EP3008451A1 - Sensor mit photovernetztem hydrogel - Google Patents

Sensor mit photovernetztem hydrogel

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Publication number
EP3008451A1
EP3008451A1 EP14728570.4A EP14728570A EP3008451A1 EP 3008451 A1 EP3008451 A1 EP 3008451A1 EP 14728570 A EP14728570 A EP 14728570A EP 3008451 A1 EP3008451 A1 EP 3008451A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
alkyl
group
polymer
functional layer
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14728570.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Stumpe
Erik Wischerhoff
Esmaeil Heydari
Jens Buller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV filed Critical Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Publication of EP3008451A1 publication Critical patent/EP3008451A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • G01N33/54393—Improving reaction conditions or stability, e.g. by coating or irradiation of surface, by reduction of non-specific binding, by promotion of specific binding
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
    • G01N21/774—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides the reagent being on a grating or periodic structure
    • G01N21/7743—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides the reagent being on a grating or periodic structure the reagent-coated grating coupling light in or out of the waveguide
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides
    • G01N2021/7706—Reagent provision
    • G01N2021/7723—Swelling part, also for adsorption sensor, i.e. without chemical reaction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N2021/7769—Measurement method of reaction-produced change in sensor
    • G01N2021/7776—Index

Definitions

  • the present invention relates to optical sensors, preferably biochemical or bio-sensors, in which specific analytical detection layers based on immobilized photocrosslinked hydrogels are an integral part of the optical sensor and permit marker-free detection, and a method for their preparation.
  • Sensors based on microstructured polymer layers such as Distributed Feedback lasers (also referred to as DFB lasers) or ring resonators, provide cost-effective, miniaturizable, and readily scalable, mass producible ones
  • the present invention to provide a sensor on which the largest possible number of recognition groups can be immobilized in as gentle a manner as possible.
  • the sensor should preferably be inexpensive, miniaturizable and easy to produce in large quantities.
  • the sensor should have a good signal-to-noise ratio and a low detection limit and enable marker-free detection.
  • the object is achieved by a sensor comprising
  • hydrogel polymer is covalently connected via photoreactive groups with the polymer of the optical functional layer
  • the optical fi lament layer may indicate a refractive index change in the hydrogel polymer layer via a change in one of its optical properties.
  • the analyte-specific detection layer is on
  • Optical functional layers which can indicate a refractive index change of an adjacent medium by altering one of its optical properties are known per se to the person skilled in the art. These are usually microstructured layers, the desired optical detection being achieved on the basis of the defined microstructuring (for example ring resonators, lattice structures (for example surface gratings or volume gratings) or two-arm waveguide arrangements).
  • the opticaljansschiclit of the sensor according to the invention contains at least one polymer. As explained in more detail below, the polymer of the optical filtration layer is covalently bonded to the hydrogel polymer.
  • the optical functional layer is preferably one
  • microstructured optical elements Structures or with structure elements in the micrometer range.
  • these micron-sized optical structures are also referred to as microstructured optical elements.
  • Exemplary optical structures or microstructured optical elements include periodic grating structures (e.g., periodic surface relief grids or volume gratings), ring resonators, or even two-arm waveguide arrays.
  • periodic grating structures e.g., periodic surface relief grids or volume gratings
  • ring resonators e.g., ring resonators, or even two-arm waveguide arrays.
  • the microstructured optical elements are at least partially or completely formed by the polymer present in the optical functional layer.
  • the optical functional layer is formed by the optical
  • the opticaljitsschiclit contains at least one polymer. Due to the covalent bonds between the hydrogel polymer and the polymer of the optical
  • Functional layer is the immobilization of the hydrogel, as will be described in more detail below, this covalent bonding of the hydrogel to the polymer of the optical.
  • Functional layer via photoreactive groups. These photoreactive groups can interact with both the polymer chains of the optical
  • photoreactive groups the covalent Anbindimg ensure hydrogel to the optical functional layer
  • photoreactive groups which cause the three-dimensional cross-linking of the hydrogel.
  • the photoreactive groups for the crosslinking in the hydrogel and the pliomotor-active groups for the connection to the optical functional layer may be the same or different, preferably they are the same.
  • the optical functional layer is a DFB (Distributed Feedback) laser.
  • DFB lasers are lasers in which the active material is periodically patterned Structures of alternating refractive index form a resonator structure. This can be explained by a surface relief grid (variation of the
  • the optical functional layer containing the laser-capable material may simultaneously also embody the resonator structure.
  • a change in refractive index in the hydrogel polymer layer (e.g., a change in refractive index in the hydrogel polymer layer
  • Immobilization of analyte molecules causes a sensorially usable
  • the optical functional layer contains a laser-capable material in combination with a resonator structure (grating), ie a material emitting laser light when excited optically.
  • a resonator structure ie a material emitting laser light when excited optically.
  • Such materials are generally known to the person skilled in the art.
  • fluorescent dyes, fluorescent polymers, semiconductive fluorescent polymers or mixtures thereof may be mentioned.
  • the fluorescent dyes are usually present in the optical fining layer in an amount of 0.5 to 20% by weight. These fluorescent dyes may be embedded in the polymer of the optical functional layer.
  • the polymer of the optical functional layer then functions not only as a microstructured optical element (eg in the form of or as part of a periodic surface relief or
  • volume grating of the DFB laser but also as a matrix for the laser-capable component
  • the optical functional layer may be predominantly, e.g. at least 70% by weight, more preferably at least 85% by weight or even completely from the fluorescent laser-capable polymer.
  • the polymer of the optical functional layer functions not only as a microstructured optical element (e.g., in the form or as part of a periodic surface relief grating of the DFB laser) but also as an active laser-capable component. Advantages also bring mixtures of two dyes or blends of two fluorescent polymer.
  • Laser-compatible materials are generally known to the person skilled in the art.
  • laser dyes pyromethanes, 4- (dicyanomethylene) -2-methyl-6- (4-dimethylaminostyrene) -4-pyrazine (DCM), can be used in this context.
  • Perylene compounds such as e.g. Perylenediimides, poly (p-phenylene-vinylene)
  • the DFB laser itself is the marker-free sensor.
  • the optical functional layer may also be a layer containing a ring resonator.
  • the optical functional layer may also be a layer containing a ring resonator.
  • the following polymers may be mentioned: polyacrylates, polymethacrylates, polycarbonates, polyurethanes, or mixtures of these polymers.
  • the frequency of the ring resonator is detuned by the interaction of the analyte with the hydrogel layer via the change in refractive index (i.e.
  • the incident light is divided by a beam splitter in two arms or branches. So there is a two-arm waveguide structure. After passing through the two routes whose optical path length may be different, the two beams (reference and measuring beam) are superimposed again,
  • the two arms e of the Mach-Zehnder interferometer structure are formed from the polymer of the optical functional layer.
  • Suitable polymers for the formation of such waveguide structures in a Mach-Zehnder interferometer structure are basically known to the person skilled in the art. By way of example, the following polymers may be mentioned: polyacrylates, polymethacrylates,
  • Polycarbonates Polyurethanes, or mixtures of these polymers.
  • the hydrogel polymer both has a common interface with the. first branch (which for example acts as a waveguide for the reference beam) as well as a common interface with the second branch (which acts for example as a waveguide for the measuring beam) on.
  • the layer of the hydrogel polymer is structured so that a liquid diffusion from the region of the hydrogel polymer which at least partially covers the first branch to the region of the hydrogel polymer which at least partially surrounds the second branch covering, is prevented. This can
  • the hydrogel polymer is divided into two spatially separated regions, namely a first hydrogel polymer, which covers the first branch at least partially, and a second hydrogel polymer, which covers the second branch at least partially.
  • the sensor is then preferably operated, for example, in such a way that one of these two polymer regions of the hydrogel layer (for example that which at least partially covers the first branch or arm of the optical functional layer) only comes into contact with the solution without analyte, while the other polymer region of the hydrogel layer (ie the one who has the second branch or arm of the optical Functional layer at least partially covers) is contacted with the solution containing the analyte.
  • the refractive index change of the measuring beam waveguide changes the optical path length of the second arm or branch of the Mach-Zehnder interferometer. This causes a sensor-usable phase shift
  • the polymer-containing optical functional layer is present on a substrate.
  • Suitable substrates are known to a person skilled in the art.
  • the substrate may be made of an inorganic material (e.g., glass, silicon, silicon nitride, ..., etc.) and / or plastic.
  • the substrate may be single-layered or too
  • Ais substrates include microfluidic chips or so-called biodisposables.
  • the senor of the present invention includes a photocrosslinked hydrogel polymer layer
  • hydrogel polymer is covalently linked to the polymer of the optical functional layer via photoreactive groups.
  • the layer of the photocrosslinked hydrogel polymer it is possible for the layer of the photocrosslinked hydrogel polymer to be a continuous layer that extends over the entire surface of the optical functional layer.
  • Functional layer covers. Furthermore, it is also possible within the scope of the present invention that the hydrogel layer is not continuous, but has two or more regions which are spatially separated from one another. It is important above all that the hydrogel polymer and the polymer of the optical functional layer have a common interface at which covalent bonds can be formed via the photoreactive groups of the hydrogel, The photoreactive groups thus causes two things. First, adjacent polymer chains in the hydrogel are linked together (ie, crosslinking points are formed in the hydrogel via these photoreactive groups), and the hydrogel polymer becomes covalently linked to the optical polymer via the photo-reactive groups. Functional layer connected.
  • Functional layer can be the same or different. Preferably they are the same.
  • a hydrogel or hydrogel polymer is understood to mean a three-dimensional network which is no longer soluble in water but absorbs it and swells with it.
  • the polymer chains of hydrogels. are interconnected via networking points and thus form a three-dimensionally networked structure.
  • Crosslinking points via photoreactive groups via photoreactive groups.
  • An additional networking through Making further covalent bonds, eg, via the so-called "click"
  • the crosslinking required for the formation of the hydrogel takes place exclusively via photochemical crosslinking.
  • the photochemical crosslinking via photoreactive groups, which can react after activation by visible light or UV radiation by insertion reactions with organic radicals in the immediate vicinity.
  • examples of such particularly preferred photoreactive groups are benzo or acetophenone groups, diazirines or azides.
  • Hydrogel Polymerc and processes for their preparation are known in the art.
  • the hydrogel may also be a switchable hydrogel.
  • Switchable hydrogels are understood by the person skilled in the art to mean those hydrogels which, under the influence of an external stimulus (ie under the influence of an external, changing parameter), swell under water uptake or, alternatively, can collapse while releasing liquid. These transitions are preferably reversible. Such switchable hydrogels are generally known to the person skilled in the art.
  • the photocrosslinked hydrogel polymer of the present invention is thus composed of repeating units.
  • the photocrosslinked hydrogel polymer preferably comprises (i) repeating units WE AS , each of which contains an analyte-specific fish
  • repeating units WE V which have each formed a crosslinking point in the hydrogel polymer via a photoreactive group
  • repeating units WE 0F which are each covalently connected via a photoreactive group to the polymer of the optical functional layer.
  • the hydrogel polymer also contains such repeating units, which form the actual structural basis of the hydrogel s (hereinafter also referred to as
  • Repeating units WE base referred to and usually in a proportion of over 50 mol%, more preferably more than 60 mol% or more than 70 ol% are present in the hydrogel polymer.
  • the repeating units WE Bbs, s can be selected from those which are usually present in known hydrogel polymers.
  • repeat units WE base of the hydrogel polymer can be mentioned by way of example:
  • R j H, alkyl such as. B, CM-alkyl, preferably -CH 3
  • R 2 H, alkyl such as C-alkyl, - (CH 2 ) n -COOH
  • x 1-50, more preferably 2-20
  • R] H, alkyl such as. Cj-4-alkyl, preferably -H
  • Ri, H, alkyl such as C-alkyl, - (CH 2 ) n -COOH
  • R 2 H, alkyl such as C, .4-alkyl, - (CH 2 ) "- COOH x 1-50, more preferably 2-20,
  • R 2 H, alkyl such as C alkyl, - (CH 2 ) n -COOH x - 1-50, more preferably 2-20,
  • Ri H, alkyl, e.g. d -4-alkyl, preferably H
  • x 1-6, more preferably 3-4,
  • Ri, R 2 , R 3 H, alkyl such as Ci-4-alkyl,
  • Ri H or a branch of the polysaccharide chain
  • R 2 to R 5 M is alkyl, such as, for example, C M -alkyl, allyl, - (CH 2 ) n -COOH, (9)
  • alkyl such as Ci alkyl 5 is preferably -CH 3
  • x, y can independently of one another assume values between 1 and 12
  • the photocrosslinked hydrogel polymer contains covalently bound analyte-specific recognition groups, ie these analyte-specific recognition groups are either directly linked to the polymer chain of the polymer via covalent bonds
  • the photocrosslinked hydrogel polymer comprises
  • repeating units WE AS which each have at least one analyte-specific recognition group
  • the covalent bonding of the analyte-specific recognition groups in the hydrogel polymer can be realized by the photocrosslinked hydrogel is formed during the polymerization of a photocrosslinkable copolymer (from which is later formed by irradiation)
  • Monomer compounds are present which are such an analyte-specific
  • Suitable monomer compounds from which the repeating units WE 'can be derived or are available are known to the person skilled in the art. These are such
  • Compounds incorporated into a polymer chain as part of a polymerization may in particular be compounds with an unsaturated carbon-carbon bond.
  • olefins, styrenes, vinyl compounds " acrylates or methacrylates can be mentioned.
  • these monomer compounds may already contain an analyte-specific recognition group or, alternatively, may initially contain a functional organic group which, after the polymerization (ie after incorporation of the monomer molecules into the polymer chain), contains a compound containing the analyte-specific recognition group , is reacted.
  • these compounds contain in addition to the analyte-specific
  • the recognition group is a suitable functional organic group that is functional with the organic.
  • Group of the monomer compound can react (i.e., mutually complementary pairs of functional groups are used).
  • Examples of such complementary pairs of functional groups are. Active esters and. Aminographers, epoxides and hydroxyl groups, thiol and ene groups or alkyne and azido groups.
  • analyte-specific recognition group of antibodies F ab - fragments of antibodies, enzymes, enzyme fragments, coenzymes,
  • prosthetic groups aptamers, single stranded DNA, single RNA strands, or combinations thereof.
  • the senor is a. Bio-sensor or biochemical sensor and thus a sensor that uses biological or biochemical components to select the analyte.
  • the proportion of repeat units WE AS in the hydrogel polymer can vary over a wide range.
  • repeat units WE may be present in the hydrogel polymer in an amount of up to 50 mole%, or even up to 95 mole%, based on the total of all repeat units making up the hydrogel polymer.
  • Repeating units WE and WE 01 * are preferably obtained by virtue of the fact that at least one of them has already been used in the preparation of a photocrosslinkable copolymer
  • Monomer compound is present, which contains a photoreactive group. This monomer compound is incorporated into the polymer chain during the polymerization. Thus, a photocrosslinkable copolymer will be included
  • Repeating units WE PR comprises, each having a photoreactive group. Irradiation of the photocrosslinkable copolymer then leads to either a reaction (eg an insertion reaction) between the photoreactive group and an organic group or an organic residue of an adjacent polymer chain and thereby the formation of a crosslinking point or a covalent bond to the polymer in the optical functional layer.
  • a reaction eg an insertion reaction
  • Suitable photoreactive groups which can form such crosslinking points in the hydrogel polymer by irradiation are known in principle to the person skilled in the art.
  • the photoreactive group is selected from those capable of undergoing insertion with an organic residue.
  • the photoreactive group is selected from a benzophenone group, an acetophenone group, a diazirine group or an azide group.
  • a benzophenone group When a benzophenone group is used as a photoreactive group, it may be exposed, for example, to an adjacent group under irradiation with an H-C group
  • Suitable monomer compounds from which the repeat units WE V and WE 0F are derivable or obtainable are known to the person skilled in the art. These are those compounds which can be incorporated into a polymer chain as part of a polymerization, in particular in order. Compounds with an unsaturated carbon-carbon bond. By way of example, olefins, styrenes, acrylates or methacrylates may be mentioned in this connection.
  • these monomer compounds already contain a photoreactive group.
  • these compounds in turn contain a suitable organic functional group associated with the functional organic group of the
  • Monomer compound can react (i.e., complementary pairs of functional groups are used), examples of such complementary pairs of functional groups are active esters and amino groups, epoxides and
  • the photocrosslinked hydrogel contains the waving units WE V and WE 01 ' in an amount sufficient to be in addition to a three-dimensional one To provide cross-linking of the hydrogel also ensure "that still photoreactive groups for covalent bonding to the optical functional layer are at your disposal.
  • repeat units WE V and WE 0F are present in the oil-gel polymer in an amount of less than 1.0 mole%, preferably less than 0.5 mole%, more preferably less than 0.3 mole% , based on the total amount of all repeating units that make up the hydrogel polymer.
  • the ratio of the repeat units WE V and WE 01 * to each other can be varied over a wide range. It is preferred that the sum of the repeat units WE V and WE 0P is present in an amount of less than 1, 0 mol%.
  • repeat units WE V and WE 01 ' are present in the hydrogel polymer in an amount ranging from at least 0.01 mole% to less than 1.0 mole%, more preferably 0.03 mole% to less than 0.5 mole% More preferably, from 0.05 mole% to less than 0.3 mole%, based on the total amount of all repeat units making up the hydrogel polymer.
  • the amount of repeating units WE V and WE 05 ' in the hydrogel polymer may be determined by the amount of the photoreactive group monomer compound and the degree of conversion of these monomer compounds during the reaction
  • the photoreactive group-containing monomer compound is in an amount of 0.2 mol% (based on the total amount of
  • Monomer compounds in the polymerization can be determined by analytical methods known to those skilled in the art.
  • the photocrosslinked hydrogel preferably has a degree of swelling of> 4, more preferably> 5, more preferably> 8.
  • the degree of swelling indicates how much water a hydrogel has over its head
  • distilled water Determining the degree of swelling, distilled water is used.
  • the senor of the invention detects the analyte label-free (i.e., the analyte molecules do not require labels (e.g.
  • the sensor of the present invention can be used for marker-free detection of analytes (preferably as biosensor or biochemical sensor).
  • the present invention also provides a process for producing the above-described sensor "comprising
  • the photocrosslinkable copolymer and the polymer of the optical functional layer have a common boundary surface and the photocrosslinkable copolymer comprises repeating units WE PR , each having at least one photoreactive group, and irradiation of the photocrosslinkable copolymer to form a photocrosslinked hydrogel polymer and formation of covalent bonds between the photocrosslinked hydrogel polymer and the polymer of the optical functional layer.
  • the optical functional layer e.g. in the form of a DFB laser or a
  • the repeating units WE PR containing the photoreactive group are preferably obtained by using in the preparation of the photocrosslinkable
  • Copolymers at least one monomer compound is present, the one
  • Irradiation of the photocrosslinkable copolymer then results in a reaction (eg, an insertion reaction) between the photoreactive group and either an organic group of an adjacent polymer chain in the photoremovable copolymer (and thereby forming a crosslink point in the hydrogel) or a in the optical functional layer present polymer chain.
  • a reaction eg, an insertion reaction
  • an organic group of an adjacent polymer chain in the photoremovable copolymer and thereby forming a crosslink point in the hydrogel
  • a in the optical functional layer present polymer chain.
  • Repeat units WE V (ie repeat units, the crosslinking points in the
  • the photochemically initiated crosslinking of the copolymer to form the hydrogel is carried out by irradiation with light of suitable wavelength.
  • Suitable monomer from which the repeating WE PR are available known to the expert. It is about. such compounds which can be incorporated into a polymer chain as part of a polymerization, in particular compounds with an unsaturated carbon-carbon bond.
  • olefins, styrenes, acrylates or methacrylates may be mentioned in this connection. Preferably, these contain
  • Monomer already a photoreactive group.
  • these monomer compounds it is also possible for these monomer compounds to initially contain a functional organic group which, after the polymerization (ie after incorporation of the monomer molecules into the polymer chain), is reacted with a compound containing the photoreactive group, for which purpose these compounds contain in addition to the photoreactive group, in turn, a suitable functional organic group associated with the functional organic group of
  • Monomeric compound can react (i.e., complementary pairs of functional groups are used), examples of such complementary pairs of functional groups are active esters and amino groups, epoxides and.
  • the repeat units WE PR and WE AS in the photocrosslinkable copolymer can be obtained by passing the photocrosslinkable copolymer through a
  • Monomer compounds already contain an analyte-specific recognition group is directly by the polymerization of a copolymer having covalently bonded to the polymer chains.
  • the monomer compounds not yet analyte-specific recognition group, but first a functional organic
  • Monomer molecules in the polymer chain is reacted with a compound containing the analyte-specific recognition group.
  • the repeat units WE PR and WE AS can be photocrosslinkable
  • Copolymer can be obtained by the photocrosslinkable copolymer by
  • Repeating units WE AS are formed in the photocrosslinked hydrogel polymer after irradiation of the photocrosslinkable copolymer.
  • the repeat units WE AS can be obtained in the photocrosslinked hydrogel polymer, for example, by
  • the photocrosslinkable copolymer is prepared by a polymerization in which a monomer compound containing the photoreactive grappe and a monomer compound containing an organic functional graphene are present, and
  • crosslinkable copolymer via a free radical polymerization.
  • the number-average degree of polymerization P n is calculated from the molecular weight via the division by the average molecular weight of the repeat units.
  • Molar mass determination is preferably carried out by gel permeation chromatography.
  • Functional layer may be conventional coating methods such as e.g. a
  • Detection unit contained.
  • monomers having a benzophenone group were incorporated into the polymer.
  • the photocrosslinkable copolymer obtained after the polymerization has the following structure:
  • the copolymer also contains repeating units WE P (index r) which contain a photoreactive benzophonon group and repeat units WE AS (index s) which contain a biotin group as
  • the proportion of photoreactive repeat units in the copolymer was 0.5 mol%, the number-average degree of polymerization P n was 580.
  • the proportions of the respective repeat units were as follows:
  • This example describes the advantageous embodiment with a polycrystalline DFB laser.
  • This DFB laser is composed of a polymer surface relief grating (SRG) formed on a glass surface with a silicone die made of a polymer having a low refractive index (MY-136 of YPolymers Ltd., Israel; 1, 374 @ 633 nm), which has a sinusoidal profile with a
  • the photocrosslinkable copolymer described above is applied by spin coating (0.4 wt .-% solution in ethanol, 3000 U / min.).
  • spin coating 0.4 wt .-% solution in ethanol, 3000 U / min.
  • the copolymer is on the one hand cross-linked in three dimensions and also, covalently bonded to the optical fi ntechnischs slaughter forming polymers.
  • the resulting hydrogel layer has a layer thickness of 25 nm in the dry state.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor, umfassend - ein Substrat; - eine polymere optische Funktionsschicht; - eine Schicht eines photovernetzten Flydrogel-Polymers, das * kovalent gebundene Analyt-spezifische Erkennungsgruppen aufweist, und * über photoreaktive Gruppen vernetzt ist; wobei das Hydrogel-Polymer über photoreaktive Gruppen kovalent mit dem Polymer der optischen Funktionsschicht verbunden ist und die optische Funktionsschicht eine Brechzahländerung in der Schicht des Hydrogel-Polymers über eine Veränderung einer ihrer optischen Eigenschaften anzeigen kann.

Description

Sensor mit plietovernetztem Hydrogel
Die vorliegende Erfindung betrifft optische Sensoren, bevorzugt biochemische oder Bio-Sensoren, bei denen spezifische analytische Detektionsschichten auf Basis immobilisierter photovernetzter Hydrogele integraler Bestandteil des optischen Sensors sind und eine Marker-freie Detektion gestatten, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Sensoren auf der Basis mikrostrukturierter Polymerschichten wie z.B.„Distributed- Feedback"-Laser (auch als DFB-Laser bezeichnet) oder Ringresonatoren, bieten kostengünstige, miniaturisierbare und leicht in großen Mengen herstellbare
Möglichkeiten für die Implementierung von Sensoren (z.B. Biosensoren), die über technisch etablierte und leicht zu implementierende Verfahren wie Nanoimprinting, Drucken oder Spincoating hergestellt werden. In den meisten Fällen setzt der Einsatz als Biosensor die Immobilisierung von biologischen oder biochemischen
Erkennungseinheiten an der eigentlichen Sensoroberfläche voraus. Dabei besteht die Gefahr, dass die Erkennungseinheiten denaturieren, wenn es sich um empfindliche Biomoleküle handelt.
Physikalische Basis derartiger Sensoren ist häufig die Nutzung evaneszenter Felder, die auf die Veränderung des lokalen Brechungsindex nahe der Sensoroberfläche reagieren. Ist der Brechungsindex des umgebenden Mediums kleiner als der Brechungsindex der gebundenen Änalyten, so ist die Intensität des Sensorsignals proportional zur Anzahl der gebundenen Analyten im Bereich des evaneszenten Feldes. Immobilisierung von Analyt-spezifischen Erkennungsgruppen über
Adsorption beschränkt die maximal mögliche Anzahl an Analyten, die spezifisch, also durch definierte Wechselwirkung zwischen Erkennungsgruppe und Analyt gebunden werden kann, auf eine Monolage. Damit ist auch eine Obergrenze für die Signalintensität festgelegt.
Die Immobilisierung von Proteinen in photovernetzten Hydrogelen wird in Langmuir 2011 , 27, S. 6116-6123, Thomas Brandstetter et al. und in Analytica Chimica Acta 671 (2010), S. 92-98, Jürgen Rühe et al. beschrieben. Der Anteil an vernetzenden (d.h. Vernetzungspunkte ausbildenden) Wiederholeinheiten im Hydrogel-Polymer ist dort mit 5% bzw. 1% recht hoch. Dementsprechend sind die Quellgrade recht niedrig. Die immobilisierten Proteinmengen übertreffen nicht die einer Monoschicht. Diese Sensoren arbeiten mit Fluoreszenzmarkern.
Unter Berücksichtigung der obigen Ausführungen besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Sensors, auf dem sich eine möglichst große Anzahl an Erkennungsgruppen in möglichst schonender Weise immobilisieren, lässt. Der Sensor sollte bevorzugt kostengünstig, miniaturisierbar und leicht in großen Mengen herstellbar sein. Der Sensor soll ein gutes Signal-Rausch- Verhältnis und eine niedrige Nachweisgrenze aufweisen sowie eine Marker-freie Detektion ermöglichen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch einen Sensor, umfassend
ein Substrat;
eine polymere optische Funktionsschicht;
eine Schicht eines photovernetzten Hydrogel-Polymers, das
* kovalent gebundene Analyt-spezifische Erkennungsgruppen aufweist, und * über photoreaktive Gruppen vernetzt ist;
wobei das Hydrogel-Polymer über photoreaktive Gruppen kovalent mit dem Polymer der optischen Funktionsschicht verbunden ist und
die optische F nktionsschicht eine Brechzahländerung in der Schicht des Hydrogel- Polymers über eine Veränderung einer ihrer optischen Eigenschaften anzeigen kann.
In dem erfindungsgemäßen Sensor ist die Analyt-spezifische Detektionsschicht auf
Basis des immobilisierten Hydrogels integraler Bestandteil des Sensors, Mit dem erfindungsgemäßen Sensor sind eine Marker-freie Detektion sowie eine Detektion in Echtzeit möglich.
Wie oben erläutert, handelt es sich bei der optischen Funktionsschicht des
erfindungsgemäßen Sensors um eine solche, die eine Brechzahländerung in der Schicht des Hydrogel-Polymers (z.B. durch Immobilisierung von Analytmolekülen aufgrund der Wechselwirkung mit den Analyt-spezifischen Erkennungsgruppen) über eine Veränderung einer ihrer optischen Eigenschaften (sensorisch) anzeigen kann. Als sich verändernde optische Eigenschaften der optischen Funktionsschicht kommen im Rahmen der vorliegenden Erfindung beispielsweise eine Veränderung der Wellenlänge des emittierten Laserlichtes» eine Änderung der Resonanzfrequenz oder eine Veränderung der optischen Weglänge in Frage.
Optische Funktionsschichten, die eine Brechzahländerung eines angrenzenden Mediunis durch Veränderung eine ihrer optischen Eigenschaften anzeigen können, sind dem Fachmann an sich bekannt. Üblicherweise handelt es sich dabei um mikrostrukturierte Schichten, wobei aufgrund der definierten Mikxostrukturierung (z.B. Ringresonatoren, Gitterstrukturen (beispielsweise Oberflächengitter oder Volumengitter) oder zweiarmige Wellenleiteratiordnungen) die erwünschte optische Detektion erzielt werden. Die optische Funktionsschiclit des erfindungsgemäßen Sensors enthält zumindest ein Polymer. Wie nachfolgend noch eingehender erläutert, ist das Polymer der optischen Fiinktionsschicht kovalent mit dem Hydrogel-Polymer verbunden, Bevorzugt handelt es sich bei der optischen Funktionsschicht um eine
mikrostrukturierte optische Funktionsschicht» d.h. eine Schicht mit optischen
Strukturen bzw. mit Strukturelementen im Mikrometerbereich. Nachfolgend werden diese optischen Strukturen bzw. Strukturelemente im Mikrometerbereich auch als mikrostrukturierte optische Elemente bezeichnet Beispielhafte optische Strukturen bzw. mikrostrukturierte optische Elemente umfassen periodische Gitterstrukturen (z.B. periodische Oberflächenreliefgitter oder Volumengitter), Ringresonatoren oder auch zweiarmige Wellenleiteranordnungen. Wie oben erwähnt, sind solche mikrostrukturierten optischen Funktionsschichten sowie Methoden zu ihrer
Herstellung an sich bekannt.
Bevorzugt werden die mikrostrukturierten optischen Elemente zumindest teilweise oder vollständig von dem in der optischen Funktionsschicht vorliegenden Polymer gebildet. In einer bevorzugten AusfUhrungsform handelt es sich bei der optischen
Fiinktionsschicht um einen DFB-Laser, eine einen Ringresonator enthaltende Schicht oder eine Schicht mit einer Mach-Zehnder-Interferometer-Struktur.
Die optische Funktionsschiclit enthält zumindest ein Polymer. Durch die kovalenten Bindungen zwischen dem Hydrogel-Polymer und dem Polymer der optischen
Funktionsschicht erfolgt die Immobilisierung des Hydrogels, Wie nachfolgend noch eingehender beschrieben, wird, erfolgt diese kovalente Bindung des Hydrogels an das Polymer der optischen. Funktionsschicht über photoreaktive Gruppen. Diese photoreakttven Gruppen können sowohl mit den Polymerketten der optischen
Funktionsschicht reagieren (photoreaktive Gruppen, die die kovalente Anbindimg des Hydrogels an die optische Funktionsschicht gewährleisten) wie auch mit benachbarten Polymerketten im Hydrogel (photoreaktive Gruppen, die die dreidimensionale Vernetzung des Hydrogels bewirken). Die photoreaktiven Gruppen für die Vernetzung im Hydrogel und die pliotoreaktiven Gruppen für die Anbindung an die optische Funktionsschicht können gleich oder unterschiedlich sein, bevorzugt sind sie gleich.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die optische Funktionsschicht ein DFB- Laser („Distributed~Feedback"-Laser), Wie dem Fachmann grundsätzlich bekannt ist, handelt es sich bei DFB-Lasern um Laser, bei denen, das aktive Material periodisch strukturiert ist, Die Strukturen wechselnder Brechzahl bilden eine Resonatorstruktnr, Dies kann durch ein Oberflächenreliefgitter (Variation der
Oberflächentopologie) oder durch eine Volumengitter (Variation der Brechzahl) realisiert werden, Die daraus resultierende Interferenz bewirkt die optische
Rückkopplung des Lasers. Alternativ ist es auch möglich, dass die das Laser-fähige Material enthaltende optische Funktionsschicht zugleich auch die Resonatorstruktur verkörpert.
Eine Änderung der Brechzahl in der Hydrogelpolymerschicht (z.B. durch
Immobilisierung von Analytmolekülen) bewirkt eine sensorisch nutzbare
Wellenlängenverschiebung des emittierten Laseriichts,
Im Falle des DFB-Lasers enthält die optische Funktionsschicht ein Laser-fähiges Material in Kombination mit einer Resonatorstruktur (Gitter), d.h. ein bei optischer Anregung Laserlicht emittierendes Material. Solche Materialien sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Beispielhaft können Fluoreszenzfarbstoffe, fluoreszierende Polymere, halbleitende fluoreszierende Polymere oder Gemische davon genannt werden. Dic Fliioreszenzfarbstoffe liegen üblicherweise in der optischen Fiinktionsschicht in einer Menge von 0,5 bis 20 Gew% vor. Diese Fluoreszenzfarbstoffe können, in das Polymer der optischen Funktionsschicht eingebettet sein. Das Polymer der optischen Funktionsschicht fungiert dann nicht nur als mikrostrukturiertes optisches Element (z.B. in Form oder als Teil eines periodischen Oberflächenrelief- oder
Volumengitters des DFB-Lasers), sondern auch als Matrix für die Laser-fähige Komponente,
Bei der Verwendung von Laser-fähigen fluoreszierenden Polymeren kann die optische Funktionsschicht überwiegend, z.B. zu mindestens 70 Gew%, bevorzugter zu mindestens 85 Gew% oder sogar vollständig aus dem fluoreszierenden Laserfähigen Polymer bestehen. In diesem Fall fungiert das Polymer der optischen Funktionsschicht nicht nur als mikrostrukturiertes optisches Element (z.B. in Form oder als Teil eines periodischen Oberflächenreliefgitters des DFB-Lasers), sondern auch als aktive Laser- fähige Komponente. Vorteile bringen auch Gemische zweier Farbstoffe bzw. Blends zweier fluoreszierender Polymer.
Laser- fähige Materialien sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Beispielhaft können in diesem Zusammenhang Laser-Farbstoffe, Pyromethane, 4- (Dicyanomethylen)-2-methyl-6-(4-dimethyl aminostyryI)-4//-pyran (DCM),
Perylenverbindungen wie z.B. Perylendiimide, Poly(p-phenylen-vinylen)
(Kurzbezeichnnng: PPV), Poly[(9,9-di-n-octylfluorenyI-2,7-diyl)-ali- (benzo[2,l ,3]thiadiazol-4,8-diyl)] (Kurzbezeichnung: F8BT), Poly[2-methoxy-5-(2- ethylhexyloxy)-l ,4-phenylenevinylen] (Kurzbezeichnung: MEH-PPV), oder Gemische davon (wie z.B. F8BT/MEH-PPV) genannt werden.
Wie bereits oben erwähnt, bewirkt im Fall der Laser-fähigen optischen
Funktionsschicht die spezifische Wechselwirkung der Analytmoleküle mit der photovernetzten Hydrogelschicht eine Änderung der Brechzahl dieser
Hydrogelschicht, was zu einer Verschiebung der Wellenlänge des von der optischen Funktionsschicht emittierten Laserlichts führt. Der DFB-Laser selbst ist der Markerfreie Sensor.
Enthält der erfindungsgemäße Sensor einen DFB-Laser, so kann dieser über
Methoden, die dem Fachmann grundsätzlich bekannt sind, hergestellt werden.
Wie oben erwähnt, kann es sich in einer bevorzugten Ausführungsform bei der optischen Funktionsschicht auch um eine Schicht handeln, die einen Ringresonator enthält. Um dem Ringresonator Licht zuzuführen, enthält die optische
Funktionsschicht noch einen Wellenleiter, Wie dem Fachmann bekannt ist, unterscheiden sich Ringresonator und Wellenleiter von dein sie umgebenden Material durch die Brechzahl, so dass das Licht in diesen optischen Elementen (d.h. Ringresonator und Wellenleiter) geleitet wird. Solche optischen Ringresonatoren und Methoden zu ihrer Herstellung sind dem Fachmann bekannt. Bevorzugt wird der Ringresonator von dem in der optischen Funktionsschicht vorliegenden Polymer gebildet. Dadurch ist auch in dieser Ausführungsform die Ausbildung von kovalenten Bindungen zwischen dem den Ringresonator bildenden Polymer und dem Mydrogel-Polymer möglich. Geeignete Polymere für die Ausbildung eines Ringresonators sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Beispielhaft können folgende Polymere genannt werden: Polyacrylate, Polymethacrylate, Pol carbonate, Polyurethane, oder Gemische dieser Polymere. Die Frequenz des Ringresonators wird durch die Wechselwirkung des Analyten mit der Hydrogelschicht über die Veränderung der Brechzahl verstimmt (d.h.
abgeändert).
Wie oben erwähnt, kann es sich in einer bevorzugten Ausführungsform bei der optischen Funktionsschicht um eine Schicht mit einer Mach-Zehnder-Interferometer- Struktur handeln. Wie dem Fachmann bekannt ist, wird bei einem Mach-Zehnder-
Interferometer das einfallende Licht durch einen Strahlteiler in zwei Arme bzw. Zweige aufgeteilt. Es liegt also eine zweiarmige Wellenleiterstruktur vor. Nach Durchlauf der beiden Strecken, deren optische Weglänge unterschiedlich sein kann, werden die beiden Strahlen (Referenz- und Messstrahl) wieder überlagert,
Bevorzugt werden die zwei Arme e der Mach-Zehnder-Interferometerstruktur aus dem Polymer der optischen Funktionsschicht gebildet. Geeignete Polymere für die Ausbildung solcher Wellenleiterstrukturen in einer Mach-Zehnder- Interferometerstruktur sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Beispielhaft können folgende Polymere genannt werden: Polyacrylate, Polymethacrylate,
Polycarbonate, Polyurethane, oder Gemische dieser Polymere.
Bevorzugt weist das Hydrogel-Polymer sowohl eine gemeinsame Grenzfläche mit dem. ersten Zweig (der beispielsweise als Wellenleiter für den Referenzstrahl fungiert) wie auch eine gemeinsame Grenzfläche mit dem zweiten Zweig (der beispielsweise als Wellenleiter für den Messstrahl fungiert) auf. Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Schicht des Hydro gel-Polymers so strukturiert ist, dass eine Flilssigkeitsdiffusion von dem Bereich des Hydrogel-Polymers, der den ersten Zweig zumindest teilweise abdeckt, zu dem Bereich des Hydrogel-Polymers, der den zweiten Zweig zumindest teilweise abdeckt, unterbunden ist. Dies kann
beispielsweise dadurch realisiert werden, dass das Hydrogel-Polymer in zwei räumlich voneinander separierte Bereiche aufgeteilt ist, nämlich einem ersten Hydrogel-Polymer, das den ersten Zweig zumindest teilweise abdeckt, und einem zweiten Hydrogel-Polymer, das den zweiten Zweig zumindest teilweise abdeckt.
Bevorzugt wird der Sensor dann beispielsweise so betrieben, dass einer dieser beiden Polymerbereiche der Hydrogelschicht (z.B. derjenige, der den ersten Zweig bzw. Arm der optischen Funktionsschicht zumindest teilweise abdeckt) nur mit der Lösung ohne Analyt in Berührung kommt, während der andere Polymerbereich der Hydrogelschicht (also derjenige, der den zweiten Zweig bzw. Arm der optischen Funktionsschicht zumindest teilweise abdeckt) mit der den Analyten enthaltenden Lösung kontaktiert wird. Die Brechzahländerung des Messstrahl-Wellenleiters ändert die optische Weglänge des zweiten Arms bzw. Zweigs des Mach-Zehnder- Interferometers. Dies bewirkt eine sensorisch nutzbare Phasenverschiebung,
Die ein Polymer enthaltende optische Funktionsschicht liegt auf einem Substrat vor, Hierfiir geeignete Substrate sind dem Fachmann grandsätzllch bekannt. Das Substrat kann aus einem anorganischen Material (z.B. Glas, Silizium, Siliziumnitrid, ...etc.) und/oder Kunststoff bestehen. Das Substrat kann einschichtig oder auch
mehrschichtig sein. Ais Substrate sind unter anderem auch Mikrofluidik-Chips oder sogenannte Biodisposables geeignet.
Wie oben ausgeführt, enthält der Sensor der vorliegenden Erfindung eine Schicht eines photovernetzten Hydrogel-Polymers, das
* kovalent gebundene Analyt-spezifische Erkennungsgruppen aufweist, und
* über photoreaktive Gruppen vernetzt ist;
und wobei das Hydrogel-Polymer über photoreaktive Gruppen kovalent mit dem Polymer der optischen Funktionsschicht verbunden ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass es sich bei der Schicht des photovernetzten Hydrogel-Polymers um eine durchgehende Schicht handelt, die sich über die gesamte Fläche der optischen Funktionsschicht erstreckt. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Hydro gel-Schi cht nur einen Teil der optischen
Funktionsschicht abdeckt. Weiterhin ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich, dass die Hydrogel-Schicht nicht durchgehend ist, sondern zwei oder mehr Bereiche aufweist, die räumlich voneinander separiert sind. Wichtig ist vor allem, dass das Hydrogel-Polymer und das Polymer der optischen Funktionsschicht eine gemeinsame Grenzfläche aufweisen, an der über die photoreaktiven Gruppen des Hydro gels kovalente Bindungen ausgebildet werden können, Durch die photoreaktiven Gruppen wird also zweierlei bewirkt. Zum einen werden, benachbarte Polymerketten im Hydrogel miteinander verknüpft (d.h. es werden über diese photoreaktiven Gruppen Vemetzungspunkte im Hydrogel ausgebildet), außerdem wird das Hydrogel -Polymer über die photo reaktiven Gruppen kovalent mit dem Polymer der optischen. Funktionsschicht verbunden.
Die photoreaktiven Gruppen, die die Vernetzung im Hydrogel-Polymer bewirken, und die photoreaktiven Gruppen, die die kovalente Bindung zur optischen
Funktionsschicht bewirken, können gleich oder unterschiedlich sein. Bevorzugt sind sie gleich.
Unter einem Hydrogel bzw. Hydrogel-Polymer versteht man ein dreidimensionales Netzwerk, das in Wasser nicht mehr löslich ist, sondern dieses aufnimmt und damit quillt. Die Polymerketten von Hydrogelen. sind über Vernetzungspunkte miteinander verbunden und bilden so eine dreidimensional vernetzte Struktur aus.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfolgt die Ausbildung von
Vernetzungspunkten über photoreaktive Gruppen. Eine zusätzliche Vernetzung durch. Knüpfen weiterer kovalenter Bindungen, z, B. Uber die sogenannte„Klick-
Chemie" (K. B. Sharpless et al, Angew. Chem. Int. Ed, 2001, 40, S. 2004 - 2021) ist optional möglich, sofern weitere Monomereinheiten mit geeigneter Reaktivität in die Polymerkette des Copolymers eingebaut werden. In einer bevorzugten
Ausfuhrungsform erfolgt die für die Ausbildung des Hydrogels erforderliche Vernetzung jedoch ausschließlich über eine photochemische Vernetzung. In. einer besonders bevorzugten. Ausführungsform erfolgt die photochemische Vernetzung über photoreaktive Gruppen, die nach Aktivierung durch sichtbares Licht oder UV- Strahlung durch Insertionsreaktionen mit organischen Resten in unmittelbarer Nähe reagieren können. Beispiele für solche besonders bevorzugte photoreaktive Gruppen sind Benzo- oder Acetophenongruppen, Diazirine oder Äzide. Hydrogel-Polymerc sowie Verfahren zu deren Herstellung sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, In der vorliegenden. Erfindung kann es sich bei dem Hydrogel auch um ein schaltbares Hydrogel handeln. Unter schaltbaren Hydrogelen versteht der Fachmann solche Hydrogele, die unter Einwirkung eines externen Stimulus (d.h. unter der Einwirkung eines äußeren, sich ändernden Parameters) unter Wasseraufnahme quellen oder alternativ auch unter Flüssigkeitsabgabe kollabieren können. Diese Übergänge sind bevorzugt reversibel. Solche schaltbaren Hydrogele sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt.
Wie der Fachmann weiß, ist jedes Polymer aus Wiederholeinheiten aufgebaut. Jedes Polymer ist gewissermaßen die Summe all seiner Wiederholeinheiten. Wenn alle Wiederholeinheiten eines Polymers identisch sind, spricht man von einem
Homopolymer. Bei unterschiedlichen Wiederholeinheiten liegt ein Copolymcr vor.
Wie jedes Polymer ist somit auch das photovernetzte Hydrogel-Polymer der vorliegenden Erfindung aus Wiederholeinheiten aufgebaut. Wie nachfolgend noch eingehender beschrieben wird, umfasst das photovernetzte Hydrogel-Polymer bevorzugt (i) Wiederholeinheiten WEAS, die jeweils eine Analyt-spezi fische
Erkennungsgruppe aufweisen; (ii) Wiederholeinheiten WEV, die jeweils über eine photoreaktive Gruppe einen Vernetzungspunkt in dem Hydrogel-Polymer ausgebildet haben, sowie (iii) Wiederholeinheiten WE0F, die jeweils über eine photoreaktive Gruppe kovalent mit dem Polymer der optischen Funktionsschicht verbunden sind.
Das Hydrogel-Polymer enthält außerdem solche Wiederholeinheiten, die die eigentliche strukturelle Basis des Hydrogel s bilden (nachfolgend auch als
Wiederholeinheiten WEBasis bezeichnet) und üblicherweise in einem Anteil von über 50 Mol%, bevorzugter über 60 Mol% oder über 70 ol% in dem Hydrogel-Polymer vorliegen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die Wiederholeinheiten WEBbs,s aus solchen ausgewählt werden, die üblicherweise in bekannten Hydrogel- Polymeren vorliegen.
Folgende Wiederholeinheiten WEBasis des Hydrogel-Polymers können beispielhaft genannt werden:
wobei
Rj = H, Alkyl wie z. B, CM-Alkyl, bevorzugt -CH3
R2, = H, Alkyl wie z.B. C -Alkyl, -(CH2)n-COOH
x = 1 -50, bevorzugter 2-20 sind,
wobei
R] = H, Alkyl wie z. B. Cj-4-Alkyl, bevorzugt -H
Ri, = H, Alkyl wie z.B. C -Alkyl, -(CH2)n-COOH
x = 1 -50, bevorzugter 3-20 sind,
wobei
R2, = H, Alkyl wie z.B. C, .4- Alkyl, -(CH2)„-COOH x 1 -50, bevorzugter 2-20 sind,
wobei
R2, = H, Alkyl wie z.B. C -Alkyl, -(CH2)n-COOH x - 1-50, bevorzugter 2-20 sind,
wobei
Ri = H, Alkyl wie z.B. CM- Alkyl -R2> -R3, = H, Alkyl wie z.B. CM-Alkyl, Allyl,
(6)
wobei
Ri = H, Alkyl wie z.B. d -4- Alkyl, bevorzugt H
x = 1-6, bevorzugter 3-4 ist,
wobei
Ri, R2, R3 = H, Alkyl wie z.B. Ci-4-Alkyl ist,
Ri = H oder eine Verzweigung der Polysaccharidkette
R2 bis R5 = M. Alkyl wie z.B. CM-Alkyl, Allyl, -(CH2)n-COOH ist, (9)
Es können auch andere Polysaccharidstrukturen, wie z, B. CarboxymethylceHuIose, Hydroxyethylstärke etc, als Strukturelemente für das Hydrogel dienen.
wobei
i = H, Alkyl wie z.B. Ci,4-Alkyl5 bevorzugt -CH3 ist,
(1 1)
wobei
Ri = H, Alkyl wie z.B. Ci- -AlkyI, bevorzugt -CH3 ist,
x, y unabhängig voneinander Werte zwischen 1 und 12 annehmen können
Z =' S03, COO, oder P0 ist. Das photovernetzte Hydrogel -Polymer enthält kovalent gebundene Analyt- spezi fische Erkennungsgruppen, d.h. diese Analyt-spezifischen Erkennungsgruppen sind über kovalente Bindungen entweder unmittelbar mit der Polymerkette des
Hydrogel-Polymers oder mit einer Seitengruppe der Hydrogel-Polymerkette
verbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das photovernetzte Hydrogel- Polymer
(i) Wiederholeinheiten WEAS, die jeweils zumindest eine Analyt-spezifische Erkennungsgruppe aufwei sen,
(ii) Wiederholeinheiten WEV, die jeweils über eine photoreaktive Gruppe einen Vernetzungspunkt in dem Hydrogel-Polymer ausgebildet haben, sowie
(iii) Wiederholeinheiten WE0!", die jeweils über eine photoreaktive Gruppe
kovalent mit dem Polymer der optischen Funktionsschicht verbunden sind.
Wie nachfolgend noch eingehender erläutert wird, kann die kovalente Bindung der Änalyt-spezifischen Erkennungsgruppen im Hydrogel-Polymer realisiert werden, indem bereits bei der Polymerisation eines photovemetzbaren Copolymers (aus dem später durch Bestrahlung das photovernetzte Hydrogel gebildet wird)
Monomerverbindungen anwesend sind, die eine solche Analyt-spezifische
Erkennungsgruppe enthalten. Alternativ ist es auch möglich, dass bei dieser
Polymerisation zunächst eine Monomerverbindung mit einer organischen
funktionellen Gruppe anwesend ist und erst nach erfolgter Polymerisation diese organischen funktionellen Gruppen mit einer Verbindung, die die Analyt-spezifische Erkennungsgruppe enthält, zur Reaktion gebracht werden.
Geeignete Monomerverbindungen, aus denen die Wiederholeinheiten WE' ableitbar bzw. erhältlich sind, kennt der Fachmann. Es handelt sich dabei um solche
Verbindungen, die im Rahmen einer Polymerisation in eine Polymerkette eingebaut wcrden können» insbesondere um Verbindungen mit einer ungesättigten Kohlenstoff- Kohlenstoff-Bindung. Beispielhaft können, in diesem Zusammenhang Olefine, Styrole, Vinylvrbiiidungen» Acrylate oder Methacryiate genannt werden. Wie bereits oben erwähnt, können diese Monomerverbindungen bereits eine Analyt-spezifische Erkennungsgmppe enthalten oder können alternativ zunächst eine funktionelle organische Gruppe enthalten, die nach der Polymerisation (also nach Einbau der Monomermoleküle in die Polymerkette) mit einer Verbindung, die die Analyt- spezifische Erkennungsgruppe enthält, zur Reaktion gebracht wird. Für letztere Variante enthalten diese Verbindungen zusätzlich zu der Analyt-spezifischen
Erkennungsgruppe ihrerseits eine geeignete funktionelle organische Gruppe, die mit der funktionellen organischen. Gruppe der Monomerverbindung reagieren kann (d.h. es werden zueinander komplementäre Paare funktioneller Gruppen verwendet).
Beispiele für solche komplementäre Paare funktioneller Gruppen sind. Aktivester und. Aminograppen, Epoxide und Hydroxylgruppen, Thiol- und En-Gruppen oder Alkin- und Azido-Gruppen.
Je nach Art des zu detektierenden Analyten ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt, welche spezifischen Erkennungsgruppen (d.h. Gruppen, die eine spezifische Wechselwirkung mit den Änalytmolekülen eingehen können) eingesetzt werden können.
Beispielsweise kann die Analyt-spezifische Erkennungsgruppe aus Antikörpern, Fab- Fragmenten von Antikörpern, Enzymen, Enzymfragmenten, Coenzymen,
prosthetischen Gruppen, Aptameren, DNA-Einzelsträngen, RNA-Einzelsträngen, oder Kombinationen davon ausgewählt werden.
In einer bevorzugten Äusführungsform handelt es sich bei dem Sensor um einen. Bio- Sensor oder biochemischen Sensor und somit um einen Sensor, der biologische oder biochemische Komponenten zur Selektion des Analyten nutzt. Je nach Anwendungszweck des Sensors kann der Anteil der Wiederholeinheiten WEAS in dem Hydrogel-Polymer über einen breiten Bereich variieren. Beispielsweise können die Wiederholeinheiten WE in dem Hydrogel-Polymer in einer Menge von bis zu 50 Mol% oder auch bis zu 95 Mol% vorliegen, bezogen auf die Gesamtmenge aller Wiederholeinheiten, aus denen das Hydrogel-Polymer besteht Für viele Anwendungen kann es aber auch ausreichend sein, wenn die Wiederholeinheiten WEAS in dem Hydrogel-Polymer in einer Menge von bis zu 10 Mol% oder auch bis zu 5 Mol% vorliegen, bezogen auf die Gesamtmenge alier Wiederholeinheiten, aus denen das Hydrogel-Polymer besteht,
Wie nachfolgend noch eingehender beschrieben wird, können die
Wiederholeinheiten WE und WE01* bevorzugt dadurch erhalten werden, dass bereits bei der Herstellung eines photovernetzbaren Copolymers zumindest eine
Monomerverbindung anwesend ist, die eine photoreaktive Gruppe enthält. Diese Monomerverbindung wird während der Polymerisation in die Polymerkette eingebaut. So wird ein photovernetzbares Copolymer enthalten, das
Wiederholeinheiten WEPR umfasst, die jeweils eine photoreaktive Gruppe aufweisen. Durch die Bestrahlung des photovernetzbaren Copolymers kommt es dann entweder zu einer Reaktion (z.B. einer Insertionsreaktion) zwischen der photoreaktiven Gruppe und einer organischen Gruppe bzw, eines organischen Rests einer benachbarten Polymerkette und dadurch zur Ausbildung eines Vernetzungspunktes oder zu einer kovalenten Bindung an das Polymer in der optischen Funktionsschicht.
Geeignete photoreaktive Gruppen, die durch Bestrahlung solche Vernetzungspunkte in dem Hydrogel-Polymer ausbilden können, sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt,
In einer bevorzugten Ausflihrungsform wird die photoreaktive Gruppe aus solchen ausgewählt, die unter Insertion mit einem, organischen Rest reagieren können. Bevorzugt wird die photoreaktive Gruppe aus einer Benzophenon-Gruppe, einer Acetophenon-Gruppc, einer Diazirin-Gruppe oder einer Azid-Gruppe ausgewählt.
Wird eine Benzophenon-Gruppe als photoreaktive Gruppe verwendet, so kann diese beispielsweise unter Bestrahlung mit einer H-C-Gruppc einer benachbarten
Polymerkette gemäß der folgenden Reaktion reagieren und dadurch einen
Vernetzungspunkt ausbilden:
>C-0 + H-C(R!R2R3) -» >C(OH)-C(R1R2 3)
Geeignete Monomerverbindungen, aus denen die Wiederholeinheiten WEV und WE0F ableitbar bzw. erhältlich sind, kennt der Fachmann, Es handelt sich dabei um solche Verbindungen, die im Rahmen einer Polymerisation in eine Polymerkette eingebaut werden können, insbesondere um. Verbindungen mit einer ungesättigten Kohlenstoff- Kohlenstoff-Bindung. Beispielhaft können in diesem Zusammenhang Olefine, Styrole, Acrylate oder Methacrylate genannt werden. Bevorzugt enthalten diese Monomerverbindungen bereits eine photoreaktive Gruppe. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass diese Monomerverbindungen zunächst eine funktionelle organische Gruppe enthalten, die nach der Polymerisation (also nach Einbau der Monomermolekiile in die Polymerkette) mit einer Verbindung, die die photoreaktive Gruppe enthält, zur Reaktion gebracht werden. Hierfür enthalten diese Verbindungen zusätzlich zu der photoreaktiven Gruppe ihrerseits eine geeignete funktionelle organische Gruppe, die mit der funktionellen organischen Gruppe der
Monomerverbindung reagieren kann (d.h. es werden zueinander komplementäre Paare funktioneller Gruppen verwendet), Beispiele für solche komplementäre Paare funktioneller Gruppen sind Aktivester und Aminogruppen, Epoxide und
Hydroxylgruppen, Thiol- und En-Gruppen oder Alkin- und Azido-Gruppen.
Das photo vernetzte Hydrogel enthält die Wicderholeinheitcn WEV und WE01' in einer Menge, die ausreichend ist, um zusätzlich zu einer dreidimensionalen Vernetzung des Hydrogels auch sicher zu stellen» dass noch photoreaktive Gruppen für eine kovalente Bindung an die optische Funktionsschicht zur Verfugung stehen.
Allerdings hat es sich im Rahmen der vorliegende Erfindung auch als vorteilhaft für die Empfindiiclikeit des Sensors und für das Signal-Rausch-Verhältnis herausgestellt, wenn der Anteil der photoreaktiven Einheiten und damit auch der Vernetzungsgrad des Hydrogels mögliehst gering ist,
In einer bevorzugten Äusftihrungsfonn liegen daher die Wiederholeinheiten WEV und WE0F in dem I lydrogel-Polymer in einer Menge von weniger als 1 ,0 Mol%, bevorzugt weniger als 0,5 Mol%, noch bevorzugter weniger als 0,3 Mol% vor, bezogen auf die Gesamtmenge aller Wiederholeinheiten, aus denen das Hydrogel- Polymer besteht. Das Mengenverhältnis der Wiederholeinheiten WEV und WE01* zueinander kann dabei über einen breiten Bereich variiert werden. Bevorzugt ist, dass die Summe der Wiederholeinheiten WEV und WE0P in einer Menge von weniger als 1 ,0 Mol% vorliegt.
Bevorzugt liegen die Wiederholeinheiten WEV und WE01' in dem Hydrogel-Polymer in einer Menge im Bereich von mindestens 0,01 Mol% bis weniger als 1 ,0 Mol%, bevorzugter 0,03 Mol% bis weniger als 0,5 Mol%, noch bevorzugter 0,05 Mol% bis weniger als 0,3 Mol% vor, bezogen auf die Gesamtmenge aller Wiederholeinheiten, aus denen das Hydrogel-Polymer besteht.
Die Menge an Wiederholeinheiten WEV und WE05' in dem Hydrogel-Polymer kann anhand der Äusgangsmenge der Monomerverbindungen mit photoreaktiver Gruppe und des Umsetzungsgrades dieser Monomerverbindungen während der
Polymerisation bestimmt werden. Ist beispielsweise bei der Polymerisation des photovernetzbaren Copolymers die Monomerverbindung mit photoreaktiver Gruppe in einer Menge von 0,2 Mol% (bezogen auf die Gesamtmenge der
Monomerverbindungen) anwesend und läuft die Polymerisationsreaktion quantitativ ab, so enthält das photovernetzte Hydrogel-Polymer die Wiederholeinheiten WEV und WES in einer Menge von 0,2 Mol%. Der Umsetzungsgrad der
Monomerverbindungen bei der Polymerisation kann mit dem Fachmann bekannten analytischen Methoden bestimmt werden.
Bevorzugt weist das photovernetzte Hydrogel einen Quellgrad > 4, bevorzugter > 5, noch bevorzugter > 8 auf.
Der Quellgrad gibt an, wie viel Wasser ein Hydrogel gegenüber seinem
Trockengewicht maximal aufnimmt. Er wird über den Quotienten der Schichtdicke d im gequollenen Zustand und der Trockenschichtdicke d0 bestimmt. Für die
Bestimmimg des Quellgrades wird destilliertes Wasser verwendet.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform delektiert der erfindungsgemäße Sensor den Analyten Marker-frei (d, h. die Analytmoleküle brauchen keine Marker (z.B.
Fluoreszenzmarker, Farbstoffmarker, konjugierten Enzyme, etc.) zu tragen).
Der Sensor der vorliegenden Erfindung kann für eine Marker-freie Detektion von Analyten verwendet werden (bevorzugt als Biosensor bzw. biochemischer Sensor).
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist außerdem, ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Sensors» umfassend
die Bereitstellung eines Substrats mit einer darauf aufgebrachten. Polymer- haltigen optischen Funktionsschicht;
- die Bereitstellung einer Schicht eines photovernetzbaren Copolymers auf der optischen Funktionsschicht, wobei das photovernetzbare Copolymer und das Polymer der optischen Funktionsschicht eine gemeinsame Grenziäche aufweisen und das photovernetzbare Copolymer Wiederholeinheiten WEPR umfasst, die jeweils zumindest eine photoreaktive Gruppe aufweisen, und dic Bestrahlung des photovemetzbaren Copolymers unter Ausbildung eines photovernetzten Hydrogel-Polymers und Ausbildung von kovalenten Bindungen zwischen dem photovernetzten Hydrogel-Polymer und dem Polymer der optischen Funktionsschicht.
Hinsichtlich der bevorzugten Eigenschaften des Substrats und der das Polymer enthaltenden optischen Funktionsschicht kann auf die obigen Ausführungen verwiesen werden. Die optische Funktionsschicht, z.B. in Form eines DFB-Lasers oder einer
Ringresonator-Schicht oder einer Schicht mit einer Mach-Zehnder-Interferometer-
Struktur kann über Methoden» die dem Fachmann bekannt sind,» erhalten werden.
Die die photoreaktive Gruppe enthaltenden Wiederholeinheiten WEPR werden bevorzugt dadurch erhalten, dass bei der Herstellung des photovemetzbaren
Copolymers zumindest eine Monomerverbindung anwesend ist, die eine
photoreaktive Gruppe enthält.
Durch die Bestrahlung des photovemetzbaren Copolymers kommt es dann zu einer Reaktion (z.B.. einer Insertionsreaktion) zwischen der photoreaktiven Gruppe und entweder einer organischen Gruppe bzw. eines organischen Rests einer benachbarten Polymerkette im photovemetzbaren Copolymer (und dadurch zur Ausbildung eines Vernetzungspunktes im Hydrogel) oder einer in der optischen Funktionsschicht vorliegenden Polymerkette. Je nachdem, ob die photoreaktiven Gruppen mit benachbarten Polymerketten Vernetzungspunkte im Hydrogel oder eine kovalente Bindung zur optischen Funktionsschicht ausbilden, werden also die
Wiederholeinheiten WEPR des photovemetzbaren Copolymers entweder in
Wiederholeinheiten WEV (d.h. Wiederholeinheiten,, die Vernetzungspunkte im
Hydrogel ausgebildet haben) oder in Wiederholeinheiten WEÜI" (d.h. Wiederholeinheiten, mit kovalenter Bindung zur optischen Funktionsschicht) des photovernetzten Hydrogel-Polymers überführt.
Hinsichtlich geeigneter photoreaktiver Gruppen kann auf die obigen Ausführungen bei der Beschreibung des Sensors verwiesen werden..
Die photochemisch initiierte Vernetzung des Copolymcrs unter Ausbildung des Hydro gel s erfolgt durch Bestrahlung mit Licht geeigneter Wellenlänge. In
Abhängigkeit von. der verwendeten photoreaktiven Gruppe ist dem Fachmann bekannt, bei welcher Wellenlänge die Bestrahlung zu erfolgen hat, Beispielhaft, kann, in diesem Zusammenhang auf die in Laschewsky et al., Soft Matter 2013, 9, S, 929 - 937 beschriebenen Bestrahlungsbedingungen verwiesen werden,
Geeignete Monomerverbindungen, aus denen die Wiederholeinheiten WEPR erhältlich sind, kennt der Fachmann. Es handelt sich dabei um. solche Verbindungen, die im Rahmen einer Polymerisation in eine Polymerkette eingebaut werden können, insbesondere um Verbindungen mit einer ungesättigten Kohlenstoff-Kohlenstoff- Bindung. Beispielhaft können in diesem Zusammenhang Olefine, Styrole, Acrylate oder Methacrylate genannt werden. Bevorzugt enthalten diese
Monomerverbindungen. bereits eine photoreaktive Gruppe. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass diese Monomerverbindungen zunächst eine funktionelle organische Gruppe enthalten, die nach der Polymerisation (also nach Einbau der Monomermoleküle in die Polymerkette) mit einer Verbindung, die die photoreaktive Gruppe enthält, zur Reaktion gebracht werden, Hierfür enthalten diese Verbindungen zusätzlich zu der photoreaktiven Gruppe ihrerseits eine geeignete funktionelle organische Gruppe, die mit der funktionellen organischen Gruppe der
Monomerverbindung reagieren kann (d.h. es werden .zueinander komplementäre Paare funktioneller Gruppen verwendet), Beispiele für solche komplementäre Paare funktioneller Gruppen sind Aktivester und Aminogruppen, Epoxide und.
Hydroxylgruppen, Thiol- und En-Gruppen oder Alkin- und Azido-Gruppen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass bereits das
photo vernetzbare Copolymer Wiederholcinheitcn WEAS umfasst, die jeweils zumindest eine Analyt-spezifische Erkennungsgruppe aufweisen,
Die Wiederholeinheiten WEPR und WEAS in dem photovernetzbaren Copolymer können erhalten werden, indem das photovcrnetzbare Copolymer durch eine
Polymerisation, hergestellt wird, in der eine Monomerverbindung, die die
photoreaktive Gruppe enthält, sowie eine Monomerverbindung, die die Analyt- spezifische Erkennungsgruppe enthält» anwesend sind.
Hinsichtlich der Monomerverbindung, die die photoreaktive Gruppe enthält, kann auf die obigen Ausführungen verwiesen werden, Geeignete Monomerverbindungen, aus denen die Wiederholeinheiten WE
erhältlich sind, kennt der Fachmann. Es handelt sich bevorzugt um solche
Verbindungen, die im Rahmen einer Polymerisation in eine Polymerkette eingebaut werden können, insbesondere um Verbindungen mit einer ungesättigten Kohlenstoff- Kohlenstoff-Bindung, Beispielhaft, können in diesem. Zusammenhang Olefine, Styrole, Acrylate oder Methacrylate genannt werden. Wenn diese
Monomerverbindungen bereits eine Analyt-spezifische Erkennungsgruppe enthalten, wird unmittelbar durch die Polymerisation ein Copolymer mit kovalent an die Polymerketten gebundenen. Analyt-spezifischen Erkennungsgruppen erhalten, Alternativ ist es auch möglich, dass die Monomerverbindungen noch keine Analyt- spezifische Erkennungsgruppe, sondern zunächst eine funktionelle organische
Gruppe enthalten, die nach der Polymerisation (also nach Einbau der
Monomermoleküle in die Polymerkette) mit einer Verbindung, die die Analyt- spezifische Erkennungsgruppe enthält, zur Reaktion gebracht wird. Diese
Verbindungen enthalten ihrerseits zusätzlich zu der Analyt-spezifischen Erkennungsgruppe eine geeignete funktionelle organische Gruppe, die mit der funktionellen organischen Grappe der Monomerverbindung reagieren kann (d.h. es werden zueinander komplementäre Paare funktioneller Gruppe verwendet), Beispiele für solche komplementäre Paare funktioneller Gruppen sind Aktivester und Aminogruppen, Epoxide und Hydroxylgruppen, Thiol- und En-Gruppen oder Alkin- und Azido-Gruppcn.
Die Wiederholeinheiten WEPR und WEAS können, in dem photovernetzbaren
Copolymer erhalten werden, indem das photovernetzbare Copolymer durch
eine Polymerisation, in der eine Monomerverbindung, die die photoreaktive Gruppe enthält, sowie eine Monomerverbindung, die eine funktionelle organische Gruppe enthält, anwesend sind und anschließend
eine Reaktion der funktionellen organischen Grappe mit einer Verbindung, die die Anal t-spezifische Erkennungsgruppe enthält,
hergestellt wird.
Alternativ ist es im erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, dass die
Wiederholeinheiten WEAS in dem photovernetzten Hydrogel-Polymer nach der Bestrahlung des photovernetzbaren Copolymers gebildet werden.
Die Wiederholeinheiten WEAS können in dem photovernetzten Hydrogel-Polymer beispielsweise dadurch erhalten werden, dass
das photovernetzbare Copolymer durch eine Polymerisation hergestellt wird, in der eine Monomerverbindung, die die photoreaktive Grappe enthalt, sowie eine Monomerverbindung, die eine funktionelle organische Grappe enthält, anwesend sind, und
nach der Bestrahlung des photovernetzbaren Copolymers eine Reaktion der funktionellen organischen Gruppe mit einer Verbindung, die die Analyt- spezifische Erkennungsgruppe enthält, stattfindet. Hinsichtlich geeigneter funktioneller organischer Gruppen der Monomerverbindung sowie der Verbindung, die die Anal yt-spezi fische Erkennungsgruppe enthält, kann auf die obigen Ausführungen, verwiesen werden, Wie bereits oben bei der Beschreibung des Sensors erläutert, enthält das Hydrogel- Polymer noch„Basis"- Wiederholeinheiten, die die eigentliche strukturelle Basis des Hydrogel-Polymers ausmachen. Gleiches gilt natürlich auch für das
photovernetzbare Copolymer, aus dem das vernetzte Hydrogel durch Bestrahlung erhalten wird. Bezüglich geeigneter Basis- Wiederholeinheiten WEBrsis für das vernetzbare Copolymer kann daher auf die oben bei der Beschreibung des Sensors gemachten Ausführungen verwiesen werden.
Geeignete Reaktionsbedingungen, für die Herstellung des photovernetzbaren
Copolymers aus den oben beschriebenen Monomerverbindungen sind dem.
Fachmann grundsätzlich bekannt. Beispielsweise kann die Herstellung des
vernetzbaren Copolymers über eine radikalische Polymerisation erfolgen.
In einer bevorzugten Ausfuhrungsform weist das photovernetzbare Copolymer einen zahlenmittleren Polymerisationsgrad P„ im Bereich von. 500 bis 50000, bevorzugter 500 bis 10000 auf.
Der zahlenmittlere Polymerisationsgrad Pn wird aus der Molmasse über die Division durch die durchschnittliche Molmasse der Wiederholeinheiten berechnet. Die
Molmassenbestimmung erfolgt bevorzugt durch Gelpermeationschromatographie.
Die Bereitstellung des photovernetzbaren Copolymers auf der optischen
Funktionsschicht kann gebräuchliche Beschichtungsmethoden wie z.B. eine
Schleuderbeschichtung (Spin-Coating), eine Tauchbeschichtung» ein Bedrucken oder Kombinationen davon umfassen. Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele eingehender beschrieben.
Beispiele Herstellung des photovernetzbaren Copolymers
Es wurde ein Copolymer aus den Basismonomeren ΜΕ02ΜΛ (2-(2- Mcthoxyethoxy)ethyl-mcthacrylat) und OEGMA 475
(Oligo(ethylenglycol)methylether-methacrylat) hergestellt. Weiterhin 'wurden Monomere einpolymerisiert, die eine Biotin-Gruppe als Analyt-spezifische
Erkennungseinheit enthielten. Für die Photovernetzung wurden Monomere mit einer Benzophenon-Gruppe in das Polymer eingebaut.
Das nach der Polymerisation erhaltene photo vernetzbare Copolymer weist die folgende Struktur auf:
Neben den Basis- Wiederholeinheiten (Index p und q) enthält das Copolymer noch Wiederholeinheiten WEP (Index r), die eine photoreaktive Benzophcnon-Gruppe enthalten, und Wiederholeinheiten WEAS (Index s), die eine Biotin-Gruppe als
Analyt-spezifische Erkennungsgruppe enthalten.
Der Anteil der photoreaktiven Wiederholeinheiten im Copolymer betrag 0,5 Mol%, Der zahlenmittlere Polymerisationsgrad Pn betrug 580. Die Anteile der jeweiligen Wiederholeinheiten waren wie folgt:
p : q : r :s = 87,8 : 9,7 ι 0,5 : 2
Herstellung eines Sensors, der einen Polymeren DPB-Laser enthält, unter
Verwendung des oben beschriebenen photovernetzbaren Copoiymers
Dieses Beispiel beschreibt die vorteilhafte Ausführung mit einem polyrneren DFB- Laser. Dieser DFB-Laser ist aufgebaut aus einem auf einer Glasoberfläche mit einem Siliconstempel abgeformten„Polymer Surface Relief Gräting" (SRG), das aus einem Polymer mit einem niedrigen Brechungsindex besteht (MY-136 von YPolymers Ltd., Israel; 1 ,374@633 nm). Dieses hat ein sinusförmiges Profil mit einer
Amplitude von 30-35 nm und einer Periode von 400-405 nm. Darüber befindet sich als optische Funktionsschicht eine Laser-fahige Schicht (d.h. das Laser-Medium bzw. Gain-Medium) aus F8BT (Poly[959-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-alt-(l,4-benzo- {2,1 \3}-thiadiazol)]. American Dye Source, Inc., Quebec» Kanada) und MEH-PPV (Pol [2-methoxy-5 -(2-etbylhexyioxy)- 1 ,4-phenylene-vinylene] , American Dye
Source, Inc., Quebec, Kanada), die durch Spincoatlng (30 mg F8BT und 7 mg MEH- PPV in 2 niL Toluol, 3000 U/min.) aufgetragen wird. Auf die optische
Funktionsschicht wird das oben beschriebene photovernetzbare Copolymer durch Spincoating aufgetragen (0,4 gew.-%ige Lösung in Ethanol, 3000 U/min.). Durch Bestrahlung (UVACUBE 100 (Plönle, Gräfelfing) mit einer eisendotierten 100 W- Quecksilberdampflampe mit Glasfilter (Cut-off 310 nm), Abstand zur Lichtquelle 20 cm) wird das Copolymer einerseits dreidimensional vernetzt und zudem, kovalent an die die optische Fiinktionsschicht bildenden Polymere gebunden. Die entstehende Hydrogelschicht weist eine Schichtdicke von 25 nm im trockenen Zustand auf. Nach Spülen mit PBS-Puffer (Fluka, 0,01 moH"1 Phosphat (NaCl 0,138 moH"'; KCl
0,0027 moH"1); pH 7,4 bei 25 °C), um lose anhaftendes Material zu entfernen, ist der Sensor einsatzbereit.
Zur Oberprüfung der Sensorantwort wurde mit Avidinlösungen sukzessive steigender Konzentration inkubiert. Mit steigender Avidinkonzentration ergibt sich eine steigende Verschiebung der Laserwellenlänge, Der Sensor ermöglicht eine Detektion in Echtzeit, Dies ist in Figur 1 gezeigt.

Claims

A N S P R Ü C H E
Ein Sensor, umfassend
ein Substrat;
eine polymcre optische Funktionsschicht;
eine Schicht eines photovernetzten Hydrogel-Polymers, das
* kovalent gebundene Analyt-spezifische Erkennungsgruppen aufweist, und
* über photoreaktive Gruppen vernetzt ist;
wobei
das Hydrogel-Polymer über photoreaktive Gruppen kovalent mit dem Polymer der optischen Fiinktionsschicht verbunden ist und
die optische Funktionsschicht eine Brechzahländerung in der Schicht des Hydrogel-Polymers über eine Veränderung einer ihrer optischen
Eigenschaften anzeigen, kann,
Der Sensor gemäß Anspruch 1 , wobei es sich bei der optischen
Fiinktionsschicht um eine mikrostrukturierte Schicht handelt, die bevorzugt ein oder mehrere mikrostrukturierte optische Elemente, das bzw. die aus einem periodischen Gitter, einem Ringresonator oder einer mehrarmigen
Wellenleiterstruktur oder Kombinationen davon, ausgewählt wird bzw. werden» enthält.
Der Sensor gemäß Anspruch 2, wobei die mikrostrukturierte optische Funktionsschicht eine oder mehrere mikrostrukturierte optische Elemente umfasst und. zumindest eines der mikrostrukturierten optischen Elemente aus dem Polymer der optischen Funktionsschicht gebildet ist.
Der Sensor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei es sich bei der optischen Funktionsschicht um einen DFB-Laser, eine einen Ringresonator enthaltende Schicht oder eine Schicht mit einer Mach-Zehnder- Interferometer-Struktur handelt.
Der Sensor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, das photovernetzte Hydrogel-Polymer umfassend:
(i) Wiederholeinheiten WEAS, die jeweils eine Analyt-spezifische
Erkennungsgruppe aufweisen,
(ii) Wiedcrholeinheiten WEV, die jeweils über eine photoreaktive Gruppe einen Vernetzungspunkt in dem Hydrogel-Polymer ausgebildet haben, sowie
(iii) Wiederholeinheiten WE0F, die jeweils über eine photoreaktive Gruppe kovalent mit dem Polymer der optischen Funktionsschicht verbunden sind, 6. Der Sensor gemäß Anspruch 5, wobei die Wiederholeinheiten WEV und
WWEE0F iinn < dem Hydrogel-Polymer in einem Anteil von weniger als 1,0 Mol% vorliegen
Der Sensor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
photovernetzte Hydrogel einen Quellgrad > 4 aufweist.
Der Sensor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die
photoreaktive Gruppe aus solchen ausgewählt wird, die unter Insertion mit einem organischen Rest reagieren können.
Der Sensor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die
photoreaktive Gmppe eine Benzophenon-Gruppe, eine Acetophenon- einc Diazirin-Gruppe oder eine Azid-Gruppe ist. 10, Der Sensor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Analyt- spezifische Erkennungsgruppe aus Antikörpern, Fab-Fragmenten von
Antikörpern, Enzymen, Enzymfragmenten., Coenzymen, prosthetischen Gruppen, Äptameren, DNA-Einzelsträngen, RNA-Einzelsträngen, oder Kombinationen davon ausgewählt wird.
Der Sensor gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das
photovernetzte Hydrogel-Polymer Wiederholeinheiten WEBas,s umfasst, die bevorzugt ausgewählt werden aus:
wobei
Ri = I I, Alkyl wie z. B. C! -Älkyl, bevorzugt -CH3
R2, = H, Alkyl wie z.B. d^-Alkyl, -(CH2)N-COOH
x = 1-50, bevorzugter 2-20 sind,
wobei
Ri = H, Alkyl wie z. B. C - Alkyl, bevorzugt -H
R4, = H, Alkyl wie z.B. C -Alkyl, -(CH2 COOH
x ~ 1-50, bevorzugter 3-20 sind,
wobei
R2, = H, Alkyl wie z.B. C -Alkyl, -(CH^-COOH x = 1-50, bevorzugter 2-20 sind,
wobei
R2> = 14, Alkyl wie z.B. 0M-Atky!, -(CH2)n-COOH x = 1-50, bevorzugter 2-20 sind,
wobei
R, = H, Alkyl wie z.B. C,..,-A!kyl -R2) -R.3, = H, Alkyl wie z.B, C -AIkyl, Allyl,
2)X
wobei
Ri = H, Alkyl wie z.B. C 1.4- Alkyl, bevorzugt H
x = 1-6, bevorzugter 3-4 ist, (7)
wobei
Ru R2, R3 = H, Alkyl wie z.B. CM-Älkyl ist,
Ri = I I oder eine Verzweigung der Polysaccharidkette
R2 bis Rs = H, Alkyl wie z.B, C -Alkyl, Allyl, -(CH2)»rCOOH ist, (9)
Wiederholeinheiten auf der Basis von Polysacchariden, 10)
wobei
i = I I, Alkyl wie z.B. CM-Alkyl, bevorzugt -CH3 ist;
wobei
R| = H, Alkyl wie z.B. Ci.4-A.lkyh bevorzugt -CI I3 ist,
x, y unabhängig voneinander Werte zwischen 1 und 12 annehmen können
Z S03, COO, oder P03 ist
oder Kombinationen dieser Wiederholeinheiten. Ein Verfahren zur Herstellung des Sensors nach einem der Ansprüche 1-1 1 s umfassend
die Bereitstellung eines Substrats mit einer darauf aufgebrachten Polymer-haltigen optischen Funktionsschicht;
die Bereitstellung einer Schicht eines photovernetzbaren Copolymers auf der optischen Funktionsschicht, wobei das photovemetzbare Copoiymer und das Polymer der optischen Funktionsschicht eine gemeinsame
Grenzfläche aufweisen und das photovemetzbare Copoiymer
Wiederholeinheiten WEPR umfasst, die jeweils zumindest eine photoreaktive Gruppe aufweisen, und
die Bestrahlung des photovernetzbaren Copolymers unter Ausbildung eines photovernetzten Hydrogel-Polymers und Ausbildung von kovalenten Bindungen zwischen dem photovernetzten Hydrogel-Polymer und dem Polymer der optischen Funktionsschicht.
Das Verfahren gemäß Anspruch. 12, wobei das photovemetzbare Copoiymer Wiederholeinheiten WEAS umfasst, die jeweils zumindest eine Analyt- spezifische Erkennungsgruppe aufweisen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei die Wiederholeinheiten WEPR und WEAS in dem photovernetzbaren Copoiymer erhalten werden, indem das photovemetzbare Copoiymer durch eine Polymerisation hergestellt wird, in der eine Monomerverbindung, die die photoreaktive Gruppe enthält, sowie eine Monomerverbindung, die die Analyt-speztfische
Erkennungsgruppe enthält, anwesend sind;
oder
wobei die Wiederholeinheiten WEPR und WEA in. dem. photovernetzbaren Copoiymer erhalten werden, indem das photovemetzbare Copoiymer durch eine Polymerisation, in der eine Monomerverbindung, die die photoreaktive Gruppe enthält, sowie eine Monomerverbindung, die eine funktionelle organische Gruppe enthält, anwesend sind und anschließend
eine Reaktion der funktionellen organischen Gruppe mit einer Verbindung, die die Analyt-spezifische Erkennungsgruppe enthält, hergestellt wird.
Das Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei die Wiederholeinheiten WBAS in dem photovernetzten Hydrogel-Polymer nach der Bestrahlung des
photovernetzbaren Copolymers gebildet werden.
Das Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die Wiederholeinheiten WEAS in dem photovernetzten Hydrogel-Polymer erhalten werden, indem
das photovernetzbare Copolymer durch eine Polymerisation hergestellt wird, in. der eine Monomerverbindung, die die
photoreaktive Gruppe enthält, sowie eine Monomerverbindung, die eine funktionelle organische Gruppe enthält, anwesend sind, und nach der Bestrahlung des photovernetzbaren Copolymers eine Reaktion der funktionellen organischen Gruppe mit einer Verbindung, die die Analyt-spezifische Erkennungsgruppe enthält, stattfindet.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12-16, wobei das
photovernetzbare Copolymer einen zahlenmittleren Polymerisationsgrad P„ im Bereich von 500 bis 50000 aufweist; und/oder wobei die Bereitstellung des photovernetzbaren Copolymers auf der optischen Funktionsschicht eine Schleuderbeschichtung (Spin-Coating), eine Tauchbesehichtung, ein
Bedrucken oder Kombinationen davon umfasst.
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