterials gelingt eine selektive Ankopplung der Moleküle an das Nanopartikel. Gleichzeitig können unerwünschte Sekundärreaktionen, z.B. Fluoreszenzunterdrückung durch Ladungstransfer, vermindert werden. Durch Einstrahlung von UV- Licht werden alle Moleküle im C-Zustand präpariert. Einstrahlung von sichtbaren Lichtimpulsen mit einer Zentralwellenlänge von 600 nm erlaubt eine selektive Anregung der Plasmonresonanz des Nanopartikels. Diese wird in dem vorliegenden Beispiel durch Nahfeld- Strahlungskopplung (Förster-Transfer) an das Molekül übertragen. Damit ergibt sich ein selektives, lokales Schalten der Moleküle, die sich im Nahfeld der resonant angeregten Nanopartikel befinden. Auf Basis dieses Prinzips lassen sich in hoher Dichte vorliegende Einzelmolekülschalter optisch adressieren.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Anwendungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind viele Abwandlungen möglich, die durch Fachleute erzielbar sind, und damit ebenfalls von der Erfindung umfasst werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Erzeugung von Mustern von physikalischen, chemischen und/oder biochemischen Strukturen auf einem Träger mittels eines ortsaufgelösten Transfers von Elektronen und / oder Energie aus den auf dem Träger befindlichen Nanostrukturen, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Transfer durch eine selektive Anregung der Plasmonen in den Nanostrukturen induziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung der Plasmonen elektrisch oder / und mittels einer elektromagnetischen Bestrahlung oder / und mittels einer Elektronenbestrahlung erfolgt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ortsaufgelöste Transfer von Elektronen und / oder Energie aus den Nanostrukturen durch eine räumlich gezielte Anregung der Plasmonen an den jeweiligen

Nanostrukturen zustande kommt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine räumlich gezielte Anregung der Plasmonen der Nanostrukturen durch die Bestrahlung des durch eine Maske teilabgedeckten

Trägers zustande kommt.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine räumlich gezielte Anregung der Plasmonen der Nanostrukturen durch die lokalisierte elektrische

Anregung mittels einer geeigneten Schaltungselektronik erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5. dadurch gekennzeichnet, dass eine räumlich gezielte Anregung der Plasmonen der Nanostrukturen durch eine serielle Bestrahlung der Nanosrtukturen zustande kommt.

7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Träger-Oberfläche gleichzeitig bestrahlt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Nanostruktur auf dem Träger, an der der Transfer von

Elektronen und / oder Energie erfolgt, durch die spektralen Eigenschaften der jeweiligen Nanostrukturen definiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die spektralen Eigenschaften der Nanostrukturen durch eine

Kombination von Materialien, Größe, Form, Anordnung, Ankopplungsart und Umgebung definiert werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine selektive Anregung der Plasmonen in den Nanostrukturen durch eine geeignete Kombination der Wellenlänge, des Einfallwinkels, der Polarisation, der Anregungsdauer und der Intensität der einfallenden Bestrahlung zustande kommt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostrukturen zumindest zum Teil aus Metallen, Legierungen oder / und Halbleitermaterial, insbesondere aus Gold, Silber oder / und GaAs bestehen.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostrukturen Dimensionen kleiner als 1 μm aufweisen, bevorzugt kleiner als 200 nm, insbesondere zwischen 2 nm und 100 nm.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus einem für das Licht transparenten Material besteht.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Muster auf einem Träger durch eine Veränderung der physikalischen, chemischen oder biochemischen

Strukturen an mindestens einer der Nanostrukturen entsteht und / oder induziert wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Nanostrukturen stattfindenden Veränderung der physikalischen, chemischen und/oder biochemischen Strukturen eine chemische und/oder biochemische Reaktion, insbesondere Synthese, Spaltung, Ankopplung von Funktionsgruppen, Isomerisierung, Konformationsänderung, enzymatische und/oder Bindungsreaktionen, ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen und/oder biochemischen Reaktionen Polymerisationsreaktionen, insbesondere zur Synthese von DNA, RNA, Aptameren und ihren Derivaten wie PNA oder thioRNA,

Peptiden, Proteinen, komplexen Kohlenhydraten oder weiteren chemischen Verbindungen sind.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisationsreaktionen durch eine Ankopplung einzelner

Bestandteile nach einer durch einen ortsaufgelösten Transfer von Elektronen und / oder Energie induzierten Entfernung von Schutzgruppen stattfindet.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Träger synthetisierte Muster ein

Array von unterschiedlichen chemischen und / oder biochemischen Verbindungen mit bekannter Zusammensetzung und Lokalisierung bilden.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Träger synthetisierten Muster durch orts- und/oder zeitaufgelösten Plasmonenanregung der Nanostrukturen als aktivierbare Sensoren eingesetzt werden können.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Emissionsspektren eines Musters physikalischer, chemischer und/oder biochemischer Strukturen durch ortsspezifische Anregung der Plasmonen der unterliegenden Nanostrukturen induziert werden.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung eines Musters unterschiedlicher physikalischer, chemischer und/oder biochemischer Strukturen als farblich durchstimmbares organisches LED und / oder zum Bau eines Bildschirms eingesetzt werden kann.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der selektiven Anregung der

Plasmonen Elektronen von den Nanostrukturen mittels Elektroden in eine nachgeschaltete Elektronik abgeleitet werden können.

23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Nanostrukturen als Schalter bzw. ein Muster von Nanostrukturen als Schalterarray in der molekularen Elektronik verwendet werden können.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Nanostrukturen aufgebrachten biochemischen, physikalischen und/oder chemischen Strukturen als Elekronenquelle oder Leitung zum Bau von aktiven Elementen, als passive Verzögerungsglieder und/oder als Dämpfungsterme in der molekularen Elektronik verwendet werden können.