EP2580155A1 - Dreidimensionale metallbedeckte nanostrukturen auf substratoberflächen, verfahren zu deren erzeugung sowie deren verwendung - Google Patents

Dreidimensionale metallbedeckte nanostrukturen auf substratoberflächen, verfahren zu deren erzeugung sowie deren verwendung

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EP2580155A1
EP2580155A1 EP11724961.5A EP11724961A EP2580155A1 EP 2580155 A1 EP2580155 A1 EP 2580155A1 EP 11724961 A EP11724961 A EP 11724961A EP 2580155 A1 EP2580155 A1 EP 2580155A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nanoparticles
metal
substrate surface
structures
etching
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11724961.5A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim P. Spatz
Claudia Pacholski
Tobias SCHÖN
Lindarti Purwaningsih
Tobias Wolfram
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Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Original Assignee
Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV filed Critical Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Publication of EP2580155A1 publication Critical patent/EP2580155A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00015—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems
    • B81C1/00023—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate for manufacturing microsystems without movable or flexible elements
    • B81C1/00031—Regular or irregular arrays of nanoscale structures, e.g. etch mask layer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/551—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals the carrier being inorganic
    • G01N33/553—Metal or metal coated
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration or pH-value ; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid or cerebral tissue
    • A61B5/14503—Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration or pH-value ; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid or cerebral tissue invasive, e.g. introduced into the body by a catheter or needle or using implanted sensors
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B5/68—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6846—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive
    • A61B5/6847—Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive mounted on an invasive device
    • A61B5/6848—Needles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/03—Static structures
    • B81B2203/0361—Tips, pillars

Definitions

  • Three-dimensionally nanostructured substrate surfaces which can be functionalized with binding molecules to allow selective attachment of biological structures and molecules, particularly cells, are well known in the art.
  • Nagrath et al. describe in Nature, 450, 1235-1239 (2007), the preparation of surfaces with column structures of micron-length length for the accumulation of circulating tumor cells and Wang et al. describe in Angew. Chem. Int. Ed., 48, 8970-8973 (2009), the production of Si nanopillars on a Si wafer by wet-chemical etching and the functionalization with a specific antibody, anti-EpCAM, which allows the selective attachment of certain tumor cells.
  • the preparation of these nanostructures is relatively time-consuming and costly and their functionalization also.
  • the published structures move in the ⁇ - length range (100-200 nm diameter, length 10 m).
  • these structures are not ideal sizes for the immobilization of ordered molecular surfaces.
  • the number of molecules per unit area in these structures in the ⁇ range is reduced in comparison to nanostructures.
  • the controlled long-term cultivation and differentiation of cells is not feasible with the published structure functionalization.
  • a simple and inexpensive method of etching three-dimensional nanostructures for optical elements can be generated directly on quartz glass, is in interpreting ⁇ rule published patent application DE 10 2007 014 538, AI and in the corresponding International Publication No. WO 2008/116616 Al and in Lohmüller et al., NANO LETTERS 2008, vol. 8, no. 5 1429-1433.
  • the nanopillars disclosed therein are not metal-covered and functionalization with biological binding molecules is not suggested.
  • These nano-pillars of the prior art have after the etching process no metal particles or metal deposits on their upper ⁇ surface, since the metal previously used as a mask is completely vaporized in the etching process. This is imperative for the functionality of the structures described there as an optical element.
  • an object of the present invention was to provide, in particular for bio ⁇ medical, bioanalytical and biosensory applications, improved three - dimensional nanostructures on a substrate surface, which can be functionalized easily with a variety of binding molecules and the selective attachment of biological Structures and molecules, as well as cells or cell aggregates, with high efficiency and Aus ⁇ booty enable.
  • the method according to the invention for producing columnar or conical nanostructures having on their upper side a metal covering on a substrate surface according to claim 1 comprises at least the following steps:
  • step d) etching the substrate surface covered with the nanoparticles obtained in step c) at a depth of 10-500 nm, wherein the nanoparticles act as an etching mask and the etching parameters are adjusted so that pillar structures or conical structures are formed underneath the nanoparticles and the nanoparticles are obtained as structural coverage stay.
  • the primary substrate surface is basically not particularly limited and may include any material that can be coated with Si or Si0 2 .
  • the substrate may be selected, for example, from glass, silicon, Si0 2 , semiconductors, metals, polymers, etc. Particularly for optical applications, transparent substrates are preferred, but not relevant in biomedical applications.
  • the primary substrate surface may be provided with a, preferably 50-500 nm, thick silicon layer by chemical vapor deposition or plasma deposition or other method known in the art. Subsequently, the oxidation is carried out, for example by means of oxygen plasma or another suitable oxidizing agent, to produce a Si0 2 layer on the primary substrate surface.
  • the substrate surface it is preferred, but not essential, for the substrate surface to be covered in step b) with nanoparticles by means of a micelle-diblock copolymer nanolithography technique, as described, for example, in EP 1 027 157 Bl and DE 197 47 815 A1.
  • a micellar solution of a block copolymer is deposited onto a substrate, for example by dip coating, and forms, under suitable conditions on the surface, an ordered film structure of chemically distinct polymer domains, including, but not limited to, type, molecular weight, and concentration of the block copolymer.
  • the micelles in the solution can be loaded with inorganic salts, which can be oxidized or reduced to inorganic nanoparticles after deposition with the polymer film.
  • a further development of this technique described in the patent application DE 10 2007 017 032 AI, makes it possible to set both the lateral separation length of the polymer domains mentioned and thus also of the resulting nanoparticles as well as the size of these nanoparticles by various measures so precisely flat that nanostructured surfaces with desired distance and / or size gradient can be produced.
  • nanoparticle arrangements made with such a micellar nanolithography technique have a quasi-hexagonal pattern.
  • the material of the nanoparticles is not particularly limited and may include any material known in the art for such nanoparticles.
  • this is a metal or metal oxide.
  • a metal or metal oxide A wide range of suitable materials is mentioned in DE 10 2007 014 538 A1.
  • Specific examples of a preferable metal oxide are titanium oxide, iron oxide and cobalt oxide.
  • Preferred examples of a metal are chromium, titanium, noble metals, eg gold, palladium and platinum, and particularly preferred is gold.
  • particle as used herein also includes a “cluster”, in particular as described and defined in DE 10 2007 014 538 AI and DE 197 47 815 AI, and both terms can be used interchangeably herein.
  • the enlargement of the metal nanoparticles by electroless deposition of elemental metal on the nanoparticles in step c) involves a reduction of the corresponding metal salt.
  • a chemical agent e.g. Hydrazine or other suitable chemical reducing agent, or high-energy radiation such as electron radiation or light (as described in DE 10 2009 053 406.7) can be used.
  • the method according to the invention in the etching step d) can comprise one or more treatments with the same etchant and / or with different etchants.
  • the etchant may in principle be any etchant known in the art and suitable for the respective substrate surface.
  • the etchant from the group of chlorine gases, eg Cl 2 , BC1 3 and other gaseous chlorine compounds, fluorohydrocarbons, eg CHF 3 , CH 2 F 2 , CH 3 F, fluorocarbons, eg CF 4 , C 2 F 8 , oxygen, argon, SF 6 and mixtures thereof.
  • CHF 3 is used in combination with SF 4 in at least one treatment step as an etchant.
  • the duration of the entire etching treatment is typically in the range from 10 s to 60 minutes, preferably 1 to 15 Minu ⁇ th.
  • step d) a plasma etching process (reactive ion etching") as described in DE 10 2007 014 538 AI and Loh ⁇ müller et al., (NANO LETTERS 2008, Vol. 8, No. 5, 1429-1433, described and Preferably, a mixture of CHF 3 with CF 4 is used.
  • reactive ion etching reactive ion etching
  • the resulting nanostructures typically have a diameter in the range of 10-100 nm, preferably 10-30 nm, and a height of 10-500 nm, preferably 10-150 nm.
  • the average distances of the nanostructures are preferably in a range of 15 to 200 nm.
  • the nanoparticles used as the etching mask have a predetermined two-dimensional geometric arrangement on the substrate surface. Such an arrangement has as a characteristic to predetermined minimum or average particle distances, said predetermined particle spacing may be the same in all areas of the substrate surface or may have different areas un ⁇ ter Kunststoffliche predetermined particle distances.
  • Such a geometric arrangement can in principle be re ⁇ al instrument with any suitable method of the prior art, in particular micellar nanolithography as described above.
  • the nanostructures obtained after the etching step are preferably functionalized with at least one binding molecule which enables or facilitates the attachment of biological structures, molecules, microorganisms or cells.
  • the binding molecule is a molecule specifically binding to surface structures of cells or constituents of the extracellular matrix or a molecule which can later be taken up by the cells cultured on the substrate.
  • the binding molecule is selected from the group consisting of proteins or low molecular weight peptides, in particular antibodies and fragments thereof, as well as enzymatically active proteins or domains thereof, lectins, carbohydrates, proteoglycans, glycoproteins, nucleic acids such as ssDNA, dsDNA, RNA, siRNA, lipids or glycolipids selected.
  • the nanostructures are provided with at least one binding molecule selected from molecular which binds to cell adhesion receptors (CAM) of cells, specific receptors or binding sites to viruses, proteins or nucleic acids, chemically functionalized.
  • CAM cell adhesion receptors
  • the binding molecule is selected from fibronectin, laminin, fibrinogen, tenascin, VCAM-1, MadCAM-1, collagen or a cell adhesion receptor, particularly integrins, specific binding fragment thereof or a cell adhesion receptor specific binding derivative thereof.
  • Signaling molecules such as the entire receptor families of EGFR, FGFR and Notch / Jagged-1, can also be addressed with these molecules.
  • the functionalization occurs by immobilization of the binding molecule on the metal cover of the nanostructures.
  • Methods for immobilizing binding molecules on metal substrates, in particular gold nanoparticles are known in principle and are described, for example, in Arnold et al., ChemPhysChem (2004) 5, 383-388, Wolfram et al., Bioin terphases 2007, Mar; 2 (1): 4-8, Ibii et al., Anal Chem., 2010 May 15, 82 (10): 4229-35, Sakata et al., Langmuir. 2007, Feb. 27; 23 (5): 2269-72 and Mateo-Marti et al., Langmuir. 2005, Oct 11; 21 (21): 9510-7.
  • the three-dimensional nanostructures used according to the invention can typically be biofunctionalized at room temperature within half an hour and are therefore clearly superior in terms of time and expense to the three-dimensional microstructures of the prior art described in the introduction of the present text.
  • the orientation-specific immobilization of recombinant proteins is mög ⁇ Lich for example with Ni-NTA complex reactions (Wolfram et al., Supra). Furthermore, all proteins and antibodies can be covalently attached to gold and silver nanoparticles using DTSSP and related thiol-based linkers (see Example 2). Immobilization of antibodies or fragments thereof is also possible via immobilization of protein A / G or L.
  • the bioactive molecules can be bound directly or indirectly via linker systems. Chemisorption, affinity-based and protein-mediated immobilizations can be used.
  • the functionalized nanostructured substrate surfaces are particularly suitable for the identification of biological ⁇ rule target structures, molecules, or cells Microorganisms in a sample and / or the insulation thereof.
  • the sample may for example be a body fluid, especially blood, interstitial fluids or mucous or fes ⁇ te tissue sample.
  • the targets may be molecules which are known as diagnostic marker or target cells, for example, certain tumor cells, trophoblasts or alterations ⁇ re desired cell types or components thereof.
  • An essential aspect of the invention relates to a Vorrich ⁇ processing for the specific attachment of biological Zielstruktu ⁇ reindeer, molecules, or cells
  • Microorganisms which defines in a sample, particularly a sample as above, are present that environmentally such a nanostructured substrate surface summarizes ,
  • this device is part of a probe which is designed so that it can be introduced into a living organism and brought into contact with its body fluids.
  • the device is characterized in that at least a part of the probe has the shape of a needle and in the bloodstream of a living organism can be introduced.
  • targeted specific circulating cell types can be isolated from the blood and identified.
  • the needle dimensions are preferably in those known for medical applications of needles and cannulas (eg for injections and blood withdrawals) areas and can be easily optimized by routine experimentation.
  • Fig. 1 shows schematically the main steps of the method according to the invention
  • a primary substrate surface was provided with a 50-500 nm thick silicon layer by chemical vapor deposition or plasma deposition. Then, it was activated in oxygen plasma (150 W, 0.1 mbar, 30 minutes) to produce a Si0 2 layer on the primary substrate surface (Fig. 1b).
  • the Sio 2 substrate surface formed in the first step was covered by micellar nanolithography with gold nanoparticles in a defined arrangement (FIG. 1 c).
  • a micellar solution of a block copolymer eg polystyrene (n) -b-poly (2-vinylpyridine (m)
  • a surface is formed on the surface.
  • ordered film structure is formed by polymer domains.
  • the micelles in the solution are loaded with a gold salt, preferably HAuCl 4 , which is reduced to the gold nanoparticles after deposition with the polymer film.
  • a short hydrogen plasma activation 200 W, 0.5 mbar, 1 minute is performed to generate gold particle nuclei in the micelle cores ( Figure 1d).
  • the electroless deposition was carried out by immersing the Ober ⁇ surface in a solution of 0.1% HAuCl 4 and 0.2 mM NH 3 0HC1 (1: 1) for 3.5 minutes. Under these reducing conditions, the gold salt in the solution is reduced to elemental gold, which selectively deposits on and enlarges the gold particle nuclei (Fig. Le). Now the polymer micelles can be removed from the surface and this is achieved by exposing the surface to a hydrogen plasma (150 W, 0.4 mbar, 45 minutes.) At this time, the substrate surface is covered with a quasi-hexagonal two-dimensional array of gold. Decorated nanoparticles of desired size (FIG)
  • the etching of the covered with gold nanoparticles Si0 2 layer was carried out at a desired depth.
  • a "Reactive Ion Etcher” from Oxford Plasma, instrument: PlasmaLab 80 plus was used, but other devices known in the art are basically also suitable.
  • the etching was carried out with a mixture of the process gases CHF3 and CF4 (10: 1) at a total pressure of 10 mTorr, a temperature of 20 ° C and an energy of 30 W.
  • the duration of the etching treatment varied in a range of about 1-15 minutes depending on the desired etching depth.
  • columnar or frustoconical nanostructures were obtained, which still had gold nanoparticles on top ( Figure lg).
  • Protocol C A further protocol is the direct Immobi ⁇ capitalization of proteins by chemisorption.
  • protein A, G or L Tris-HCl pH 8 9.5
  • the functionalized substrate surfaces (FIG. 1 h) can now be used for binding target structures, in particular target cells (FIG. 1 i).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von säulen- oder kegelförmigen Nanostrukturen auf Substratoberflächen, wobei die Substratoberfläche mit einer Anordung von Metall-Nanopartikeln bedeckt und geätzt wird, wobei die Nanopartikel als Ätzmaske wirken und die Ätzparameter so eingestellt werden, dass unterhalb der Nanopartikel Säulenstrukturen oder Kegelstrukturen entstehen und die Nanopartikel als Strukturabdeckung erhalten bleiben.

Description

Dreidimensionale metallbedeckte Nanostrukturen auf
Substratoberflächen, Verfahren zu deren Erzeugung sowie deren Verwendung
Dreidimensional nanostrukturierte Substratoberflächen, welche mit Bindungsmolekülen funktionalisiert werden können, um die selektive Anbindung von biologischen Strukturen und Molekülen, insbesondere Zellen, zu ermöglichen, sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Nagrath et al. beschreiben in Nature, 450, 1235-1239 (2007), die Herstellung von Oberflächen mit Säulenstrukturen einer Länge im Mikrometerbereich zur Anreicherung von zirkulierenden Tumorzellen und Wang et al . beschreiben in Angew. Chem. Int. Ed., 48, 8970-8973 (2009), die Erzeugung von Si-Nanosäulen auf einem Si-Wafer mit Hilfe eines nasschemischen Ätzverfahrens und die Funktionalisierung mit einem spezifischen Antikörper, Anti-EpCAM, welcher die selektive Anbindung von bestimmten Tumorzellen ermöglicht. Die Herstellung dieser Nanostrukturen ist jedoch relativ zeit- und kostenaufwendig und deren Funktionalisierung ebenfalls. Strukturell bewegen sich die publizierten Strukturen im μπι- Längenbereich (100-200 nm Durchmesser, Länge 10 m). Somit stellen diese Strukturen nicht ideale Grössen für die Immobilisierung von geordneten Moleküloberflächen dar. Zusätzlich ist die Anzahl der Moleküle pro Flächeneinheit bei diesen Strukturen im μιτι-Bereich im Vergleich zu Nanostrukturen reduziert. Die kontrollierte Langzeitkultivierung und Differenzierung von Zellen ist mit der publizierten Strukturfunktionali- sierung nicht durchführbar.
Ein einfaches und kostengünstiges Verfahren, mit dem dreidimensionale Nanostrukturen für optische Elemente durch Ätzen direkt auf Quarzglas erzeugt werden können, ist in der deut¬ schen Offenlegungsschrift DE 10 2007 014 538 AI und in der entsprechenden internationalen Veröffentlichung WO 2008/116616 AI sowie in Lohmüller et al., NANO LETTERS 2008, Bd. 8, Nr. 5, 1429-1433, beschrieben. Die dort offenbarten Nanosäulen sind jedoch nicht metallbedeckt und eine Funktionalisierung mit biologischen Bindungsmolekülen wird nicht vorgeschlagen. Diese Nanosäulen des Standes der Technik haben nach dem Ätzprozess keine Metallpartikel oder Metallablagerungen auf ihrer Ober¬ fläche, da das zuvor als Maske eingesetzte Metall vollständig beim Ätzprozess verdampft wird. Dies ist für die Funktionalität der dort beschriebenen Strukturen als optisches Element zwingend erforderlich. Eine Biofunktionalisierung dieser kon¬ ventionellen Nanostrukturen wäre allenfalls über aufwendige Silanisierungsreaktionen unter Schutzgasatmosphäre im Verlauf von mehreren Stunden (mindestens 8 h) möglich. Die publizierte Struktur erlaubt keine chemisch geordnete Funktionalisierung mit bioaktiven Molekülen, da bei der Silanisierung die struk¬ turelle Integrität der Moleküle verloren geht.
Vor diesem Hintergrund bestand eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung von, insbesondere für bio¬ medizinische, bioanalytische und biosensorische Anwendungen, verbesserten dreidimensionalen Nanostrukturen auf einer Substratoberfläche, welche auf einfache Weise mit einer Vielzahl von Bindungsmolekülen funktionalisiert werden können und die selektive Anbindung von biologischen Strukturen und Molekülen, sowie Zellen oder Zellverbänden, mit hoher Effizienz und Aus¬ beute ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit der Bereitstellung des Verfahrens nach Anspruch 1 sowie der Substratoberfläche nach Anspruch 13 und der Vorrichtung nach Anspruch 18 gelöst. Spezielle oder bevorzugte Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche.
Beschreibung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von säulen- oder kegelförmigen Nanostrukturen, die auf ihrer Oberseite eine Metallabdeckung aufweisen, auf einer Substratoberfläche nach Anspruch 1 umfasst mindestens die folgenden Schritte:
a) Bereitstellen einer mit Si02 beschichteten oder aus Si02 bestehenden Substratoberfläche;
b) Bedecken der Substratoberfläche mit einer Anordnung von Metall-Nanopartikein;
c) Kontaktieren des Substrats mit einer Metallsalzlösung unter reduzierenden Bedingungen, wodurch eine Reduktion des Metallsalzes und eine stromlose Abscheidung von elementarem Metall auf den Metall-Nanopartikeln und entsprechendes Wachstum der Metall-Nanopartikel veranlasst wird;
d) Ätzen der mit den in Schritt c) erhaltenen Nanopartikeln bedeckten Substratoberfläche in einer Tiefe von 10-500 nm, wobei die Nanopartikel als Ätzmaske wirken und die Ätzparameter so eingestellt werden, dass unterhalb der Nanopartikel Säulenstrukturen oder Kegelstrukturen entstehen und die Nanopartikel als Strukturabdeckung erhalten bleiben.
Die primäre Substratoberfläche ist grundsätzlich nicht besonders beschränkt und kann jegliches Material umfassen, das mit Si bzw. Si02 beschichtet werden kann. Das Substrat kann beispielsweise aus Glas, Silicium, Si02, Halbleitern, Metallen, Polymeren etc. ausgewählt sein. Insbesondere für optische Anwendungen sind transparente Substrate bevorzugt, bei biomedizinischen Applikationen aber nicht relevant. Die primäre Substratoberfläche kann beispielsweise durch chemische Dampfabscheidung oder Plasma-Abscheidung oder ein anderes im Stand der Technik bekanntes Verfahren mit einer, vorzugsweise 50-500 nm, dicken Siliciumschicht versehen werden. Anschließend erfolgt die Oxidation, z.B. mittels Sauerstoffplasma oder einem anderen geeigneten Oxidationsmittel, um eine Si02-Schicht auf der primären Substratoberfläche zu erzeugen.
Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, jedoch nicht unbedingt erforderlich, dass die Bedeckung der Substratoberfläche im Schritt b) mit Nanopartikeln mit Hilfe einer Mizellen-Diblock- Copolymer-Nanolithographietechnik, wie z.B. in EP 1 027 157 Bl und DE 197 47 815 AI beschrieben, geschieht. Bei der mizella- ren Nanolithographie wird eine mizellare Lösung eines Blockco- polymers auf ein Substrat abgeschieden, z.B. durch Tauchbe- schichtung, und bildet unter geeigneten Bedingungen auf der Oberfläche eine geordnete Filmstruktur von chemisch unterschiedlichen Polymerdomänen, die unter anderem von Typ, Molekulargewicht und Konzentration des Blockcopolymers abhängt. Die Mizellen in der Lösung lassen sich mit anorganischen Salzen beladen, die nach der Abscheidung mit dem Polymerfilm zu anorganischen Nanopartikeln oxidiert oder reduziert werden können. Eine Weiterentwicklung dieser Technik, in der Patentanmeldung DE 10 2007 017 032 AI beschrieben, ermöglicht es, sowohl die laterale Separationslänge der genannten Polymerdomänen und damit auch der resultierenden Nanopartikel als auch die Größe dieser Nanopartikel durch verschiedene Maßnahmen so präzise flächig einzustellen, dass nanostrukturierte Oberflächen mit gewünschten Abstands- und/oder Größengradienten herstellbar sind. Typischerweise weisen mit einer solchen mizel- laren Nanolithographietechnik hergestellte Nanopartikelanord- nungen ein quasi-hexagonales Muster auf. Grundsätzlich ist das Material der Nanopartikel nicht besonders beschränkt und kann jedes im Stand der Technik für solche Nanopartikel bekannte Material umfassen. Typischerweise handelt es sich dabei um ein Metall oder Metalloxid. Ein breites Spektrum geeigneter Materialien ist in DE 10 2007 014 538 AI genannt. Vorzugsweise ist das Material des Metalls oder die Metallkomponente der Nanopartikel aus der Gruppe aus Au, Pt, Pd, Ag, In, Fe, Zr, AI, Co, Ni, Ga, Sn, Zn, Ti, Si und Ge, deren Mischungen und Kompositen ausgewählt. Spezielle Beispiele für ein bevorzugtes Metalloxid sind Titanoxid, Eisenoxid und Kobaltoxid. Bevorzugte Beispiele für ein Metall sind Chrom, Titan, Edelmetalle, z.B. Gold, Palladium und Platin, und besonders bevorzugt ist Gold.
Der Begriff „Partikel" wie hier verwendet, umfasst auch einen „Cluster", insbesondere wie in DE 10 2007 014 538 AI und DE 197 47 815 AI beschrieben und definiert, und beide Begriffe können hier austauschbar verwendet werden.
Die Vergrößerung der Metall-Nanopartikel durch stromlose Ab- scheidung von elementarem Metall auf den Nanopartikeln in Schritt c) beinhaltet eine Reduktion des entsprechenden Metallsalzes. Als Reduktionsmittel kann ein chemisches Agens, z.B. Hydrazin oder ein anderes geeignetes chemisches Reduktionsmittel, oder energiereiche Strahlung wie Elektronenstrahlung oder Licht (wie in DE 10 2009 053 406.7 beschrieben) verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren im Ätzschritt d) kann eine oder mehrere Behandlungen mit demselben Ätzmittel und/oder mit verschiedenen Ätzmitteln umfassen. Das Ätzmittel kann grundsätzlich jedes im Stand der Technik bekannte und für die jeweilige Substratoberfläche geeignete Ätzmittel sein. Vorzugsweise ist das Ätzmittel aus der Gruppe aus Chlorgasen, z.B. Cl2, BC13 und anderen gasförmigen Chlorverbindungen, Fluorkohlenwasserstoffen, z.B. CHF3, CH2F2, CH3F, Fluorocarbonen, z.B. CF4, C2F8, Sauerstoff, Argon, SF6 und Mischungen davon ausgewählt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird CHF3 in Kombination mit SF4 in mindestens einem Behandlungsschritt als Ätzmittel verwendet .
Die Dauer der gesamten Ätzbehandlung liegt typischerweise im Bereich von 10 s bis 60 Minuten, vorzugsweise 1 bis 15 Minu¬ ten .
Typischerweise wird beim Schritt d) ein Plasmaätzverfahren („reactive ion etching") wie in DE 10 2007 014 538 AI und Loh¬ müller et al. (NANO LETTERS 2008, Bd. 8, Nr. 5, 1429-1433, beschrieben eingesetzt und vorzugsweise wird eine Mischung von CHF3 mit CF4 verwendet.
Ebenfalls gute Ergebnisse werden bei Verwendung von SF6 als Ätzmittel bzw. Ätzmittelkomponente in mindestens einem Behand¬ lungsschritt erzielt. Damit können sehr hohe Ätzraten erzielt werden, allerdings muss die Dauer der Ätzbehandlung sorgfältig überwacht werden, damit der Ätzvorgang nicht zu weit geht und die gewünschten metallbedeckten Nanostrukturen erhalten bleiben .
Die erhaltenen Nanostrukturen weisen typischerweise einen Durchmesser im Bereich von 10-100 nm, vorzugsweise 10-30 nm, und eine Höhe von 10-500 nm, vorzugsweise 10-150 nm, auf. Bei Kegelstrukturen gelten die Durchmesserangaben für die Dicke in halber Höhe. Die mittleren Abstände der Nanostrukturen liegen vorzugsweise in einem Bereich von 15 bis 200 nm. Für einige Anwendungen ist es bevorzugt, dass die als Ätzmaske verwendeten Nanopartikel eine vorgegebene zweidimensionale geometrische Anordnung auf der Substratoberfläche aufweisen. Eine solche Anordnung weist als ein Charakteristikum vorgegebene minimale oder mittlere Partikelabstände auf, wobei diese vorgegebenen Partikelabstände in allen Bereichen der Substratoberfläche gleich sein können oder verschiedene Bereiche un¬ terschiedliche vorgegebene Partikelabstände aufweisen können. Eine derartige geometrische Anordnung kann grundsätzlich mit jedem geeigneten Verfahren des Standes der Technik, insbesondere mizellarer Nanolithographie wie oben näher erläutert, re¬ alisiert werden.
Die nach dem Ätzschritt erhaltenen Nanostrukturen werden vorzugsweise mit mindestens einem Bindungsmolekül funktionali- siert, das die Anbindung von biologischen Strukturen, Molekülen, Mikroorganismen oder Zellen ermöglicht oder erleichtert.
Vorzugsweise ist das Bindungsmolekül ein spezifisch an Oberflächenstrukturen von Zellen oder Bestandteile der extrazellulären Matrix bindendes Molekül oder ein Molekül, welches später von den auf dem Substrat kultivierten Zellen aufgenommen werden kann.
In spezielleren Ausführungsformen ist das Bindungsmolekül aus der Gruppe aus Proteinen oder niedermolekularen Peptiden, insbesondere Antikörpern und Fragmenten davon, sowie enzymatisch aktiven Proteinen oder Domänen davon, Lektinen, Kohlenhydraten, Proteoglykanen, Glykoproteinen, Nukleinsäuren wie ssDNA, dsDNA, RNA, siRNA, Lipiden oder Glykolipiden ausgewählt.
In einer speziellen Ausführungsform sind die Nanostrukturen mit mindestens einem Bindungsmolekül, ausgewählt aus Molekü- len, die an Zelladhäsionsrezeptoren (CAM) von Zellen, spezifische Rezeptoren oder Bindungsstellen auf Viren, Proteinen oder Nukleinsäuren binden, chemisch funktionalisiert .
Spezieller handelt es sich um Moleküle, die an Zelladhäsionsrezeptoren der Gruppen der Cadherine, Immunglobulin- Superfamilie (Ig-CAMS), Selectine und Integrine, insbesondere an Integrine, binden. In einer noch spezielleren Ausfürungs- form ist das Bindungmolekül aus Fibronectin, Laminin, Fibrinogen, Tenascin, VCAM-1, MadCAM-1, Collagen oder einem an Zelladhäsionsrezeptoren, insbesondere Integrine, spezifisch bindenden Fragment davon oder einem an Zelladhäsionsrezeptoren spezifisch bindenden Derivat davon ausgewählt. Auch signalgebende Moleküle, wie zum Beispiel die gesamten Rezeptor- Familien von EGFR, FGFR und Notch/Jagged-1 , können mit diesen Molekülen adressiert werden.
Der Fachmann wird jedoch unschwer erkennen, dass Variationen dieser Moleküle sowie beliebige andere Moleküle mit spezifischen Bindungseigenschaften für bestimmte Zielobjekte, insbesondere Antikörper und andere Vertreter der oben angegebenen Substanzklassen, ebenso eingesetzt werden können.
Die Funktionalisierung geschieht durch Immobilisierung des Bindungsmoleküls auf der Metallabdeckung der Nanostrukturen . Verfahren zur Immobilisierung von Bindungsmolekülen auf Metallsubstraten, insbesondere Gold-Nanopartikeln, sind grundsätzlich bekannt und beispielsweise beschrieben in Arnold et al., ChemPhysChem (2004) 5, 383-388, Wolfram et al., Bioin- terphases 2007, Mar; 2 ( 1 ) : 4-8 , Ibii et al., Anal Chem. 2010 May 15;82 (10) :4229-35, Sakata et al., Langmuir. 2007, Feb 27;23 (5) :2269-72 und Mateo-Marti et al., Langmuir. 2005, Oct 11;21 (21) : 9510-7. Die erfindungsgemäß verwendeten dreidimensionalen Nanostruktu- ren lassen sich bei Raumtemperatur typischerweise innerhalb einer halben Stunde biofunktionalisieren und sind damit hinsichtlich Zeit- und Kostenaufwand den in der Einleitung des vorliegenden Texts beschriebenen dreidimensionalen Mikrostrukturen des Standes der Technik deutlich überlegen.
Einige prinzipielle Verfahren zur Immobilisierung von bevor- zugten Bindungsmolekülen, z.B. Antikörper, Peptide, rekombi- nante Proteine, Glykoproteine, Nukleinsäuren oder native Pro- teine, auf Metallsubstraten w< :rden im Folgenden kurz erläu- tert .
Die orientierungsspezifische Immobilisierung von rekombinanten Proteinen ist beispielsweise mit Ni-NTA-Komplexreaktionen mög¬ lich (Wolfram et al., oben). Weiterhin lassen sich sämtliche Proteine und Antikörper mit Hilfe von DTSSP und verwandten thiolbasierten Linkern an Gold- und Silbernanopartikel kova- lent anbinden (siehe Beispiel 2) . Auch eine Immobilisierung von Antikörpern oder Fragmenten davon sind über eine Immobil- sierung von Protein A/G oder L möglich. Die bioaktiven Molekülen können direkt oder indrekt über Linker-Systeme gebunden werden. Es können Chemisorption, Affinitäts-basierte sowie Protein-vermittelte Immobilisierungen eingesetzt werden.
In den Ausführungsbeispielen werden geeignete Bedingungen zur Herstellung von säulenförmigen Nanostrukturen auf einer mit Si02-beschichteten Substratoberfläche und zu deren Funktionali- sierung eingehender beschrieben. Für den Fachmann wird jedoch ersichtlich sein, dass Variationen dieser Bedingungen in Ab¬ hängigkeit von den verwendeten speziellen Materialien erfor¬ derlich sein können und unschwer durch Routineversuche zu ermitteln sind. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten dreidimensional nanostrukturierten Substratoberflächen bieten vielfältige Anwendungsmöglichkeiten auf den Gebieten der Halbleitertechnik, Biologie, Medizin, Pharmazie, Sensortechnik und Medizintechnik, insbesondere für bioaktive und biointelligente Oberflächen oder Implantat flächen sowie Gewebetechniken.
Die funktionalisierten nanostrukturierten Substratoberflächen eignen sich insbesondere für die Identifizierung von biologi¬ schen Zielstrukturen, -molekülen, -mikroorganismen oder -zellen in einer Probe und/oder deren Isolierung daraus. Die Probe kann beispielsweise eine Körperflüssigkeit, insbesondere Blut, interstitielle oder muköse Flüssigkeiten, oder eine fes¬ te Gewebeprobe sein. Die Zielstrukturen können Moleküle sein, die als Diagnostik-Marker bekannt sind, oder Zielzellen können beispielsweise bestimmte Tumorzellen, Trophoblasten oder ande¬ re gewünschte Zelltypen oder Komponenten davon sein.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrich¬ tung zur spezifischen Anbindung von biologischen Zielstruktu¬ ren, -molekülen, -mikroorganismen oder -zellen, die in einer Probe, insbesondere einer Probe wie oben definiert, vorliegen, welche eine solche nanostrukturierte Substratoberfläche um- fasst .
In einer speziellen Ausführungsform ist diese Vorrichtung Bestandteil einer Sonde, welche so gestaltet ist, dass sie in einen lebenden Organismus eingeführt und in Kontakt mit dessen Körperflüssigkeiten gebracht werden kann.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Sonde die Gestalt einer Nadel hat und in den Blutstrom eines lebenden Organismus eingebracht werden kann. Damit können beispielsweise gezielt bestimmte zirkulierende Zelltypen aus dem Blut isoliert und identifiziert werden. Die Nadeldimensionen liegen dabei vorzugsweise in den für medizinische Anwendungen von Nadeln und Kanülen (z.B. für Injektionen und Blutentnahmen) bekannten Bereichen und können unschwer durch Routineversuche optimiert werden.
Nachdem sowohl die physikalischen Parameter einer erfindungsgemäß nanostrukturierten Substratoberfläche durch Variation der Höhe, Dicke, Form und Abstände der Nanostrukturen als auch die chemischen Parameter durch Auswahl der speziellen Metall¬ abdeckungen und immobilisierten Bindungsmoleküle flexibel und präzise einstellbar sind, können gezielt Oberflächen geschaf¬ fen werden, welche nicht nur eine optimale Adhäsion von Ziel¬ molekülen wie Zellen gewährleisten (was die Nachweis- Sensitivität entsprechend erhöht) , sondern darüber hinaus auch Einfluss auf das Verhalten von lebenden Zellen selbst gestatten, da Zellen bekanntermaßen nicht nur chemische Signale sondern auch strukturelle Signale, wie die Topographie einer Substratoberfläche, wahrnehmen.
Kurzbeschreibung der Figuren
Fig. 1 zeigt schematisch die Hauptschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
Fig. 2 zeigt rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen einer Substratoberfläche in verschiedenen Stadien des erfindungsgemäßen Verfahrens:
(a) nach Aufbringung von Gold-Nanopartikeln durch mizellare Block-Nanolithographie; (b) nach Vergrößerung der Gold-Nanopartikel durch stromlose Abscheidung;
(c) mit metallbedeckten Säulenstrukturen nach dem Ätzen;
(d) zeigt die grossflächige Ordnung im m-Bereich;
(e) zeigt die kegelförmigen Säulen in der Seitenansicht.
Die folgenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der vorliegenden Erfindung, ohne diese jedoch darauf zu beschränken .
BEISPIEL 1
Erzeugung von säulenförmigen Nanostrukturen auf einem Substrat mit einer Anordnung von Gold-Nanopartikeln
1. Bereitstellung der Substratoberfläche
Zunächst wurde eine primäre Substratoberfläche durch chemische Dampfabscheidung oder Plasma-Abscheidung mit einer 50-500 nm dicken Siliciumschicht versehen. Dann erfolgte eine Aktivierung in Sauerstoffplasma (150 W, 0,1 mbar, 30 Minuten), um eine Si02~Schicht auf der primären Substratoberfläche zu erzeugen (Fig. lb) .
2. Bedeckung mit Gold-Nanopartikeln
Die im ersten Schritt gebildete Sio2-Substratoberfläche wurde mittels mizellarer Nanolithographie mit Gold-Nanopartikeln in einer definierten Anordnung bedeckt (Fig. lc) . Bei diesem Schritt kann einem der in EP 1 027 157 Bl, DE 197 47 815 AI oder DE 10 2007 017 032 AI beschriebenen Protokolle gefolgt werden. Das Verfahren beinhaltet die Abscheidung einer mizel- laren Lösung eines Blockcopolymers (z.B. Polystyrol (n) -b- Poly (2-vinyl-pyridin (m) ) in Toluol) auf das Substrat, z.B. durch Tauchbeschichtung, wodurch auf der Oberfläche eine ge- ordnete Filmstruktur von Polymerdomänen gebildet wird. Der oben beschriebene Aktivierungsschritt in Sauerstoffplasma fördert die Adhäsion der Mizellen an der Oberfläche.
Die Mizellen in der Lösung sind mit einem Goldsalz, vorzugsweise HAuCl4, beladen, welches nach der Abscheidung mit dem Polymerfilm zu den Gold-Nanopartikeln reduziert wird. Zu diesem Zweck wird eine kurze Wasserstoffplasma-Aktivierung (200 W, 0,5 mbar, 1 Minute) durchgeführt, um Goldpartikel-Keime in den Mizellenkernen zu erzeugen (Fig. ld) .
3. Vergrößerung der Gold-Nanopartikel durch stromlose Abscheidung
Die stromlose Abscheidung erfolgte durch Eintauchen der Ober¬ fläche in eine Lösung von 0.1% HAuCl4 und 0.2 mM NH30HC1 (1:1) für 3,5 Minuten. Unter diesen reduzierenden Bedingungen wird das Goldsalz in der Lösung zu elementarem Gold reduziert, das sich selektiv auf den Goldpartikel-Keimen abscheidet und diese vergrößert (Fig. le) . Nun können die Polymer-Mizellen von der Oberfläche entfernt werden und dies wird durch Exposition der Oberfläche gegenüber einem Wasserstoffplasma (150 W, 0,4 mbar, 45 Minuten erreicht. Zu diesem Zeitpunkt ist die Substratoberfläche mit einer quasi-hexagonalen zweidimensionalen Anordnung von Gold-Nanopartikeln gewünschter Größe dekoriert (Fig. lf ) . . Ätzschritt
Anschließend erfolgte die Ätzung der mit Gold-Nanopartikeln bedeckten Si02-Schicht in einer gewünschten Tiefe. Dazu wurde ein „Reactive Ion Etcher" von Oxford Plasma, Gerät: PlasmaLab 80 plus verwendet. Andere im Stand der Technik bekannte Vorrichtungen sind jedoch grundsätzlich ebenso geeignet. Das Atzen wurde mit einer Mischung der Prozessgase CHF3 und CF4 (10:1) bei einem Gesamtdruck von 10 mTorr, einer Temperatur von 20°C und einer Energie von 30 W durchgeführt. Die Zeitdauer der Ätzbehandlung variierte in Abhängigkeit von der gewünschten Ätztiefe in einem Bereich von etwa 1-15 Minuten. Als Ergebnis wurden säulenförmige bzw. stumpfkegelige Nanostrukturen erhalten, die immer noch Gold-Nanopartikel auf ihrer Oberseite aufwiesen (Fig. lg) .
BEISPIEL 2
Funktionalisierung der Nanostrukturen
Zur Funktionalisierung der in Beispiel 1 erhaltenen dreidimensionalen Nanostrukturen wurden verschiedene Protokolle angewandt .
(Protokoll A) Die dargestellten Nanostrukturen wurden 30 min bei Raumtemperatur oder 2h bei 4°C mit 20-60 μΐ 0,25-5 mM DTSSP (3, 3 ' -Dithiobis [ sulfosuccinimidylpropionat ] , Thermo Fisher Scientific, Rockford USA) in PBS inkubiert und danach mehrmals mit PBS gewaschen. Dann wurde jedes Substrat für 2 h bei 4 °C oder 30 min bei Raumtemperatur mit dem gewünschten Antikörper (c = 10 pg/ml) inkubiert und anschließend mit PBS gewaschen. Falls die Antikörperlösung Tris-Puffer oder Glycin enthält, sollte der Antikörper vor der Inkubation gegen PBS dialysiert werden. Neben der Thiol-Chemie basierten Chemisorp- tion wurden auch Affinitätsimmobilisierungen eingesetzt.
(Protokoll B) Gold dotierte Substratoberflächen wurde für zwei Stunden mit thiolisierter Nitrilotriessigsäure (NTA) in Ethanol bei Raumtemperatur inkubiert. Anschließend wurde Nickel als NiCl2 (10 mM in HBS) an das NTA durch ein 15 minütige Inkubation gebunden. Nach Umpufferung erfolgte eine Inkubation mit ei- ner Proteinlösung (His-Tag Protein 10ug/ml in PBS) zwischen 4 bis 12 Stunden bei 4°C. Abschliessend wurden die Substrate gewaschen .
(Protokoll C) Eine weiteres Protokoll ist die direkte Immobi¬ lisierung von Proteinen durch Chemisorption . Dabei wurde Protein A, G oder L für 5 Minuten bei 65° erhitzt und anschlies¬ send unter leicht basischen Pufferbedingungen (Tris-HCl pH 8- 9,5) für eine Stunde auf den Substraten inkubiert.
(Protokoll D) Die so hergestellten Substrate wurden für eine Antikörperbindung verwendet. Dabei wurde eine Antikörperlösung (1-2 mg/mL in PBS) 1:50 in PBS verdünnt und anschliessend für zwei Stunden bei Raumtemperatur inkubiert. Abschliessend wur¬ den die Substrate kurz gewaschen.
(Protokoll E) Neben der Immobilisierung von Peptiden und Pro¬ teinen wurden auch Nukleinsäuren immobilisiert. Dabei wurden thiolisierte ssDNA-Fragmente (100 pMol in Wasser) auf den Sub¬ straten für vier Stunden bei 4° inkubiert und anschliessend gewaschen. Der komplementäre ssDNA-Strang (100 pMol in Wasser) wurde für eine Stunde bei 37 °C auf den Substraten inkubiert. Die erfolgreiche Bindung wurde durch eine fluoreszente Gruppe im zweiten ssDNA-Strang nachgewiesen.
Die funktionalisierten Substratoberflächen (Fig. lh) können nun zur Anbindung von Zielstrukturen, insbesondere Zielzellen, verwendet werden (Fig. Ii).

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Erzeugung von Säulen- oder kegelförmigen Nanostrukturen, die auf ihrer Oberseite eine Metallabdeckung aufweisen, auf Substratoberflächen, umfassend a) Bereitstellen einer mit Si02 beschichteten oder aus Si02 bestehenden Substratoberfläche;
b) Bedecken der Substratoberfläche mit einer Anordnung von Metall-Nanopartikein;
c) Kontaktieren des Substrats mit einer Metallsalzlösung unter reduzierenden Bedingungen, wodurch eine Reduktion des Metallsalzes und eine stromlose Abscheidung von elementarem Metall auf den Metall-Nanopartikeln und entsprechendes Wachstum der Metall-Nanopartikel veranlasst wird;
d) Ätzen der mit den in Schritt c) erhaltenen Nanoparti- keln bedeckten Substratoberfläche in einer Tiefe von 10-500 nm, wobei die Nanopartikel als Ätzmaske wirken und die Ätzparameter so eingestellt werden, dass unterhalb der Nanopartikel Säulenstrukturen oder Kegelstrukturen entstehen und die Nanopartikel als Strukturabdeckung erhalten bleiben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ätzen eine Behandlung mit einem Ätzmittel, das aus der Gruppe aus Chlor, gasförmigen Chlorverbindungen, Fluorkohlenwasserstoffen, Fluorocarbonen, Sauerstoff, Argon, SF6 und Mischungen davon ausgewählt ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ätzbehandlung für einen Zeitraum im Bereich von 10 s bis 60 min durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel von Schritt b) eine vorgegebene zweidimensionale geometrische Anordnung aufweisen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Nanopartikel von Schritt b) durch mizellare Nanolithographie auf der Substratoberfläche aufgebracht werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Nanopartikel Metalle oder Metalloxide umfasst oder daraus besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall oder die Metallkomponente der Nanopartikel aus der Gruppe aus Au, Pt, Pd, Ag, In, Fe, Zr, AI, Cr, Co, Ni, Ga, Sn, Zn, Ti, Si und Ge, deren Mischungen und Kompositen ausgewählt ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Nanopartikeln um Edelmetall-Nanopartikel , insbesondere Gold-Nanopartikel, handelt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, ferner umfassend Funktionalisieren der Metallabdeckung der mit den Schritten a)-d) erhaltenen Nanostrukturen mit einem Bindungsmolekül, das die Anbindung von biologischen Strukturen, Molekülen, Mikroorganismen oder Zellen ermöglicht oder erleichtert .
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindungsmolekül ein spezifisch an Oberflächenstruktu- ren von Zellen oder Bestandteile der extrazellulären Matrix bindendes Molekül ist.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bindungsmolekül aus der Gruppe aus Proteinen oder niedermolekularen Peptiden, insbesondere Antikörpern und Fragmenten davon, sowie enzymatisch aktiven Proteinen oder Domänen davon, Lektinen, Kohlenhydraten, Proteogly¬ kanen, Glykoproteinen, Nukleinsäuren wie ssDNA, dsDNA, RNA, siRNA, Lipiden oder Glykolipiden ausgewählt ist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) die Schritte i) Beschichten ei¬ ner Substratoberfläche mit einer 50-500 nm dicken Si- Schicht und ii) Oxidieren der Si-Schicht, wodurch die mit Si02 beschichtete Substratoberfläche von Schritt a) be¬ reitgestellt wird, umfasst.
13. Substratoberfläche, umfassend die mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12 erhältlichen säulenförmigen oder kegelförmigen Nanostrukturen.
Substratoberfläche nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Säulenstrukturen oder Kegelstrukturen eine Höhe von 10-500 nm, eine Dicke von 10-100 nm sowie einen mittleren Abstand zwischen 15 und 200 nm aufweisen und dadurch dass die Metallabdeckung der Nanosäulen/kegel von Edelmetall-Nanopartikeln, insbesondere Gold-Nanopartikeln, gebildet wird.
Verwendung der Substratoberfläche nach Anspruch 13 oder 14 auf den Gebieten der Halbleitertechnik, Optik, Biologie, Medizin, Pharmazie, Sensortechnik und Medizintechnik, ins- besondere für bioaktive Oberflächen oder Implantatflächen sowie Gewebetechniken.
16. Verwendung nach Anspruch 15 für die Identifizierung von biologischen Zielstrukturen, -molekülen, -mikroorganismen oder -zellen in einer Probe und/oder deren Isolierung daraus .
17. Verwendung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, das die Probe eine Körperflüssigkeit, insbesondere Blut, interstitielle oder muköse Flüssigkeit, oder eine feste Gewebeprobe ist.
18. Vorrichtung zur spezifischen Anbindung von biologischen Zielstrukturen, -molekülen, -mikroorganismen oder -zellen, die in einer Probe vorliegen, umfassend eine Substratoberfläche nach Anspruch 13 oder 14.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil einer Sonde ist, welche so gestaltet ist, dass sie in einen lebenden Organismus eingeführt und in Kontakt mit dessen Körperflüssigkeiten gebracht werden kann .
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Sonde die Gestalt einer Nadel hat und in den Blutstrom eines lebenden Organismus eingebracht werden kann.
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Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2013007354A1 (en) 2011-07-08 2013-01-17 Max-Planck-Gesellschaft Zur Foerderung Der Wissenschaften E.V. A method for preventing or reducing the production of biofilms formed by microorganisms using nanostructured surfaces
US9645149B2 (en) * 2011-09-30 2017-05-09 The Regents Of The University Of Michigan System for detecting rare cells
WO2014070776A1 (en) 2012-10-29 2014-05-08 The Regents Of The University Of Michigan Microfluidic device and method for detecting rare cells
WO2015123457A1 (en) * 2014-02-12 2015-08-20 California Institute Of Technology Plasmonics nanostructures for multiplexing implantable sensors
WO2015123461A1 (en) * 2014-02-12 2015-08-20 California Institute Of Technology Reflowed gold nanostructures for surface enhanced raman spectroscopy
CN103919561B (zh) * 2014-03-25 2015-08-19 天津大学 基于金属纳米颗粒增强的压扁型光纤atr葡萄糖传感器
US9475692B2 (en) * 2014-07-22 2016-10-25 Qorvo Us, Inc. Radio frequency (RF) microelectromechanical systems (MEMS) devices with gold-doped silicon
WO2016036410A1 (en) 2014-09-05 2016-03-10 California Institute Of Technology Multiplexed surface enhanced raman sensors for early disease detection and in-situ bacterial monitoring
US9846125B2 (en) 2014-09-05 2017-12-19 California Institute Of Technology Surface enhanced Raman spectroscopy detection of gases, particles and liquids through nanopillar structures
US9512000B2 (en) 2014-12-09 2016-12-06 California Institute Of Technology Fabrication and self-aligned local functionalization of nanocups and various plasmonic nanostructures on flexible substrates for implantable and sensing applications
US10317406B2 (en) 2015-04-06 2019-06-11 The Regents Of The University Of Michigan System for detecting rare cells
US9719926B2 (en) 2015-11-16 2017-08-01 International Business Machines Corporation Nanopillar microfluidic devices and methods of use thereof
US10361697B2 (en) * 2016-12-23 2019-07-23 Skyworks Solutions, Inc. Switch linearization by compensation of a field-effect transistor
US10422746B2 (en) 2017-12-13 2019-09-24 International Business Machines Corporation Nanoscale surface with nanoscale features formed using diffusion at a liner-semiconductor interface
CN116854024B (zh) * 2023-06-07 2024-03-15 武汉大学 一种基于硅片的单个或多个纳米级孔道的制备方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19747815A1 (de) 1997-10-29 1999-05-06 Univ Ulm Nanostrukturierung von Oberflächen
ATE246542T1 (de) 1997-10-29 2003-08-15 Univ Ulm Nanostrukturen
US20090136785A1 (en) * 2007-01-03 2009-05-28 Nanosys, Inc. Methods for nanopatterning and production of magnetic nanostructures
DE102007014538A1 (de) 2007-03-27 2008-10-02 Carl Zeiss Ag Verfahren zur Erzeugung einer Antireflexionsoberfläche auf einem optischen Element sowie optische Elemente mit einer Antireflexionsoberfläche
DE102007017032B4 (de) 2007-04-11 2011-09-22 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Verfahren zur Herstellung von flächigen Größen- oder Abstandsvariationen in Mustern von Nanostrukturen auf Oberflächen
CN101827783A (zh) * 2007-06-21 2010-09-08 3M创新有限公司 制备层次制品的方法
DE102008039798A1 (de) * 2008-08-15 2010-02-25 NMI Naturwissenschaftliches und Medizinisches Institut an der Universität Tübingen Verfahren zur Übertragung von Nanostrukturen in ein Substrat
DE102009053406A1 (de) 2009-11-16 2011-05-19 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Verfahren zur räumlich aufgelösten Vergrößerung von Nanopartikeln auf einer Substratoberfläche

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO2011154105A1 *

Also Published As

Publication number Publication date
DE102010023490A1 (de) 2011-12-15
US20130236881A1 (en) 2013-09-12
WO2011154105A1 (de) 2011-12-15

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