WO2005014852A1 - Microarrays of immobilized biomolecules, production thereof, and use thereof - Google Patents

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Haitao Rong
Stefano Levi
Jürgen GROLL
Martin Möller
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Sustech Gmbh & Co. Kg
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    • C40B60/14Apparatus specially adapted for use in combinatorial chemistry or with libraries for creating libraries

Definitions

  • Microarrays of immobilized biomolecules their production and their use
  • the present invention relates to microarrays of immobilized biomolecules, their production and their use.
  • the present invention also relates to devices based on such microarrays, in particular chips and dip sticks.
  • a typical example of a so-called "high density array” is the GeneChip from Affymetrix, an oligonucleotide array with typically over 400 different capture samples that are built up base by base on the glass wafer.
  • the chips are characterized by a very high information density of up to 40,000 oligonucleotides / cm 2.
  • the individual "spots" are rectangular.
  • Low density arrays are available, for example, from Genometrix.
  • a maximum of 250 spots with a diameter of 50 ⁇ m are printed with a capillary pin bundle of up to 1000 individual capillaries into the cavities of a 96-well microtiter plate.
  • Conventional techniques are used for coupling to the surface, which are based in particular on amino silanizations and NHS-activated haptens, epoxy-activated surfaces, carbodiimide couplings on carboxyl groups and biotin / streptavidin bonds (cf. WO 97/18226; EP 0910570 A1; WO 98/29736).
  • 5,599,695 describes a method for producing oligonucleotide arrays, in which a surface which is covered with a molecular layer of protected compounds which permit the connection of oligonucleotides is covered with a mask which is not covered by the mask Deprotected areas and brings the surface treated in this way into contact with oligonucleotides.
  • the oligonucleotides are bound to the deprotected areas of the surface and thus form an arrangement of areas / places occupied by oligonucleotides corresponding to the mask.
  • Such techniques are particularly suitable for the production of oligonucleotide arrays with a very high spot density (high density chips) and allow the resolution of a few 100 nm.
  • high density chips high density chips
  • Spotting techniques are printing processes.
  • the biomolecules are applied as solutions with a printing system in the form of a regular dot pattern on a surface.
  • the heart of the printing system is a printhead that either has a series of needles or is a microdosing head. The latter allows the parallel printing of different solutions of the biomolecules.
  • a microdosing head When printing with a microdosing head, different liquids can be filled into the reservoirs which are connected to the microdosing head.
  • Several 100 to 1000 printing processes can be carried out one after the other without refilling, thus creating a corresponding number of spots on a surface. With the previously common spotting techniques, however, it is not possible to produce spots with a diameter below 100 ⁇ m.
  • ⁇ CP micro-contact printing
  • the procedure is such that the stamp surface is first brought into contact with a solution of the biomolecule to be immobilized, the stamp is dried if necessary, and then the stamp surface is brought into contact with the surface to be structured.
  • the biomolecule is transferred to the surface in those areas in which the stamp surface is in contact with the surface.
  • surface areas that are not in contact with the stamp surface remain unchanged. In this way, defined areas on the surface are obtained, which are covered with biomolecules and thus represent an image of the stamp.
  • ⁇ CP technology structures with a resolution down to about 100 nm can be produced.
  • the ⁇ CP technique can only be used to create identical areas.
  • arrays are generally required which have several regions which differ from one another with regard to the type and / or the occupancy density of the biomolecules.
  • Inerowicz et al. (Langmuir 2002, 18, p. 5263) describe a ⁇ CP technique in which, using a polydimethylsiloxane stamp, which has strip-shaped elevations, strip-like protein regions are first applied to a surface.
  • a stamp with the same structure is then wetted with a solution of a second protein and rotated through 90 ° onto the surface already coated with the first protein.
  • a third protein cannot yet surface occupied by the first two proteins can be applied by rinsing the surface with a solution of the third protein. In this way, however, only three different biomolecules can be applied to the surface.
  • an overlap between different biomolecules is naturally unavoidable. Arrays of this type therefore have only a low selectivity.
  • Chieng et al. (Sensor and Actuators 2002, B 83, pp. 22-29) describe a process for the production of protein arrays, in which one first inserts a protein solution into so-called micro-wells, then picks up and absorbs the protein solution from these micro-wells printed a suitable surface. In this way, protein arrays can be produced which have several regions which differ in the type of protein assignment. With the measures described there, however, only comparatively large areas (edge length> 500 ⁇ m) can be produced. A similar process is described by Renault et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2320.
  • a mask with a multiplicity of through holes is placed on a stamp surface, solutions of different antigens being filled into the holes.
  • the antigens are applied to the stamp surface.
  • the stamp surface is then brought into contact with a solution of antibodies and then printed on a suitable surface.
  • protein arrays which have several different regions with regard to their proteins.
  • Both methods are extremely complicated to carry out and have the disadvantage of low selectivity. This is due to the capillary forces of the protein liquids.
  • WO 02/48676 describes multilayer microarrays for the production of bioarrays, which comprises a first membrane arranged on a surface with very fine through holes and a second membrane arranged above it with comparatively large holes. Solutions of biomolecules are filled into the large holes and penetrate the surface through the fine holes. After removing the lower membrane, a pattern of immobilized biomolecules is obtained on the surface. In this way, however, only bioarrays with very large areas of different biomolecules can be obtained. In addition, these areas must be at a comparatively large distance from one another in order to achieve sufficient resolution, since capillary forces cause the biomolecules to smear beyond the area limits. With the last three methods only those biochips can be produced that one have a comparatively small number of regions with different biomolecules. In addition, these procedures are very complex to carry out.
  • the object of the present invention is to provide arrays of immobilized biomolecules which on the one hand have as large a number of areas as possible which can be occupied by different biomolecules and which have an increased resolution with respect to the different biomolecules.
  • these arrays should be easy to manufacture without the use of expensive techniques, such as are required for high-resolution spotting techniques.
  • microarrays of immobilized biomolecules hereinafter also called microbioarrays, which have at least two, preferably at least ten, in particular at least fifty and in particular at least one hundred spatially separated surface areas B which are arranged on one surface, each surface area having a plurality of, preferably has on average at least ten, in particular at least one hundred, spatially separated locations P, on which the biomolecules are immobilized, and the extent of the regions, in particular a distance between the boundary line of a respective region B and its center point in the region of 10 ⁇ m to 250 ⁇ m in particular Corresponds to 25 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • microbioarrays are the subject of the present invention.
  • microbioarrays can surprisingly be produced by a hitherto unknown and easy-to-carry out combination of conventional spotting techniques with the ⁇ CP technique (see the prior art cited in the introduction), with either biomolecules being applied in a spatially resolved manner to a suitably structured stamp surface using spotting techniques, so that each spot covers several of the raised areas of the stamp surface, for example columnar elevations, and then brings the stamp surface into contact with the surface on which the biomolecules are to be immobilized and, if necessary, removes excess, ie non-immobilized, biomolecules (variant 1); or by means of ⁇ CP technology, a pattern of compounds V corresponding to the array, which bring about an immobilization of biomolecules on a surface, hereinafter also referred to as coupling agent V, is applied to the surface, an array being obtained which has a plurality of spatially separated places P which are occupied with the compound V, then a solution of the biomo- spot on the surface provided so that each spot covers several places P and
  • elevations raised areas
  • the number, arrangement and size of the raised areas of the stamp area covered by the biomolecules in the surface areas B each correspond to the number, arrangement and size of the places P of an area on which the biomolecules are immobilized.
  • the number, arrangement and size of the surface areas B corresponds in a first approximation to the number, arrangement and size of the spots on the stamp surface.
  • a compound V is applied to a stamp surface which has a large number of elevations and stamped onto the surface on which the biomolecules are to be immobilized.
  • a surface is obtained which has a multiplicity of spatially separated places P, the number, arrangement and size of the places P corresponding to the number, arrangement and size of the raised areas of the stamp surface and which are occupied by the connection V.
  • one or more different solutions of the biomolecules to be immobilized are brought into at least two, preferably at least ten, in particular at least fifty and especially at least one hundred, e.g. B.
  • the surface areas B each have a plurality, usually at least ten, preferably at least fifty and especially at least one hundred, e.g. B. cover a hundred to ten thousand of the places P, which are occupied by the connection V.
  • the compound V thereby causes a binding, ie immobilization of the biomolecules on the surface. Then the immobilized biomolecules will be removed.
  • the number, arrangement and size of the separated regions B correspond to the number, arrangement and size of the spots.
  • the method according to the invention according to variants 1 and 2 is not limited to the production of the arrays according to the invention but also allows the production of arrays with an arrangement of places P and regions B which corresponds to the arrays according to the invention, but in which the surface region B also has larger dimensions , e.g. > 500 ⁇ m or more.
  • these methods are preferably used to produce the arrays according to the invention.
  • microbioarrays according to the invention allow an increase in capacity compared to conventional biochips produced by spotting techniques, since the latter generally require four to ten spots with the same biomolecule occupancy in order to ensure a sufficiently accurate detection of the analyte.
  • the arrays according to the invention on the other hand, only a surface area that corresponds in size to a spot is required. Due to the division of the areas into several places P, a significant increase in sensitivity, ie a better signal / noise ratio in the detection of analytes, is also achieved. Significantly smaller amounts of biomolecules are also required for production. Furthermore, the arrays according to the invention are comparatively simple to manufacture.
  • the effort for their production corresponds only to the manufacturing effort of a medium-density biochip produced by conventional spotting technology.
  • the method according to the invention can also be used in a simple manner for the mass production of high-density arrays, since the ⁇ CP technology allows the stamping process to be used repeatedly without spotting steps being necessary in between. Due to the connection of the biomolecules to places P within a respective area, the area boundaries are comparatively sharp, in contrast to conventional spots, ie "coffee stain shapes" as used in conventional Common arrays that are produced by spotting technology are avoided.
  • a particularly preferred embodiment of the invention therefore relates to protein microbioarrays, that is to say microarrays of immobilized proteins.
  • array denotes an arrangement of defined places P, in particular a local assignment of certain substances to defined places P, different places P being able to be assigned the same or different substances.
  • the assigned substances are biomolecules.
  • the spatial dimensions of the places P are in the ⁇ m range or in the sub- ⁇ m range.
  • the arrays according to the invention are therefore also referred to as microbioarrays or as microarrays of immobilized biomolecules.
  • the microbioarrays according to the invention have a plurality of regions, which in turn are subdivided into spatially separated locations P.
  • the same substance type is assigned to the places P within each area, although it is also conceivable to assign mixtures of two or more types of substance to the places P of an area.
  • Places P in different areas will generally differ from one another with regard to the composition and / or the occupancy density of the respective substance type. As a rule, different biomolecules will be immobilized on places P in different areas.
  • biochip here denotes an array of biomolecules that are immobilized on a solid support.
  • biomolecules denotes any biochemical and biological substances, both as individual molecules and as several interacting molecules. Examples include:
  • nucleic acids in particular oligonucleic acids, for example single and / or double-stranded, linear, branched or circular DNA, cDNA, RNA, PNA (peptide nucleic acid), LNA (locked nucleic acid), PSNA (phosphothioate nucleic acid); • Antibodies, in particular human, animal, polyclonal, monoclonal, recombinant, antibody fragments, for example Fab, Fab ', F (ab) 2 , synthetic;
  • Proteins e.g. Allergens, inhibitors, receptors;
  • Enzymes e.g. Peroxidases, alkaline phosphatases, glucose oxidase, nucleases;
  • haptens e.g. Pesticides, hormones, amino acids, antibiotics, pharmaceuticals, dyes, synthetic receptors, receptor ligands.
  • biomolecule defines the ability of a substance to be able to interact with a biological sample or a part thereof, in particular the analyte.
  • a certain type of biomolecule can be called a ligand.
  • Ligands interact with and in particular bind - preferably specifically - to certain targets.
  • the biomolecules are immobilized on defined positions P on a surface.
  • These places P have a certain shape and extension.
  • the shape of the places P is basically arbitrary.
  • the places P preferably have a circular or ellipsoidal geometry.
  • the spatial extent of these places P naturally correlates with the distance between the boundary line of a respective place and its center point. This distance is generally in the range from 50 nm to 50 ⁇ m, preferably 100 nm to 25 ⁇ m, in particular 0.25 ⁇ m to 20 ⁇ m and especially 0.5 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the distance between adjacent places P is generally in the range from 200 nm to 200 ⁇ m, often in the range from 1 ⁇ m to 150 ⁇ m, in particular in the range from 5 ⁇ m to 100 ⁇ m and especially in the range from 10 ⁇ m to 90 ⁇ m.
  • the mean minimum distance between adjacent places P is generally in the range from 100 nm to 150 ⁇ m, often in the range from 500 nm to 120 ⁇ m, in particular in the range from 2 ⁇ m to 100 ⁇ m, and especially in the range from 5 ⁇ m to 80 ⁇ m (number average).
  • the arrangement of the places P on the surface can be regular or irregular. Regular arrangements are preferred, i. H. Arrangements in which the mean distance, which two adjacent places P have, does not vary by more than 20% and especially not more than 10%, or deviates from the mean.
  • the locations P of the array can be assigned to different surface areas B.
  • the surface areas B arranged on the microbioarrays according to the invention generally have a uniform geometry, preferably an elipsoidal or circular geometry. Their extension naturally correlates with the distance between the boundary line of a respective area B and its center point. This distance is generally in the range from 10 ⁇ m to 250 ⁇ m, preferably in the range from 25 ⁇ m to 200 ⁇ m and in particular in the range from 30 ⁇ m to 150 ⁇ m. In the case of circular surface areas B, this corresponds to half the diameter of the respective surface area.
  • the respective surface areas B generally form a uniform arrangement on the surface of the array.
  • the average distance between adjacent areas B will generally not fall below a value of 50 ⁇ m, in particular 100 ⁇ m and especially 200 ⁇ m.
  • the minimum distance between adjacent areas B defined by the minimum distance that the boundary lines of two adjacent areas have, will on average not fall below a value of 5 ⁇ m, in particular 10 ⁇ m and especially 50 ⁇ m.
  • microbioarrays according to the invention each have a plurality of, on average at least 10, preferably at least 50 and in particular at least 100 and up to 10,000, preferably up to 5,000 and in particular up to 1,000, spatially separated places P on the respective surface areas B, on which the biomolecules are immobilized.
  • the biomolecules in the microarrays are immobilized on a surface, that is to say they are bound in place.
  • the binding can take place via covalent interactions, coordinative interactions, ionic or electrostatic interactions, hydrogen bonds, hydrophobic interactions and mixed forms of the aforementioned interactions.
  • the connection can take place both directly to the surface and also via a substance V mediating the connection of the biomolecule.
  • These substances V are generally compounds which are covalently bound to the surface on which the biomolecules are to be immobilized and which can simultaneously bind to the biomolecule, for example by covalent interaction, ionic interaction, coordinative interaction, Hydrogen bonds, hydrophobic interactions and mixed forms of such interactions, as occur, for example, in the base pairing of oligonucleotides, in the protein-protein interaction, antibody-antigen binding and in the protein-ligand interaction (affinitive interactions).
  • connection takes place via covalent interactions.
  • the biomolecules are then bound to the biomolecules, for example, via ester, amide, sulfonamide, imino, amidino, urethane, urea, thiourethane, thiourea, sulfide, sulfonyl, ether or amino groups.
  • the biomolecules are bound via a coordinative bond mediated by a metal atom.
  • the metal atom is bound to the surface via functional groups which can form a coordinative bond with the metal atom, for example carboxyl groups, hydroxyl groups, amino groups, SH groups, oxime groups, aldehyde groups, keto groups or heterocyclic groups with an imino nitrogen such as in pyridine, quinoline, imidazole or oxazole.
  • the metal atoms are at least 2, e.g. B. 2, 3 or 4 such groups bound as a chelate.
  • suitable metals are, in particular, transition metals, especially transition metals of the third period, which can form divalent ions in an aqueous medium, for example copper (II), nickel (II), zinc (II), cobalt (II) and iron (II) ,
  • the biomolecules then bind to these metals via one, preferably via two or three, spatially adjacent functional groups of the aforementioned type.
  • the biomolecules are linked via coordinating hydrogen bonds, such as occur, for example, in the base pairing of nucleotide sequences.
  • short oligo or polynucleotide sequences with usually at least two, z. B. 2 to 100, especially 2 to 20 bases bound to the surface via preferably covalent bonds.
  • the biomolecule then accordingly has an at least partially complementary one Oligo- or polynucleotide sequence, wherein at least 2, preferably at least 10 adjacent bases are complementary to a corresponding number of adjacent bases.
  • the biomolecules are via affinitive interactions, e.g. B. protein-protein interactions, such as occur for example in the binding of antigens to antibodies, or protein-ligand interactions, for example bound via a biotin-streptavidin or biotin-avidin system.
  • affinitive interactions e.g. B. protein-protein interactions, such as occur for example in the binding of antigens to antibodies, or protein-ligand interactions, for example bound via a biotin-streptavidin or biotin-avidin system.
  • all surfaces on which biomolecules can be immobilized can be considered as surfaces for the arrays according to the invention, without the biomolecules being deactivated.
  • These surface materials can be the surface of a carrier material or a modified surface of a carrier material.
  • the carrier materials can be rigid or flexible.
  • Typical carrier materials include oxidic carrier materials such as glass, quartz, ceramics, semimetals such as silicon and germanium, common semiconductor materials, e.g. B. doped silicon or doped germanium, metals and metal alloys, in particular based on gold, polymers, for. B.
  • polyvinyl chloride polyolefins such as polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, polyester, fluoropolymers such as Teflon, polyamides, polyurethanes, polyacrylic (meth) acrylates, polystyrene, blends and composites of the aforementioned materials and the like.
  • Materials with a low roughness surface are preferred.
  • the R a value characterizing the roughness is preferably not more than 100 nm and in particular not more than 50 nm.
  • Preferred carrier materials are glass and silicon wafers.
  • inert carrier materials for example glass, ceramic, metal, semimetal such as silicon, polyolefin such as polyethylene or polypropylene, ie to treat them in such a way that they have a large number of functional groups R which are associated with complementary reactive groups R 'can form a chemical bond, preferably a covalent chemical bond.
  • functional groups R make it possible to immobilize the biomolecules on the surface directly via a chemical bond or indirectly, ie by means of one of the substances V defined above, which is covalently bound to the surface via such groups.
  • Reactive groups R in the sense of this invention are those which react with nucleophiles in an addition reaction including a Michael reaction or in a substitution reaction, e.g. B. isocyanate groups, (meth) acrylic groups, vinylsulfone groups, oxirane groups, aldehyde groups, oxazoline groups, carboxylic acid groups, carboxylic acid ester and carboxylic acid anhydride groups, carboxylic acid and sulfonic acid halide groups, but also the complementary, nucleophile-reacting groups such as alcoholic OH groups, primary and secondary amino groups, thiol groups and the like.
  • B. isocyanate groups (meth) acrylic groups, vinylsulfone groups, oxirane groups, aldehyde groups, oxazoline groups, carboxylic acid groups, carboxylic acid ester and carboxylic acid anhydride groups, carboxylic acid and sulfonic acid halide groups, but also the complementary, nucleophile-reacting groups such
  • active ester groups of the formula -C (O) OX, in which X is pentafluorophenyl, pyrrolidin-2,5-dione-1-yl, benzo-1,2,3-triazol-1-yl or is a carboxamidine residue, and NHS ester (N-hydroxy-succinimide ester).
  • Reactive groups in the sense of the invention are also nucleophilic groups which react with the aforementioned electophilic groups to form bonds, eg. B. NH 2 , SH, or OH, but especially NH 2 .
  • a surface according to the invention either has predominantly electrophilic groups or predominantly nucleophilic groups, and in the case of NCO / NH 2 both groups can also be present side by side.
  • Table 1 provides an overview of reactive groups R and complementary functional groups R ', the reactive groups R being indicated in the first row and the complementary groups R' in the first column:
  • C C double bonds
  • R reactive groups
  • C C double bonds
  • acrylic groups also vinyl ether and vinyl ester groups
  • activated C C double bonds
  • N N double bonds
  • allyl groups in the sense of an en reaction or with conjugated diolefin Groups react in the sense of a Diels-Alder reaction.
  • Examples of groups which can react with allyl groups in the sense of an en reaction or with dienes in the sense of a Diels-Alder reaction are maleic acid and fumaric acid groups, maleic acid ester and fumaric acid ester groups, cinnamic acid ester groups, propiolic acid (ester) groups, Maleic acid amide and fumaric acid amide groups, maleimide groups, azodicarboxylic acid ester groups and 1, 3,4-triazoline-2,5-dione groups.
  • groups R also include groups which act as ligands, the metal ions, in particular transition metals and especially transition metals of the third period, which can form divalent ions in an aqueous medium, such as copper (II), nickel (II), zinc (ll), cobalt (ll) and iron (ll) bind, which in turn mediate a coordinative bond to the biomolecule.
  • the groups acting as ligands include, for example, carboxyl groups, hydroxyl groups, amino groups, SH groups, oxime groups, aldehyde groups, keto groups and heterocyclic groups with an imino nitrogen such as in pyridine, quinoline, imidazole or oxazole.
  • the group acting as ligands are arranged on the surface so that the metal atoms over at least 2, z. B. 2, 3 or 4 such groups are bound as a chelate.
  • the surface of the organic surface layer has functional groups which are accessible to an addition or substitution reaction by nucleophiles.
  • Preferred groups R are isocyanate, isothiocyanate, aldehyde, active esters, acrylic and methacrylic groups, so that the surface of the biomolecules has one of the following functional groups, selected from A- mid groups, urethane groups, urea groups, thiourethane groups, ester groups, imino groups, thiourea groups or sulfoethyl groups and optionally via a spacer.
  • the biomolecules or the substance V are bound via isocyanate groups on the surface layer with the formation of urethane or urea groups.
  • the surface has a large number of nucleophilic groups, in particular NH 2 groups, so that the biomolecules used for immobilization or the substance V have a complementary reactive group, for example an isocyanate group, an ester group , for example, have an active or NHS ester group.
  • a complementary reactive group for example an isocyanate group, an ester group , for example, have an active or NHS ester group.
  • the surfaces of inert carrier materials can be activated, for example, by treatment with acids or alkalis.
  • the activation can also be carried out by oxidation (flaming), by electron radiation or by a plasma treatment with an oxygen-containing plasma, as described by P. Chevallier et al. J. Phys. Chem. B 2001, 105 (50), 12490-12497; in JP 09302118 A2; in DE 10011275; or by D. Klee, et al. Adv. Polym. Be. 1999, 149, 1-57.
  • the surface can also be activated by means of plasma treatment with a plasma containing NH 3 , as described in US Pat. Nos. 6,017,577, 6,040,058 and 6,080,488. Plasma modification-made PE films made with amino groups are also commercially available.
  • the activation of the surface also includes the application of an organic coating which has a large number of the functional groups R defined on its surface.
  • This coating is also referred to below as an adhesive layer.
  • bifunctional or polyfunctional organic compounds or polymers are applied to the surface which has at least one functional group which reacts with the functional groups on the surface of the support material to form bonds (covalently, ionically and / or coordinatively) and the at least one additional one have functional group R of the type described above.
  • These substances can be applied to the carrier surface as thin or ultra-thin layers, in particular as monomolecular or multimolecular layers, or can be produced on the surface of the carrier material by means of "Chemical Vapor Deposition" (CVD).
  • very thin adhesive layers with a thickness of preferably ⁇ 100 nm, in particular ⁇ 10 nm and especially monomolecular layers, in particular self-assembling monolayers (self-assembled monolayers, SAM), for example of thiol compounds which have at least one further group R, are preferred, especially for the treatment of noble metal surfaces, of silane compounds which have at least one group R, in particular for the production of monolayers on silicon or glass surfaces, furthermore macromolecular monolayers which are obtained by grafting polymers onto the surface or by graft polymerization on the surface and their polymers have suitable functional groups R.
  • SAM self-assembling monolayers
  • compounds which have silane groups, in particular trialkoxysilane groups, as adhesion-promoting groups are used to produce the adhesive layer.
  • examples of such compounds are trialkoxyaminoalkylsilanes such as triethoxyamin ⁇ propylsilan and N [(3-triethoxysilyl) propyl] - ethylenediamine, trialkoxyalkyl-3-glycidylether silanes such as triethoxypropyl-3-glycidyl ether silane, trialkoxyalkylmercaptane such as triethoximetoxysilkyloxykyloxykyloxykyloxykyloxykyloxykyloxykyloxysiloxysiloxysiloxysiloxysiloxysiloxysiloxysiloxysilane and tri-ethoxysiloxane lyl (meth) acryloxyalkanes and - (meth) acrylamid
  • polyammonium compound with free primary amine groups as z. B. by J. Scheerder, J.F.J Engbersen, and D.N. Reinhoudt, Recl. Trav. Chim. Pays-Bas 1996, 115 (6), 307-320, and von Decher, Science 1997, 277, 1232-1237 for this purpose.
  • polyfunctional polymers which are absorbed with the chain backbone on the carrier surface and which have further functional groups R.
  • Monomolecular coatings made of polylysine and / or polyethyleneimine should be mentioned here in particular.
  • the adhesive layer is preferably applied to the carrier, in particular in the case of inert carrier materials, after activation by treatment with acids or alkalis, by oxidation (flaming), by electron radiation or by plasma treatment in the manner described above.
  • the activation of the surface can also take place in such a way that, instead of an adhesive layer or preferably on the adhesive layer or on a surface activated in some other way, a further coating is applied which is particularly suitable for immobilizing the biomolecules and such groups instead of the reactive groups R. which allows the biomolecules to be linked via coordinative bonds, via hydrogen bonds, via hydrophobic interactions or via affinitive bonds.
  • a preferably monomolecular layer of the abovementioned compounds V will be generated, for example layers of chelate formers, low molecular weight ligands for protein sequences such as biotin, of proteins such as avidin or streptavidin, or of oligonucleotides. It goes without saying that such an activation will only be carried out if the arrays are produced according to variant 1.
  • Support materials which have such an organic surface layer are known in principle, for example from the prior art cited at the beginning and for the most part are commercially available, for example from the company Bioslide Technologies, Walnut CA, USA (NH 2 -functionalized support, CHO-functionalized) Carrier, epoxy-functionalized carrier, polylysine-coated carrier), from Xenopor Corp., Hawthorne, NJ, USA (NH 2 -functionalized carrier, aldehyde-functionalized carrier, epoxy-functionalized carrier, maliimide-functionalized carrier, nickel chelate - Carrier, streptavidin-functionalized carrier, biotinylated carrier, thiol-modified carrier), from Greiner Bio-One GmbH, (amino-functionalized carrier, aldehyde-functionalized carrier, streptavidin carrier), Xan Tee Bioanalytics GmbH (with Polysac- charid hydrogels coated carriers, streptavidin-functionalized carriers, biotin-functionalized Car
  • the biomolecules are bound on a hydrogel-forming surface layer.
  • This surface layer should naturally be very thin, preferably in the dry state a thickness of ⁇ 50 ⁇ m, in particular ⁇ 10 ⁇ m and especially ⁇ 1 ⁇ m, particularly preferably ⁇ 500 nm and in particular ⁇ 100 nm, so as not to adversely affect the function of the biochip.
  • this hydrogel-forming layer will have an average thickness of at least 0.5 nm, preferably at least 1 nm and especially at least 5 nm.
  • a hydrogel-forming layer is understood to mean polymeric layers which swell when exposed to moisture through the intercalation of water.
  • hydrogel-forming coatings can be applied directly to the surface of the support, e.g. on a surface activated by treatment with acids or alkalis, by oxidation (flaming), by electron irradiation or by plasma treatment, or to the adhesive layer described above.
  • Hydrogel-forming coatings are naturally preferred which have a large number of free functional groups R on their surface as described above.
  • Carriers with hydrogel coatings are known from the prior art and are also commercially available for the purposes of biochip production, for example from Perkin-Elmer, Life and Analytical Sciences, Boston, MA, USA (carriers coated with polyacrylamide hydrogels) , Hydrogel® Coated Südes) and XanTec Bioanalytics GmbH (carriers coated with polysaccharide hydrogels, which have free carboxyl, amino, hydrazino, SH, streptavidin or biotin groups on their surface.
  • the hydrogel layer is composed of interlinked star-shaped prepolymers, the star-shaped prepolymers having on average at least 4, generally 4 to 12, preferably 5 to 10 and especially 6 to 8 polymer arms A which are in themselves seen water soluble.
  • Such coatings are known in principle, for example from German patent applications 10203937.2 and 10216639.0, the disclosure of which is hereby incorporated by reference. These surfaces are characterized by a particularly low affinity for non-specific binding of biomolecules, especially proteins and cells. In addition, this surface has a large number of functional groups R, in particular the groups mentioned in Table 1, which can be used in the manner described above for immobilizing the biomolecules.
  • the hydrogel-forming coatings described there are extremely stable to aging and mechanical stress.
  • Star-shaped prepolymers are understood to mean those polymers which have a plurality of polymer chains bonded to a low-molecular central unit, the low-molecular central unit generally having 4 to 100 skeletal atoms, such as C atoms, N atoms or O atoms.
  • the number average molecular weight of the polymer arms is generally in the range from 200 to 20,000 daltons, preferably in the range from 300 to 10,000 daltons, in particular in the range from 400 to 8000 daltons and especially in the range from 500 to 5000 daltons.
  • the star-shaped prepolymer has a number average molecular weight in the range of at least 1500 daltons, preferably 2000 to 100000 daltons, in particular 2500 to 50,000 daltons and especially 3000 to 30,000 daltons.
  • the hydrogel-forming properties of the surface layer are guaranteed by the water solubility of the polymer arms. It is generally guaranteed if the molecular structure, ie at least the type of repeating units, preferably also the molecular weight of the polymer arm, corresponds to a polymer whose solubility in water is at least 1% by weight and preferably at least 5% by weight ( at 25 ° C and 1 bar).
  • polymers with sufficient water solubility are poly-C 2 -C 4 -alkylene oxides, polyoxazolines, polyvinyl alcohols, homo- and copolymers which contain at least 50% by weight of copolymerized N-vinylpyrrolidone, homo- and copolymers which have at least 30% by weight.
  • % Copolymerized hydroxyethyl (meth) acrylic! Hydroxypropyl (meth) acrylate, acrylamide, methacrylamide, acrylic acid and / or methacrylic acid, hydroxylated polydienes and the like.
  • the polymer arms A are preferably derived from poly-C 2 -C 4 -alkylene oxides and are selected in particular from polyethylene oxide, polypropylene oxide and polyethylene oxide / polypropylene oxide copolymers, which can have a block or a statistical arrangement of the repeating units.
  • Star-shaped prepolymers whose polymer arms A are derived from polyethylene oxides or from polyethylene oxide / polypropylene oxide copolymers with a propylene oxide content of not more than 50% are particularly preferred.
  • the prepolymers In order to ensure that the prepolymers can be crosslinked, they have functional groups at the ends of their polymer arms which react with complementary reactive functional groups to form covalent bonds. Examples of such groups are those in Table 1 under R bwz. R 'called functional groups.
  • hydrogel-forming coatings which are composed of crosslinked star-shaped prepolymers
  • those prepolymers which have isocyanate groups at the ends of their polymer arms and particularly preferably isocyanate end groups which are derived from aliphatic diisocyanates, in particular those, have proven successful as obtained by adding isophorone diisocyanate (IPDI) to the chain ends of OH group-terminated star-shaped prepolymer precursors become.
  • IPDI isophorone diisocyanate
  • the prepolymers used according to the invention are e.g. T. known, e.g. B. from WO 98/20060, US 6,162,862, Götz et al., Macromol. Mater. Closely. 2002, 287, p. 223, Bartelink et al. J. Polymer Science 2000, 38, p. 2555, DE 10216639.0 and DE 10203937 (star-shaped polyether prepolymers), Chujo Y. et al., Polym. J.
  • the provision of the organic surface essentially composed of crosslinked star-shaped prepolymers therefore usually comprises the deposition of the star-shaped prepolymers on the surface of a support and subsequent crosslinking of the reactive groups of the star-shaped prepolymers.
  • the deposition and crosslinking steps can be repeated if desired. This leads to thicker layers.
  • the process of depositing the star-shaped prepolymers comprises the following steps: i.a. Deposition of the star-shaped prepolymer on the surface of a support by applying a solution of at least one star-shaped prepolymer, which on average has at least four polymer arms A, which are in themselves soluble in water and carry a reactive functional group at their free ends, to the surface the carrier; i.b. then performing a linking reaction of the reactive groups with one another and removing the solvent; and i.e. optionally converting the functional groups on the surface of the surface layer.
  • step ia a coating is obtained which is composed of uncrosslinked prepolymers and which has a large number of functional groups on its surface.
  • a linking reaction of the reactive groups to one another is carried out, the linking reaction taking place after the application and removal of the solvent by subsequent treatment of the coating with a crosslinking agent or when removing the solvent if the solution already contains a suitable crosslinking agent and / or functional groups of the prepolymer and enter into a chemical reaction with one another, forming bonds.
  • Examples of deposition processes are the immersion of the surface to be coated in the solution of the prepolymer as well as the spin coating - the solution of the prepolymer is applied to the surface to be coated rotating at high speed. It goes without saying that for the production of ultra-thin coatings, the coating measures are usually carried out under dust-free conditions.
  • the substrates are immersed in a solution of the star-shaped prepolymer in a suitable solvent and the solution is then allowed to run off, so that a thin liquid film with a thickness that is as uniform as possible remains on the substrate. This is then dried. The resulting film thickness depends on the concentration of the prepolymer in the solution.
  • the networking is then triggered.
  • the initially non-rotating substrate is generally completely wetted with the solution of the star-shaped prepolymer.
  • the substrate to be coated is rotated at high speeds, usually at least 50 rpm, often at least 500 rpm, e.g. 500 to 30,000 rpm, preferably above 1000 rpm, e.g. B. 1000 to 10000 U / min, and particularly preferably 3000 to 6000 U / min, set in rotation, wherein the solution is largely spun off and a thin coating film remains on the surface of the substrate.
  • networking is also triggered here.
  • the concentration is usually at least 0.001 mg / ml, preferably at least 0.01 mg / ml, in particular at least 0.1 mg / ml, particularly preferably at least 1 mg / ml.
  • the concentration of the prepolymer in the solution will generally not exceed 500 mg / ml, preferably 250 mg / ml and in particular 100 mg / ml.
  • the thickness of the coating can of course be controlled via the concentration.
  • solvents which have no or only a low reactivity towards the functional groups of the prepolymer to be dissolved are suitable for preparing the solutions of the prepolymers.
  • those are preferred which have a high vapor pressure and are therefore easy to remove.
  • Preferred solvents are therefore those which have a boiling temperature below 150 ° C. under normal pressure and preferably have below 120 ° C.
  • suitable solvents are aprotic solvents, e.g. B.
  • ethers such as tetrahydrofuran (THF), dioxane, diethyl ether, tert-butyl methyl ether, aromatic hydrocarbons such as xylenes and toluene, acetonitrile, propionitrile and mixtures of these solvents.
  • protic solvents such as water or alcohols, e.g. B. methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol and tert-butanol, and mixtures thereof with aprotic solvents.
  • the prepolymers can be crosslinked in different ways.
  • the prepolymers can be reacted with a crosslinking agent.
  • all compounds with 2 or more functional groups which react with the functional groups of the prepolymer to form bonds are suitable as crosslinking agents.
  • the organic surface is provided by a process in which the linking of the reactive groups of the prepolymer is initiated by adding a compound Vm1 which has at least two complementary reactive groups per molecule which corresponds to the reactive groups of the star-shaped prepolymer react to form bonds.
  • the polyfunctional compounds Vm1 can be low molecular weight compounds, e.g. B. aliphatic or cycloaliphatic diols, triols and tetraols, e.g. B. ethylene glycol, butanediol, diethylene glycol, triethylene glycol, trimethylolpropane, pentaerythritol and the like, aliphatic or cycloaliphatic diamines, triamines or tetramines, eg. B.
  • amino alcohols such as ethanolamine, diethanolamine, aliphatic or cycloaliphatic dithiols to dicarboxylic acids such as glic acid, tricarboxylic acids such as sebic acid, tricarboxylic acids, Adipic acid, phthalic acid, iso
  • the low molecular weight polyfunctional compounds In contrast to the prepolymers, the low molecular weight polyfunctional compounds generally have a molecular weight of ⁇ 500 g / mol.
  • the polyfunctional compound Vm1 can already be contained in the solution of the prepolymer. Then, in the surface layer of largely non-crosslinked prepolymers that initially develops, e.g. B. during drying or when heating the layer, the reactive groups of the crosslinking agent with the reactive groups of the prepolymer and in this way form a layer of crosslinked prepolymers, which generally still has a large number of functional groups on its surface.
  • prepolymers are also suitable as polyfunctional compounds Vm1, which have at least four polymer arms A, which are in themselves soluble in water and have a reactive functional group at their free ends, which react with the reactive groups of the prepolymer to form bonds.
  • solutions of at least two different prepolymers can also be used according to the invention, in which one prepolymer has reactive groups which have a complementary reactivity to the reactive groups of the other prepolymer.
  • the linking of the reactive groups in the prepolymer is triggered by adding a sufficient amount of a compound Vm2 which reacts with a part of the reactive groups of the prepolymer to form functional groups with a complementary reactivity.
  • a compound Vm2 which reacts with a part of the reactive groups of the prepolymer to form functional groups with a complementary reactivity.
  • crosslinking can be triggered, for example, by treating the coated article with water, e.g. B. by storage in a damp atmosphere or under water.
  • some of the isocyanate groups react to form amino groups, which in turn react with the remaining isocyanate groups to form bonds, forming a layer of crosslinked prepolymers.
  • the cross-linking agent Vm2 is therefore water here.
  • Coatings produced in this way when freshly produced, still have free isocyanate groups.
  • the isocyanate groups arranged on the surface are converted into amino groups.
  • solutions of the prepolymer in water or in a mixture of water with one or more water-miscible solvents are used.
  • suitable water-miscible solvents are, in particular, those which do not react with the isocyanate groups or react very slowly than water.
  • examples include cyclic ethers such as tetrahydrofu- ran and dioxane, also N-alkylamides such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide and dimethylacetamide.
  • the mixing ratio of water: solvent is generally in the range from 1: 100 to 100: 1, preferably in the range from 50: 1 to 1:10 and especially in the range from 20: 1 to 1: 1. This variant is particularly suitable for the production of thicker layers.
  • the concentration of prepolymer is then preferably in the range from 0.1 to 500 mg / ml, in particular in the range from 0.5 to 200 mg / ml and especially in the range from 1 to 100 mg / ml.
  • the hydrogel layer composed of cross-linked, star-shaped prepolymers is preferably provided on a support which is activated and / or provided with an adhesive layer.
  • the microbioarrays according to the invention can be produced by a combination of micro-contact printing ( ⁇ CP) and spotting technique.
  • the arrangement and size of the areas is determined by the spotting technique.
  • the arrangement of the places P within these areas B results from the type of stamp used.
  • the stamp has a plurality of spatially separated raised surface areas on its surface, e.g. a multiplicity of band-shaped or, in particular, columnar elevations which correspond to the desired arrangement and the desired dimensions of the places P with regard to their dimension and arrangement of the raised surface areas.
  • Stamps with a large number of columnar elevations are particularly preferred.
  • the columns and their arrangement are characterized in particular by the following dimensions:
  • the average distance between the boundary line of the end face of a column and the center of the face of the end face is usually on average about 50 nm to 50 ⁇ m, preferably 100 nm to 25 ⁇ m, in particular 0.25 ⁇ m to 20 ⁇ m and especially 0.5 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • this corresponds to an average diameter of the columns in the range from 100 nm to 100 ⁇ m, preferably 200 nm to 50 ⁇ m, in particular 0.5 ⁇ m to 40 ⁇ m and especially 1 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the average distance between adjacent columns is generally in the range from 200 nm to 200 ⁇ m, frequently in the range from 1 ⁇ m to 150 ⁇ m, in particular in the range from 5 ⁇ m to 100 ⁇ m and especially in the range from 10 ⁇ m to 90 ⁇ m.
  • the average minimum distance between two adjacent columns is generally in the range from 100 nm to 150 ⁇ m, often in the range from 500 nm to 120 ⁇ m, in particular in the range from 2 ⁇ m to 100 ⁇ m, and especially in the range from 5 ⁇ m to 80 ⁇ m (number average).
  • the average distance between two adjacent columns defined by the distance of the surface center points of the end faces of the columns, is at least twice as large as the average distance between the boundary line of the end face of a column and the surface center point of the end surface.
  • the end faces of the pillars correspond to the geometry of the places P and are in particular circular or elipsoid and particularly preferably circular.
  • the columns are regularly arranged on the stamp surface, i.e. the individual distance between adjacent columns will deviate on average not more than 20% and preferably not more than 10% from the average distance between the columns.
  • the average width of the band-shaped elevations is generally in the range from 100 nm to 100 ⁇ m, preferably 200 nm to 50 ⁇ m, in particular 1 ⁇ m to 30 ⁇ m and especially 2 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the height of the elevations above the stamp base area is generally in the range from 0.5 to 500 ⁇ m, in particular in the range from 0.5 to 50 ⁇ m and especially in the range from 1 to 10 ⁇ m. It is of minor importance for the method according to the invention.
  • the ratio of height H to the distance A between the boundary lines of the end face of a column and its center point H: A is not more than 10, in particular not more than 5.
  • a cylindrical column with a diameter of approximately 1 ⁇ m will not exceed a height of 5 ⁇ m and in particular 2.5 ⁇ m. The same applies to the ratio of the width of a band-shaped elevation to its height over the base of the stamp.
  • the columnar elevations of a stamp are preferably formed from an elastic material in order to ensure a sufficiently good transmission.
  • the elastic material is a polymeric elastomer, for example a cross-linked polydimethylsiloxane.
  • stamps are known from the prior art cited at the outset or can be produced by the methods specified therein. (see in particular Kane et al., Biomaterials 1999, 20, pp. 2363-2376 and the literature cited therein, Xia et al., Chem. Rev. 1999, 99, 1823-1848 and the literature cited there, Michel et al. , IBM J. Res. & Dev.
  • stamps are produced by molding a master which has a large number of depressions which correspond to the later elevations of the stamp.
  • a mixture of a suitable elastomer precursor with a crosslinking agent is applied to a structured casting mold which is a negative of the stamp surface (master, usually a silicon wafer) and cured. After curing, an elastic stamp is obtained, the stamp surface of which represents the positive image of the master.
  • master usually a silicon wafer
  • the surface of the stamp can also be provided with a hydrophilic surface layer.
  • modified stamps are described, for example, by Donzel et al., Adv. Mater. 2001, 13, pp. 1164-1167.
  • This master is produced by methods known per se, for example by photolithographic methods as described in detail in the prior art cited here and in the literature cited therein.
  • the thickness of the stamp and its surface dimensions are of secondary importance and depend primarily on the dimensions of the array to be produced. If the stamp material is an elastomer, it has proven to be advantageous if the stamp surface is arranged on a solid or flexible carrier, for example on a metal foil.
  • the elevations and the stamp surface are usually made of the same, preferably elastomeric material.
  • the thickness of the material forming the stamp surface is preferably at least 1 ⁇ m, in particular at least 0.1 mm to about 1 cm.
  • one or preferably several mutually different biomolecules are brought into at least 2, preferably at least 10, in particular at least 50 and particularly preferably at least 100, for. B. 100 to 10000 and in particular 100 to 10000 preferably up to 5000 and especially up to 1000 spatially separated surface areas so that the biomolecules in each surface area each have a plurality, preferably at least 10, in particular at least 50 and especially at least 100, z. B. cover 100 to 1000 of the elevations of the stamp surface.
  • the biomolecules can be applied in a manner known per se using conventional spotting techniques, one after the other or in particular simultaneously respectively.
  • the devices required for this are the dot matrix printers, dispensers, plotters, micropipettes and the like that are customary for spotting techniques, with which the liquid drops can be applied to a surface using a contact method or a contact-free method (contact mode, non-contact Fashion).
  • the biomolecules are applied as a solution directly to the stamp surface.
  • the solutions of the biomolecules are applied to the stamp surface, it has proven advantageous to avoid premature evaporation of the solvent. Suitable methods for this are cooling the stamp and / or saturating the atmosphere with the respective solvent.
  • the stamps are usually cooled down strongly before spotting and then subjected to the spotting process.
  • the saturation method the working chamber is saturated with the solvent in which the biomolecule is dissolved.
  • the spotting conditions are preferably set such that the solvents evaporate immediately when they have been applied to the stamp surface. The person skilled in the art can easily determine the conditions required for this with a few routine experiments.
  • the spot process is preferably carried out at temperatures in the range from 5 to 50 ° C. and in particular at about room temperature in an atmosphere which is partially saturated with solvent, ie. H. an atmosphere containing evaporated solvent, but in an amount below its saturation concentration, preferably in the range of 10 to 80% of the saturation concentration.
  • the concentration of the biomolecules in the solution is in the range from 1 nmol / ml to 1 ⁇ mol / ml.
  • the contact time required for a clean transfer of the biomolecules from the stamp is usually a few seconds to 30 minutes. Longer contact times are usually not necessary but also not a disadvantage.
  • the amount of liquid dispensed is important because it determines the size of the surface areas B, in particular the spot size.
  • amounts of liquid in the femto to nanoliter range are applied. For example, spots with a diameter of approximately 150 to 200 ⁇ m are available with a contact-free amount of approximately 10 nl to 2 ⁇ l. Spots with diameters in the range of 10 ⁇ m can be created by applying amounts of approximately 0.01 nl to 0.1 ⁇ l using capillary dispensers.
  • the solvents for producing the solutions of the biomolecules depend in a manner known per se on the type of the biomolecule to be dissolved. The solvent is often water or aqueous mixtures of water with organic solvents which are infinitely miscible with water.
  • organic solvents for example the abovementioned solvents and mixtures thereof, can also be used, in particular in the case of low molecular weight compounds.
  • the solutions can also contain surface-active substances, for example emulsifiers such as alkyl sulfates, alkyl sulfonates, ethoxylates of long-chain alkanols and their sulfuric acid half-esters, ethoxylated hydroxycarboxylic acids, ethoxylated esters of long-chain carboxylic acids with glycerol, furthermore quaternary ammonium compounds and the like.
  • emulsifiers such as alkyl sulfates, alkyl sulfonates, ethoxylates of long-chain alkanols and their sulfuric acid half-esters, ethoxylated hydroxycarboxylic acids, ethoxylated esters of long-chain carboxylic acids with glycerol, furthermore quaternary ammonium compounds and the like.
  • aqueous solutions of the biomolecules can contain customary buffers such as PBS buffers, SSC buffers and the like.
  • solutions of the biomolecules in several spatially separated surface areas are applied to a smooth, ie. H. unstructured surface on which the biomolecules are not immobilized.
  • This surface can be seen as a release area.
  • the solutions are applied in a manner known per se by means of customary spotting techniques, as described above.
  • the amount of liquid dispensed is dimensioned such that the arrangement and size of the spots corresponds to the later surface area B of the array.
  • the stamp surface of the structured stamp described above which is preferably formed from an elastic material, is then brought into contact with the release surface. As a result, the biomolecules are transferred to the stamp surface of the structured stamp.
  • the stamp surface of the stamp is then brought into contact with the surface on which the biomolecules are to be immobilized.
  • the solutions used for the biomolecules the concentrations, the structuring of the stamp and the contact times, the above applies.
  • the inert carriers mentioned above and in particular non-structured elastic stamps are suitable as release surfaces.
  • a washing process is generally carried out. Purpose of this The washing process is particularly to remove uncoupled biomolecules. Based on the solution previously used to apply the biomolecules, aqueous solvents or solvent mixtures are preferably used for washing. In principle, the above statements apply accordingly.
  • washing is carried out with an aqueous solvent or solvent mixture which contains a surfactant, preferably a nonionic surfactant.
  • a surfactant preferably a nonionic surfactant.
  • Polyalkoxylated, in particular polyethoxylated, fatty acid esters of polyols, in particular of glycerol or sorbitol, for example the sorbitan fatty acid esters sold under the trade name Tween® are particularly preferred.
  • the use of ethoxylated sorbitan hexylaurate has proven to be expedient.
  • the concentration of surfactant in the washing solution is expediently chosen so that on the one hand an effective removal of uncoupled biomolecules is ensured, and on the other hand the washing solution is compatible with the immobilized biomolecules. Concentrations in the range from 0.01% by weight to 10% by weight and preferably 0.05% by weight to 2% by weight have proven to be expedient.
  • microarrays of immobilized biomolecules can be produced which have at least two spatially separated surface areas on their surface, each comprising a plurality of spatially separated places P, on which biomolecules are also immobilized, by using a compound V which can react with the biomolecules to form bonds, apply them in spatially separated places P to the surface on which the array is to be produced, and then apply the biomolecules in several spatially separated surface areas so that each surface area has several, preferably on average at least 10 , in particular at least 50 and especially at least 100, e.g. B. 100 to 10,000 preferably up to 5000 and in particular up to 1000 of the places P covers.
  • the connections V are first immobilized at defined locations P on the surface on which the array is to be generated.
  • the biomolecules are then applied to the surface pretreated in this way in a plurality of spatially separated surface areas B. This leads to a chemical binding of the biomolecules and thus to an immobilization at those positions P which are occupied by the compound V or in which the compound V is bound. Unbound biomolecules are then rinsed off the surface in a manner known per se, for example by washing with the abovementioned washing liquids.
  • the array according to the invention which has a plurality of spatially separated surface areas, each of which comprises a plurality of spatially separated places P, which are occupied by biomolecules, the places P having an identical occupancy within one area and the places P different areas have a similar occupancy or a different occupancy with regard to the occupancy density and / or the type of immobilized biomolecule.
  • the application of the compounds pre-localized in the places P on the surface on which the biomolecules are to be immobilized succeeds, for example, in the ⁇ CP technique described above.
  • the compound V is applied uniformly to the stamp surface, for example by bringing the stamp surface into contact with a solution of the compound V. Then, as a rule, any solvent is removed and then the stamp surface treated in this way, which is now covered with the compound V, with the surface on which the biomolecules are to be immobilized.
  • the compound V can also be applied to the surface by other methods for producing high-density arrays.
  • Variant 2 can basically be carried out on any surface, the explanations given above apply accordingly. However, it has proven to be particularly advantageous to carry out variant 2 on one of the hydrogel surfaces described above, especially on a hydrogel layer composed of star-shaped prepolymers, in particular when proteins are immobilized.
  • the above-mentioned commercial products such as those sold by XanTec Bioanalytics GmBH and Perkin-Elmer, are also suitable as carriers with a hydrogel-forming surface.
  • a particularly preferred embodiment of variant 2 is a process in which: in a first step, a hydrogel-forming surface layer is provided on a support which has a large number of functional groups on its surface which react with complementary functional groups to form bonds, applies a compound V, which has one or more functional groups, to a stamp surface which has a multiplicity of raised surfaces can react with the functional groups of the surface to form a covalent bond, and which furthermore has one or more different functional groups which can form a bond to the biomolecule to be immobilized; the stamp surface thus treated is brought into contact with the hydrogel-forming surface layer, a surface being obtained which has a multiplicity of spatially separated places P which are occupied by the compound V, then one or more different solutions of the biomolecules to be immobilized in at least two spatially separated surface areas B in such a way that the surface areas each cover a large number of the places which are occupied by the compound V, the biomolecules being immobilized in the places and subsequently removing non-immobilized biomolecules.
  • the solvent and the concentration of compound V in the solution depend on the type of compound V.
  • the optimum solvents and concentrations can be determined in a simple manner by a person skilled in the art with a few routine experiments. In principle, preference is given to solvents which, on the one hand, dissolve the compound V in the desired concentration and at the same time can be easily removed, in particular solvents with a boiling temperature below 120 ° C.
  • solvents are water, aqueous solvent mixtures and organic solvents, e.g. the solvents mentioned in variant 1 and aqueous solvent mixtures.
  • biomolecules can be applied in spatially separated surface areas in a manner known per se by means of the usual spotting techniques, as described in detail in variant 1. With regard to the exact process conditions, in particular the temperature and the choice of solvents, the above statements apply accordingly.
  • the washing step usually required is carried out by rinsing with a suitable washing solution.
  • the explanations given for variant 1 apply accordingly.
  • the compounds V used in variant 2 are generally those compounds which, on the one hand, form a bond to the surface on which the biomolecules are to be immobilized, and at the same time bind to specific binding centers in the Can form biomolecules.
  • Compound V is usually bound to the surface by covalent bonds, for example via ester, amide, amino, sulfonamide, urethane, urea or thiourethane groups.
  • the compounds V generally have at least one of the aforementioned groups R ', which can react with the reactive groups R of the surface, in particular the hydrogel-forming surface, to form a covalent bond.
  • the compounds V have at least one further binding center which can bind to the biomolecule.
  • the binding to the biomolecule can be covalent, ionic, coordinative, hydrophobic interaction, an interaction via hydrogen bonds or a mixed form of the aforementioned bonds (affinitive binding, as occurs, for example, in protein-ligand or protein-protein interactions)
  • this binding center is a center which can form a coordinative bond to the biomolecule, which is mediated via a transition metal atom.
  • transition metal atoms With regard to the type of transition metal atoms, what has been said above applies. In particular, these are transition metal atoms of the third period and especially those which can form divalent ions, such as in copper (II), nickel (II), zinc (II), cobalt (II) and iron (II).
  • Such compounds V preferably bind the metal atom as a chelate, ie the compounds V have at least 2, preferably at least 3, e.g. B. 3, 4 or 5 functional groups that can form a coordinative bond to the above metal ions.
  • the spatial arrangement of the functional groups is preferably selected so that the connection is made in the form of a chelate over all functional groups of the connection.
  • suitable compounds V which are capable of coordinatively binding metal atoms and which simultaneously have a reactive group R 'include, for example, aromatic orthohydroxy aldehydes such as salicylaldehyde, functionalized pyridine and quinoline compounds, such as 8-hydroxyquinoline, dipicolylamine, N-2-pyridylmethylaminoacetate, furthermore polycarboxylic acids with preferably at least 2, for example 2, 3, 4, 5 or 6, carboxyl groups, in particular compounds which contain at least 2, for. B.
  • lysine-NTA 6-amino-2- (N, N-bis (carboxymethyl) amino
  • the compounds V which can form complexes with transition metal ions, can be applied to the surface in complexed form or preferably in uncomplicated form. If uncomplexed compounds V are used, a complexation is then carried out by rinsing with a solution containing metal ions. If appropriate, after the application of the compound V or after the complexation of the compound V bound to the surface, a washing step will be introduced in order to remove excess compound V and / or excess metal ions.
  • carboxylic acids as compounds V, they can also be in carboxyl-protected form, ie. H. use as ester.
  • Suitable protective groups for carboxyl groups are known to the person skilled in the art from the relevant literature, preference being given to those groups which can be split off under conditions which affect the surface, eg. B. do not impair or even destroy the hydrogel layer.
  • An example of this is the tert-butyl group, which is thermally, for. B. can be removed by heating to 150-220 ° C, preferably under reduced pressure.
  • the solutions used for complexation are usually aqueous solutions of water-soluble salts of the metal ions, e.g. Solutions of chlorides, nitrates, sulfates, acetates etc.
  • the concentration of the metal ions in the solution is generally in the range from 1 mM to 1 M.
  • the pH of the solution is in the Rule 5 to 12, in particular 6 to 11.
  • the solutions may optionally contain weak complexing agents, for example Ammonia to ensure the solubility of the metal ions at higher pH values.
  • the compounds V have, in addition to the reactive group R ′ required for the connection of the compound V, a group which can bind to the biomolecule via at least 2 and preferably via at least 3 hydrogen bonds.
  • groups are, for example, oligonucleotide groups with at least 2, preferably at least 3, e.g. B. 3 to 100 and in particular 3 to 20 nucleotide bases. Biomolecules which have an oligonucleotide sequence complementary thereto can bind to these groups, the proportion of complementary bases being at least 50%.
  • compounds V are used which are known to have an affinitive interaction with biomolecules.
  • suitable compounds V are ligands, for example haptens and antibodies, which are functionalized, ie have a group R 'such that they can react with the surface to form a covalent bond.
  • This also includes chemical compounds V which, in addition to at least one reactive group R ', have a further molecular group or amino acid sequence which can bind to the biomolecule in the sense of an affinitive interaction, for example a protein ligand or protein-protein interaction.
  • biotin derivatives which are modified with a group R 'and thus form an anchor for biomolecules which have a streptavidin or avidin sequence, and streptavidin and avidin derivatives which are modified with a group R', so that they are an anchor for biotinylated biomolecules.
  • the biomolecules to be immobilized naturally have at least one binding site which can form a bond to the substance V fixed on the surface, for example a covalent bond, a coordinative bond, a hydrogen bond or an affinitive bond. Examples of such groups have already been dealt with in part above for compounds V.
  • Biomolecules that bind to substance V with the formation of a covalent bond have, for example, a group that is complementarily reactive to this (see above). These biomolecules which bind to an oligonucleotide sequence naturally have a sequence which is at least partially complementary to this, preferably at least two adjacent base pairs in the oligonucleotide sequence of the biomolecule being complementary to two adjacent base pairs of the oligonucleotide sequence of substance V. The agreement is preferably at least 50%.
  • the biomolecule When the biomolecule is linked via affinitive interactions, the biomolecule naturally has at least one group that can bind with substance V in the sense of a protein ligand or protein-protein interaction, for example in the case of a streptavidin-modified compound V, a biotin unit or in the case of a biotin-modified substance as compound V, a streptavidin unit.
  • substance V is a substance which coordinates a transition metal ion of the type described above.
  • the biomolecule has a group of molecules, which in turn can form a coordinating bond with the transition metal ion as a ligand, preferably as a chelating ligand.
  • the gelating effect of this group is preferably not so strong that the gelating part of compound V is completely displaced.
  • Chelating ligands in the biomolecules are in particular those which have at least two, in particular 2 or 3, groups which are suitable for coordination to a metal atom, for example 1, 2 or 3 carboxylate groups and / or 1, 2 or 3 amino groups and / or 1, 2 or 3 imino groups.
  • groups which have at least one or preferably 2 or 3, spatially adjacent imidazole groups Preferred among these are in particular those groups which are derived from histidine or oligohistidine sequences. Such groups are also referred to as histidine tag or His tag.
  • Such functionalized biomolecules and methods for functionalizing non-functionalized biomolecules are known from the literature, for example from J. Chromat. 411 (1987) 177-184 (histidine tag), Casey et al., J. Immunol Methods, 1995, 179, 105-116 (histidine tag), Stiborova et al., Biotechnology and Bioengineering, 2003, 82, 605 -611 and the literature cited there (tags conveying metal complexation), Christian Jakob, dissertation from the University of Göttingen, 2001 and literature cited therein (newer methods and overview of biotinylation).
  • the hydrogel-forming surface layer is composed of the above-described, cross-linked star-shaped prepolymers which on average have at least 4 polymer arms A, which are water-soluble in themselves.
  • the substance V can be applied before, but preferably during or after the crosslinking of the prepolymers.
  • the hydrogel-forming surface layer preferably has a multiplicity of the functional groups R mentioned above in Table 1 and in particular isocyanate groups and / or amino groups.
  • compounds V have proven particularly effective which bring about an immobilization of the biomolecule by means of a coordinative bond mediated by a transition metal.
  • the compounds V are preferably selected from the above-mentioned chelating compounds, in particular from the above-mentioned polycarboxylic acids with at least 2 carboxyl groups, for example 2, 3, 4, 5 o- of the 6 carboxyl groups which still have a functional group which reacts with the functional groups of the hydrogel-forming surface layer to form a covalent bond.
  • Variant 2 in combination with a hydrogel-forming surface layer has proven particularly useful for the immobilization of complex biomolecules that easily denature, especially for the immobilization of proteins.
  • a very particularly preferred embodiment of variant 2 with a hydrogel-forming surface layer thus relates to the immobilization of proteins, of proteins which bind to the surface by means of a coordinative bond, and in particular of proteins with histidine tags or comparable tags, as described by Stiborova et al ., Biotechnology and Bioengineering, 2003, 82, 605-611 and in the literature cited there.
  • biomolecules With regard to the application of the areas of the biomolecules to the surface structured with the compound V, what has been said above applies to the application of biomolecules to stamp surfaces, with direct spotting (contactless or in contact) being preferred.
  • the biomolecule can be used in pure form or as a raw product of a functionalization, since the biomolecule provided with the binding site selectively binds to the positions P occupied by the substance V.
  • the application of the biomolecule is usually followed by a washing step.
  • This washing step serves to remove unbound biomolecule from the surface of the array.
  • liquids are liquids which dissolve the biomolecule and at the same time do not damage the surface.
  • Particularly suitable are aqueous solvents which, in addition to water, can also contain small proportions, preferably not more than 40 and in particular not more than 10%, of organic, water-miscible solvents, for example alcohols such as methanol, ethanol and the like.
  • These washing liquids can also contain surface-active substances as mentioned above. The proportion of surface-active substances will generally not be more than 5% by weight, based on the washing liquid.
  • washing liquids can also contain the buffers customary in biotechnology, in particular PBS buffers, SSC buffers and similar, in the concentrations customary for this.
  • the type of additional components is aimed at known manner according to the type of biomolecule immobilized on the surface.
  • the array can be measured with a detection system corresponding to the marking.
  • the coupling efficiency and thus the immobilization of the biomolecules can be assessed in terms of area, homogeneity and density via the measured amount of immobilized marking.
  • marking is preferably selected so that it does not interfere with the subsequent analysis, or only minimally, so that it does not influence the use of the arrays, or only to an insignificant extent.
  • any markings on the sample that may be necessary, in particular nucleic acid targets, must be observed.
  • the marking can be chosen so that it interacts with the marking of the sample.
  • the signal emanating from interacting markings can be distinguishable from that emanating from the corresponding non-interacting markings. The interaction can influence the signal intensity, e.g. amplify or quench, or modify the signal, e.g. change the wavelength of absorbed or emitted light.
  • Marking systems which can be recognized, for example, spectroscopically, photochemically, biochemically, immunochemically, electrically, optically or chemically are suitable according to the invention.
  • These include direct labeling systems such as radioactive markers (e.g. 32 P, 3 H, 125 l, 35 S, 14 C), magnetic markers, chromophores, for example UV, VIS or IR absorbing compounds, fluorophores, chemical or bioluminescent markers, transition metals, which are generally chelate-bound, or enzymes, for example horseradish peroxidase or alkaline phosphatase and the detection reactions linked to them, as well as indirect labeling systems, for example haptens, such as biotin or digoxigenin, which can be recognized by corresponding detection systems ,
  • direct labeling systems such as radioactive markers (e.g. 32 P, 3 H, 125 l, 35 S, 14 C), magnetic markers, chromophores, for example UV, VIS or IR absorbing compounds, fluorophores
  • chromophores have an intense color that is only slightly absorbed by the surrounding molecules.
  • Dye classes such as quinolines, triarylmethanes, acridines, alizarines, phthaleins, azo compounds, anthraquinones, cyanines, phenazathionium compounds or phenazoxonium compounds are representative of the broad spectrum of chromophores suitable according to the invention. Fluorescent labels are preferred. You get strong signals with little background, high resolution and high sensitivity. It is advantageous according to the invention that one and the same fluorophore, depending on the excitation and detection principle, can emit several distinguishable radiations. Fluorophores can be used alone or in combination with a quencher (e.g. molecular beacons).
  • a quencher e.g. molecular beacons
  • Suitable fluorophores are, for example, aminomethylcoumarin acetic acid (AMCA, blue), EDANS, BODIPY 493/503; FL; FL Br2; R6G; 530/550; 558/568; TMR 542/574; TR 589/617; 630/650; 650/665, 6-FAM Fluorescein (green), 6-OREGON green 488, TET, Cy3 (red), Rhodamine (red), 6-JOE, HEX, 5-TAMRA, NED, 6-ROX, TEXAS Red7 (red ), Cy5, Cy5.5, LaJolla Blue, Cy7, Alexa fluorocarboxylic acids, in particular of the types 647 and 532, for example as succinimidyl esters, and IRD41.
  • AMCA aminomethylcoumarin acetic acid
  • EDANS BODIPY 493/503
  • FL FL Br2; R6G; 530/550; 558/568; TMR 542/574; TR 589/6
  • the invention also relates to a device based on an array according to the invention, which can be configured, for example, as a chip, microfluid device or as a dipstick.
  • Devices based on bioarrays are basically known to the person skilled in the art from the prior art cited at the beginning, and can be equipped in a manner known per se with the microbioarrays according to the invention.
  • the present invention also relates to the use of arrays according to the invention for analytical and in particular diagnostic purposes.
  • arrays according to the invention are suitable both for non-competitive and for competitive analytical methods (assays).
  • the substance to be analyzed coincides with that on the Interacting surface immobilized biomolecules.
  • the analyte is marked beforehand, but marking is also possible after the analyte has already interacted with the immobilized biomolecules, for example by means of primer extension or rolling-cycle PCR. In these cases, a measurement signal is obtained which is greater the more analyte is present.
  • the interaction of the sample with the substances immobilized on the surface changes the fluorescence of the immobilized substances (attenuation, amplification, for example molecular beacons) or changes the activity of an enzyme and this change is registered as a measurement signal.
  • non-competitive assays are hybridization reactions of PCR products or labeled DNA / RNA to nucleic acids immobilized on the surface, in particular oligonucleotides or cDNA, and sandwich immunoassays.
  • a labeled substance (marker) is added to the sample which has similar binding properties to the biomolecules immobilized on the surface as the analyte itself. There is a competitive reaction between analyte and marker for the limited number of binding sites on the surface. A signal is obtained which is lower the more analyte is present.
  • competitive assays are immunoassays (ELISA) and receptor assays).
  • FIG. 1a shows the top view of a conventional polydimethylsiloxane stamp, which has a large number of columnar elevations.
  • Figure 1 b shows a cross section through the polydimethylsiloxane stamp shown in Figure 1 a in the supervision.
  • FIG. 1 c shows schematically the application of different solutions of the biomolecules to different areas of the stamp surface and a cross section through the stamp treated in this way.
  • Figure 1 d shows a plan view of the stamp surface thus obtained.
  • FIG. 1e is a schematic representation of the contacting of the treated stamp surface with the substrate surface.
  • Figure 1 f shows a schematic plan view of the stamped surface and a schematic side view of the stamped surface
  • Figure 2 The variant 2 of the method according to the invention is shown in a schematic manner.
  • Figure 2 a shows a cross section of the stamp used.
  • FIG. 2 b shows schematically the printing of substance V onto a substrate surface coated with a hydrogel layer (1).
  • Figure 2 c shows the surface stamped with the substance V (2) in the top view and Figure 2d as a cross section.
  • FIG. 2e schematically shows the top view of a surface and FIG. 2f the cross section thereof, to which several spots (3) of different protein solutions were applied after substance V had been applied.
  • Figure 3 Figures 3a and 3b show a fluorescence microscope image of an array of immobilized fluorescein prepared according to variant 1 in different magnifications.
  • FIG. 4 partial view of a fluorescence microscope image of an area produced according to variant 2 with a large number of places on which fluorescent-labeled streptavidin was immobilized via biotin.
  • Figure 5 Partial view of a fluorescence microscope image of an array produced according to variant 2 with a large number of places on which green fluorescent protein with histidine tag was immobilized using lysine-NTA-nickel (II).
  • the substrate surfaces were first pretreated.
  • the substrates were stored for 1 hour at 60 ° C. in a mixture of concentrated aqueous ammonia, hydrogen peroxide (25% by weight) and water in a volume ratio of 1: 1: 5. Then they were rinsed several times with water.
  • the substrates treated in this way were then stored in deionized water.
  • the substrates pre-cleaned by water and acetone can be treated in a plasma system of the type TePla 100-E from the company Plasma Systems in oxygen plasma for 2 minutes (pressure: 1 mbar, 50W) and then washed with water and acetone.
  • the pre-cleaned substrates can also be treated with oxygen under a 40 W UV lamp with a wavelength of 185 nm for 10 min (distance between substrate surface and light source 2 mm), and then washed with water and acetone become.
  • the pretreated substrates were coated with an aminosilian monolayer.
  • the sample taken from the water and blown dry with nitrogen was transferred to a glove box.
  • the substrates were stored in a 0.5% (v / v) solution of (3-aminopropyl) trimethoxylsilane in dry toluene for 16 h, then washed thoroughly with toluene and stored therein and filtered before use in a glove box under a nitrogen atmosphere Nitrogen stream dried.
  • a solution of an isothiocyanate-modified fluorescein derivative (FITC from Aldrich) was dissolved in a mixture of ethanol / dimethyl sulfoxide 50: 1 v / v in a concentration of 100 ⁇ M.
  • FITC isothiocyanate-modified fluorescein derivative
  • Protein arrays and nucleotide arrays can also be produced in an analogous manner:
  • a rectangular polydimethyldisiloxane stamp produced for example according to Tan et al., Langmuir 2002, 18, pp. 519-523, with an area of 15 mm x 15 mm with a regular arrangement of columns (diameter 5 ⁇ m, height 2 ⁇ m, average distance 20 ⁇ m), is carried out according to the specification by Donzel et al., Adv. Mater. 2001, 13, 1164, modified hydrophilically in the oxygen plasma.
  • the polydimethyldisiloxane stamp used in Example 2 is wetted with a solution of biotinamidocaproic acid N-hydroxysuccinimide ester in dimethylformamide (10 ⁇ g / ml) and then dried.
  • the stamp thus obtained is 2 min. brought into contact with the coating produced in Example 2.
  • the coating thus obtained is then washed successively with dimethylformamide and water to remove unbound ester and dried in a stream of argon. In this way an array with circular regions of immobilized biotin was obtained.
  • Example 4 Production of a protein array via complex formation
  • the polydimethylsiloxane stamp used in Example 1 with an area of approximately 15 mm ⁇ 15 mm, with a regular arrangement of columns (diameter 10 ⁇ m, height 2 ⁇ m, average distance 20 ⁇ m) is mixed with a solution of lysino-NTA tert-butyl ester, produced according to J. Groll, diploma thesis of the University of Ulm, 2001, wetted in toluene (20 mg / ml) and then dried.
  • the stamp thus obtained is 15 min. brought into contact with the coating freshly prepared according to II Example 1.
  • the support thus obtained is then stored overnight in an atmosphere saturated with water vapor and washed with toluene.
  • the carrier obtained is 10 min.

Abstract

The invention relates to microarrays of immobilized biomolecules comprising at least two spatially separated sectors B that are located on a surface. Each sector is provided with several spatially separated points P at which the biomolecules are immobilized. On average, the dimension of said sections corresponds to a distance between the boundary line of a respective sector B and the centroid thereof, said distance ranging from 10 µm to 250 µm. The invention also relates to a method for producing micro-bioarrays, according to which biomolecules are applied at a local resolution to an adequately structured matrix surface by means of spotting techniques such that each spot covers several of the raised zones of the matrix surface, e.g. column-shaped elevations, whereupon the matrix surface is contacted with the surface on which the biomolecules are to be immobilized and surplus biomolecules, i.e. biomolecules that are not immobilized, are removed if necessary (variant 1); alternatively, a pattern of compounds V that cause biomolecules to immobilize on a surface and are also called coupling means V in the description, is applied to the surface by means of µCP technology, said pattern corresponding to the array, whereby an array is obtained which is provided with a plurality of spatially separated points P that are occupied by compound V, whereupon a solution of said biomolecules is spotted onto the prepared surface such that one spot covers several points P to which compound V is bound, and surplus biomolecules are then removed (variant 2).

Description

Mikroarrays immobilisierter Biomoleküle, deren Herstellung und deren Verwendung Microarrays of immobilized biomolecules, their production and their use
Die vorliegende Erfindung betrifft Mikroarrays immobilisierter Biomoleküle, deren Herstellung und deren Verwendung. Ebenfalls betrifft die vorliegende Erfindung Vorrichtungen auf Basis derartiger Mikroarrays, insbesondere Chips und Dip Sticks.The present invention relates to microarrays of immobilized biomolecules, their production and their use. The present invention also relates to devices based on such microarrays, in particular chips and dip sticks.
Mit der zunehmenden praktischen Bedeutung der molekularbiologischen Analytik stoßen die mit einem sehr hohen Arbeits- und Kostenaufwand verknüpften, oft Tage oder Wochen dauernden etablierten Standardtechniken an Grenzen. Neue Testformate wie Biochips sollen eine enorme Zeit und Kostenersparnis ermöglichen. Da mit dieser Technik sehr viele verschiedene auf engstem Raum immobilisierte Substanzen gleichzeitig mit einer einzigen zu analysierenden Probe in Kontakt gebracht werden können, ist der pro Messung aus einem Chip gewonnene Informationsgehalt sehr hoch.With the increasing practical importance of molecular biological analysis, the established standard techniques, which often involve days and weeks, are very labor intensive and costly. New test formats such as biochips should enable enormous time and cost savings. Since many different substances immobilized in a very small space can be brought into contact with a single sample to be analyzed simultaneously with this technology, the information content obtained from a chip per measurement is very high.
Eine Übersicht über die bekanntesten Biochip-Systeme findet man beispielsweise in Bow- tell D. D. L Nature Genetics Supplement 21 (1999) 25-32; Lockhart et al, Nature Biotech- nology 14 (1996) 1675. Eine Übersicht über Protein- und Antikörper-Arrays gibt Cahill, D. J. Immunol. Methods, 250 (2001) 81-91.An overview of the best-known biochip systems can be found, for example, in Bowell D. D. L Nature Genetics Supplement 21 (1999) 25-32; Lockhart et al, Nature Biotechnology 14 (1996) 1675. An overview of protein and antibody arrays is given by Cahill, D. J. Immunol. Methods, 250 (2001) 81-91.
Ein typisches Beispiel eines sogenannten „high density array" ist der GeneChip von Affy- metrix, ein Oligonukleotidarray mit typischerweise über 400 verschiedenen Capture Pro- bes, die Base für Base auf dem Glaswafer aufgebaut werden. Die Chips zeichnen sich durch eine sehr hohe Informationsdichte von bis zu 40.000 Oligonukleotiden/cm2 aus. Die einzelnen "Spots" sind rechteckig.A typical example of a so-called "high density array" is the GeneChip from Affymetrix, an oligonucleotide array with typically over 400 different capture samples that are built up base by base on the glass wafer. The chips are characterized by a very high information density of up to 40,000 oligonucleotides / cm 2. The individual "spots" are rectangular.
"Low Density Arrays" sind beispeilsweise von Genometrix erhältlich. Maximal 250 Spots von 50 μm Durchmesser werden mit einem Kapillar-Pin-Bündel aus bis zu 1000 Einzelkapillaren in die Kavitäten einer 96-er Mikrotiterplatte gedruckt. Zur Ankopplung an die Oberfläche werden konventionelle Techniken verwendet, denen insbesondere Aminosila- nisierungen und NHS-aktivierte Haptene, epoxyaktivierte Oberflächen, Carbodiimid- kopplungen an Carboxylgruppen sowie Biotin/Streptavidin-Bindungen zugrunde liegen (vgl. WO 97/18226; EP 0910570 A1; WO 98/29736).Low density arrays are available, for example, from Genometrix. A maximum of 250 spots with a diameter of 50 μm are printed with a capillary pin bundle of up to 1000 individual capillaries into the cavities of a 96-well microtiter plate. Conventional techniques are used for coupling to the surface, which are based in particular on amino silanizations and NHS-activated haptens, epoxy-activated surfaces, carbodiimide couplings on carboxyl groups and biotin / streptavidin bonds (cf. WO 97/18226; EP 0910570 A1; WO 98/29736).
Zur Herstellung von Mikrobioarrays stehen derzeit mehrere Methoden zur Verfügung. Die am häufigsten und auch für die Massenproduktion von Biochips eingesetzten Methoden sind Lithographietechniken und Spotting-Techniken (siehe Cheng et al. (Editor), Biochip technology, Harvard Academic Publishers 2001). Bei den Lithographie-Techniken handelt es sich um lithographische Verfahren, die der Halbleiter-Technik entlehnt sind, und mit dem sich Moleküle ortslokalisiert auf eine Oberfläche aufbringen lassen. So beschreibt beispielsweise die US 5,599,695 ein Verfahren zur Herstellung von Oligonukleotid-Arrays, bei dem man eine Oberfläche, die mit einer Molekülschicht aus geschützten Verbindungen, welche die Anbindung von Oligonukleotiden erlauben, belegt ist, mit einer Maske abdeckt, die durch die Maske nicht abgedeckten Stellen entschützt und die so behandelte Oberfläche mit Oligonukleotiden in Kontakt bringt. Die Oligonukleotide werden dabei an die entschützten Stellen der Oberfläche gebunden und bilden so eine der Maske entsprechende Anordnung von mit Oligonukleotiden belegten Bereichen/Plätzen. Derartige Techniken sind insbesondere für die Herstellung von Oligonukleotid-Arrays mit sehr hoher Spot-Dichte (High Density Chips) geeignet und erlauben die Auflösung von einigen 100 nm. Allerdings sind derartige lithographische Prozesse in der Regel nicht kompatibel mit biologisch aktiven Molekülen wie Proteinen und Zellen. Weiterhin sind die apparativen Kosten für derartige Verfahren sehr hoch.Several methods are currently available for producing microbioarrays. The most common and also used for the mass production of biochips are lithography techniques and spotting techniques (see Cheng et al. (Editor), Biochip technology, Harvard Academic Publishers 2001). The lithography techniques are lithographic processes that are borrowed from semiconductor technology and with which molecules can be applied to a surface in a localized manner. For example, US Pat. No. 5,599,695 describes a method for producing oligonucleotide arrays, in which a surface which is covered with a molecular layer of protected compounds which permit the connection of oligonucleotides is covered with a mask which is not covered by the mask Deprotected areas and brings the surface treated in this way into contact with oligonucleotides. The oligonucleotides are bound to the deprotected areas of the surface and thus form an arrangement of areas / places occupied by oligonucleotides corresponding to the mask. Such techniques are particularly suitable for the production of oligonucleotide arrays with a very high spot density (high density chips) and allow the resolution of a few 100 nm. However, such lithographic processes are generally not compatible with biologically active molecules such as proteins and cells , Furthermore, the equipment costs for such processes are very high.
Bei den Spotting-Techniken handelt es sich um Druckverfahren. Die Biomoleküle werden als Lösungen mit einem Drucksystem in Form eines regelmäßigen Punktmusters auf eine Oberfläche aufgebracht. Kernstück des Drucksystems ist ein Druckkopf, der entweder eine Serie von Nadeln aufweist oder ein Mikrodosierkopf ist. Letzterer erlaubt das parallele Drucken von verschiedenen Lösungen der Biomoleküle. Beim Drucken mit einem Mikrodosierkopf können nämlich verschiedene Flüssigkeiten in die Reservoire gefüllt werden, die mit dem Mikrodosierkopf verbunden sind. Man kann nacheinander mehrere 100 bis 1000 Druckvorgänge ohne Wiederbefüllung ausführen und so eine entsprechende Anzahl von Spots auf eine Oberfläche erzeugen. Mit den bislang üblichen Spotting-Techniken gelingt es jedoch nicht, Spots mit einem Durchmesser unterhalb 100 μm zu erzeugen. Damit ist diese Technik nicht geeignet, sogenannte High-Density Chips herzustellen, sondern lediglich Low- and Medium-Density Chips. Zwar wurden verschiedentlich Weiterentwicklungen der Spotting-Technik beschrieben, die es ermöglichen, Lösungen von Biomolekülen als Spots mit einer Auflösung im Bereich < 1 μm auf eine Oberfläche aufzubringen. In diesem Zusammenhang sind die von Boland et al. (222nd ACS National Meeting 2001 , S. 26-30) entwickelte Methode, die Nanopipetten-Methode (Bruckbauer et al. J. Am. Chem. Soc, 2002, 124, 8810), die Dip-Pen-Nanolithographie (DPN, Mirkin et al., Science 1999, 283, S. 661 und Science 1999, 286, S. 523) zu nennen. Diese Technologien sind allerdings sehr zeitaufwendig und ebenfalls mit hohen apparativen Kosten verbunden.Spotting techniques are printing processes. The biomolecules are applied as solutions with a printing system in the form of a regular dot pattern on a surface. The heart of the printing system is a printhead that either has a series of needles or is a microdosing head. The latter allows the parallel printing of different solutions of the biomolecules. When printing with a microdosing head, different liquids can be filled into the reservoirs which are connected to the microdosing head. Several 100 to 1000 printing processes can be carried out one after the other without refilling, thus creating a corresponding number of spots on a surface. With the previously common spotting techniques, however, it is not possible to produce spots with a diameter below 100 μm. This technique is therefore not suitable for producing so-called high-density chips, but only low- and medium-density chips. Various developments of the spotting technique have been described which make it possible to apply solutions of biomolecules as spots with a resolution in the range of <1 μm to a surface. In this context, those of Boland et al. (222nd ACS National Meeting 2001, pp. 26-30) developed the method, the nanopipette method (Bruckbauer et al. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 8810), the dip-pen nanolithography (DPN, Mirkin et al., Science 1999, 283, p. 661 and Science 1999, 286, p. 523). However, these technologies are very time-consuming and also involve high equipment costs.
In jüngerer Zeit wurde verschiedentlich eine Stempeltechnik, das sogenannte Mikrokon- takt-Drucken (μCP) zur Herstellung von Arrays aus Biomolekülen auf Oberflächen angewendet (siehe Martin et al., Langmuir 1998, 14, S. 3971 , Bernard et al., Langmuir 1998, 14, S. 2225, Chieng et al., Sensors and Actuators 2002, B 83, S. 22, Tan et al., Langmuir 2002, 18, S. 519, Inerowicz et al., Langmuir 2002, 18, S. 5263 und WO01/67104). Mit der μCP-Technik, die ursprünglich zu anderen Zwecken entwickelt wurde, können die zu immobilisierenden Biomoleküle ortslokalisiert, d. h. in definierten Bereichen, auf eine Oberfläche aufgebracht werden. Hierbei geht man in der Regel so vor, dass man zunächst die Stempelfläche mit eine Lösung des zu immobilisierenden Biomoleküls in Kontakt bringt, den Stempel gegebenenfalls trocknet und anschließend die Stempelfläche mit der zu strukturierenden Oberfläche in Kontakt bringt. Hierbei wird das Biomolekül in denjenigen Bereichen, in denen die Stempelfläche mit der Oberfläche in Kontakt ist, auf die Oberfläche transferiert. Oberflächenbereiche, die nicht mit der Stempelfläche in Kontakt sind, bleiben hingegen unverändert. Auf diese Weise erhält man definierte Bereich auf der O- berfläche, die mit Biomolekülen belegt sind uns so ein Abbild des Stempels darstellen. Mit der μCP-Technik lassen sich Strukturen mit einer Auflösung bis hin zu etwa 100 nm herstellen. Im Unterschied zu der Spotting-Technik, die es erlaubt, auf einer Oberfläche mehrere Bereiche gleichzeitig aufzubringen, die mit verschiedenen Biomolekülen belegt sind, können mit der μCP-Technik lediglich identische Bereiche erzeugt werden. Für die Herstellung von Biochips werden jedoch in der Regel Arrays benötigt, die mehrere Bereiche aufweisen, welche hinsichtlich der Art und/oder der Belegungsdichte der Biomoleküle voneinander verschieden sind.Recently, a stamp technique, the so-called micro-contact printing (μCP), has been used variously to produce arrays from biomolecules on surfaces (see Martin et al., Langmuir 1998, 14, p. 3971, Bernard et al., Langmuir 1998 , 14, p. 2225, Chieng et al., Sensors and Actuators 2002, B 83, p. 22, Tan et al., Langmuir 2002, 18, p. 519, Inerowicz et al., Langmuir 2002, 18, p. 5263 and WO01 / 67104). With the μCP technology, which was originally developed for other purposes, the biomolecules to be immobilized can be localized, i.e. H. be applied to a surface in defined areas. As a rule, the procedure is such that the stamp surface is first brought into contact with a solution of the biomolecule to be immobilized, the stamp is dried if necessary, and then the stamp surface is brought into contact with the surface to be structured. Here, the biomolecule is transferred to the surface in those areas in which the stamp surface is in contact with the surface. However, surface areas that are not in contact with the stamp surface remain unchanged. In this way, defined areas on the surface are obtained, which are covered with biomolecules and thus represent an image of the stamp. With the μCP technology, structures with a resolution down to about 100 nm can be produced. In contrast to the spotting technique, which allows the simultaneous application of several areas to which different biomolecules are occupied, the μCP technique can only be used to create identical areas. For the production of biochips, however, arrays are generally required which have several regions which differ from one another with regard to the type and / or the occupancy density of the biomolecules.
Inerowicz et al. (Langmuir 2002, 18, S. 5263) beschreiben eine μCP-Technik, bei der man mittels eines Polydimethylsiloxan-Stempels, der streifenförmige Erhebungen aufweist, zunächst streifenförmige Protein-Bereiche auf eine Oberfläche aufbringt. In einem zweiten Stempelvorgang wird dann ein Stempel mit gleicher Struktur mit einer Lösung eines zweiten Proteins benetzt und um 90° gedreht auf die bereits mit dem ersten Protein beschichtete Oberfläche aufgedrückt. So erhält man eine Oberfläche mit zwei unterschiedlichen, orthogonal angeordneten Proteinstreifen. Ein drittes Protein kann auf die noch nicht von den ersten beiden Proteinen belegte Oberfläche aufgebracht werden, indem man die Oberfläche mit einer Lösung des dritten Proteins spült. Auf diese Weise können jedoch nur drei unterschiedliche Biomoleküle auf die Oberfläche aufgebracht werden. Außerdem ist eine Überlappung zwischen unterschiedlichen Biomolekülen naturgemäß nicht vermeidbar. Daher weisen derartige Arrays nur eine geringe Trennschärfe auf.Inerowicz et al. (Langmuir 2002, 18, p. 5263) describe a μCP technique in which, using a polydimethylsiloxane stamp, which has strip-shaped elevations, strip-like protein regions are first applied to a surface. In a second stamping process, a stamp with the same structure is then wetted with a solution of a second protein and rotated through 90 ° onto the surface already coated with the first protein. This gives you a surface with two different, orthogonally arranged strips of protein. A third protein cannot yet surface occupied by the first two proteins can be applied by rinsing the surface with a solution of the third protein. In this way, however, only three different biomolecules can be applied to the surface. In addition, an overlap between different biomolecules is naturally unavoidable. Arrays of this type therefore have only a low selectivity.
Chieng et al. (Sensor and Actuators 2002, B 83, S. 22-29) beschreiben ein Verfahren zur Herstellung von Proteinarrays, bei dem man zunächst eine Proteinlösung in sogenannte Mikro-Wells einfügt, anschließend mit einem Stempel die Proteinlösung aus diesen Mikro- Wells aufnimmt und auf eine geeignete Oberfläche aufdruckt. Auf diese Weise lassen sich Protein-Arrays herstellen, die mehrere Bereiche aufweisen, welche sich in der Art der Proteinbelegung unterscheiden. Mit den dort beschriebenen Maßnahmen lassen sich jedoch nur vergleichsweise große Bereiche (Kantenlänge > 500 μm) herstellen. Ein ähnliches Verfahren beschreibt Renault et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2320. Hierbei wird eine Maske mit einer Vielzahl von durchgängigen Löchern auf eine Stempelfläche gelegt, wobei in die Löcher Lösungen unterschiedlicher Antigene gefüllt werden. Hierdurch werden die Antigene auf die Stempeloberfläche aufgebracht. Anschließend wird die Stempelfläche mit einer Lösung von Antikörpern in Kontakt gebracht und anschließend auf eine geeignete Oberfläche gedruckt. Auf diese Weise können ebenfalls Protein- Arrays hergestellt werden, die bezüglich ihrer Proteine mehrere verschiedene Bereiche aufweisen. Mit beiden Verfahren lassen sich jedoch nur großflächige Bereiche herstellen. Beide Verfahren sind von ihrer Durchführung äußerst kompliziert und haben den Nachteil einer geringen Trennschärfe. Diese ist auf Kapillarkräfte der Proteinflüssigkeiten zurückzuführen.Chieng et al. (Sensor and Actuators 2002, B 83, pp. 22-29) describe a process for the production of protein arrays, in which one first inserts a protein solution into so-called micro-wells, then picks up and absorbs the protein solution from these micro-wells printed a suitable surface. In this way, protein arrays can be produced which have several regions which differ in the type of protein assignment. With the measures described there, however, only comparatively large areas (edge length> 500 μm) can be produced. A similar process is described by Renault et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2320. Here, a mask with a multiplicity of through holes is placed on a stamp surface, solutions of different antigens being filled into the holes. As a result, the antigens are applied to the stamp surface. The stamp surface is then brought into contact with a solution of antibodies and then printed on a suitable surface. In this way it is also possible to produce protein arrays which have several different regions with regard to their proteins. However, only large areas can be produced with both methods. Both methods are extremely complicated to carry out and have the disadvantage of low selectivity. This is due to the capillary forces of the protein liquids.
Die WO 02/48676 beschreibt mehrschichtige Mikroarrays zur Herstellung von Bioarrays, die eine auf einer Oberfläche angeordnete erste Membran mit sehr feinen durchgängigen Löchern und eine darüber angeordnete zweite Membran mit vergleichsweise großen Löchern umfasst. In die großen Löcher werden Lösungen von Biomolekülen eingefüllt und dringen durch die feinen Löcher auf die Oberfläche. Nach Entfernen der unteren Membran erhält man somit ein Muster immobilisierter Biomoleküle auf der Oberfläche. Auf diese Weise können jedoch nur Bioarrays mit sehr großflächigen Bereichen unterschiedlicher Biomoleküle erhalten werden. Zudem müssen diese Bereiche vergleichsweise große Abstände zueinander aufweisen, um eine ausreichende Auflösung zu erzielen, da Kapillarkräfte ein Verschmieren der Biomoleküle über die Bereichsgrenzen hinaus bewirken. Mit den drei letztgenannten Verfahren lassen sich nur solche Biochips herstellen, die eine vergleichsweise geringe Anzahl an Bereichen mit unterschiedlichen Biomolekülen aufweisen. Zudem sind diese Verfahren sehr aufwendig in ihrer Durchführung.WO 02/48676 describes multilayer microarrays for the production of bioarrays, which comprises a first membrane arranged on a surface with very fine through holes and a second membrane arranged above it with comparatively large holes. Solutions of biomolecules are filled into the large holes and penetrate the surface through the fine holes. After removing the lower membrane, a pattern of immobilized biomolecules is obtained on the surface. In this way, however, only bioarrays with very large areas of different biomolecules can be obtained. In addition, these areas must be at a comparatively large distance from one another in order to achieve sufficient resolution, since capillary forces cause the biomolecules to smear beyond the area limits. With the last three methods only those biochips can be produced that one have a comparatively small number of regions with different biomolecules. In addition, these procedures are very complex to carry out.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Arrays immobilisierter Biomoleküle bereitzustellen, die einerseits eine möglichst große Anzahl von Bereichen aufweisen, die mit unterschiedlichen Biomolekülen belegt sein können und die eine erhöhte Auflösung bezüglich der unterschiedlichen Biomoleküle aufweisen. Zudem sollten diese Arrays einfach herstellbar sein, ohne dass es des Einsatzes kostenintensiver Techniken bedarf, wie sie für hochauflösende Spotting-Techniken erforderlich sind.The object of the present invention is to provide arrays of immobilized biomolecules which on the one hand have as large a number of areas as possible which can be occupied by different biomolecules and which have an increased resolution with respect to the different biomolecules. In addition, these arrays should be easy to manufacture without the use of expensive techniques, such as are required for high-resolution spotting techniques.
Diese Aufgabe wird durch Mikroarrays immobilisierter Biomoleküle, im Folgenden auch Mikrobioarrays genannt, gelöst, die wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens zehn, insbesondere wenigstens fünfzig und speziell wenigstens hundert räumlich voneinander getrennte Flächenbereiche B aufweisen, die auf einer Oberfläche angeordnet sind, wobei jeder Flächenbereich mehrere, vorzugsweise im Mittel wenigstens zehn, insbesondere wenigstens hundert räumlich voneinander getrennte Plätze P aufweist, auf denen die Biomoleküle immobilisiert sind und wobei die Ausdehnung der Bereiche im Mittel einem Abstand der Begrenzungslinie eines jeweiligen Bereichs B zu seinem Flächenmittelpunkt im Bereich von 10 μm bis 250 μm insbesondere 25 μm bis 200 μm entspricht. Derartige Mikrobioarrays sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung.This object is achieved by microarrays of immobilized biomolecules, hereinafter also called microbioarrays, which have at least two, preferably at least ten, in particular at least fifty and in particular at least one hundred spatially separated surface areas B which are arranged on one surface, each surface area having a plurality of, preferably has on average at least ten, in particular at least one hundred, spatially separated locations P, on which the biomolecules are immobilized, and the extent of the regions, in particular a distance between the boundary line of a respective region B and its center point in the region of 10 μm to 250 μm in particular Corresponds to 25 μm to 200 μm. Such microbioarrays are the subject of the present invention.
Diese Mikrobioarrays können überraschenderweise durch eine bislang nicht bekannte und einfach durchzuführende Kombination konventioneller Spotting-Techniken mit der μCP-Technik (siehe den einleitend zitierten Stand der Technik) hergestellt werden, wobei man entweder mittels Spotting-Techniken Biomoleküle ortsaufgelöst auf eine geeignet strukturierte Stempelfläche aufbringt, so dass jeder Spot mehrere der erhabenen Bereiche der Stempelfläche, beispielsweise säulenförmige Erhebungen, abdeckt und dann die Stempelfläche mit der Oberfläche, auf der die Biomoleküle immobilisiert werden sollen, in Kontakt bringt und gegebenenfalls überschüssige, d. h. nicht immobilisierte Biomoleküle entfernt (Variante 1); oder mittels μCP-Technik ein dem Array entsprechendes Muster an Verbindungen V, welche eine Immobilisierung von Biomolekülen auf einer Oberfläche bewirken, im Folgenden auch als Kupplungsmittel V bezeichnet, auf die Oberfläche aufbringt, wobei man einen Array erhält, der eine Vielzahl räumlich getrennter Plätze P aufweist, die mit der Verbindung V belegt sind, anschließend eine Lösung der Biomo- leküle auf die so bereitgestellte Oberfläche spottet, so dass jeder Spot mehrere Plätze P abdeckt und anschließend überschüssige Biomoleküle entfernt (Variante 2).These microbioarrays can surprisingly be produced by a hitherto unknown and easy-to-carry out combination of conventional spotting techniques with the μCP technique (see the prior art cited in the introduction), with either biomolecules being applied in a spatially resolved manner to a suitably structured stamp surface using spotting techniques, so that each spot covers several of the raised areas of the stamp surface, for example columnar elevations, and then brings the stamp surface into contact with the surface on which the biomolecules are to be immobilized and, if necessary, removes excess, ie non-immobilized, biomolecules (variant 1); or by means of μCP technology, a pattern of compounds V corresponding to the array, which bring about an immobilization of biomolecules on a surface, hereinafter also referred to as coupling agent V, is applied to the surface, an array being obtained which has a plurality of spatially separated places P which are occupied with the compound V, then a solution of the biomo- spot on the surface provided so that each spot covers several places P and then remove excess biomolecules (variant 2).
Beide Verfahrensvarianten vereinen die hohe Auflösung, die durch die μCP-Technik erreicht wird und die Vorteile der Spotting-Technik, die es erlaubt, unterschiedliche Bereiche immobilisierter Biomoleküle in einfacher Weise zu erzeugen.Both process variants combine the high resolution achieved by the μCP technique and the advantages of the spotting technique, which allows different areas of immobilized biomolecules to be generated in a simple manner.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Herstellung von Mikrobioarrays, bei dem man gemäß Variante 1 auf einer Stempelfläche, welche eine Vielzahl von erhabenen Bereichen (im Folgenden Erhebungen) aufweist, ein oder mehrere voneinander verschiedene Biomoleküle in wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens zehn, insbesondere wenigstens 50, speziell wenigstens 100, z. B. 100 bis 10000 voneinander räumlich getrennten Flächenbereichen B (=Spots) so aufbringt, dass die Biomoleküle in den Flächenbereichen B jeweils eine Vielzahl der Erhebungen in der Regel wenigstens 10, vorzugsweise wenigstens 50, insbesondere wenigstens 100, z. B. 100 bis 10000 Erhebungen der Stempelfläche abdecken, anschließend die Stempelfläche mit der Oberfläche, auf der die Biomoleküle immobilisiert werden sollen, in Kontakt bringt und gegebenenfalls nicht immobilisierte Biomoleküle, z. B. durch Waschen, entfernt.The invention thus relates to a method for producing microbioarrays, in which, according to variant 1, one or more different biomolecules in at least two, preferably at least ten, in particular at least one, on a stamp surface which has a plurality of raised areas (hereinafter referred to as elevations) 50, especially at least 100, e.g. B. 100 to 10,000 spatially separated surface areas B (= spots) so that the biomolecules in the surface areas B each have a plurality of elevations, as a rule at least 10, preferably at least 50, in particular at least 100, for. B. 100 to 10,000 surveys of the stamp surface, then the stamp surface with the surface on which the biomolecules are to be immobilized, in contact and possibly non-immobilized biomolecules, for. B. removed by washing.
Dabei entspricht die Anzahl, Anordnung und Größe der in den Flächenbereichen B durch die Biomoleküle abgedeckten, erhabenen Bereiche der Stempelfläche jeweils der Anzahl, Anordnung und Größe der Plätze P eines Bereichs, auf denen die Biomoleküle immobilisiert sind. Die Anzahl, Anordnung und Größe der Flächenbereiche B entspricht in erster Näherung der Anzahl, Anordnung und Größe der Spots auf der Stempelfläche.The number, arrangement and size of the raised areas of the stamp area covered by the biomolecules in the surface areas B each correspond to the number, arrangement and size of the places P of an area on which the biomolecules are immobilized. The number, arrangement and size of the surface areas B corresponds in a first approximation to the number, arrangement and size of the spots on the stamp surface.
Die gleiche Anordnung lässt sich auch durch Variante 2 des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielen. Hierzu bringt man auf eine Stempelfläche, die eine Vielzahl von Erhebungen aufweist, eine Verbindung V auf und stempelt auf die Oberfläche, auf der die Biomoleküle immobilisiert werden sollen. Auf diese Weise erhält man eine Oberfläche, die eine Vielzahl von räumlich getrennten Plätzen P aufweist, wobei die Anzahl, Anordnung und Größe der Plätze P der Anzahl, Anordnung und Größe der erhabenen Bereiche der Stempelfläche entspricht und die mit der Verbindung V belegt sind. Anschließend bringt man eine oder mehrere voneinander verschiedene Lösungen der zu immobilisierenden Biomoleküle in wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens zehn, insbesondere wenigstens fünfzig und speziell wenigstens hundert, z. B. hundert bis zehntausend voneinander räumlich getrennten Flächenbereichen B so auf, dass die Flächenbereiche B jeweils eine Vielzahl, in der Regel wenigstens zehn, vorzugsweise wenigstens fünfzig und speziell wenigstens hundert, z. B. hundert bis zehntausend der Plätze P, welche mit der Verbindung V belegt sind, abdecken. Dabei bewirkt die Verbindung V eine Anbindung, d.h. Immobilisierung der Biomoleküle auf der Oberfläche. Anschließend wird man die nicht immobilisierten Biomoleküle entfernen. In den so erhaltenen Arrays entspricht die Anzahl, Anordnung und Größe der separierten Bereiche B der Anzahl, Anordnung und Größe der Spots.The same arrangement can also be achieved by variant 2 of the method according to the invention. For this purpose, a compound V is applied to a stamp surface which has a large number of elevations and stamped onto the surface on which the biomolecules are to be immobilized. In this way, a surface is obtained which has a multiplicity of spatially separated places P, the number, arrangement and size of the places P corresponding to the number, arrangement and size of the raised areas of the stamp surface and which are occupied by the connection V. Then one or more different solutions of the biomolecules to be immobilized are brought into at least two, preferably at least ten, in particular at least fifty and especially at least one hundred, e.g. B. one hundred to ten thousand from each other spatially separated surface areas B so that the surface areas B each have a plurality, usually at least ten, preferably at least fifty and especially at least one hundred, e.g. B. cover a hundred to ten thousand of the places P, which are occupied by the connection V. The compound V thereby causes a binding, ie immobilization of the biomolecules on the surface. Then the immobilized biomolecules will be removed. In the arrays thus obtained, the number, arrangement and size of the separated regions B correspond to the number, arrangement and size of the spots.
Das erfindungsgemäße Verfahren gemäß den Varianten 1 und 2 ist nicht auf die Herstellung der erfindungsgemäßen Arrays beschränkt sondern erlaubt auch die Herstellung von Arrays mit einer Anordnung von Plätzen P und Bereichen B, die den erfindungsgemäßen Arrays entspricht, in denen jedoch die Flächenbereich B auch größere Ausdehnungen, z.B. > 500 μm oder darüber aufweisen. Vorzugsweise setzt man jedoch diese Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Arrays ein.The method according to the invention according to variants 1 and 2 is not limited to the production of the arrays according to the invention but also allows the production of arrays with an arrangement of places P and regions B which corresponds to the arrays according to the invention, but in which the surface region B also has larger dimensions , e.g. > 500 μm or more. However, these methods are preferably used to produce the arrays according to the invention.
Die Erfindung ist mit einer Reihe von Vorteilen verbunden:The invention has a number of advantages:
Die erfindungsgemäßen Mikrobioarrays erlauben eine Kapazitätserhöhung gegenüber konventionellen durch Spotting-Techniken hergestellten Biochips, da bei letzteren in der Regel vier bis zehn Spots mit gleicher Biomolekül-Belegung erforderlich sind, um eine hinreichend genaue Detektion des Analyten zu gewährleisten. Bei den erfindungsgemäßen Arrays hingegen ist lediglich ein Flächenbereich, der in seiner Größe einem Spot entspricht, erforderlich. Aufgrund der Aufteilung der Bereiche in mehrere Plätze P wird zudem eine deutliche Empfindlichkeitssteigerung, d. h. ein besseres Signal/Rausch- Verhältnis bei der Detektion von Analyten erreicht. Zudem werden zur Herstellung deutliche geringere Mengen an Biomolekülen benötigt. Weiterhin sind die erfindungsgemäßen Arrays vergleichsweise einfach herzustellen. Der Aufwand für ihre Herstellung entspricht auch bei einer Auflösung, die der eines High-Density-Biochip entspricht, lediglich dem Herstellungsaufwand eines durch konventionelle Spotting-Technik hergestellten Medium- Density-Biochips. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich in einfacher Weise auch für die Massenproduktion von High-Density-Arrays einsetzen, denn die μCP-Technik erlaubt eine wiederholte Anwendung des Stempelvorgangs, ohne dass zwischendurch Spotting-Schritte erforderlich sind. Aufgrund der Anbindung der Biomoleküle an Plätze P innerhalb eines jeweiligen Bereichs sind die Bereichsgrenzen im Unterschied zu konventionellen Spots vergleichsweise scharf, d. h. "Kaffeefleckformen", wie sie bei konventio- nellen Arrays, die durch Spotting-Technik hergestellt werden, auftreten, werden vermieden. Dies erlaubt eine sehr dichte Anordnung der einzelnen Flächenbereiche auf der O- berfläche des Arrays, ohne dass ein Verschmieren dieser Bereiche zu befürchten ist. Weiterhin zeigt sich überraschend, dass das erfindungsgsemäße Verfahren bei komplexeren Biomolekülen, bei denen die Gefahr einer Denaturierung besteht, insbesondere bei Proteinen, eine solche Denaturierung nicht auftritt. Daher betrifft eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung Proteinmikrobioarrays, also Mikroarrays immobilisierter Proteine.The microbioarrays according to the invention allow an increase in capacity compared to conventional biochips produced by spotting techniques, since the latter generally require four to ten spots with the same biomolecule occupancy in order to ensure a sufficiently accurate detection of the analyte. With the arrays according to the invention, on the other hand, only a surface area that corresponds in size to a spot is required. Due to the division of the areas into several places P, a significant increase in sensitivity, ie a better signal / noise ratio in the detection of analytes, is also achieved. Significantly smaller amounts of biomolecules are also required for production. Furthermore, the arrays according to the invention are comparatively simple to manufacture. Even with a resolution that corresponds to that of a high-density biochip, the effort for their production corresponds only to the manufacturing effort of a medium-density biochip produced by conventional spotting technology. The method according to the invention can also be used in a simple manner for the mass production of high-density arrays, since the μCP technology allows the stamping process to be used repeatedly without spotting steps being necessary in between. Due to the connection of the biomolecules to places P within a respective area, the area boundaries are comparatively sharp, in contrast to conventional spots, ie "coffee stain shapes" as used in conventional Common arrays that are produced by spotting technology are avoided. This allows a very dense arrangement of the individual surface areas on the surface of the array without fear of smearing these areas. Furthermore, it is surprisingly found that the method according to the invention does not occur in the case of more complex biomolecules in which there is a risk of denaturation, in particular in the case of proteins. A particularly preferred embodiment of the invention therefore relates to protein microbioarrays, that is to say microarrays of immobilized proteins.
Der Begriff "Array" bezeichnet eine Anordnung definierter Plätze P, insbesondere eine örtliche Zuordnung bestimmter Substanzen zu definierten Plätzen P, wobei verschiedenen Plätzen P gleiche oder unterschiedliche Substanzen zugeordnet sein können. Bei den zugeordneten Substanzen handelt es sich erfindungsgemäß um Biomoleküle. Die räumlichen Abmessungen der Plätze P liegen im μm-Bereich oder im sub-μm-Bereich. Daher werden die erfindungsgemäßen Arrays auch als Mikrobioarrays oder als Mikroarrays immobilisierter Biomoleküle bezeichnet.The term "array" denotes an arrangement of defined places P, in particular a local assignment of certain substances to defined places P, different places P being able to be assigned the same or different substances. According to the invention, the assigned substances are biomolecules. The spatial dimensions of the places P are in the μm range or in the sub-μm range. The arrays according to the invention are therefore also referred to as microbioarrays or as microarrays of immobilized biomolecules.
Die erfindungsgemäßen Mikrobioarrays weisen mehrere Bereiche auf, die ihrerseits wieder in räumlich voneinander getrennte Plätze P unterteilt sind. Den Plätzen P innerhalb eines jeden Bereichs ist die gleiche Substanzart zugeordnet, wobei allerdings auch denkbar ist, Gemische aus zwei oder mehreren Substanzarten den Plätzen P eines Bereichs zuzuordnen. Plätze P in unterschiedlichen Bereichen werden in der Regel bzgl. der Zusammensetzung und/oder der Belegungsdichte der jeweiligen Substanzart voneinander abweichen. In der Regel werden daher auf Plätzen P in unterschiedlichen Bereichen voneinander verschiedene Biomoleküle immobilisiert sein.The microbioarrays according to the invention have a plurality of regions, which in turn are subdivided into spatially separated locations P. The same substance type is assigned to the places P within each area, although it is also conceivable to assign mixtures of two or more types of substance to the places P of an area. Places P in different areas will generally differ from one another with regard to the composition and / or the occupancy density of the respective substance type. As a rule, different biomolecules will be immobilized on places P in different areas.
Der Begriff „Biochip" bezeichnet hier einen Array von Biomolekülen, die auf einem festen Träger immobilisiert sind.The term “biochip” here denotes an array of biomolecules that are immobilized on a solid support.
Der Begriff „Biomoleküle" bezeichnet beliebige biochemische und biologische Substanzen, sowohl als einzelne Moleküle als auch als mehrere miteinander wechselwirkende Moleküle. Zu nennen sind beispielsweise:The term “biomolecules” denotes any biochemical and biological substances, both as individual molecules and as several interacting molecules. Examples include:
• Nukleinsäuren, insbesondere Oligonukleinsäuren, z.B. einzel- und/oder doppel- strängige, lineare, verzweigte oder circuläre DNA, cDNA, RNA, PNA (Peptide Nucleic Acid), LNA (Locked Nucleic Acid), PSNA (Phosphothioate Nucleic Acid); • Antikörper, insbesondere humane, tierische, polyklonale, monoklonale, rekombinante, Antikörperfragmente, z.B. Fab, Fab', F(ab)2, synthetische;• nucleic acids, in particular oligonucleic acids, for example single and / or double-stranded, linear, branched or circular DNA, cDNA, RNA, PNA (peptide nucleic acid), LNA (locked nucleic acid), PSNA (phosphothioate nucleic acid); • Antibodies, in particular human, animal, polyclonal, monoclonal, recombinant, antibody fragments, for example Fab, Fab ', F (ab) 2 , synthetic;
• Proteine, z.B. Allergene, Inhibitoren, Rezeptoren;Proteins, e.g. Allergens, inhibitors, receptors;
• Enzyme, z.B. Peroxidasen, Alkalische-Phosphatasen, Glukose-Oxidase, Nukleasen;Enzymes, e.g. Peroxidases, alkaline phosphatases, glucose oxidase, nucleases;
• kleine Moleküle (Haptene), z.B. Pestizide, Hormone, Aminosäuren, Antibiotika, Phar- maka, Farbstoffe, synthetische Rezeptoren, Rezeptorliganden.Small molecules (haptens), e.g. Pesticides, hormones, amino acids, antibiotics, pharmaceuticals, dyes, synthetic receptors, receptor ligands.
Einem weiteren Aspekt zufolge definiert der Begriff „Biomolekül" die Fähigkeit einer Substanz, mit einer biologischen Probe bzw. einem Teil davon, insbesondere dem Analyt, in eine bestimmte analytische Wechselwirkung treten zu können.According to a further aspect, the term “biomolecule” defines the ability of a substance to be able to interact with a biological sample or a part thereof, in particular the analyte.
Einem besonderen Aspekt zufolge ist ein bestimmter Typ von Biomolekül als Ligand zu bezeichnen. Liganden wechselwirken mit und insbesondere binden sie - vorzugsweise spezifisch - an bestimmte Targets.According to a special aspect, a certain type of biomolecule can be called a ligand. Ligands interact with and in particular bind - preferably specifically - to certain targets.
In den erfindungsgemäßen Arrays sind die Biomoleküle auf definierten Plätzen P einer Oberfläche immobilisiert. Diese Plätze P weisen eine bestimmte Form und Ausdehnung auf. Die Form der Plätze P ist grundsätzlich beliebig. Vorzugsweise ist die Form der Plätze P gleichförmig und weist beispielsweise eine polygone, z. B. eine n-eckige mit n = 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 oder 12, und hierunter bevorzugt eine rechteckige Geometrie, eine kreisförmige oder eine elipsoide Geometrie auf. Auch Mischformen dieser Geometrien sind grundsätzlich geeignet, z.B. gestreckte Ovale. Bevorzugt weisen die Plätze P eine kreisförmige oder elipsoide Geometrie auf. Die räumliche Ausdehnung dieser Plätze P korreliert naturgemäß mit dem Abstand der Begrenzungslinie eines jeweiligen Platzes zu seinem Flächenmittelpunkt. Dieser Abstand liegt im Mittel in der Regel im Bereich von 50 nm bis 50 μm, vorzugsweise 100 nm bis 25 μm, insbesondere 0,25 μm bis 20 μm und speziell 0,5 μm bis 10 μm.In the arrays according to the invention, the biomolecules are immobilized on defined positions P on a surface. These places P have a certain shape and extension. The shape of the places P is basically arbitrary. Preferably, the shape of the places P is uniform and has, for example, a polygon, e.g. B. an n-square with n = 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 or 12, and among them preferably a rectangular geometry, a circular or an ellipsoidal geometry. Mixed forms of these geometries are also generally suitable, e.g. straight ovals. The places P preferably have a circular or ellipsoidal geometry. The spatial extent of these places P naturally correlates with the distance between the boundary line of a respective place and its center point. This distance is generally in the range from 50 nm to 50 μm, preferably 100 nm to 25 μm, in particular 0.25 μm to 20 μm and especially 0.5 μm to 10 μm.
Der Abstand benachbarter Plätze P, definiert durch den Abstand der Flächenmittelpunkte benachbarter Plätze P liegt in der Regel im Bereich von im Bereich von 200 nm bis 200 μm, häufig im Bereich von 1 μm bis 150 μm, insbesondere im Bereich von 5 μm bis 100 μm und speziell im Bereich von 10 μm bis 90 μm. Der mittlere minimale Abstand benachbarter Plätze P, definiert durch den Minimalabstand, den die Begrenzungslinien zweier benachbarter Plätze P aufweisen, liegt in der Regel im Bereich von 100 nm bis 150 μm, häufig im Bereich von 500 nm bis 120 μm, insbesondere im Bereich von 2 μm bis 100 μm, und speziell im Bereich von 5 μm bis 80 μm (Zahlenmittel).The distance between adjacent places P, defined by the distance of the surface center points of adjacent places P, is generally in the range from 200 nm to 200 μm, often in the range from 1 μm to 150 μm, in particular in the range from 5 μm to 100 μm and especially in the range from 10 μm to 90 μm. The mean minimum distance between adjacent places P, defined by the minimum distance that the boundary lines of two adjacent places P have, is generally in the range from 100 nm to 150 μm, often in the range from 500 nm to 120 μm, in particular in the range from 2 μm to 100 μm, and especially in the range from 5 μm to 80 μm (number average).
Die Anordnung der Plätze P auf der Oberfläche kann regelmäßig oder unregelmäßig sein. Bevorzugt werden regelmäßige Anordnungen, d. h. Anordnungen in denen der mittlere Abstand, den zwei benachbarte Plätze P aufweisen, nicht mehr als 20% und speziell nicht mehr als 10% variiert, bzw. vom Mittelwert abweicht.The arrangement of the places P on the surface can be regular or irregular. Regular arrangements are preferred, i. H. Arrangements in which the mean distance, which two adjacent places P have, does not vary by more than 20% and especially not more than 10%, or deviates from the mean.
Erfindungsgemäß lassen sich die Plätze P des Arrays verschiedenen Flächenbereichen B zuordnen. Die auf den erfindungsgemäßen Mikrobioarrays angeordneten Flächenbereiche B weisen in der Regel eine gleichmäßige Geometrie, vorzugsweise eine elipsoide oder kreisförmige Geometrie auf. Ihre Ausdehnung korrelliert naturgemäß mit dem Abstand der Begrenzungslinie eines jeweiligen Bereichs B zu seinem Flächenmittelpunkt. Dieser Abstand liegt im Mittel in der Regel im Bereich von 10 μm bis 250 μm, vorzugsweise im Bereich von 25 μm bis 200 μm und insbesondere im Bereich von 30 μm bis 150 μm. Bei kreisförmigen Flächenbereichen B entspricht dies dem halben Durchmesser des jeweiligen Flächenbereichs. Die jeweiligen Flächenbereiche B bilden in der Regel eine gleichmäßige Anordnung auf der Oberfläche des Arrays. Der mittlere Abstand benachbarter Bereiche B, definiert durch den mittleren Abstand der Flächenmittelpunkte benachbarter Bereiche, wird in der Regel einen Wert von 50 μm, insbesondere 100 μm und speziell 200 μm nicht unterschreiten. Der minimale Abstand benachbarter Bereiche B, definiert durch den Minimalabstand, den die Begrenzungslinien zweier benachbarter Bereiche aufweisen, wird im Mittel einen Wert von 5 μm, insbesondere 10 μm und speziell 50 μm nicht unterschreiten.According to the invention, the locations P of the array can be assigned to different surface areas B. The surface areas B arranged on the microbioarrays according to the invention generally have a uniform geometry, preferably an elipsoidal or circular geometry. Their extension naturally correlates with the distance between the boundary line of a respective area B and its center point. This distance is generally in the range from 10 μm to 250 μm, preferably in the range from 25 μm to 200 μm and in particular in the range from 30 μm to 150 μm. In the case of circular surface areas B, this corresponds to half the diameter of the respective surface area. The respective surface areas B generally form a uniform arrangement on the surface of the array. The average distance between adjacent areas B, defined by the average distance between the surface center points of adjacent areas, will generally not fall below a value of 50 μm, in particular 100 μm and especially 200 μm. The minimum distance between adjacent areas B, defined by the minimum distance that the boundary lines of two adjacent areas have, will on average not fall below a value of 5 μm, in particular 10 μm and especially 50 μm.
Die erfindungsgemäßen Mikrobioarrays weisen in den jeweiligen Flächenbereichen B jeweils mehrere, im Mittel wenigstens 10, vorzugsweise wenigstens 50 und insbesondere wenigstens 100 und bis zu 10000, vorzugsweise bis 5000 und insbesondere bis 1000 räumlich voneinander getrennte Plätze P auf, auf denen die Biomoleküle immobilisiert sind.The microbioarrays according to the invention each have a plurality of, on average at least 10, preferably at least 50 and in particular at least 100 and up to 10,000, preferably up to 5,000 and in particular up to 1,000, spatially separated places P on the respective surface areas B, on which the biomolecules are immobilized.
Erfindungsgemäß sind die Biomoleküle in den Mikroarrays auf einer Oberfläche immobilisiert, d. h. ortsfest gebunden. Die Bindung kann über kovalente Wechselwirkungen, koordinative Wechselwirkungen, ionische bzw. elektrostatische Wechselwirkungen, Wasserstoffbrücken-Bindungen, hydrophobe Wechselwirkungen und Mischformen der vorgenannten Wechselwirkungen erfolgen. Die Anbindung kann dabei sowohl direkt an die Oberfläche erfolgen als auch über eine die Anbindung des Biomoleküls vermittelnde Substanz V erfolgen. Bei diesen Substanzen V handelt es sich in der Regel um Verbindungen, die kovalent an die Oberfläche, auf der die Biomoleküle immobilisiert werden sollen, gebunden ist, und die gleichzeitig an das Biomolekül binden kann, beispielsweise durch kovalente Wechselwirkung, ionische Wechselwirkung, koordinative Wechselwirkung, Wasserstoffbrückenbindungen, hydrophobe Wechselwirkungen und Mischformen derartiger Wechselwirkungen, wie sie beispielsweise bei der Basenpaarung von Oligonukleotiden, bei der Protein-Protein- Wechselwirkung, Antikörper-Antigen-Bindung und bei der Protein-Ligand- Wechselwirkung auftreten (affinitive Wechselwirkungen).According to the invention, the biomolecules in the microarrays are immobilized on a surface, that is to say they are bound in place. The binding can take place via covalent interactions, coordinative interactions, ionic or electrostatic interactions, hydrogen bonds, hydrophobic interactions and mixed forms of the aforementioned interactions. The connection can take place both directly to the surface and also via a substance V mediating the connection of the biomolecule. These substances V are generally compounds which are covalently bound to the surface on which the biomolecules are to be immobilized and which can simultaneously bind to the biomolecule, for example by covalent interaction, ionic interaction, coordinative interaction, Hydrogen bonds, hydrophobic interactions and mixed forms of such interactions, as occur, for example, in the base pairing of oligonucleotides, in the protein-protein interaction, antibody-antigen binding and in the protein-ligand interaction (affinitive interactions).
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Anbindung über kovalente Wechselwirkungen. Die Biomoleküle sind dann beispielsweise über Ester-, Amid-, Sulfonamid, Imino-, Amidino-, Urethan-, Harnstoff-, Thiourethan-, Thioharnstoff-, Sulfid-, Sulfonyl-, Ether- oder Aminogruppen an die Biomoleküle gebunden.In a preferred embodiment of the invention, the connection takes place via covalent interactions. The biomolecules are then bound to the biomolecules, for example, via ester, amide, sulfonamide, imino, amidino, urethane, urea, thiourethane, thiourea, sulfide, sulfonyl, ether or amino groups.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Biomoleküle über eine durch ein Metallatom vermittelte, koordinative Bindung gebunden. In diesen Fällen erfolgt die Anbindung des Metallatoms an die Oberfläche über funktionelle Gruppen, die eine koordinative Bindung mit dem Metallatom ausbilden können, beispielsweise Carboxylgruppen, Hydroxylgruppen, Aminogruppen, SH-Gruppen, Oxim-Gruppen, Aldehyd-Gruppen, Keto- Gruppen oder heterocyclische Gruppen mit einem Imino-Stickstoff wie in Pyridin, Chino- lin, Imidazol oder Oxazol. Vorzugsweise sind die Metallatome über wenigstens 2, z. B. 2, 3 oder 4 derartige Gruppen als Chelat gebunden. Beispiele für geeignete Metalle sind insbesondere Übergangsmetalle, speziell Übergangsmetalle der dritten Periode, die im wässrigen Milieu zweiwertige Ionen ausbilden können, beispielsweise Kupfer(ll), Ni- ckel(ll), Zink(ll), Kobalt(ll) und Eisen(ll). Die Biomoleküle binden dann an diese Metalle über eine, vorzugsweise über zwei oder drei räumlich benachbarte funktioneile Gruppen der vorgenannten Art.In another embodiment of the invention, the biomolecules are bound via a coordinative bond mediated by a metal atom. In these cases, the metal atom is bound to the surface via functional groups which can form a coordinative bond with the metal atom, for example carboxyl groups, hydroxyl groups, amino groups, SH groups, oxime groups, aldehyde groups, keto groups or heterocyclic groups with an imino nitrogen such as in pyridine, quinoline, imidazole or oxazole. Preferably, the metal atoms are at least 2, e.g. B. 2, 3 or 4 such groups bound as a chelate. Examples of suitable metals are, in particular, transition metals, especially transition metals of the third period, which can form divalent ions in an aqueous medium, for example copper (II), nickel (II), zinc (II), cobalt (II) and iron (II) , The biomolecules then bind to these metals via one, preferably via two or three, spatially adjacent functional groups of the aforementioned type.
In einer dritten Ausführungsform erfolgt die Anbindung der Biomoleküle über koordinierende Wasserstoffbrücken-Bindungen, wie sie beispielsweise bei der Basenpaarung von Nukleotid-Sequenzen auftreten. In dieser Ausführungsform sind kurze Oligo oder Poly- nukleotid-Sequenzen mit in der Regel wenigstens zwei, z. B. 2 bis 100, insbesondere 2 bis 20 Basen über vorzugsweise kovalente Bindungen an die Oberfläche gebunden. Das Biomolekül weist dann dementsprechend eine hierzu zumindest teilweise komplementäre Oligo- oder Polynucleotidsequenz auf, wobei wenigstens 2, vorzugsweise wenigstens 10 benachbarte Basen zu einer entsprechenden Anzahl benachbarter Basen komplementär sind.In a third embodiment, the biomolecules are linked via coordinating hydrogen bonds, such as occur, for example, in the base pairing of nucleotide sequences. In this embodiment, short oligo or polynucleotide sequences with usually at least two, z. B. 2 to 100, especially 2 to 20 bases bound to the surface via preferably covalent bonds. The biomolecule then accordingly has an at least partially complementary one Oligo- or polynucleotide sequence, wherein at least 2, preferably at least 10 adjacent bases are complementary to a corresponding number of adjacent bases.
In einer vierten Ausführungsform der Erfindung sind die Biomoleküle über affinitive Wechselwirkungen, z. B. Protein-Protein-Wechselwirkungen, wie sie beispielsweise bei der Bindung von Antigenen an Antikörper auftreten, oder Protein-Ligand- Wechselwirkungen, beispielsweise über ein Biotin-Streptavidin- oder Biotin-Avidin-System gebunden.In a fourth embodiment of the invention, the biomolecules are via affinitive interactions, e.g. B. protein-protein interactions, such as occur for example in the binding of antigens to antibodies, or protein-ligand interactions, for example bound via a biotin-streptavidin or biotin-avidin system.
Als Oberflächen für die erfindungsgemäßen Arrays kommen grundsätzlich alle Oberflächen in Betracht, auf denen sich Biomoleküle immobilisieren lassen, ohne dass es zu einer Deaktivierung der Biomoleküle kommt. Bei diesen Oberflächenmaterialien kann es sich um die Oberfläche eines Trägermaterials oder eine modifizierte Oberfläche eines Trägermaterials handeln. Die Trägermaterialien können starr oder flexibel sein. Typische Trägermaterialien umfassen oxidische Trägermaterialien wie Glas, Quarz, Keramik, Halbmetalle wie Silicium und Germanium, übliche Halbleitermaterialien, z. B. dotiertes Silicium oder dotiertes Germanium, Metalle und Metall-Legierungen, insbesondere auf Basis von Gold, Polymere, z. B. Polyvinylchlorid, Polyolefine wie Polyethylen, Polypropylen, Polymethylpenthen, Polyester, Fluorpolymere wie Teflon, Polyamide, Polyurethane, Po.yalkyl(meth)acrylate, Polystyrol, Blends und Komposite der vorgenannten Materialien und dergleichen. Bevorzugt werden Materialien, deren Oberfläche eine geringe Rauhigkeit aufweist. Vorzugsweise beträgt der die Rauhigkeit charakterisierende Ra-Wert nicht mehr als 100 nm und insbesondere nicht mehr als 50 nm. Bevorzugte Trägermaterialien sind Glas und Siliciumwafer.In principle, all surfaces on which biomolecules can be immobilized can be considered as surfaces for the arrays according to the invention, without the biomolecules being deactivated. These surface materials can be the surface of a carrier material or a modified surface of a carrier material. The carrier materials can be rigid or flexible. Typical carrier materials include oxidic carrier materials such as glass, quartz, ceramics, semimetals such as silicon and germanium, common semiconductor materials, e.g. B. doped silicon or doped germanium, metals and metal alloys, in particular based on gold, polymers, for. B. polyvinyl chloride, polyolefins such as polyethylene, polypropylene, polymethylpentene, polyester, fluoropolymers such as Teflon, polyamides, polyurethanes, polyacrylic (meth) acrylates, polystyrene, blends and composites of the aforementioned materials and the like. Materials with a low roughness surface are preferred. The R a value characterizing the roughness is preferably not more than 100 nm and in particular not more than 50 nm. Preferred carrier materials are glass and silicon wafers.
In der Regel empfiehlt es sich, die Oberflächen inerter Trägermaterialien, z.B. Glas, Keramik, Metall, Halbmetall wie Silizium, Polyolefin wie Polyethylen oder Polypropylen, zu aktivieren, d. h. in einer Weise zu behandeln, dass sie eine Vielzahl funktioneller Gruppen R aufweisen, die mit hierzu komplementär reaktiven Gruppen R' unter Ausbildung einer chemischen Bindung, vorzugweise einer kovalenten chemischen Bindung, reagieren können. Diese funktioneilen Gruppen R ermöglichen es, die Biomoleküle direkt über eine chemische Bindung oder indirekt, d. h. mittels einer der oben definierten Substanzen V, die über derartige Gruppen kovalent an die Oberfläche gebunden wird, auf der Oberfläche zu immobilisieren. Reaktive Gruppen R in Sinne dieser Erfindung sind solche, die mit Nucleophilen in einer Additionsreaktion einschließlich einer Michael-Reaktion oder in einer Substitutionsreaktion reagieren, z. B. Isocyanat-Gruppen, (Meth)acrylgruppen, Vinylsulfongruppen, Oxiran- Gruppen, Aldehydgruppen, Oxazolingruppen, Carbonsäuregruppen, Carbonsäureesterund Carbonsäureanhydridgruppen, Carbonsäure- und Sulfonsäurehalogenid-Gruppen, aber auch die hierzu komplementären, als Nucleophil reagierenden Gruppen wie alkoholische OH-Gruppen, primäre und sekundäre Aminogruppen, Thiolgruppen und dergleichen. Als Beispiel für Carbonsäureestergruppen sind insbesondere sogenannte Aktivestergruppen der Formel -C(O)O-X zu nennen, worin X für Pentafluorphenyl, Pyrrolidin-2,5- dion-1-yl, Benzo-1,2,3-triazol-1-yl oder einen Carboxamidin-Rest steht, sowie NHS-Ester (N-Hydroxy-succinimid-Ester). Reaktive Gruppen im Sinne der Erfindung sind auch nuc- leophile Gruppen, die mit den vorgenannten elektophilen Gruppen unter Bindungsbildung reagieren, z. B. NH2, SH, oder OH, insbesondere jedoch NH2. Es versteht sich von selbst, dass eine erfindungsgemäße Oberfläche entweder überwiegend elektrophile Gruppen oder überwiegend nucleophile Gruppen aufweist, wobei im Falle von NCO/NH2 auch beide Gruppen nebeneinander vorliegen können.As a rule, it is advisable to activate the surfaces of inert carrier materials, for example glass, ceramic, metal, semimetal such as silicon, polyolefin such as polyethylene or polypropylene, ie to treat them in such a way that they have a large number of functional groups R which are associated with complementary reactive groups R 'can form a chemical bond, preferably a covalent chemical bond. These functional groups R make it possible to immobilize the biomolecules on the surface directly via a chemical bond or indirectly, ie by means of one of the substances V defined above, which is covalently bound to the surface via such groups. Reactive groups R in the sense of this invention are those which react with nucleophiles in an addition reaction including a Michael reaction or in a substitution reaction, e.g. B. isocyanate groups, (meth) acrylic groups, vinylsulfone groups, oxirane groups, aldehyde groups, oxazoline groups, carboxylic acid groups, carboxylic acid ester and carboxylic acid anhydride groups, carboxylic acid and sulfonic acid halide groups, but also the complementary, nucleophile-reacting groups such as alcoholic OH groups, primary and secondary amino groups, thiol groups and the like. As an example of carboxylic acid ester groups, so-called active ester groups of the formula -C (O) OX, in which X is pentafluorophenyl, pyrrolidin-2,5-dione-1-yl, benzo-1,2,3-triazol-1-yl or is a carboxamidine residue, and NHS ester (N-hydroxy-succinimide ester). Reactive groups in the sense of the invention are also nucleophilic groups which react with the aforementioned electophilic groups to form bonds, eg. B. NH 2 , SH, or OH, but especially NH 2 . It goes without saying that a surface according to the invention either has predominantly electrophilic groups or predominantly nucleophilic groups, and in the case of NCO / NH 2 both groups can also be present side by side.
Eine Übersicht über reaktive Gruppen R und hierzu komplementäre funktioneile Gruppen R' gibt die Tabelle 1 , wobei die reaktiven Gruppen R in der ersten Zeile und die hierzu komplementären Gruppen R' in der ersten Spalte angegeben sind:Table 1 provides an overview of reactive groups R and complementary functional groups R ', the reactive groups R being indicated in the first row and the complementary groups R' in the first column:
Tabelle 1 : Komplementäre funktioneile GruppenTable 1: Complementary functional groups
Reaktive Gruppe Isocyanat (Meth)Acryl/ -SH -NH2 -OH -CHO Oxiran R Vinylsulfon Komplementäre Gruppe R' Isocyanat X* X X X (Meth)Acrylat X X X Vinylsulfon X X X -SH X X X X -NH2 X X X X -OH X X X -COOH X Oxiran X X X Reaktive Gruppe Isocyanat (Meth)Acryl/ -SH -NH2 -OH -CHO Oxiran R Vinylsulfon Aktivester/NHS X X CHO X XReactive group isocyanate (meth) acrylic / -SH -NH 2 -OH -CHO oxirane R vinyl sulfone Complementary group R 'isocyanate X * XXX (meth) acrylate XXX vinyl sulfone XXX -SH XXXX -NH 2 XXXX -OH XXX -COOH X oxirane XXX Reactive group isocyanate (meth) acrylic / -SH -NH 2 -OH -CHO oxirane R vinyl sulfone active ester / NHS XX CHO XX
* In Gegenwart von Wasser* In the presence of water
Geeignet sind als reaktive Gruppen R auch radikalisch polymerisierbare C=C- Doppelbindungen, z. B. neben den oben genannten (Meth)acrylgruppen auch Vinylether- und Vinylestergruppen, weiterhin aktivierte C=C-Doppelbindungen, aktivierte C≡C- Dreifachbindung und N=N-Doppelbindungen, die mit Allylgruppen im Sinne einer en- Reaktion oder mit konjugierten Diolefin-Gruppen im Sinne einer Diels-Alder-Reaktion reagieren. Beispiele für Gruppen, die mit Allylgruppen im Sinne einer en-Reaktion oder mit Dienen im Sinne einer Diels-Alder-Reaktion reagieren können, sind Maleinsäure- und Fumarsäure-Gruppen, Maleinsäureester- und Fumarsäureester-Gruppen, Zimtsäureestergruppen, Propiolsäure(ester)gruppen, Maleinsäureamid- und Fumarsäureamid- Gruppen, Maleinimid-Gruppen, Azodicarbonsäureester-Gruppen und 1 ,3,4-Triazolin-2,5- dion-Gruppen.Also suitable as reactive groups R are free-radically polymerizable C = C double bonds, e.g. B. in addition to the above (meth) acrylic groups also vinyl ether and vinyl ester groups, further activated C = C double bonds, activated C≡C triple bond and N = N double bonds, with allyl groups in the sense of an en reaction or with conjugated diolefin Groups react in the sense of a Diels-Alder reaction. Examples of groups which can react with allyl groups in the sense of an en reaction or with dienes in the sense of a Diels-Alder reaction are maleic acid and fumaric acid groups, maleic acid ester and fumaric acid ester groups, cinnamic acid ester groups, propiolic acid (ester) groups, Maleic acid amide and fumaric acid amide groups, maleimide groups, azodicarboxylic acid ester groups and 1, 3,4-triazoline-2,5-dione groups.
Zu den Gruppen R zählen im weiteren Sinne auch als Liganden wirkende Gruppen, die Metallionen, insbesondere von Übergangsmetallen und speziell von Übergangsmetalle der dritten Periode, die im wässrigen Milieu zweiwertige Ionen ausbilden können, wie beispielsweise Kupfer(ll), Nickel(ll), Zink(ll), Kobalt(ll) und Eisen(ll), binden, welche ihrerseits eine koordinative Bindung an das Biomolekül vermitteln. Zu den als Liganden wirkenden Gruppen zählen beispielsweise Carboxylgruppen, Hydroxylgruppen, Aminogruppen, SH-Gruppen, Oxim-Gruppen, Aldehyd-Gruppen, Keto-Gruppen und heterocyclische Gruppen mit einem Imino-Stickstoff wie in Pyridin, Chinolin, Imidazol oder Oxazol. Vorzugsweise sind die als Liganden wirkenden Gruppe auf der Oberfläche so angeordnet, dass die Metallatome über wenigstens 2, z. B. 2, 3 oder 4 derartige Gruppen als Chelat gebunden sind.In the broader sense, groups R also include groups which act as ligands, the metal ions, in particular transition metals and especially transition metals of the third period, which can form divalent ions in an aqueous medium, such as copper (II), nickel (II), zinc (ll), cobalt (ll) and iron (ll) bind, which in turn mediate a coordinative bond to the biomolecule. The groups acting as ligands include, for example, carboxyl groups, hydroxyl groups, amino groups, SH groups, oxime groups, aldehyde groups, keto groups and heterocyclic groups with an imino nitrogen such as in pyridine, quinoline, imidazole or oxazole. Preferably, the group acting as ligands are arranged on the surface so that the metal atoms over at least 2, z. B. 2, 3 or 4 such groups are bound as a chelate.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die organische Oberflächenschicht auf ihrer Oberfläche solche funktionellen Gruppen auf, die einer Additions- oder Substitutionsreaktion durch Nucleophile zugänglich sind. Bevorzugte Gruppen R sind Isocyanat-, Isothio- cyanat-, Aldehyd, Aktivester, Acryl- und Methacrylgruppen, so dass die Biomoleküle mit der Oberfläche über eine der folgenden funktionellen Gruppen, ausgewählt unter A- midgruppen, Urethangruppen, Harnstoffgruppen, Thiourethangruppen, Estergruppen, Iminogruppen, Thioharnstoffgruppen oder Sulfoethylgruppen und gegebenenfalls über einen Spacer, gebunden sind.In a preferred embodiment, the surface of the organic surface layer has functional groups which are accessible to an addition or substitution reaction by nucleophiles. Preferred groups R are isocyanate, isothiocyanate, aldehyde, active esters, acrylic and methacrylic groups, so that the surface of the biomolecules has one of the following functional groups, selected from A- mid groups, urethane groups, urea groups, thiourethane groups, ester groups, imino groups, thiourea groups or sulfoethyl groups and optionally via a spacer.
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Anbindung der Biomoleküle oder der Substanz V über auf der Oberflächenschicht befindliche Isocyanat-Gruppen unter Ausbildung von Urethan- oder Harnstoffgruppen.In a special embodiment of the invention, the biomolecules or the substance V are bound via isocyanate groups on the surface layer with the formation of urethane or urea groups.
In einer anderen besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Oberfläche eine Vielzahl an nucleophilen Gruppen, insbesondere NH2-Gruppen auf, so dass die zur Immobilisierung eingesetzten Biomoleküle oder die Substanz V eine hierzu komplementär-reaktive Gruppe, beispielsweise eine Isocyanat-Gruppe, eine Estergruppe, z.B. eine Aktiv- oder NHS-Ester-Gruppe aufweisen.In another particularly preferred embodiment of the invention, the surface has a large number of nucleophilic groups, in particular NH 2 groups, so that the biomolecules used for immobilization or the substance V have a complementary reactive group, for example an isocyanate group, an ester group , for example, have an active or NHS ester group.
Zur Erzeugung von Oberflächen, die eine Vielzahl reaktiver Gruppen R aufweisen, kann man beispielsweise die Oberflächen inerter Trägermaterialien durch Behandlung mit Säuren oder Laugen aktivieren. Die Aktivierung kann auch durch Oxidation (Abflammen), durch Elektronenbestrahlung oder durch eine Plasmabehandlung mit einem sauerstoff- haltigen Plasma erfolgen wie sie von P. Chevallier et al. J. Phys. Chem. B 2001 , 105(50), 12490-12497; in JP 09302118 A2; in DE 10011275; oder von D. Klee, et al. Adv. Polym. Sei. 1999, 149, 1-57, beschrieben wurde. Die Aktivierung der Oberfläche kann auch mittels Plasmabehandlung mit einem NH3-haltigen Plasma erfolgen, wie sie in US 6,017,577, 6,040,058 und 6,080,488 beschrieben wird. Durch Plasma-Modifizierung hergestellte mit Aminogruppen hergestellte PE-Folien sind auch im Handel erhältlich.To generate surfaces which have a large number of reactive groups R, the surfaces of inert carrier materials can be activated, for example, by treatment with acids or alkalis. The activation can also be carried out by oxidation (flaming), by electron radiation or by a plasma treatment with an oxygen-containing plasma, as described by P. Chevallier et al. J. Phys. Chem. B 2001, 105 (50), 12490-12497; in JP 09302118 A2; in DE 10011275; or by D. Klee, et al. Adv. Polym. Be. 1999, 149, 1-57. The surface can also be activated by means of plasma treatment with a plasma containing NH 3 , as described in US Pat. Nos. 6,017,577, 6,040,058 and 6,080,488. Plasma modification-made PE films made with amino groups are also commercially available.
Häufig umfasst das Aktivieren der Oberfläche auch das Aufbringen einer organischen Beschichtung, die an ihrer Oberfläche eine Vielzahl der oben definierten funktionellen Gruppen R aufweist. Diese Beschichtung wird im Folgenden auch als Haftschicht bezeichnet. Hierzu werden bi- oder polyfunktionelle organische Verbindungen oder Polymere auf die Oberfläche aufgebracht, die wenigstens eine funktioneile Gruppe aufweist, die mit den funktionellen Gruppen auf der Oberfläche des Trägermaterials unter Bindungsbildung (kovalent, ionisch und/oder koordinativ) reagieren und die wenigstens zusätzliche eine weitere funktioneile Gruppe R der oben bezeichneten Art aufweisen. Diese Substanzen können als dünne oder ultradünne Schichten, insbesondere als monomolekulare oder multimolekulare Schichten auf die Trägeroberfläche aufgebracht oder mittels "Chemical Vapor Deposition" (CVD) auf der Oberfläche des Trägermaterials erzeugt werden. Erfin- dungsgemäß bevorzugt sind sehr dünne Haftschichten mit einer Dicke vorzugsweise <100 nm, insbesondere <10 nm und speziell monomolekulare Schichten, insbesondere selbst organisierende Monoschichten (Self-Assembled Monolayers, SAM), beispielsweise von Thiol-Verbindungen, die wenigstens eine weitere Gruppe R aufweisen, speziell für die Behandlung von Edelmetalloberflächen, von Silanverbindungen, die wenigstens eine Gruppe R aufweisen, insbesondere zur Erzeugung von Monoschichten auf Silicium oder Glasoberflächen, weiterhin makromolekulare Monoschichten, die durch Pfropfung von Polymeren auf die Oberfläche oder durch Pfropfpolymerisation auf der Oberfläche erhalten werden und deren Polymere geeignete funktionelle Gruppen R aufweisen.Frequently, the activation of the surface also includes the application of an organic coating which has a large number of the functional groups R defined on its surface. This coating is also referred to below as an adhesive layer. For this purpose, bifunctional or polyfunctional organic compounds or polymers are applied to the surface which has at least one functional group which reacts with the functional groups on the surface of the support material to form bonds (covalently, ionically and / or coordinatively) and the at least one additional one have functional group R of the type described above. These substances can be applied to the carrier surface as thin or ultra-thin layers, in particular as monomolecular or multimolecular layers, or can be produced on the surface of the carrier material by means of "Chemical Vapor Deposition" (CVD). inventions According to the invention, very thin adhesive layers with a thickness of preferably <100 nm, in particular <10 nm and especially monomolecular layers, in particular self-assembling monolayers (self-assembled monolayers, SAM), for example of thiol compounds which have at least one further group R, are preferred, especially for the treatment of noble metal surfaces, of silane compounds which have at least one group R, in particular for the production of monolayers on silicon or glass surfaces, furthermore macromolecular monolayers which are obtained by grafting polymers onto the surface or by graft polymerization on the surface and their polymers have suitable functional groups R.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zur Erzeugung der Haftschicht Verbindungen eingesetzt, die als haftungsvermittelnde Gruppen Silangruppen, insbesondere Trialkoxysilangruppen aufweisen. Beispiele für derartige Verbindungen sind Trialkoxyaminoalkylsilane wie Triethoxyaminσpropylsilan und N[(3-Triethoxysilyl)propyl]- ethylendiamin, Trialkoxyalkyl-3-glycidylethersilane wie Triethoxypropyl-3- glycidylethersilan, Trialkoxyalkylmercaptane wie Triethoxypropylmercaptan, Trialkoxyallyl- silane wie Allyltrimethoxysilan, Trialkoxy(isocyanatoalkyl)silane sowie Trialkoxysi- lyl(meth)acryloxyalkane und -(meth)acrylamidoalkane wie 1-Triethoxysilyl-3- acryloxypropan. Diese Verbindunge werden in sehr dünnen Schichten, insbesondere als Monolage auf die Oberfläche aufgebracht, vorzugsweise nach vorheriger Aktivierung. Verfahren hierzu sind aus dem eingangs zitierten Stand der Technik bekannt.In a preferred embodiment of the invention, compounds which have silane groups, in particular trialkoxysilane groups, as adhesion-promoting groups are used to produce the adhesive layer. Examples of such compounds are trialkoxyaminoalkylsilanes such as triethoxyaminσpropylsilan and N [(3-triethoxysilyl) propyl] - ethylenediamine, trialkoxyalkyl-3-glycidylether silanes such as triethoxypropyl-3-glycidyl ether silane, trialkoxyalkylmercaptane such as triethoximetoxysilkyloxykyloxykyloxykyloxykyloxykyloxysiloxysiloxysiloxysiloxysiloxysiloxysiloxysiloxysiloxysiloxysiloxysiloxysiloxysilane and tri-ethoxysiloxane lyl (meth) acryloxyalkanes and - (meth) acrylamidoalkanes such as 1-triethoxysilyl-3-acryloxypropane. These connections are applied to the surface in very thin layers, in particular as a monolayer, preferably after prior activation. Methods for this are known from the prior art cited at the beginning.
Weiterhin sind zur Herstellung von Haftschichten auch Polyammoniumverbindung mit freien primären Amingruppen, wie sie z. B. von J. Scheerder, J.F.J Engbersen, und D.N. Reinhoudt, Recl. Trav. Chim. Pays-Bas 1996, 115(6), 307-320, und von Decher, Science 1997, 277, 1232-1237 zu diesem Zweck beschrieben werden, zu nennen. Geeignet sind weiterhin polyfunktionelle Polymere, die mit dem Kettenrückgrat auf der Trägeroberfläche absorbiert werden und die weitere funktioneile Gruppen R aufweisen. Hier sind insbesondere monomolekulare Beschichtungen aus Polylysin und/oder Polyethylenimin zu nennen.Furthermore, polyammonium compound with free primary amine groups, as z. B. by J. Scheerder, J.F.J Engbersen, and D.N. Reinhoudt, Recl. Trav. Chim. Pays-Bas 1996, 115 (6), 307-320, and von Decher, Science 1997, 277, 1232-1237 for this purpose. Also suitable are polyfunctional polymers which are absorbed with the chain backbone on the carrier surface and which have further functional groups R. Monomolecular coatings made of polylysine and / or polyethyleneimine should be mentioned here in particular.
Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen der Haftschicht auf den Träger, insbesondere im Falle inerter Trägermaterialien, nach einer Aktivierung durch Behandlung mit Säuren oder Laugen, durch Oxidation (Abflammen), durch Elektronenbestrahlung oder durch eine Plasmabehandlung in der oben beschriebenen Weise. Die Aktivierung der Oberfläche kann auch in einer Weise erfolgen, dass man anstelle einer Haftschicht oder vorzugsweise auf die Haftschicht oder auf eine in sonstiger Weise aktivierte Oberfläche eine weitere Beschichtung aufbringt, die zur Immobilisierung der Biomoleküle besonders geeignet ist und anstelle der reaktiven Gruppen R solche Gruppen aufweist, die eine Anbindung der Biomoleküle über koordinative Bindungen, über Wasserstoffbrückenbindungen, über hydrophobe Wechselwirkungen oder über affinitive Bindungen erlaubt. Hierzu wird man auf der Oberfläche eine vorzugsweise monomolekulare Schicht der oben genannten Verbindungen V generieren, z.B. Schichten aus Chelat- Bildnem, niedermolekularen Liganden für Proteinsequenzen wie Biotin, aus Proteinen wie Avidin oder Streptavidin, oder aus Oligonucleotiden. Es versteht sich von selber, dass man eine derartige Aktivierung nur dann vornehmen wird, wenn die Herstellung der Arrays nach Variante 1 erfolgt.The adhesive layer is preferably applied to the carrier, in particular in the case of inert carrier materials, after activation by treatment with acids or alkalis, by oxidation (flaming), by electron radiation or by plasma treatment in the manner described above. The activation of the surface can also take place in such a way that, instead of an adhesive layer or preferably on the adhesive layer or on a surface activated in some other way, a further coating is applied which is particularly suitable for immobilizing the biomolecules and such groups instead of the reactive groups R. which allows the biomolecules to be linked via coordinative bonds, via hydrogen bonds, via hydrophobic interactions or via affinitive bonds. For this purpose, a preferably monomolecular layer of the abovementioned compounds V will be generated, for example layers of chelate formers, low molecular weight ligands for protein sequences such as biotin, of proteins such as avidin or streptavidin, or of oligonucleotides. It goes without saying that such an activation will only be carried out if the arrays are produced according to variant 1.
Trägermaterialien, die eine derartige organische Oberflächenschicht (Haftschicht) aufweisen, sind grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus dem eingangs zitierten Stand der Technik und großteils kommerziell erhältlich, beispielsweise von der Firma Bioslide Technologies, Walnut CA, USA (NH2-funktionaIisierte Träger, CHO-funktionalisierte Träger, Epoxy-funktionalisierte Träger, Polylysin-beschichtete Träger), von der Firma Xenopor Corp., Hawthorne, NJ, USA (NH2-funktionalisierte Träger, Aldehyd-funktionalisierte Träger, Epoxid-funktionalisierte Träger, Maliimid-funktionalisierte Träger, Nickel-Chelat- Träger, Streptavidin-funktionalisierte Träger, biotinylierte Träger, Thiol-modifizierte Träger), von der Firma Greiner Bio-One GmbH, (Amino-funktionalisierte Träger, Aldehyd- funktionalisierte Träger, Streptavidin-Träger), Xan Tee Bioanalytics GmbH (mit Polysac- charid-Hydrogelen beschichtete Träger, Streptavidin-funktionalisierte Träger, Biotin- funktionalisierte Träger, ultrahydrophobe Alkyl-Schichten, Carboxyl-funktionalisierte Träger, Hydrazon-funktionalisierte Träger, Thiol-funktionalisierte Träger) Firma Amersham Biosciences UK Ltd., England (polymere Amino-modifizierte Oberfläche), Firma Schott Glas, Mainz, Deutschland (Multifunktionalisierte Aminosilan-Beschichtungen, Nexterion®- Träger), Firma Sunergia Group Inc. (Aminosilan-modifizierte Träger, Isothiocyanat- modifizierte Träger).Support materials which have such an organic surface layer (adhesive layer) are known in principle, for example from the prior art cited at the beginning and for the most part are commercially available, for example from the company Bioslide Technologies, Walnut CA, USA (NH 2 -functionalized support, CHO-functionalized) Carrier, epoxy-functionalized carrier, polylysine-coated carrier), from Xenopor Corp., Hawthorne, NJ, USA (NH 2 -functionalized carrier, aldehyde-functionalized carrier, epoxy-functionalized carrier, maliimide-functionalized carrier, nickel chelate - Carrier, streptavidin-functionalized carrier, biotinylated carrier, thiol-modified carrier), from Greiner Bio-One GmbH, (amino-functionalized carrier, aldehyde-functionalized carrier, streptavidin carrier), Xan Tee Bioanalytics GmbH (with Polysac- charid hydrogels coated carriers, streptavidin-functionalized carriers, biotin-functionalized Carrier, ultrahydrophobic alkyl layers, carboxyl-functionalized carrier, hydrazone-functionalized carrier, thiol-functionalized carrier) company Amersham Biosciences UK Ltd., England (polymeric amino-modified surface), company Schott Glas, Mainz, Germany (multifunctional aminosilane coatings , Nexterion® carrier), Sunergia Group Inc. (aminosilane-modified carrier, isothiocyanate-modified carrier).
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Biomoleküle auf einer Hydrogel-bildenden Oberflächenschicht gebunden. Diese Oberflächenschicht sollte naturgemäß sehr dünn sein, vorzugsweise im trockenen Zustand eine Dicke < 50 μm, insbesondere <10 μm und speziell <1 μm, besonders bevorzugt < 500 nm und speziell < 100 nm aufweisen, um die Funktion des Biochips nicht nachteilig zu beeinflussen. In der Re- gel wird diese Hydrogel-bildende Schicht eine mittlere Dicke von wenigstens 0,5 nm, vorzugsweise wenigstens 1 nm und speziell wenigstens 5 nm aufweisen. Unter einer Hydro- gel-bildenden Schicht versteht man polymere Schichten, die bei Einwirkung von Feuchtigkeit durch Interkalation von Wasser quellen.In a preferred embodiment of the invention, the biomolecules are bound on a hydrogel-forming surface layer. This surface layer should naturally be very thin, preferably in the dry state a thickness of <50 μm, in particular <10 μm and especially <1 μm, particularly preferably <500 nm and in particular <100 nm, so as not to adversely affect the function of the biochip. In the gel, this hydrogel-forming layer will have an average thickness of at least 0.5 nm, preferably at least 1 nm and especially at least 5 nm. A hydrogel-forming layer is understood to mean polymeric layers which swell when exposed to moisture through the intercalation of water.
Die Hydrogel-bildenden Beschichtungen können direkt auf die Oberfläche des Trägers, z.B. auf eine durch Behandlung mit Säuren oder Laugen, durch Oxidation (Abflammen), durch Elektronenbestrahlung oder durch eine Plasmabehandlung aktivierte Oberfläche, oder an die oben beschriebene Haftschicht gebunden sein. Bevorzugt sind naturgemäß Hydrogel-bildende Beschichtungen, die an ihrer Oberfläche eine große Anzahl freier funktioneller Gruppen R wie oben beschrieben aufweisen. Träger mit Hydrogel- Beschichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden für die Zwecke der Biochip-Herstellung auch kommerziell angeboten, beispielsweise von der Firma Perkin- Elmer, Life and Analytical Sciences, Boston, MA, USA (mit Polyacrylamid-Hydrogelen beschichtete Träger, Hydrogel® Coated Südes) und XanTec Bioanalytics GmbH (mit Po- lysaccharid-Hydrogelen beschichtete Träger, die an ihrer Oberfläche freie Carboxyl-, A- mino, Hydrazino-, SH, Streptavidin- oder Biotin-Gruppen aufweisen.The hydrogel-forming coatings can be applied directly to the surface of the support, e.g. on a surface activated by treatment with acids or alkalis, by oxidation (flaming), by electron irradiation or by plasma treatment, or to the adhesive layer described above. Hydrogel-forming coatings are naturally preferred which have a large number of free functional groups R on their surface as described above. Carriers with hydrogel coatings are known from the prior art and are also commercially available for the purposes of biochip production, for example from Perkin-Elmer, Life and Analytical Sciences, Boston, MA, USA (carriers coated with polyacrylamide hydrogels) , Hydrogel® Coated Südes) and XanTec Bioanalytics GmbH (carriers coated with polysaccharide hydrogels, which have free carboxyl, amino, hydrazino, SH, streptavidin or biotin groups on their surface.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Hydrogel-Schicht aus untereinander vernetzten sternförmigen Präpolymeren aufgebaut sind, wobei die sternförmigen Präpolymere im Mittel wenigstens 4, in der Regel 4 bis 12, vorzugsweise 5 bis 10 und speziell 6 bis 8 Polymerarme A aufweisen, die für sich gesehen wasserlöslich sind. Derartige Beschichtungen sind im Prinzip bekannt, beispielsweise aus den deutschen Patentanmeldungen 10203937.2 und 10216639.0, auf deren Offenbarung hiermit Bezug genommen wird. Diese Oberflächen zeichnen sich durch eine besonders geringe Affinität gegenüber einer unspezifischen Bindung von Biomolekülen, insbesondere Proteinen und Zellen aus. Zudem weisen diese Oberfläche eine Vielzahl funktioneller Gruppen R, insbesondere die in Tabelle 1 genannten Gruppen, auf, die in der oben beschriebenen Weise zur Immobilisierung der Biomoleküle genutzt werden können. Zudem sind die dort beschriebenen Hydrogel-bildenden Beschichtungen außerordentlich stabil gegenüber Alterung und mechanischer Belastung.In a particularly preferred embodiment, the hydrogel layer is composed of interlinked star-shaped prepolymers, the star-shaped prepolymers having on average at least 4, generally 4 to 12, preferably 5 to 10 and especially 6 to 8 polymer arms A which are in themselves seen water soluble. Such coatings are known in principle, for example from German patent applications 10203937.2 and 10216639.0, the disclosure of which is hereby incorporated by reference. These surfaces are characterized by a particularly low affinity for non-specific binding of biomolecules, especially proteins and cells. In addition, this surface has a large number of functional groups R, in particular the groups mentioned in Table 1, which can be used in the manner described above for immobilizing the biomolecules. In addition, the hydrogel-forming coatings described there are extremely stable to aging and mechanical stress.
Unter sternförmigen Präpolymeren versteht man solche Polymere, die mehrere an eine niedermolekulare Zentraleinheit gebundene Polymerketten aufweisen, wobei die niedermolekulare Zentraleinheit in der Regel 4 bis 100 Gerüstatome wie C-Atome, N-Atome oder O-Atome aufweisen wird. Das zahlenmittlere Molekulargewicht der Polymerarme liegt in der Regel im Bereich von 200 bis 20000 Dalton, vorzugsweise im Bereich von 300 bis 10000 Dalton, insbesondere im Bereich von 400 bis 8000 Dalton und speziell im Bereich von 500 bis 5000 Dalton. Dementsprechend weist das sternförmige Präpolymer ein zahlenmittleres Molekulargewicht im Bereich von in der Regel wenigstens 1500 Dalton, vorzugsweise 2000 bis 100000 Dalton, insbesondere 2500 bis 50000 Dalton und speziell 3000 bis 30000 Dalton auf. Die hydrogel-bildenden Eigenschaften der Oberflächenschicht wird durch die Wasserlöslichkeit der Polymerarme gewährleistet. Sie ist in der Regel dann gewährleistet, wenn der molekulare Aufbau, d. h. zumindest die Art der Wiederholungseinheiten, vorzugsweise auch das Molekulargewicht des Polymerarms, einem Polymeren entspricht, dessen Löslichkeit in Wasser wenigstens 1 Gew.-% und vorzugsweise wenigstens 5 Gew.-% (bei 25 °C und 1 bar) beträgt. Beispiele für derartige Polymere mit hinreichender Wasserlöslichkeit sind Poly-C2-C4-alkylenoxide, Polyoxazoline, Polyvinylalkohole, Homo- und Copolymere, die wenigstens 50 Gew.-% N-Vinylpyrrolidon einpolymerisiert enthalten, Homo- und Copolymere, die wenigstens 30 Gew.-% Hydroxyethyl(meth)acry!at, Hydroxypropyl(meth)acrylat, Acrylamid, Methacrylamid, Acrylsäure und/oder Methacryl- säure einpolymerisiert enthalten, hydroxilierte Polydiene und dergleichen. Vorzugsweise leiten sich die Polymerarme A von Poly-C2-C4-alkylenoxiden ab und sind insbesondere ausgewählt unter Polyethylenoxid, Polypropylenoxid und Polyethylenoxid/Polypropylen- oxid-Copolymeren, die eine Block- oder eine statistische Anordnung der Wiederholungseinheiten aufweisen können. Insbesondere bevorzugt sind sternförmige Präpolymere deren Polymerarme A von Polyethylenoxiden oder von Polyethylenoxid/Polypropylenoxid- Copolymeren mit einem Propylenoxid-Anteil von nicht mehr als 50 % abgeleitet sind.Star-shaped prepolymers are understood to mean those polymers which have a plurality of polymer chains bonded to a low-molecular central unit, the low-molecular central unit generally having 4 to 100 skeletal atoms, such as C atoms, N atoms or O atoms. The number average molecular weight of the polymer arms is generally in the range from 200 to 20,000 daltons, preferably in the range from 300 to 10,000 daltons, in particular in the range from 400 to 8000 daltons and especially in the range from 500 to 5000 daltons. Accordingly, the star-shaped prepolymer has a number average molecular weight in the range of at least 1500 daltons, preferably 2000 to 100000 daltons, in particular 2500 to 50,000 daltons and especially 3000 to 30,000 daltons. The hydrogel-forming properties of the surface layer are guaranteed by the water solubility of the polymer arms. It is generally guaranteed if the molecular structure, ie at least the type of repeating units, preferably also the molecular weight of the polymer arm, corresponds to a polymer whose solubility in water is at least 1% by weight and preferably at least 5% by weight ( at 25 ° C and 1 bar). Examples of such polymers with sufficient water solubility are poly-C 2 -C 4 -alkylene oxides, polyoxazolines, polyvinyl alcohols, homo- and copolymers which contain at least 50% by weight of copolymerized N-vinylpyrrolidone, homo- and copolymers which have at least 30% by weight. % Copolymerized hydroxyethyl (meth) acrylic! Hydroxypropyl (meth) acrylate, acrylamide, methacrylamide, acrylic acid and / or methacrylic acid, hydroxylated polydienes and the like. The polymer arms A are preferably derived from poly-C 2 -C 4 -alkylene oxides and are selected in particular from polyethylene oxide, polypropylene oxide and polyethylene oxide / polypropylene oxide copolymers, which can have a block or a statistical arrangement of the repeating units. Star-shaped prepolymers whose polymer arms A are derived from polyethylene oxides or from polyethylene oxide / polypropylene oxide copolymers with a propylene oxide content of not more than 50% are particularly preferred.
Um eine Vernetzbarkeit der Präpolymere zu gewährleisten weise sie an den Enden Ihrer Polymerarme funktionelle Gruppen auf, die mit hierzu komplementär reaktiven funktionellen Gruppen unter Ausbildung kovalenter Bindungen reagieren. Beispiele für derartige Gruppen sind die in Tabelle 1 unter R bwz. R' genannten funktionellen Gruppen.In order to ensure that the prepolymers can be crosslinked, they have functional groups at the ends of their polymer arms which react with complementary reactive functional groups to form covalent bonds. Examples of such groups are those in Table 1 under R bwz. R 'called functional groups.
Für die Herstellung Hydrogel-bildender Beschichtungen, die aus untereinander vernetzten sternförmigen Präpolymeren aufgebaut sind, haben sich insbesondere solche Präpolymere bewährt, die an den Enden ihrer Polymerarme Isocyanat-Gruppen aufweisen und besonders bevorzugt Isocyanat-Endgruppen, die von aliphatischen Diisocyanaten abgeleitet sind, insbesondere solche wie sie durch Addition von Isophorondiisocyanat (IPDI) auf die Kettenenden von OH-Gruppen-terminierten sternförmigen Präpolymervorstufen erhalten werden.For the production of hydrogel-forming coatings which are composed of crosslinked star-shaped prepolymers, those prepolymers which have isocyanate groups at the ends of their polymer arms and particularly preferably isocyanate end groups which are derived from aliphatic diisocyanates, in particular those, have proven successful as obtained by adding isophorone diisocyanate (IPDI) to the chain ends of OH group-terminated star-shaped prepolymer precursors become.
Die erfindungsgemäß zur Anwendung kommenden Präpolymere sind z. T. bekannt, z. B. aus der WO 98/20060, US 6,162,862, Götz et al., Macromol. Mater. Eng. 2002, 287, S. 223, Bartelink et al. J. Polymer Science 2000, 38, S. 2555, DE 10216639.0 und DE 10203937 (sternförmige Polyether-Präpolymere), Chujo Y. et al., Polym. J. 1992, 24(11), 1301-1306 (sternförmige Polyoxazolin-Präpolymere), WO 01/55360 (sternförmige Polyvi- nylalkohole, sternförmige, Vinylpyrrolidon enthaltende Copolymere) oder können nach den dort beschriebenen Methoden hergestellt werden.The prepolymers used according to the invention are e.g. T. known, e.g. B. from WO 98/20060, US 6,162,862, Götz et al., Macromol. Mater. Closely. 2002, 287, p. 223, Bartelink et al. J. Polymer Science 2000, 38, p. 2555, DE 10216639.0 and DE 10203937 (star-shaped polyether prepolymers), Chujo Y. et al., Polym. J. 1992, 24 (11), 1301-1306 (star-shaped polyoxazoline prepolymers), WO 01/55360 (star-shaped polyvinyl alcohols, star-shaped copolymers containing vinylpyrrolidone) or can be prepared by the methods described therein.
Die Bereitstellung der im wesentlichen aus miteinander vernetzten sternförmigen Präpolymeren aufgebauten organischen Oberfläche umfasst daher üblicherweise das Abscheiden der sternförmigen Präpolymere auf der Oberfläche eines Trägers und anschließendes Vernetzen der reaktiven Gruppen der sternförmigen Präpolymere. Die Schritte der Abscheidung und der Vernetzung können gewünschtenfalls wiederholt durchgeführt werden. Man gelangt auf diese Weise zu dickeren Schichten.The provision of the organic surface essentially composed of crosslinked star-shaped prepolymers therefore usually comprises the deposition of the star-shaped prepolymers on the surface of a support and subsequent crosslinking of the reactive groups of the star-shaped prepolymers. The deposition and crosslinking steps can be repeated if desired. This leads to thicker layers.
In der Regel umfasst das Verfahren des Abscheidens der sternförmigen Präpolymere die folgenden Schritte: i.a. Abscheiden des sternförmigen Präpolymeren auf der Oberfläche eines Trägers durch Aufbringen einer Lösung wenigstens eines sternförmigen Präpolymeren, das im Mittel wenigstens vier Polymerarme A aufweist, die für sich gesehen in Wasser löslich sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktioneile Gruppe tragen, auf die zu Oberfläche des Trägers; i.b. anschließend Durchführen einer Verknüpfungsreaktion der reaktiven Gruppen untereinander und Entfernen des Lösungsmittels; und i.e. gegegebenenfalls Umwandeln der funktionellen Gruppen auf der Oberfläche der Oberflächenschicht.As a rule, the process of depositing the star-shaped prepolymers comprises the following steps: i.a. Deposition of the star-shaped prepolymer on the surface of a support by applying a solution of at least one star-shaped prepolymer, which on average has at least four polymer arms A, which are in themselves soluble in water and carry a reactive functional group at their free ends, to the surface the carrier; i.b. then performing a linking reaction of the reactive groups with one another and removing the solvent; and i.e. optionally converting the functional groups on the surface of the surface layer.
In Schritt i.a. erhält man eine Beschichtung, die aus unvernetzten Präpolymeren aufgebaut ist und die eine Vielzahl funktioneller Gruppen auf ihrer Oberfläche aufweist. In dieser Beschichtung wird eine Verknüpfungsreaktion der reaktiven Gruppen untereinander durchgeführt, wobei die Verknüpfungsreaktion nach dem Aufbringen und Entfernen des Lösungsmittels durch nachträgliches Behandeln der Beschichtung mit einem Vernetzer oder beim Entfernen des Lösungsmittels erfolgen kann, wenn die Lösung bereits einen geeigneten Vernetzer enthält und/oder die funktionellen Gruppen des Präpolymeren un- tereinander eine chemische Reaktion unter Bindungsbildung eingehen.In step ia, a coating is obtained which is composed of uncrosslinked prepolymers and which has a large number of functional groups on its surface. In this coating, a linking reaction of the reactive groups to one another is carried out, the linking reaction taking place after the application and removal of the solvent by subsequent treatment of the coating with a crosslinking agent or when removing the solvent if the solution already contains a suitable crosslinking agent and / or functional groups of the prepolymer and enter into a chemical reaction with one another, forming bonds.
Beispiele für Abscheidungsverfahren sind die Immersion der zu beschichtenden Oberfläche in der Lösung des Präpolymeren sowie das Spincoating - hierbei wird die Lösung des Präpolymeren auf die mit hoher Geschwindigkeit rotierende zu beschichtende Oberfläche aufgebracht. Es versteht sich von selbst, dass man zur Herstellung ultradünner Beschichtungen die Beschichtungsmaßnahmen in der Regel unter staubfreien Bedingungen durchführt.Examples of deposition processes are the immersion of the surface to be coated in the solution of the prepolymer as well as the spin coating - the solution of the prepolymer is applied to the surface to be coated rotating at high speed. It goes without saying that for the production of ultra-thin coatings, the coating measures are usually carried out under dust-free conditions.
Bei dem Immersionsverfahren taucht man die Substrate in eine Lösung des sternförmigen Präpolymers in einem geeigneten Lösungsmittel und lässt anschließend die Lösung ablaufen, so dass ein dünner Flüssigkeitsfilm mit möglichst einheitlicher Dicke auf dem Substrat verbleibt. Dieser wird anschließend eingetrocknet. Die resultierende Filmdicke hängt von der Konzentration des Präpolymers in der Lösung ab. Anschließend wird die Vernetzung ausgelöst.In the immersion process, the substrates are immersed in a solution of the star-shaped prepolymer in a suitable solvent and the solution is then allowed to run off, so that a thin liquid film with a thickness that is as uniform as possible remains on the substrate. This is then dried. The resulting film thickness depends on the concentration of the prepolymer in the solution. The networking is then triggered.
Beim Spincoating wird in der Regel das zunächst nicht rotierende Substrat mit der Lösung des sternförmigen Präpolymeren vollständig benetzt. Anschließend wird das zu beschichtende Substrat mit hohen Umdrehungszahlen, in der Regel wenigstens 50 U/min, häufig wenigstens 500 U/min, z.B. 500 bis 30000 U/min, vorzugsweise oberhalb 1000 U/min, z. B. 1000 bis 10000 U/min, und besonders bevorzugt 3000 bis 6000 U/min, in Rotation versetzt, wobei die Lösung weitgehend abgeschleudert wird und ein dünner Be- schichtungsfilm auf der Oberfläche des Substrats verbleibt. Anschließend wird auch hier eine Vernetzung ausgelöst.In spin coating, the initially non-rotating substrate is generally completely wetted with the solution of the star-shaped prepolymer. Then the substrate to be coated is rotated at high speeds, usually at least 50 rpm, often at least 500 rpm, e.g. 500 to 30,000 rpm, preferably above 1000 rpm, e.g. B. 1000 to 10000 U / min, and particularly preferably 3000 to 6000 U / min, set in rotation, wherein the solution is largely spun off and a thin coating film remains on the surface of the substrate. Then networking is also triggered here.
Üblicherweise beträgt die Konzentration wenigstens 0,001 mg/ml, vorzugsweise wenigstens 0,01 mg/ml, insbesondere wenigstens 0,1 mg/ml, besonders bevorzugt wenigstens 1 mg/ml. Die Konzentration des Präpolymeren in der Lösung wird in der Regel einen Wert von 500 mg/ml, vorzugsweise 250 mg/ml und insbesondere 100 mg/ml nicht überschreiten. Über die Konzentration lässt sich naturgemäß die Dicke der Beschichtung steuern.The concentration is usually at least 0.001 mg / ml, preferably at least 0.01 mg / ml, in particular at least 0.1 mg / ml, particularly preferably at least 1 mg / ml. The concentration of the prepolymer in the solution will generally not exceed 500 mg / ml, preferably 250 mg / ml and in particular 100 mg / ml. The thickness of the coating can of course be controlled via the concentration.
Zur Herstellung der Lösungen der Präpolymere sind grundsätzlich alle Lösungsmittel geeignet, welche keine oder nur eine geringe Reaktivität gegenüber den funktionellen Gruppen des zu lösenden Präpolymeren aufweisen. Hierunter sind solche bevorzugt, die einen hohen Dampfdruck aufweisen und sich somit leicht entfernen lassen. Bevorzugt sind daher solche Lösungsmittel die bei Normaldruck eine Siedetemperatur unterhalb 150 °C und vorzugsweise unterhalb 120 °C aufweisen. Beispiele für geeignete Lösungsmittel sind aprotische Lösungsmittel, z. B. Ether wie Tetrahydrofuran (THF), Dioxan, Diethy- lether, tert.-Butylmethylether, aromatische Kohlenwasserstoffe wie Xylole und Toluol, weiterhin Acetonitril, Propionitril und Mischungen dieser Lösungsmittel. Im Falle von Präpolymeren mit OH-, SH-, Carboxyl-, (Meth)acryl- und Oxirangruppen sind auch protische Lösungsmittel wie Wasser oder Alkohole, z. B. Methanol, Ethanol, n-PropanoI, Isopropa- nol, n-Butanol und tert.-Butanol, sowie deren Mischungen mit aprotischen Lösungsmitteln geeignet. Im Falle von Präpolymeren mit Isocyanat-Gruppen sind neben den vorgenannten aprotischen Lösungsmitteln überraschenderweise auch Wasser sowie Mischungen von Wasser mit aprotischen Lösungsmitteln geeignet, da der Abbau der Isocyanatgrup- pen der Präpolymere in derartigen Lösungen vergleichsweise langsam erfolgt.In principle, all solvents which have no or only a low reactivity towards the functional groups of the prepolymer to be dissolved are suitable for preparing the solutions of the prepolymers. Among these, those are preferred which have a high vapor pressure and are therefore easy to remove. Preferred solvents are therefore those which have a boiling temperature below 150 ° C. under normal pressure and preferably have below 120 ° C. Examples of suitable solvents are aprotic solvents, e.g. B. ethers such as tetrahydrofuran (THF), dioxane, diethyl ether, tert-butyl methyl ether, aromatic hydrocarbons such as xylenes and toluene, acetonitrile, propionitrile and mixtures of these solvents. In the case of prepolymers with OH, SH, carboxyl, (meth) acrylic and oxirane groups, protic solvents such as water or alcohols, e.g. B. methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol and tert-butanol, and mixtures thereof with aprotic solvents. In the case of prepolymers with isocyanate groups, water and mixtures of water with aprotic solvents are surprisingly suitable in addition to the abovementioned aprotic solvents, since the isocyanate groups of the prepolymers are degraded comparatively slowly in such solutions.
Die Vernetzung der Präpolymere kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Beispielsweise kann die Präpolymere mit einem Vernetzungsmittel umsetzen. Als Vernetzungsmittel sind grundsätzlich alle Verbindungen mit 2 oder mehr funktionellen Gruppen geeignet, welche mit den funktionellen Gruppen des Präpolymeren unter Bindungsbildung reagieren.The prepolymers can be crosslinked in different ways. For example, the prepolymers can be reacted with a crosslinking agent. In principle, all compounds with 2 or more functional groups which react with the functional groups of the prepolymer to form bonds are suitable as crosslinking agents.
Demnach erfolgt gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung die Bereitstellung der organischen Oberfläche durch ein Verfahren, bei dem man die Verknüpfung der reaktiven Gruppen des Präpolymeren durch Zugabe einer Verbindung Vm1 auslöst, die wenigstens zwei komplementär reaktive Gruppen pro Molekül aufweist, die mit den reaktiven Gruppen des sternförmigen Präpolymers unter Bindungsbildung reagieren.Accordingly, according to a first embodiment of the invention, the organic surface is provided by a process in which the linking of the reactive groups of the prepolymer is initiated by adding a compound Vm1 which has at least two complementary reactive groups per molecule which corresponds to the reactive groups of the star-shaped prepolymer react to form bonds.
Bei den polyfunktionellen Verbindungen Vm1 kann es sich um niedermolekulare Verbindungen handeln, z. B. um aliphatische oder cycloaliphatische Diole, Triole und Tetraole, z. B. Ethylenglykol, Butandiol, Diethylenglykol, Triethylenglykol, Trimethylolpropan, Pen- taerythrit und dergleichen, aliphatische oder cycloaliphatische Diamine, Triamine oder Tetramine, z. B. Ethylendiamin, Diethylentriamin, Triethylentetramin, Tetraethylenpenta- min, 1 ,8~Diamino-3,6-dioxaoctan, Diaminocyclohexan, Isophorondiamin und dergleichen, Aminoalkohole wie Ethanolamin, Diethanolamin, aliphatische oder cycloaliphatische Dithiole, um Dicarbonsäuren oder Tricarbonsäuren wie Sebazinsäure, Glutarsäure, Adi- pinsäure, Phthalsäure, Isophthalsäure, oder um die vorgenannten Diisocyanate, je nachdem welche Art von reaktiven Gruppen das Präpolymer aufweist. Die niedermolekularen polyfunktionellen Verbindungen weisen im Unterschied zu den Präpolymeren in der Regel ein Molekulargewicht < 500 g/mol auf. Die polyfunktionelle Verbindung Vm1 kann bereits in der Lösung des Präpolymeren enthalten sein. In der zunächst entstehende Oberflächenschicht aus weitgehend unvemetz- ten Präpolymeren reagieren dann, z. B. beim Trocknen oder beim Erwärmen der Schicht die reaktiven Gruppen des Vernetzungsmittels mit den reaktiven Gruppen des Präpolymeren und bilden auf diese Weise eine Schicht aus miteinander vernetzten Präpolymeren, die in der Regel noch eine Vielzahl funktionelle Gruppen auf ihrer Oberfläche aufweist.The polyfunctional compounds Vm1 can be low molecular weight compounds, e.g. B. aliphatic or cycloaliphatic diols, triols and tetraols, e.g. B. ethylene glycol, butanediol, diethylene glycol, triethylene glycol, trimethylolpropane, pentaerythritol and the like, aliphatic or cycloaliphatic diamines, triamines or tetramines, eg. B. ethylenediamine, diethylenetriamine, triethylenetetramine, tetraethylenepentamine, 1, 8 ~ diamino-3,6-dioxaoctane, diaminocyclohexane, isophoronediamine and the like, amino alcohols such as ethanolamine, diethanolamine, aliphatic or cycloaliphatic dithiols to dicarboxylic acids such as glic acid, tricarboxylic acids such as sebic acid, tricarboxylic acids, Adipic acid, phthalic acid, isophthalic acid, or around the aforementioned diisocyanates, depending on the type of reactive groups the prepolymer has. In contrast to the prepolymers, the low molecular weight polyfunctional compounds generally have a molecular weight of <500 g / mol. The polyfunctional compound Vm1 can already be contained in the solution of the prepolymer. Then, in the surface layer of largely non-crosslinked prepolymers that initially develops, e.g. B. during drying or when heating the layer, the reactive groups of the crosslinking agent with the reactive groups of the prepolymer and in this way form a layer of crosslinked prepolymers, which generally still has a large number of functional groups on its surface.
Als polyfunktionelle Verbindungen Vm1 sind grundsätzlich auch Präpolymere geeignet, die wenigstens vier Polymerarme A aufweisen, welche für sich gesehen in Wasser löslich sind und an ihren freien Enden eine reaktive funktionelle Gruppe aufweisen, die mit den reaktiven Gruppen des Präpolymeren unter Bindungsbildung reagieren. Mit anderen Worten, zur Bereitstellung der Hydrogel-Beschichtung können erfindungsgemäß auch Lösungen von wenigstens zwei unterschiedlichen Präpolymeren eingesetzt werden, worin das eine Präpolymer reaktive Gruppen aufweist, die gegenüber den reaktiven Gruppen des anderen Präpolymeren eine komplementäre Reaktivität aufweisen.In principle, prepolymers are also suitable as polyfunctional compounds Vm1, which have at least four polymer arms A, which are in themselves soluble in water and have a reactive functional group at their free ends, which react with the reactive groups of the prepolymer to form bonds. In other words, to provide the hydrogel coating, solutions of at least two different prepolymers can also be used according to the invention, in which one prepolymer has reactive groups which have a complementary reactivity to the reactive groups of the other prepolymer.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Verknüpfung der reaktiven Gruppen im Präpolymer dadurch ausgelöst, dass man eine ausreichende Menge einer Verbindung Vm2 zugibt, die mit einem Teil der reaktiven Gruppen des Präpolymeren unter Bildung von funktionellen Gruppen mit einer hierzu komplementären Reaktivität reagiert. Im Falle von Präpolymeren mit Isocyanatgruppen kann man beispielsweise die Vernetzung auslösen, indem man den beschichteten Gegenstand mit Wasser behandelt, z. B. durch Lagern in einer feuchten Atmosphäre oder unter Wasser. Hierbei reagiert ein Teil der Isocyanatgruppen unter Bildung von Aminogruppen ab, die ihrerseits mit den verbleibenden Isocyanatgruppen unter Bindungsbildung reagieren, wobei eine Schicht aus miteinander vernetzten Präpolymeren entsteht. Das Vernetzungsmittel Vm2 ist hier somit Wasser. So hergestellt Beschichtungen weisen, wenn sie frisch hergestellt worden sind, noch freie Isocyanat-Gruppen auf. Bei längerer Einwirkung von Feuchtigkeit werden die an der Oberfläche angeordneten Isocyanatgruppen in Aminogruppen umgewandelt. In einer Variante dieser Ausführungsform setzt man Lösungen des Präpolymeren in Wasser oder in einem Gemisch aus Wasser mit einem oder mehreren mit Wasser mischbaren Lösungsmitteln ein. Beispiele für geeignete, mit Wasser mischbare Lösungsmittel sind insbesondere solche, die mit den Isocyanatgruppen nicht oder nur sehr viel langsamer als Wasser eine Reaktion eingehen. Beispiele hierfür sind cyclische Ether wie Tetrahydrofu- ran und Dioxan, weiterhin N-Alkylamide wie N-Methylpyrrolidon, Dimethylformamid und Dimethylacetamid. Das Mischungsverhältnis Wasser: Lösungsmittel liegt in der Regel im Bereich von 1:100 bis 100:1, vorzugsweise im Bereich von 50:1 bis 1:10 und speziell im Bereich 20:1 bis 1:1. Diese Variante eignet sich insbesondere zur Herstellung dickerer Schichten. Die Konzentration an Präpolymer liegt dann vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 500 mg/ml, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 200 mg/ml und speziell im Bereich von 1 bis 100 mg/ml.In another embodiment of the invention, the linking of the reactive groups in the prepolymer is triggered by adding a sufficient amount of a compound Vm2 which reacts with a part of the reactive groups of the prepolymer to form functional groups with a complementary reactivity. In the case of prepolymers with isocyanate groups, crosslinking can be triggered, for example, by treating the coated article with water, e.g. B. by storage in a damp atmosphere or under water. Here, some of the isocyanate groups react to form amino groups, which in turn react with the remaining isocyanate groups to form bonds, forming a layer of crosslinked prepolymers. The cross-linking agent Vm2 is therefore water here. Coatings produced in this way, when freshly produced, still have free isocyanate groups. In the event of prolonged exposure to moisture, the isocyanate groups arranged on the surface are converted into amino groups. In a variant of this embodiment, solutions of the prepolymer in water or in a mixture of water with one or more water-miscible solvents are used. Examples of suitable water-miscible solvents are, in particular, those which do not react with the isocyanate groups or react very slowly than water. Examples include cyclic ethers such as tetrahydrofu- ran and dioxane, also N-alkylamides such as N-methylpyrrolidone, dimethylformamide and dimethylacetamide. The mixing ratio of water: solvent is generally in the range from 1: 100 to 100: 1, preferably in the range from 50: 1 to 1:10 and especially in the range from 20: 1 to 1: 1. This variant is particularly suitable for the production of thicker layers. The concentration of prepolymer is then preferably in the range from 0.1 to 500 mg / ml, in particular in the range from 0.5 to 200 mg / ml and especially in the range from 1 to 100 mg / ml.
Bevorzugt wird die aus vernetzten, sternförmigen Präpolymeren aufgebaute Hydrogel- Schicht auf einem Träger bereitgestellt, der aktiviert und/oder mit einer Haftschicht versehen ist.The hydrogel layer composed of cross-linked, star-shaped prepolymers is preferably provided on a support which is activated and / or provided with an adhesive layer.
Die erfindungsgemäßen Mikrobioarrays lassen sich, wie bereits erläutert, durch eine Kombination von Mikro-Kontakt-Drucken (μCP) und Spotting-Technik herstellen. Die Anordnung und Größe der Bereiche wird dabei durch die Spotting-Technik bestimmt. Die Anordnung der Plätze P innerhalb dieser Bereiche B ergibt sich durch die Art des verwendeten Stempels. Dementsprechend weist der Stempel auf seiner Oberfläche ein Vielzahl räumlich voneinander getrennter erhabener Flächenbereiche auf, z.B. eine Vielzahl bandförmiger oder insbesondere säulenförmiger Erhebungen, die hinsichtlich ihrer Abmessung und Anordnung der erhabenen Flächenbereiche der gewünschten Anordnung und den gewünschten Abmessungen der Plätze P entsprechen. Bevorzugt sind insbesondere Stempel mit einer Vielzahl säulenförmiger Erhebungen. Die Säulen und ihre Anordnung sind insbesondere durch die folgenden Abmessungen charakterisiert:As already explained, the microbioarrays according to the invention can be produced by a combination of micro-contact printing (μCP) and spotting technique. The arrangement and size of the areas is determined by the spotting technique. The arrangement of the places P within these areas B results from the type of stamp used. Accordingly, the stamp has a plurality of spatially separated raised surface areas on its surface, e.g. a multiplicity of band-shaped or, in particular, columnar elevations which correspond to the desired arrangement and the desired dimensions of the places P with regard to their dimension and arrangement of the raised surface areas. Stamps with a large number of columnar elevations are particularly preferred. The columns and their arrangement are characterized in particular by the following dimensions:
Der mittlere Abstand der Begrenzungslinie der Stirnfläche einer Säule zum Flächenmittelpunkt der Stirnfläche beträgt im Mittel üblicherweise etwa 50 nm bis 50 μm, vorzugsweise 100 nm bis 25 μm, insbesondere 0,25 μm bis 20 μm und speziell 0,5 μm bis 10 μm. Dies entspricht bei den bevorzugten zylindrischen Säulenformen einen mittleren Durchmesser der Säulen im Bereich von 100 nm bis 100 μm, vorzugsweise 200 nm bis 50 μm, insbesondere 0,5 μm bis 40 μm und speziell 1 μm bis 20 μm. Der mittlere Abstand benachbarter Säulen, definiert durch den mittleren Abstand der Flächenmittelpunkte der Stirnflächen benachbarter Säulen liegt in der Regel im Bereich von 200 nm bis 200 μm, häufig im Bereich von 1 μm bis 150 μm, insbesondere im Bereich von 5 μm bis 100 μm und speziell im Bereich von 10 μm bis 90 μm. Der mittlere minimale Abstand zweier benachbarter Säulen liegt in der Regel im Bereich von 100 nm bis 150 μm, häufig im Bereich von 500 nm bis 120 μm, insbesondere im Bereich von 2 μm bis 100 μm, und speziell im Bereich von 5 μm bis 80 μm (Zahlenmittel). Vorzugsweise ist der mittlere Abstand zweier benachbarter Säulen, definiert durch den Abstand der Flächenmittelpunkte der Stirnflächen der Säulen, wenigstens doppelt so groß wie der mittlere Abstand der Begrenzungslinie der Stirnfläche einer Säule zu dem Flächenmittelpunkt der Stirnfläche.The average distance between the boundary line of the end face of a column and the center of the face of the end face is usually on average about 50 nm to 50 μm, preferably 100 nm to 25 μm, in particular 0.25 μm to 20 μm and especially 0.5 μm to 10 μm. With the preferred cylindrical column shapes, this corresponds to an average diameter of the columns in the range from 100 nm to 100 μm, preferably 200 nm to 50 μm, in particular 0.5 μm to 40 μm and especially 1 μm to 20 μm. The average distance between adjacent columns, defined by the average distance between the center points of the faces of the adjacent columns, is generally in the range from 200 nm to 200 μm, frequently in the range from 1 μm to 150 μm, in particular in the range from 5 μm to 100 μm and especially in the range from 10 μm to 90 μm. The average minimum distance between two adjacent columns is generally in the range from 100 nm to 150 μm, often in the range from 500 nm to 120 μm, in particular in the range from 2 μm to 100 μm, and especially in the range from 5 μm to 80 μm (number average). The average distance between two adjacent columns, defined by the distance of the surface center points of the end faces of the columns, is at least twice as large as the average distance between the boundary line of the end face of a column and the surface center point of the end surface.
Die Stirnflächen der Säulen entspechen der Geometrie der Plätze P und sind insbesondere kreisförmig oder elipsoid und besonders bevorzugt kreisförmig.The end faces of the pillars correspond to the geometry of the places P and are in particular circular or elipsoid and particularly preferably circular.
Ensprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Säulen auf der Stempeloberfläche regelmäßig angeordnet, d.h. der individuelle Abstand benachbarter Säulen wird im Mittel nicht mehr als 20% und vorzugsweise nicht mehr als 10% vom mittleren Abstand der Säulen zueinander abweichen.According to a preferred embodiment of the invention, the columns are regularly arranged on the stamp surface, i.e. the individual distance between adjacent columns will deviate on average not more than 20% and preferably not more than 10% from the average distance between the columns.
Bei bandförmigen Erhebungen gelten bezüglich des Abstands der Bänder zueinander, das für die Abstände benachbarter Säulen gesagte. Die durchschnittliche Breite der bandförmigen Erhebungen liegt in der Regel im Bereich von 100 nm bis 100 μm, vorzugsweise 200 nm bis 50 μm, insbesondere 1 μm bis 30 μm und speziell 2 μm bis 20 μm.In the case of band-shaped elevations, the same applies to the spacing of the bands from one another as has been said for the spacing between adjacent columns. The average width of the band-shaped elevations is generally in the range from 100 nm to 100 μm, preferably 200 nm to 50 μm, in particular 1 μm to 30 μm and especially 2 μm to 20 μm.
Die Höhe der Erhebungen über die Stempelgrundfläche liegt in der Regel im Bereich von 0,5 bis 500 μm, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 50 μm und speziell im Bereich von 1 bis 10 μm. Sie ist für das erfindungsgemäße Verfahren von untergeordneter Bedeutung. Um eine hinreichend Stabilität der Säulen zu gewährleisten, beträgt das Verhältnis von Höhe H zu dem Abstand A zwischen den Begrenzungslinien der Stirnfläche einer Säule und ihrem Flächenmittelpunkt H:A nicht mehr als 10, insbesondere nicht mehr als 5. D. h. eine zylindrische Säule mit einem Durchmesser von etwa 1 μm wird eine Höhe von 5 μm und insbesondere 2,5 μm nicht überschreiten. Analoges gilt für das Verhältnis der Breite einer Bandförmigen Erhebung zu ihrer Höhe über die Stempelgrundfläche.The height of the elevations above the stamp base area is generally in the range from 0.5 to 500 μm, in particular in the range from 0.5 to 50 μm and especially in the range from 1 to 10 μm. It is of minor importance for the method according to the invention. In order to ensure sufficient stability of the columns, the ratio of height H to the distance A between the boundary lines of the end face of a column and its center point H: A is not more than 10, in particular not more than 5. a cylindrical column with a diameter of approximately 1 μm will not exceed a height of 5 μm and in particular 2.5 μm. The same applies to the ratio of the width of a band-shaped elevation to its height over the base of the stamp.
Bevorzugt werden die säulenförmigen Erhebungen eines Stempels von einem elastischen Material gebildet, um eine hinreichend gute Übertragung zu gewährleisten. In der Regel handelt es sich bei dem elastischen Material um ein polymeres Elastomer, beispielsweise um ein vernetztes Polydimethylsiloxan. Derartige Stempel sind aus dem eingangs zitierten Stand der Technik bekannt oder können nach den dort angegebenen Methoden her- gestellt werden (siehe insbesondere Kane et al., Biomaterials 1999, 20, S. 2363-2376 und dort zitierte Literatur, Xia et al., Chem. Rev. 1999, 99, 1823-1848 und dort zitierte Literatur, Michel et al., IBM J. Res. & Dev. 45, 2001, 697-718 und dort zitierte Literatur, Tan et al., Langmuir 2002, 18, S. 519-523, und dort zitierte Literatur). In der Regel werden solche Stempel durch Abformung eines Masters hergestellt, der eine Vielzahl von Vertiefungen aufweist, welche den späteren Erhebungen des Stempels entsprechen. Hierzu wird in der Regel eine Mischung eines geeigneten Elastomer-Vorläufers mit einem Vernetzer auf eine strukturierte Abgussform, die ein Negativ der Stempeloberfläche darstellt (Master, üblicherweise ein Silicium-Wafer) aufgegeben und ausgehärtet. Nach dem Aushärten erhält man einen elastischen Stempel, dessen Stempelfläche das Positiv-Bild des Masters darstellt. Derartige Verfahren sind umfangreich in dem hier zitierten Stand der Technik beschrieben, auf den wegen weiterer Details Bezug genommen wird. Die Oberfläche des Stempels kann auch mit einer hydrophilen Oberflächenschicht versehen sein. Derartig modifizierte Stempel werden beispielsweise von Donzel et al., Adv. Mater. 2001 , 13, S. 1164-1167, beschrieben. Die Herstellung dieses Masters erfolgt nach an sich bekannten Methoden, beispielsweise durch photolithographische Methoden, wie sie in dem hier zitierten Stand der Technik und der darin zitierten Literatur ausführlich beschrieben sind.The columnar elevations of a stamp are preferably formed from an elastic material in order to ensure a sufficiently good transmission. As a rule, the elastic material is a polymeric elastomer, for example a cross-linked polydimethylsiloxane. Such stamps are known from the prior art cited at the outset or can be produced by the methods specified therein. (see in particular Kane et al., Biomaterials 1999, 20, pp. 2363-2376 and the literature cited therein, Xia et al., Chem. Rev. 1999, 99, 1823-1848 and the literature cited there, Michel et al. , IBM J. Res. & Dev. 45, 2001, 697-718 and literature cited therein, Tan et al., Langmuir 2002, 18, pp. 519-523, and literature cited there). As a rule, such stamps are produced by molding a master which has a large number of depressions which correspond to the later elevations of the stamp. For this purpose, a mixture of a suitable elastomer precursor with a crosslinking agent is applied to a structured casting mold which is a negative of the stamp surface (master, usually a silicon wafer) and cured. After curing, an elastic stamp is obtained, the stamp surface of which represents the positive image of the master. Such methods are extensively described in the prior art cited here, to which reference is made for further details. The surface of the stamp can also be provided with a hydrophilic surface layer. Such modified stamps are described, for example, by Donzel et al., Adv. Mater. 2001, 13, pp. 1164-1167. This master is produced by methods known per se, for example by photolithographic methods as described in detail in the prior art cited here and in the literature cited therein.
Die Dicke des Stempels und seine Flächenabmessungen sind von untergeordneter Bedeutung und richtet sich in erster Linie nach den Abmessungen des herzustellenden Arrays. Wenn es sich bei dem Stempelmaterial um ein Elastomer handelt, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Stempelfläche auf einem festen oder flexiblen Träger angeordnet ist, beispielsweise auf einer Metallfolie. Üblicherweise sind die Erhebungen und die Stempelfläche aus dem gleichen, vorzugsweise elastomeren Material. Die Dicke des die Stempelfläche bildenden Materials beträgt vorzugsweise jedoch wenigstens 1 μm, insbesondere wenigstens 0,1 mm bis etwa 1 cm.The thickness of the stamp and its surface dimensions are of secondary importance and depend primarily on the dimensions of the array to be produced. If the stamp material is an elastomer, it has proven to be advantageous if the stamp surface is arranged on a solid or flexible carrier, for example on a metal foil. The elevations and the stamp surface are usually made of the same, preferably elastomeric material. However, the thickness of the material forming the stamp surface is preferably at least 1 μm, in particular at least 0.1 mm to about 1 cm.
Gemäß Variante 1 des erfindungsgemäßen Verfahrens bringt man eine oder vorzugsweise mehrere voneinander verschiedene Biomoleküle in wenigstens 2, vorzugsweise wenigstens 10, insbesondere wenigstens 50 und besonders bevorzugt wenigstens 100, z. B. 100 bis 10000 und insbesondere 100 bis 10000 vorzugsweise bis 5000 und speziell bis 1000 räumlich voneinander getrennten Flächenbereichen so auf, dass die Biomoleküle in jedem Flächenbereich jeweils eine Vielzahl, vorzugsweise wenigstens 10, insbesondere wenigstens 50 und speziell wenigstens 100, z. B. 100 bis 1000 der Erhebungen der Stempelfläche abdecken. Das Aufbringen der Biomoleküle kann in an sich bekannter Weise mit Hilfe üblicher Spotting-Techniken nacheinander oder insbesondere gleichzeitig erfolgen. Die hierzu erforderlichen Apparaturen sind die für die Spotting-Techniken üblichen Nadeldrucker, Dispenser, Plotter, Mikropipetten und dergleichen, mit denen sich nach einem Kontakt-Verfahren oder einem Kontakt-freien Verfahren die Flüssigkeitstropfen auf eine Oberfläche aufbringen lassen (Contact Mode, Non-contact Mode).According to variant 1 of the method according to the invention, one or preferably several mutually different biomolecules are brought into at least 2, preferably at least 10, in particular at least 50 and particularly preferably at least 100, for. B. 100 to 10000 and in particular 100 to 10000 preferably up to 5000 and especially up to 1000 spatially separated surface areas so that the biomolecules in each surface area each have a plurality, preferably at least 10, in particular at least 50 and especially at least 100, z. B. cover 100 to 1000 of the elevations of the stamp surface. The biomolecules can be applied in a manner known per se using conventional spotting techniques, one after the other or in particular simultaneously respectively. The devices required for this are the dot matrix printers, dispensers, plotters, micropipettes and the like that are customary for spotting techniques, with which the liquid drops can be applied to a surface using a contact method or a contact-free method (contact mode, non-contact Fashion).
In einer ersten Ausführungsform der Variante 1 bringt man die Biomoleküle als Lösung direkt auf die Stempelfläche auf. Beim Aufbringen der Lösungen der Biomoleküle auf die Stempelfläche hat es sich als vorteilhaft erwiesen, ein vorzeitiges Abdampfen des Lösungsmittels zu vermeiden. Geeignete Methoden hierfür sind die Kühlung des Stempels und/oder die Sättigung der Atmosphäre mit dem jeweiligen Lösungsmittel. Beim Kühlen werden die Stempel vor dem Spotten in der Regel stark abgekühlt und anschließend dem Spotting-Vorgang unterworfen. Bei der Sättigungs-Methode wird die Arbeitskammer mit dem Lösungsmittel gesättigt, in welchem das Biomolekül gelöst ist. Vorzugsweise werden die Spotting-Bedingungen so eingestellt, dass die Lösungsmittel unmittelbar verdampfen, wenn sie auf die Stempelfläche aufgebracht worden sind. Die hierfür erforderlichen Bedingungen kann der Fachmann mit wenigen Routine-Experimenten leicht ermitteln. Bevorzugt erfolgt der Spot-Vorgang bei Temperaturen im Bereich von 5 bis 50°C und insbesondere bei etwa Raumtemperatur in einer partiell mit Lösungsmittel gesättigten Atmosphäre, d. h. einer Atmosphäre, die verdampftes Lösungsmittel enthält, jedoch in einer Menge, die unterhalb seiner Sättigungskonzentration, vorzugsweise im Bereich von 10 bis 80% der Sättigungskonzentration liegt.In a first embodiment of variant 1, the biomolecules are applied as a solution directly to the stamp surface. When the solutions of the biomolecules are applied to the stamp surface, it has proven advantageous to avoid premature evaporation of the solvent. Suitable methods for this are cooling the stamp and / or saturating the atmosphere with the respective solvent. When cooling, the stamps are usually cooled down strongly before spotting and then subjected to the spotting process. In the saturation method, the working chamber is saturated with the solvent in which the biomolecule is dissolved. The spotting conditions are preferably set such that the solvents evaporate immediately when they have been applied to the stamp surface. The person skilled in the art can easily determine the conditions required for this with a few routine experiments. The spot process is preferably carried out at temperatures in the range from 5 to 50 ° C. and in particular at about room temperature in an atmosphere which is partially saturated with solvent, ie. H. an atmosphere containing evaporated solvent, but in an amount below its saturation concentration, preferably in the range of 10 to 80% of the saturation concentration.
Für eine saubere Übertragung der Biomoleküle auf die Oberfläche hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Stempelfläche nach Benetzen mit der Lösung des Biomoleküls zu trocknen. Weiterhin hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Konzentration der Biomoleküle in der Lösung im Bereich von 1 nmol/ml bis 1 μmol/ml liegt. Die für eine saubere Übertragung der Biomoleküle vom Stempel erforderliche Kontaktzeit beträgt in der Regel wenige Sekunden bis 30 min. Längere Kontaktzeiten sind in der Regel nicht erforderlich aber auch nicht von Nachteil.For a clean transfer of the biomolecules to the surface, it has proven to be advantageous to dry the stamp surface after wetting with the solution of the biomolecule. Furthermore, it has proven to be advantageous if the concentration of the biomolecules in the solution is in the range from 1 nmol / ml to 1 μmol / ml. The contact time required for a clean transfer of the biomolecules from the stamp is usually a few seconds to 30 minutes. Longer contact times are usually not necessary but also not a disadvantage.
Die abgegebene Flüssigkeitsmenge ist von Bedeutung, da sie die Größe der Flächenbereiche B, also insbesondere die Spotgröße bestimmt. In der Regel werden Flüssigkeitsmengen im Femto- bis Nanoliter-Bereich aufgebracht. So sind Spots mit einem Durchmesser von etwa 150 bis 200 μm mit einer kontaktfrei aufgebrachten Menge von etwa 10 nl bis 2 μl erhältlich. Spots mit Durchmessern im Bereich von 10 μm können erzeugt werden, indem man mittels Kapillardispensern Mengen von etwa 0,01 nl bis 0,1 μl aufbringt. Die Lösungsmittel zur Herstellung der Lösungen der Biomoleküle richten sich in an sich bekannter Weise nach der Art des zu lösenden Biomoleküls. Häufig handelt es sich bei dem Lösungsmittel um Wasser oder um wässrige Mischungen von Wasser mit organischen Lösungsmitteln, die mit Wasser unbegrenzt mischbar sind. Hierzu zählen beispielsweise Alkohole wie Methanol, Ethanol, Isopropanol oder n-Butanol, Dimethylforma- mid, Dimethylfulfoxid, Tetrahydrofuran und dergleichen und deren Mischungen mit Wasser. Je nach Art des Biomoleküls können auch ausschließlich organische Lösungsmittel, z.B. die vorgenannten Lösungmittel und deren Mischungen eingesetzt werden, insbesondere im Falle von niedermolekularen Verbindungen. Neben den Biomolekülen können die Lösungen auch oberflächenaktive Substanzen, beispielsweise Emulgatoren wie Alkylsul- fate, Alkylsulfonate, Ethoxylate langkettiger Alkanole und deren Schwefelsäure-Halbester, ethoxylierte Hydroxycarbonsäuren, ethoxylierte Ester von langkettigen Carbonsäuren mit Glycerin, weiterhin quartäre Amoniumverbindungen und dergleichen enthalten. Weiterhin können insbesondere wässrige Lösungen der Biomoleküle übliche Puffer wie PBS-Puffer, SSC-Puffer und dergleichen enthalten.The amount of liquid dispensed is important because it determines the size of the surface areas B, in particular the spot size. As a rule, amounts of liquid in the femto to nanoliter range are applied. For example, spots with a diameter of approximately 150 to 200 μm are available with a contact-free amount of approximately 10 nl to 2 μl. Spots with diameters in the range of 10 μm can be created by applying amounts of approximately 0.01 nl to 0.1 μl using capillary dispensers. The solvents for producing the solutions of the biomolecules depend in a manner known per se on the type of the biomolecule to be dissolved. The solvent is often water or aqueous mixtures of water with organic solvents which are infinitely miscible with water. These include, for example, alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol or n-butanol, dimethylformamide, dimethylfulfoxide, tetrahydrofuran and the like and mixtures thereof with water. Depending on the type of biomolecule, only organic solvents, for example the abovementioned solvents and mixtures thereof, can also be used, in particular in the case of low molecular weight compounds. In addition to the biomolecules, the solutions can also contain surface-active substances, for example emulsifiers such as alkyl sulfates, alkyl sulfonates, ethoxylates of long-chain alkanols and their sulfuric acid half-esters, ethoxylated hydroxycarboxylic acids, ethoxylated esters of long-chain carboxylic acids with glycerol, furthermore quaternary ammonium compounds and the like. Furthermore, in particular aqueous solutions of the biomolecules can contain customary buffers such as PBS buffers, SSC buffers and the like.
In einer zweiten Ausführungsform der Variante 1 werden Lösungen der Biomoleküle in mehreren, räumlich voneinander getrennten Flächenbereichen auf eine glatte, d. h. unstrukturierte Oberfläche, auf welcher die Biomoleküle nicht immobilisiert werden, aufgebracht. Diese Oberfläche kann als Release-Fläche aufgefasst werden. Das Aufbringen der Lösungen erfolgt in an sich bekannter Weise mittels üblicher Spotting-Techniken, wie oben beschrieben. Die abgegebene Flüssigkeitsmenge wird dabei so bemessen, dass die Anordnung und Größe der Spots den späteren Flächenbereich B des Arrays entspricht. Anschließend wird die Stempelfläche des oben beschriebenen, vorzugsweise aus einem elastischen Material gebildeten, strukturierten Stempels mit der Release-Fläche in Kontakt gebracht. Hierdurch werden die Biomoleküle auf die Stempelfläche des strukturierten Stempels übertragen. Danach wird dann die Stempelfläche des Stempels mit der Oberfläche, auf welcher die Biomoleküle immobilisiert werden sollen, in Kontakt gebracht. Bezüglich der verwendeten Lösungen der Biomoleküle, der Konzentrationen, der Strukturierung der Stempel und der Kontaktzeiten gilt das oben gesagte. Als Releaseflächen sind die oben genannten inerten Träger und insbesondere nichtstrukturierte elastische Stempel geeignet.In a second embodiment of variant 1, solutions of the biomolecules in several spatially separated surface areas are applied to a smooth, ie. H. unstructured surface on which the biomolecules are not immobilized. This surface can be seen as a release area. The solutions are applied in a manner known per se by means of customary spotting techniques, as described above. The amount of liquid dispensed is dimensioned such that the arrangement and size of the spots corresponds to the later surface area B of the array. The stamp surface of the structured stamp described above, which is preferably formed from an elastic material, is then brought into contact with the release surface. As a result, the biomolecules are transferred to the stamp surface of the structured stamp. The stamp surface of the stamp is then brought into contact with the surface on which the biomolecules are to be immobilized. With regard to the solutions used for the biomolecules, the concentrations, the structuring of the stamp and the contact times, the above applies. The inert carriers mentioned above and in particular non-structured elastic stamps are suitable as release surfaces.
Im Anschluß an das Aufbringen der Biomoleküle und die damit einhergehende Kopplung organische Oberfläche wird in der Regel ein Waschvorgang durchgeführt. Zweck dieses Waschvorgangs ist es insbesondere, nicht gekoppelte Biomoleküle zu entfernen. In Anlehnung an die zuvor zum Aufbringen der Biomoleküle verwendete Lösung werden zum Waschen vorzugsweise wäßrige Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemische verwendet. Prinzipiell gelten obige Ausführungen hier entsprechend.Following the application of the biomolecules and the associated coupling of the organic surface, a washing process is generally carried out. Purpose of this The washing process is particularly to remove uncoupled biomolecules. Based on the solution previously used to apply the biomolecules, aqueous solvents or solvent mixtures are preferably used for washing. In principle, the above statements apply accordingly.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform wäscht man mit einem wässrigen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, das ein Tensid, vorzugsweise ein nichtionisches Ten- sid, enthält. Besonders bevorzugt sind polyalkoxylierte, insbesondere polyethoxylierte Fettsäurester von Polyolen, insbesondere von Glycerin oder Sorbitol, beispielsweise die unter dem Handelsnamen Tween® vertriebenen Sorbitanfettsäureester. Insbesondere hat sich die Verwendung von ethoxyliertem Sorbitanhexylaurat als zweckmäßig erwiesen.According to a particular embodiment, washing is carried out with an aqueous solvent or solvent mixture which contains a surfactant, preferably a nonionic surfactant. Polyalkoxylated, in particular polyethoxylated, fatty acid esters of polyols, in particular of glycerol or sorbitol, for example the sorbitan fatty acid esters sold under the trade name Tween®, are particularly preferred. In particular, the use of ethoxylated sorbitan hexylaurate has proven to be expedient.
Die Konzentration an Tensid in der Waschlösung wird zweckmäßigerweise so gewählt, daß einerseits eine effektive Entfernung nicht gekoppelter Biomoleküle gewährleistet ist, andererseits die Waschlösung mit den immobilisierten Biomolekülen kompatibel ist. Konzentrationen im Bereich von 0,01 Gew.-% bis 10 Gew.-% und vorzugsweise 0,05 Gew.-% bis 2 Gew.-% haben sich als zweckmäßig erwiesen.The concentration of surfactant in the washing solution is expediently chosen so that on the one hand an effective removal of uncoupled biomolecules is ensured, and on the other hand the washing solution is compatible with the immobilized biomolecules. Concentrations in the range from 0.01% by weight to 10% by weight and preferably 0.05% by weight to 2% by weight have proven to be expedient.
Gemäß Variante 2 des erfindungsgemäßen Verfahrens gelingt die Herstellung von Mikroarrays immobilisierter Biomoleküle, die auf ihrer Oberfläche wenigstens zwei, räumlich voneinander getrennte Flächenbereiche aufweisen, die jeweils mehrere räumlich getrennte Plätze P umfassen, auf denen Biomoleküle immobilisiert sind auch, indem man eine Verbindung V, welche mit den Biomolekülen unter Bindungsbildung reagieren kann, in räumlich voneinander getrennten Plätzen P auf die Oberfläche, auf welcher der Array erzeugt werden soll, aufbringt und anschließend die Biomoleküle in mehreren räumlich voneinander getrennten Flächenbereichen so aufbringt, dass jeder Flächenbereich mehrere, vorzugsweise im Mittel wenigstens 10, insbesondere wenigstens 50 und speziell wenigstens 100, z. B. 100 bis 10000 vorzugsweise bis 5000 und insbesondere bis 1000 der Plätze P abdeckt. Mit anderen Worten, zunächst werden auf der Oberfläche, auf welcher der Array generiert werden soll, die Verbindungen V an definierten Plätzen P immobilisiert.According to variant 2 of the method according to the invention, microarrays of immobilized biomolecules can be produced which have at least two spatially separated surface areas on their surface, each comprising a plurality of spatially separated places P, on which biomolecules are also immobilized, by using a compound V which can react with the biomolecules to form bonds, apply them in spatially separated places P to the surface on which the array is to be produced, and then apply the biomolecules in several spatially separated surface areas so that each surface area has several, preferably on average at least 10 , in particular at least 50 and especially at least 100, e.g. B. 100 to 10,000 preferably up to 5000 and in particular up to 1000 of the places P covers. In other words, the connections V are first immobilized at defined locations P on the surface on which the array is to be generated.
Anschließend werden die Biomoleküle in mehreren räumlich voneinander getrennten Flächenbereichen B auf die so vorbehandelte Oberfläche aufgebracht. Hierbei kommt es zu einer chemischen Anbindung der Biomoleküle und damit zu einer Immobilisierung an denjenigen Plätzen P, die mit der Verbindung V belegt sind, bzw. in denen die Verbindung V gebunden ist. Anschließend spült man nicht gebundene Biomoleküle in an sich bekannter Weise von der Oberfläche ab beispielsweise durch Waschen mit den o. g. Waschflüssigkeiten. Auf diese Weise erhält man das erfindungsgemäße Array, das mehrere, räumlich voneinander getrennte Flächenbereiche aufweist, die jeweils mehrere, räumlich voneinander getrennte Plätze P umfassen, welche mit Biomolekülen belegt sind, wobei die Plätze P innerhalb eines Bereichs eine gleichartige Belegung aufweisen und die Plätze P verschiedener Flächenbereiche eine gleichartige Belegung oder eine hinsichtlich der Belegungsdichte und/oder der Art des immobilisierten Biomoleküls verschiedene Belegung aufweisen.The biomolecules are then applied to the surface pretreated in this way in a plurality of spatially separated surface areas B. This leads to a chemical binding of the biomolecules and thus to an immobilization at those positions P which are occupied by the compound V or in which the compound V is bound. Unbound biomolecules are then rinsed off the surface in a manner known per se, for example by washing with the abovementioned washing liquids. In this way, the array according to the invention is obtained which has a plurality of spatially separated surface areas, each of which comprises a plurality of spatially separated places P, which are occupied by biomolecules, the places P having an identical occupancy within one area and the places P different areas have a similar occupancy or a different occupancy with regard to the occupancy density and / or the type of immobilized biomolecule.
Das Aufbringen der Verbindungen V ortslokalisiert in den Plätzen P auf der Oberfläche, auf welcher die Biomoleküle immobilisiert werden sollen, gelingt beispielsweise in der oben beschriebenen μCP-Technik. Hierzu wird die Verbindung V gleichmäßig auf die Stempelfläche aufgebracht, beispielsweise durch Inkontaktbringen der Stempelfläche mit einer Lösung der Verbindung V. Anschließend wird in der Regel etwaiges Lösungsmittel entfernt und dann die so behandelte Stempelfläche, die nunmehr mit der Verbindung V belegt ist, mit der Oberfläche, auf welcher die Biomoleküle immobilisiert werden sollen, in Kontakt gebracht. Grundsätzlich kann die Verbindung V jedoch auch nach anderen Methoden zur Herstellung von High-Density Arrays auf die Oberfläche aufgebracht werden.The application of the compounds pre-localized in the places P on the surface on which the biomolecules are to be immobilized succeeds, for example, in the μCP technique described above. For this purpose, the compound V is applied uniformly to the stamp surface, for example by bringing the stamp surface into contact with a solution of the compound V. Then, as a rule, any solvent is removed and then the stamp surface treated in this way, which is now covered with the compound V, with the surface on which the biomolecules are to be immobilized. In principle, however, the compound V can also be applied to the surface by other methods for producing high-density arrays.
Variante 2 kann grundsätzlich auf beliebigen Oberflächen durchgeführt werden, die oben gemachten Ausführungen hierzu gelten entsprechend. Es hat sich jedoch als besonders vorteilhaft erwiesen, Variante 2 auf einer der oben beschriebenen Hydrogel-Oberflächen, speziell auf einer aus sternförmigen Präpolymeren aufgebauten Hydrogelschicht, durchzuführen, insbesondere wenn Proteine immobilisiert werden. Als Träger mit Hydrogel- bildender Oberfläche sind aber auch die oben genannten kommerziellen Produkte, wie sie von XanTec Bioanalytics GmBH und Perkin-Elmer vertrieben werden.Variant 2 can basically be carried out on any surface, the explanations given above apply accordingly. However, it has proven to be particularly advantageous to carry out variant 2 on one of the hydrogel surfaces described above, especially on a hydrogel layer composed of star-shaped prepolymers, in particular when proteins are immobilized. However, the above-mentioned commercial products, such as those sold by XanTec Bioanalytics GmBH and Perkin-Elmer, are also suitable as carriers with a hydrogel-forming surface.
Demnach ist eine besonders bevorzugte Ausführungsform von Variante 2 ein Verfahren, bei dem man: in einem ersten Schritt auf einem Träger eine Hydrogel-bildende Oberflächenschicht bereitstellt, die an ihrer Oberfläche eine Vielzahl funktioneller Gruppen aufweist, die mit hierzu komplementären funktionellen Gruppen unter Bindungsbildung reagieren, auf eine Stempelfläche, die eine Vielzahl von erhabenen Flächen aufweist, eine Verbindung V aufbringt, die eine oder mehrere funktionelle Gruppen aufweist, die mit den funktionellen Gruppen der Oberfläche unter Ausbildung einer kovalenten Bindung reagieren können, und die ausserdem eine oder mehrere davon verschiedene funktionelle Gruppen aufweist, die eine Bindung zu dem zu immobilisierenden Biomolekül ausbilden können; die so behandelte Stempelfläche mit der Hydrogel-bildenden Oberflächenschicht in Kontakt bringt, wobei man eine Oberfläche erhält, die eine Vielzahl von räumlich getrennten Plätzen P aufweist, die mit der Verbindung V belegt sind, anschließend eine oder mehrere, voneinander verschiedene Lösungen der zu immobilisierenden Biomoleküle in wenigstens zwei voneinander räumlich getrennten Flächenbereichen B so aufbringt, dass die Flächenbereiche jeweils eine Vielzahl der Plätze, welche mit der Verbindung V belegt sind, abdecken, wobei die Biomoleküle an den Plätzen immobilisiert werden, und anschließend nicht immobilisierte Biomoleküle entfernt.Accordingly, a particularly preferred embodiment of variant 2 is a process in which: in a first step, a hydrogel-forming surface layer is provided on a support which has a large number of functional groups on its surface which react with complementary functional groups to form bonds, applies a compound V, which has one or more functional groups, to a stamp surface which has a multiplicity of raised surfaces can react with the functional groups of the surface to form a covalent bond, and which furthermore has one or more different functional groups which can form a bond to the biomolecule to be immobilized; the stamp surface thus treated is brought into contact with the hydrogel-forming surface layer, a surface being obtained which has a multiplicity of spatially separated places P which are occupied by the compound V, then one or more different solutions of the biomolecules to be immobilized in at least two spatially separated surface areas B in such a way that the surface areas each cover a large number of the places which are occupied by the compound V, the biomolecules being immobilized in the places and subsequently removing non-immobilized biomolecules.
Das Lösungsmittel und die Konzentration der Verbindung V in der Lösung richtet sich nach der Art der Verbindung V. Die optimalen Lösungsmittel und Konzentrationen können vom Fachmann in einfacher Weise mit wenigen Routineexperimenten ermittelt werden. Bevorzugt sind dabei grundsätzlich solche Lösungsmittel, die einerseits die Verbindung V in der gewünschten Konzentration lösen und sich gleichzeitig leicht entfernen lassen, insbesondere Lösungsmittel mit einer Siedetemperatur unterhalb 120°C. Beispiele für Lösungsmittel sind Wasser, wässrige Lösungsmittelmischungen und organische Lösungsmittel, z.B. die bei der Variante 1 genannten Lösungsmittel und wässrigen Lösungsmittelgemische.The solvent and the concentration of compound V in the solution depend on the type of compound V. The optimum solvents and concentrations can be determined in a simple manner by a person skilled in the art with a few routine experiments. In principle, preference is given to solvents which, on the one hand, dissolve the compound V in the desired concentration and at the same time can be easily removed, in particular solvents with a boiling temperature below 120 ° C. Examples of solvents are water, aqueous solvent mixtures and organic solvents, e.g. the solvents mentioned in variant 1 and aqueous solvent mixtures.
Das Aufbringen der Biomoleküle in räumlich voneinander getrennten Flächenbereichen kann in an sich bekannter Weise mittels der üblichen Spotting-Techniken, wie bei Variante 1 ausführlich beschrieben, erfolgen. Bezüglich der genauen Verfahrensbedingungen, insbesondere der Temperatur und der Wahl der Lösungsmittel gelten die obigen Ausführungen entsprechend.The biomolecules can be applied in spatially separated surface areas in a manner known per se by means of the usual spotting techniques, as described in detail in variant 1. With regard to the exact process conditions, in particular the temperature and the choice of solvents, the above statements apply accordingly.
Der in der Regel erforderliche Waschschritt erfolgt durch Abspülen mit einer geeigneten Waschlösung. Hier gelten die zu Variante 1 gemachten Ausführungen entsprechend.The washing step usually required is carried out by rinsing with a suitable washing solution. The explanations given for variant 1 apply accordingly.
Die in Variante 2 eingesetzten Verbindungen V sind in der Regel solche Verbindungen, die einerseits eine Bindung zu der Oberfläche ausbilden, auf der die Biomoleküle immobilisiert werden sollen, und gleichzeitig eine Bindung zu speziellen Bindungszentren in den Biomolekülen ausbilden können. Die Anbindung der Verbindung V an die Oberfläche erfolgt üblicherweise durch kovalente Bindungen, beispielsweise über Ester-, Amid-, Amino- , Sulfonamid-, Urethan-, Harnstoff- oder Thiourethan-Gruppen. Dementsprechend weisen die Verbindungen V in der Regel wenigstens eine der vorgenannten Gruppen R' auf, welche mit den reaktiven Gruppen R der Oberfläche, insbesondere der Hydrogel-bildenden Oberfläche unter Ausbildung einer kovalenten Bindung reagieren können. Weiterhin weisen die Verbindungen V wenigstens ein weiteres Bindungszentrum auf, das eine Bindung mit dem Biomolekül eingehen kann.The compounds V used in variant 2 are generally those compounds which, on the one hand, form a bond to the surface on which the biomolecules are to be immobilized, and at the same time bind to specific binding centers in the Can form biomolecules. Compound V is usually bound to the surface by covalent bonds, for example via ester, amide, amino, sulfonamide, urethane, urea or thiourethane groups. Accordingly, the compounds V generally have at least one of the aforementioned groups R ', which can react with the reactive groups R of the surface, in particular the hydrogel-forming surface, to form a covalent bond. Furthermore, the compounds V have at least one further binding center which can bind to the biomolecule.
Bei der Bindung an das Biomolekül kann es sich um kovalente, ionische, koordinative, hydrophobe Wechselwirkung, eine Wechselwirkung über Wasserstoffbrücken-Bindungen oder eine Mischform der vorgenannten Bindungen (affinitive Bindung, wie sie beispielsweise bei Protein-Ligand oder Protein-Protein-Wechselwirkungen auftreten). In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei diesem Bindungszentrum um ein Zentrum, das eine koordinative Bindung zum Biomolekül ausbilden kann, die über ein Übergangsmetallatom vermittelt wird. Bezüglich der Art der Übergangsmetallatome gilt das oben gesagte. Insbesondere handelt es sich um Übergangsmetallatome der dritten Periode und speziell solche, die zweiwertige Ionen ausbilden können, wie in Kupfer(ll), Nickl(ll), Zink(ll), Kobalt(ll) und Eisen(ll). Vorzugsweise binden derartige Verbindungen V das Metallatom als Chelat, d. h. die Verbindungen V weisen wenigstens 2, vorzugsweise wenigstens 3, z. B. 3, 4 oder 5 funktionelle Gruppen auf, die eine koordinative Bindung zu den oben genannten Metallionen ausbilden können. Die räumliche Anordnung der funktionellen Gruppen ist dabei vorzugsweise so gewählt, dass die Anbindung in Form eines Chelats über alle funktionellen Gruppen der Verbindung erfolgt. Beispiele für geeignete Verbindungen V, welche Metallatome koordinativ zu binden vermögen und die gleichzeitig eine reaktive Gruppe R' aufweisen, umfassen beispielsweise a- romatische Orthohydroxy-Aldehyde wie Salicylaldehyd, funktionalisierte Pyridin- und Chi- noIin-Verbindungen, wie 8-Hydroxychinolin, Dipicolylamin, N-2-Pyridylmethylaminoacetat, weiterhin Polycarbonsäuren mit vorzugsweise wenigstens 2, z.B. 2, 3, 4, 5 oder 6 Carbo- xylgruppen, insbesondere Verbindungen, die wenigstens 2, z. B. 2, 3, 4, 5 oder 6 Carbo- xymethyl-Gruppen und gegebenenfalls eine weitere funktionelle Gruppe R' aufweisen, wie in Iminodiessigsäure, Nitrilotriessigsäure und ihre Derivate, wie sie von Liu et al., Synthe- sis, 2002, 10, 1398, beschrieben werden, carboxymethylierte Asparaginsäure, N,N,N- Tris(carboxymethyl)ethylendiamin, N,N,N,N-Tetra(carboxymethyl)ethylendiamin (EDTA) und dergleichen, weiterhin ortho-Phosphoserin und dergleichen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung setzt man ein Amino-funktionalisiertes Derivat einer Ver- bindung ein, die wenigstens zwei Carboxymethyl-Gruppen aufweist, insbesondere ein Amino-funktionalisiertes Derivat der Nitrilotriessigsäure wie Lysin-NTA (= 6-Amino-2- (N,N-bis(carboxymethyl)amino)-hexansäure). Die Verbindungen V, die mit Übergangsmetallionen Komplexe bilden können, können in komplexierter Form oder vorzugsweise in unkomplizierter Form auf die Oberfläche aufgebracht werden. Bei Einsatz unkomplexier- ter Verbindungen V wird man dann im Anschluss eine Komplexierung durch Spülen mit einer Metallionen-haltigen Lösung durchführen. Gegebenenfalls wird man im Anschluss an das Aufbringen der Verbindung V bzw. im Anschluss an das Komplexieren der an die Oberfläche gebundenen Verbindung V einen Waschschritt einführen, um überschüssige Verbindung V und/oder überschüssige Metallionen zu entfernen.The binding to the biomolecule can be covalent, ionic, coordinative, hydrophobic interaction, an interaction via hydrogen bonds or a mixed form of the aforementioned bonds (affinitive binding, as occurs, for example, in protein-ligand or protein-protein interactions) , In a first preferred embodiment of the invention, this binding center is a center which can form a coordinative bond to the biomolecule, which is mediated via a transition metal atom. With regard to the type of transition metal atoms, what has been said above applies. In particular, these are transition metal atoms of the third period and especially those which can form divalent ions, such as in copper (II), nickel (II), zinc (II), cobalt (II) and iron (II). Such compounds V preferably bind the metal atom as a chelate, ie the compounds V have at least 2, preferably at least 3, e.g. B. 3, 4 or 5 functional groups that can form a coordinative bond to the above metal ions. The spatial arrangement of the functional groups is preferably selected so that the connection is made in the form of a chelate over all functional groups of the connection. Examples of suitable compounds V which are capable of coordinatively binding metal atoms and which simultaneously have a reactive group R 'include, for example, aromatic orthohydroxy aldehydes such as salicylaldehyde, functionalized pyridine and quinoline compounds, such as 8-hydroxyquinoline, dipicolylamine, N-2-pyridylmethylaminoacetate, furthermore polycarboxylic acids with preferably at least 2, for example 2, 3, 4, 5 or 6, carboxyl groups, in particular compounds which contain at least 2, for. B. 2, 3, 4, 5 or 6 carboxymethyl groups and optionally have a further functional group R ', as in iminodiacetic acid, nitrilotriacetic acid and their derivatives, as described by Liu et al., Synthesis, 2002, 10 , 1398, carboxymethylated aspartic acid, N, N, N-tris (carboxymethyl) ethylenediamine, N, N, N, N-tetra (carboxymethyl) ethylenediamine (EDTA) and the like, further ortho-phosphoserine and the like. In a preferred embodiment of the invention, an amino-functionalized derivative of a compound bond, which has at least two carboxymethyl groups, in particular an amino-functionalized derivative of nitrilotriacetic acid such as lysine-NTA (= 6-amino-2- (N, N-bis (carboxymethyl) amino) hexanoic acid). The compounds V, which can form complexes with transition metal ions, can be applied to the surface in complexed form or preferably in uncomplicated form. If uncomplexed compounds V are used, a complexation is then carried out by rinsing with a solution containing metal ions. If appropriate, after the application of the compound V or after the complexation of the compound V bound to the surface, a washing step will be introduced in order to remove excess compound V and / or excess metal ions.
Im Falle von Carbonsäuren als Verbindungen V kann man diese auch in Carboxyl- geschützter Form, d. h. als Ester einsetzen. Geeignete Schutzgruppen für Carboxylgrup- pen sind dem Fachmann aus der einschlägigen Literatur bekannt, wobei solche Gruppen bevorzugt werden, die sich unter Bedingungen abspalten lassen, die die Oberfläche, z. B. die Hydrogel-Schicht nicht beeinträchtigen oder gar zerstören. Beispiel hierfür ist die tert.- Butylgruppe, die sich thermisch, z. B. durch Erhitzen auf 150-220°C, vorzugsweise bei vermindertem Druck, entfernen lässt.In the case of carboxylic acids as compounds V, they can also be in carboxyl-protected form, ie. H. use as ester. Suitable protective groups for carboxyl groups are known to the person skilled in the art from the relevant literature, preference being given to those groups which can be split off under conditions which affect the surface, eg. B. do not impair or even destroy the hydrogel layer. An example of this is the tert-butyl group, which is thermally, for. B. can be removed by heating to 150-220 ° C, preferably under reduced pressure.
Bei den zur Komplexierung eingesetzten Lösungen handelt es sich üblicherweise um wässrige Lösungen wasserlöslicher Salze der Metallionen, z.B. Lösungen der Chloride, Nitrate, Sulfate, Acetate etc. Die Konzentration der Metallionen in der Lösung liegt in der Regel im Bereich von 1 mM bis 1 M. Je nach Art des Liganden und der Natur des Metallions beträgt der pH-Wert der Lösung in der Regel 5 bis 12, insbesondere 6 bis 11. Die Lösungen können gegebenenfalls noch schwache Komplexbildner enthalten, z.B. Ammoniak, um die Löslichkeit der Metallionen bei höheren pH-Werten zu gewährleisten.The solutions used for complexation are usually aqueous solutions of water-soluble salts of the metal ions, e.g. Solutions of chlorides, nitrates, sulfates, acetates etc. The concentration of the metal ions in the solution is generally in the range from 1 mM to 1 M. Depending on the type of ligand and the nature of the metal ion, the pH of the solution is in the Rule 5 to 12, in particular 6 to 11. The solutions may optionally contain weak complexing agents, for example Ammonia to ensure the solubility of the metal ions at higher pH values.
In einer anderen Ausführungsform des Verfahrens 2 weisen die Verbindungen V neben der zur Anbindung der Verbindung V erforderlichen reaktiven Gruppe R' eine Gruppe auf, die über wenigstens 2 und vorzugsweise über wenigstens 3 Wasserstoffbrücken- Bindungen an das Biomolekül binden kann. Derartige Gruppen sind beispielsweise Oligo- nukleotid-Gruppen mit wenigstens 2, vorzugsweise wenigstens 3, z. B. 3 bis 100 und insbesondere 3 bis 20 Nukleotidbasen aufweisen. An diese Gruppen können solche Biomoleküle binden, die eine hierzu komplementäre Oligonukleotid-Sequenz aufweisen, wobei der Anteil komplementärer Basen wenigstens 50% betragen sollte. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung setzt man als Verbindungen V solche Substanzen ein, die bekannterweise mit Biomolekülen eine affinitive Wechselwirkung eingehen. Beispiele für geeignete Verbindungen V sind Liganden, z.B. Haptene und Antikörper, die so funktionalisiert sind, d.h. eine Gruppe R' aufweisen, dass die mit der Oberfläche unter Ausbildung einer kovalenten Bindung reagieren können. Hierzu zählen auch chemische Verbindungen V, die neben wenigstens einer reaktiven Gruppe R' eine weitere Molekülgruppe oder Aminosäure-Sequenz aufweisen, die mit dem Biomolekül im Sinne einer affinitiven Wechselwirkung, beispielsweise einer Protein-Ligand oder Protein- Protein-Wechselwirkung binden können. Beispiele hierfür sind Biotin-Derivate, die mit einer Gruppe R' modifiziert sind und somit einen Anker für Biomoleküle bilden, die ein Streptavidin- oder Avidin-Sequenz aufweisen, sowie Streptavidin-und Avidin-Derivate, die mit einer Gruppe R' modifiziert sind, so dass sie einen Anker für biotinylierte Biomoleküle darstellen.In another embodiment of method 2, the compounds V have, in addition to the reactive group R ′ required for the connection of the compound V, a group which can bind to the biomolecule via at least 2 and preferably via at least 3 hydrogen bonds. Such groups are, for example, oligonucleotide groups with at least 2, preferably at least 3, e.g. B. 3 to 100 and in particular 3 to 20 nucleotide bases. Biomolecules which have an oligonucleotide sequence complementary thereto can bind to these groups, the proportion of complementary bases being at least 50%. In a further embodiment of the invention, compounds V are used which are known to have an affinitive interaction with biomolecules. Examples of suitable compounds V are ligands, for example haptens and antibodies, which are functionalized, ie have a group R 'such that they can react with the surface to form a covalent bond. This also includes chemical compounds V which, in addition to at least one reactive group R ', have a further molecular group or amino acid sequence which can bind to the biomolecule in the sense of an affinitive interaction, for example a protein ligand or protein-protein interaction. Examples include biotin derivatives which are modified with a group R 'and thus form an anchor for biomolecules which have a streptavidin or avidin sequence, and streptavidin and avidin derivatives which are modified with a group R', so that they are an anchor for biotinylated biomolecules.
Die zu immobilisierenden Biomoleküle weisen naturgemäß wenigstens eine Bindungsstelle auf, die an die auf der Oberfläche fixierte Substanz V eine Bindung, beispielsweise eine kovalente Bindung, eine koordinative Bindung, eine Wasserstoffbrücken-Bindung oder eine affinitive Bindung ausbilden kann. Beispiele für derartige Gruppen wurden teilweise bereits oben bei den Verbindungen V abgehandelt.The biomolecules to be immobilized naturally have at least one binding site which can form a bond to the substance V fixed on the surface, for example a covalent bond, a coordinative bond, a hydrogen bond or an affinitive bond. Examples of such groups have already been dealt with in part above for compounds V.
Biomoleküle, die unter Ausbildung einer kovalenten Bindung an die Substanz V binden, weisen beispielsweise eine hierzu komplementär reaktive Gruppe auf (siehe oben). Diese Biomoleküle, die an eine Oligonukleotid-Sequenz binden, weisen naturgemäß eine hierzu zumindest teilweise komplementäre Sequenz auf, wobei vorzugsweise wenigstens zwei benachbarte Basenpaare in der Oligonukleotid-Sequenz des Biomoleküls komplementär zu zwei benachbarten Basenpaaren der Oligonukleotid-Sequenz der Substanz V sind. Vorzugsweise beträgt die Übereinstimmung wenigstens 50%.Biomolecules that bind to substance V with the formation of a covalent bond have, for example, a group that is complementarily reactive to this (see above). These biomolecules which bind to an oligonucleotide sequence naturally have a sequence which is at least partially complementary to this, preferably at least two adjacent base pairs in the oligonucleotide sequence of the biomolecule being complementary to two adjacent base pairs of the oligonucleotide sequence of substance V. The agreement is preferably at least 50%.
Bei einer Anbindung des Biomoleküls über affinitive Wechselwirkungen weist das Biomolekül naturgemäß wenigstens eine Gruppe auf, die mit der Substanz V im Sinne einer Protein-Ligand oder Protein-Protein-Wechselwirkung binden kann, beispielsweise bei einer Streptavidin-modifizierten Verbindung V, eine Biotin-Einheit oder bei einer Biotin- modifizierten Substanz als Verbindung V eine Streptavidin-Einheit.When the biomolecule is linked via affinitive interactions, the biomolecule naturally has at least one group that can bind with substance V in the sense of a protein ligand or protein-protein interaction, for example in the case of a streptavidin-modified compound V, a biotin unit or in the case of a biotin-modified substance as compound V, a streptavidin unit.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei der Substanz V um eine Substanz, welche ein Übergangsmetallion der oben bezeichneten Art koordiniert. In diesem Fall weist das Biomolekül eine Molekülgruppe auf, die seinerseits als Ligand, vorzugsweise als chelatisierender Ligand mit dem Übergangsmetall-Ion eine koordinierende Bindung eingehen kann. Vorzugsweise ist jedoch die gelatisierende Wirkung dieser Gruppe nicht so stark, dass es zu einer vollständigen Verdrängung des gelatisierenden Teils der Verbindung V kommt. Chelatisierende Liganden in den Biomolekülen sind insbesondere solche, die wenigstens zwei, insbesondere 2 oder 3 zur Koordination an ein Metallatom geeignete Gruppen aufweisen, beispielsweise 1, 2 oder 3 Carboxylatgruppen und/oder 1, 2 oder 3 Aminogruppen und/oder 1, 2 oder 3 Iminogruppen. Hierunter bevorzugt sind insbesondere Gruppen, die wenigstens eine oder vorzugsweise 2 oder 3, räumlich benachbarte Imidazolgruppen aufweisen. Hierunter bevorzugt sind insbesondere solche Gruppen, die von Histidin oder Oligohistidin-Sequenzen abgeleitet sind. Derartige Gruppen werden auch als Histidin-Tag oder His tag bezeichnet.In a preferred embodiment of the invention, substance V is a substance which coordinates a transition metal ion of the type described above. In this case, the biomolecule has a group of molecules, which in turn can form a coordinating bond with the transition metal ion as a ligand, preferably as a chelating ligand. However, the gelating effect of this group is preferably not so strong that the gelating part of compound V is completely displaced. Chelating ligands in the biomolecules are in particular those which have at least two, in particular 2 or 3, groups which are suitable for coordination to a metal atom, for example 1, 2 or 3 carboxylate groups and / or 1, 2 or 3 amino groups and / or 1, 2 or 3 imino groups. Preferred among these are in particular groups which have at least one or preferably 2 or 3, spatially adjacent imidazole groups. Preferred among these are in particular those groups which are derived from histidine or oligohistidine sequences. Such groups are also referred to as histidine tag or His tag.
Derartig funktionalisierte Biomoleküle und Verfahren zur Funktionalisierung nicht funktio- nalisierter Biomoleküle sind aus der Literatur bekannt, beispielsweise aus J. Chromat. 411 (1987) 177-184 (Histidin-Tag), Casey et al., J. Immunol Methods, 1995, 179, 105-116 (Histidin-Tag), Stiborova et al., Biotechnology and Bioengineering, 2003, 82, 605-611 sowie dort zitierten Literatur (Metallkomplexierung vermittelnde Tags), Christian Jakob, Dissertation der Universität Göttingen, 2001 und darin zitierte Literatur (Neuere Methoden und Übersicht zu Biotinylierung).Such functionalized biomolecules and methods for functionalizing non-functionalized biomolecules are known from the literature, for example from J. Chromat. 411 (1987) 177-184 (histidine tag), Casey et al., J. Immunol Methods, 1995, 179, 105-116 (histidine tag), Stiborova et al., Biotechnology and Bioengineering, 2003, 82, 605 -611 and the literature cited there (tags conveying metal complexation), Christian Jakob, dissertation from the University of Göttingen, 2001 and literature cited therein (newer methods and overview of biotinylation).
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Variante 2 des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Hydrogel-bildende Oberflächenschicht aus den oben beschriebenen, miteinander vernetzten sternförmigen Präpolymeren aufgebaut, welche im Mittel wenigstens 4 Polymerarme A aufweisen, die für sich gesehen wasserlöslich sind. Das Aufbringen der Substanz V kann dabei vor, vorzugsweise jedoch während oder im Anschluss an die Vernetzung der Präpolymere erfolgen. Vorzugsweise weist die Hydrogel-bildende Oberflächenschicht eine Vielzahl der oben in Tabelle 1 genannten Funktionellen Gruppen R und insbesondere Isocyanat-Gruppen und/oder Aminogruppen auf.According to a particularly preferred embodiment of variant 2 of the method according to the invention, the hydrogel-forming surface layer is composed of the above-described, cross-linked star-shaped prepolymers which on average have at least 4 polymer arms A, which are water-soluble in themselves. The substance V can be applied before, but preferably during or after the crosslinking of the prepolymers. The hydrogel-forming surface layer preferably has a multiplicity of the functional groups R mentioned above in Table 1 and in particular isocyanate groups and / or amino groups.
Bei der besonders bevorzugten Ausgestaltung der Variante 2 mit Hydrogel-bildender O- berflächenschicht haben sich insbesondere solche Verbindungen V bewährt, die eine Immobilisierung des Biomoleküls durch eine über ein Übergangsmetall vermittelte koordinative Bindung bewirken. Dementsprechend sind die Verbindungen V vorzugsweise unter den oben erwähnten chelatisierenden Verbindungen ausgewählt, insbesondere unter den oben erwähnten Polycarbonsäuren mit wenigstens 2 Carboxylgruppen, z.B. 2, 3, 4, 5 o- der 6 Carboxylgruppen, die noch eine funktionelle Gruppe aufweisen, welche mit den funktionellen Gruppen der Hydrogel-Bildenden Oberflächenschicht unter Ausbildung einer kovalenten Bindung reagiert. Beispiele hierfür sind insbesondere die bereits erwähnten Verbindungen mit wenigstens zwei, z.B. 2, 3, 4, 5 oder 6 Carboxymethyl-Gruppen, insbesondere Amino-funktionalisierte Derivate der Nitrilotriessigsäure wie Lysin-NTA (= 6- Amino-2-(biscarboxymethylamino)-hexansäure).In the particularly preferred embodiment of variant 2 with a hydrogel-forming surface layer, compounds V have proven particularly effective which bring about an immobilization of the biomolecule by means of a coordinative bond mediated by a transition metal. Accordingly, the compounds V are preferably selected from the above-mentioned chelating compounds, in particular from the above-mentioned polycarboxylic acids with at least 2 carboxyl groups, for example 2, 3, 4, 5 o- of the 6 carboxyl groups which still have a functional group which reacts with the functional groups of the hydrogel-forming surface layer to form a covalent bond. Examples of these are in particular the compounds already mentioned with at least two, for example 2, 3, 4, 5 or 6, carboxymethyl groups, in particular amino-functionalized derivatives of nitrilotriacetic acid such as lysine-NTA (= 6-amino-2- (biscarboxymethylamino) -hexanoic acid) ).
Variante 2 in Verbindung mit einer Hydrogel-bildenden Oberflächenschicht hat sich insbesondere zur Immobilisierung von komplexen Biomolekülen bewährt, die leicht denaturieren, speziell zur Immobilisierung von Proteinen. Eine ganz besonders bevorzugte Ausführungsform von Variante 2 mit Hydrogel-bildender Oberflächenschicht betrifft somit die Immobilisierung von Proteinen, von Proteinen, die vermittels einer koordinativen Bindung an die Oberfläche binden und speziell von Proteinen mit Histidin-Tags oder vergleichbaren Tags, wie sie von Stiborova et al., Biotechnology and Bioengineering, 2003, 82, 605- 611 sowie in der dort zitierten Literatur beschrieben werden.Variant 2 in combination with a hydrogel-forming surface layer has proven particularly useful for the immobilization of complex biomolecules that easily denature, especially for the immobilization of proteins. A very particularly preferred embodiment of variant 2 with a hydrogel-forming surface layer thus relates to the immobilization of proteins, of proteins which bind to the surface by means of a coordinative bond, and in particular of proteins with histidine tags or comparable tags, as described by Stiborova et al ., Biotechnology and Bioengineering, 2003, 82, 605-611 and in the literature cited there.
Bezüglich des Aufbringens der Bereiche der Biomoleküle auf die mit der Verbindung V strukturierte Oberfläche gilt grundsätzlich das oben für das Aufbringen von Biomolekülen auf Stempelflächen gesagte, wobei das direkte Spotting (kontaktfrei oder mit Kontakt) bevorzugt wird. Dabei kann das Biomolekül in Reinform oder als Rohprodukt einer Funk- tionalisierung eingesetzt werden, da das mit der Bindungsstelle versehene Biomolekül selektiv an die mit der Substanz V belegten Plätze P bindet.With regard to the application of the areas of the biomolecules to the surface structured with the compound V, what has been said above applies to the application of biomolecules to stamp surfaces, with direct spotting (contactless or in contact) being preferred. The biomolecule can be used in pure form or as a raw product of a functionalization, since the biomolecule provided with the binding site selectively binds to the positions P occupied by the substance V.
In der Regel schließt sich dem Aufbringen des Biomoleküls ein Waschschritt an. Dieser Waschschritt dient dazu, nicht gebundenes Biomolekül von der Oberfläche des Arrays zu entfernen. Als Waschflüssigkeiten kommen grundsätzlich solche Flüssigkeiten in Betracht, welche das Biomolekül lösen und gleichzeitig die Oberfläche nicht beschädigen. Insbesondere geeignet sind wässrige Lösungsmittel, die neben Wasser auch geringe Anteile, vorzugsweise nicht mehr als 40 und insbesondere nicht mehr als 10% organische, mit Wasser mischbare Lösungsmittel, beispielsweise Alkohole wie Methanol, Etha- nol und dergleichen enthalten können. Diese Waschflüssigkeiten können auch oberflächenaktive Substanzen wie oben genannt enthalten. Der Anteil an oberflächenaktiven Substanzen wird in der Regel nicht mehr als 5 Gew.-%, bezogen auf die Waschflüssigkeit betragen. Weiterhin können die Waschflüssigkeiten auch die in der Biotechnolgie üblichen Puffer, insbesondere PBS-Puffer SSC-Puffer und vergleichbare enthalten, in den hierfür üblichen Konzentrationen. Die Art der zusätzlichen Bestandteile richtet sich in an sich bekannter Weise nach der Art des auf der Oberfläche immobilisierten Biomoleküls.The application of the biomolecule is usually followed by a washing step. This washing step serves to remove unbound biomolecule from the surface of the array. Basically, such liquids are liquids which dissolve the biomolecule and at the same time do not damage the surface. Particularly suitable are aqueous solvents which, in addition to water, can also contain small proportions, preferably not more than 40 and in particular not more than 10%, of organic, water-miscible solvents, for example alcohols such as methanol, ethanol and the like. These washing liquids can also contain surface-active substances as mentioned above. The proportion of surface-active substances will generally not be more than 5% by weight, based on the washing liquid. Furthermore, the washing liquids can also contain the buffers customary in biotechnology, in particular PBS buffers, SSC buffers and similar, in the concentrations customary for this. The type of additional components is aimed at known manner according to the type of biomolecule immobilized on the surface.
Sind in einem oder mehreren Bereichen die immobilisierten Biomoleküle mit einer Markierung versehen, so kann sich nun eine Qualitätskontrolle des Arrays anschließen. Dazu kann der Array mit einem der Markierung entsprechenden Detektionssystem vermessen werden. Über die gemessene Menge an immobilisierter Markierung lassen sich insbesondere die Kopplungseffizienz und damit die Immobilisierung der Biomoleküle in Bezug auf Fläche, Homogenität und Dichte beurteilen.If the immobilized biomolecules are marked in one or more areas, quality control of the array can now follow. For this purpose, the array can be measured with a detection system corresponding to the marking. In particular, the coupling efficiency and thus the immobilization of the biomolecules can be assessed in terms of area, homogeneity and density via the measured amount of immobilized marking.
Grundsätzlich sind alle Markierungsarten geeignet. Vorzugsweise wird die Markierung so gewählt, daß sie nicht oder nur minimal mit der nachfolgenden Analytik interferiert, die Verwendung der Arrays also nicht oder nur unwesentlich beeinflußt. Dazu sind vor allem gegebenenfalls erforderliche Markierungen der Probe, also insbesondere von Nuklein- säure-Targets zu beachten. Andererseits kann die Markierung so gewählt werden, daß sie mit der Markierung der Probe wechselwirkt. Das von wechselwirkenden Markierungen ausgehende Signal kann unterscheidbar sein von demjenigen, das von den entsprechenden nicht wechselwirkenden Markierungen ausgeht. Die Wechselwirkung kann beispielsweise die Signalintensität beeinflussen, z.B. verstärken oder quenchen, oder das Signal modifizieren, z.B. die Wellenlänge absorbierten oder emittierten Lichts verändern.Basically, all types of marking are suitable. The marking is preferably selected so that it does not interfere with the subsequent analysis, or only minimally, so that it does not influence the use of the arrays, or only to an insignificant extent. For this purpose, any markings on the sample that may be necessary, in particular nucleic acid targets, must be observed. On the other hand, the marking can be chosen so that it interacts with the marking of the sample. The signal emanating from interacting markings can be distinguishable from that emanating from the corresponding non-interacting markings. The interaction can influence the signal intensity, e.g. amplify or quench, or modify the signal, e.g. change the wavelength of absorbed or emitted light.
Erfindungsgemäß geeignet sind Markierungssysteme, die sich z.B. spektroskopisch, photochemisch, biochemisch, immunochemisch, elektrisch, optisch oder chemisch erkennen lassen. Dazu gehören sowohl direkte Markierungssysteme, wie radioaktive Marker (z.B. 32P,3H, 125l, 35S, 14C), magnetische Marker, Chromophore, beispielseise UV-, VIS-, oder IR-absorbierende Verbindungen, Fluorophore, chemi- oder biolumineszierende Marker, Übergangsmetalle, die in der Regel chelatgebunden sind, oder Enzyme, z.B. Meerrettich- Peroxidase oder alkalische Phosphatase und die daran gekoppelten Nachweisreaktionen, als auch indirekte Markierungssysteme, beispielsweise Haptene, wie Biotin oder Digoxi- genin, die über entsprechende Nachweissysteme erkannt werden können.Marking systems which can be recognized, for example, spectroscopically, photochemically, biochemically, immunochemically, electrically, optically or chemically are suitable according to the invention. These include direct labeling systems such as radioactive markers (e.g. 32 P, 3 H, 125 l, 35 S, 14 C), magnetic markers, chromophores, for example UV, VIS or IR absorbing compounds, fluorophores, chemical or bioluminescent markers, transition metals, which are generally chelate-bound, or enzymes, for example horseradish peroxidase or alkaline phosphatase and the detection reactions linked to them, as well as indirect labeling systems, for example haptens, such as biotin or digoxigenin, which can be recognized by corresponding detection systems ,
Vorteilhafte Chromophore besitzen eine intensive Farbe, die von den umgebenden Molekülen nur geringfügig absorbiert wird. Farbstoff klassen, wie Chinoline, Triarylmethane, Acridine, Alizarine, Phthaleine, Azoverbindungen, Anthrachinone, Cyanine, Phenazathio- niumverbindungen oder Phenazoxoniumverbindungen, seien hier stellvertretend für das breite Spektrum erfindungsgemäß geeigneter Chromophore genannt. Fluoreszierende Markierungen werden bevorzugt. Man erhält starke Signale mit wenig Hintergrund, hoher Auflösung und hoher Sensitivität. Erfindungsgemäß von Vorteil ist, daß ein und derselbe Fluorophor je nach Anregung und Detektionsprinzip mehrere unterscheidbare Strahlungen emittieren kann. Fluorophore können allein oder in Kombination mit einem Quencher (z.B. Molecular Beacons) verwendet werden. Geeignete Fluorophore sind beispielsweise Aminomethylcoumarinessigsäure (AMCA, blau), EDANS, BODIPY 493/503; FL; FL Br2; R6G; 530/550; 558/568; TMR 542/574; TR 589/617; 630/650; 650/665, 6-FAM Fluorescein (grün), 6-OREGON green 488, TET, Cy3 (rot), Rhodamine (rot), 6-JOE, HEX, 5-TAMRA, NED, 6-ROX, TEXAS Red7 (rot), Cy5, Cy5.5, LaJolla Blue, Cy7, Alexa Fluor-Carbonsäuren, insbesondere des Typs 647 und 532, z.B. als Succinimi- dylester, und IRD41.Favorable chromophores have an intense color that is only slightly absorbed by the surrounding molecules. Dye classes such as quinolines, triarylmethanes, acridines, alizarines, phthaleins, azo compounds, anthraquinones, cyanines, phenazathionium compounds or phenazoxonium compounds are representative of the broad spectrum of chromophores suitable according to the invention. Fluorescent labels are preferred. You get strong signals with little background, high resolution and high sensitivity. It is advantageous according to the invention that one and the same fluorophore, depending on the excitation and detection principle, can emit several distinguishable radiations. Fluorophores can be used alone or in combination with a quencher (e.g. molecular beacons). Suitable fluorophores are, for example, aminomethylcoumarin acetic acid (AMCA, blue), EDANS, BODIPY 493/503; FL; FL Br2; R6G; 530/550; 558/568; TMR 542/574; TR 589/617; 630/650; 650/665, 6-FAM Fluorescein (green), 6-OREGON green 488, TET, Cy3 (red), Rhodamine (red), 6-JOE, HEX, 5-TAMRA, NED, 6-ROX, TEXAS Red7 (red ), Cy5, Cy5.5, LaJolla Blue, Cy7, Alexa fluorocarboxylic acids, in particular of the types 647 and 532, for example as succinimidyl esters, and IRD41.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung auf Basis eine erfindungsgemäßen Arrays, die Beispielsweise als Chip, Microfluid-Vorrichtung oder als Dipstick ausgestaltet sein kann. Vorrichtungen auf Basis von Bioarrays sind dem Fachmann grundsätzlich aus dem eingangs zitierten Stand der Technik bekannt, und können in an sich bekannter Weise mit den erfindungsgemäßen Mikrobioarrays ausgerüstet werden.The invention also relates to a device based on an array according to the invention, which can be configured, for example, as a chip, microfluid device or as a dipstick. Devices based on bioarrays are basically known to the person skilled in the art from the prior art cited at the beginning, and can be equipped in a manner known per se with the microbioarrays according to the invention.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch die Verwendung erfindungsgemäßer Arrays für analytische und insbesondere diagnostische Zwecke.The present invention also relates to the use of arrays according to the invention for analytical and in particular diagnostic purposes.
Beispielhaft seien folgende Anwendungen genannt:The following applications are mentioned as examples:
Diagnostik, Therapiewahl und Therapiekontrolle von Tumor- und Stoffwechselerkrankungen; Untersuchung der genetischen Prädisposition (SNPs), insbesondere die Detektion von Mutationen, auch im forensichen Bereich; Nachweis von Promotormethylierungen (Epigenetics); Genexpressionskontrolle; Sequenzierung, insbesondere Sequenzierung durch Hybridisierung; Mikrobiologische Anwendungen wie in Bakteriologie und Virologie, beispielsweise zur Differenzierung verschiedener Stämme; ELISA-Anwendungen mit immobilisierten Antikörpern, Antigenen, Rezeptoren und Liganden in der klinischen Chemie bis hin zur Lebensmittelchemie und Umweltanalytik; Allergiediagnostik mit immobilisierten Allergene; High Throughput Screening von Substanzbibliotheken; Toxicogenomics.Diagnostics, choice of therapy and therapy control of tumor and metabolic diseases; Investigation of the genetic predisposition (SNPs), in particular the detection of mutations, also in the forensic field; Detection of promoter methylations (Epigenetics); Gene expression control; Sequencing, in particular sequencing by hybridization; Microbiological applications such as in bacteriology and virology, for example for differentiation of different strains; ELISA applications with immobilized antibodies, antigens, receptors and ligands in clinical chemistry to food chemistry and environmental analysis; Allergy diagnostics with immobilized allergens; High throughput screening of substance libraries; Toxicogenomics.
Prinzipiell eignen sich erfindungsgemäße Arrays sowohl für nichtkompetitive als auch für kompetitive analytische Verfahren (Assays).In principle, arrays according to the invention are suitable both for non-competitive and for competitive analytical methods (assays).
Bei nichtkompetitiven Assays tritt die zu analysierende Substanz (Analyt) mit den auf der Oberfläche immobilisierten Biomolekülen in Wechselwirkung. In der Regel wird der Analyt zuvor markiert, möglich ist aber auch eine Markierung, nachdem der Analyt bereits mit den immobilisierten Biomolekülen in Wechselwirkung getreten ist, z.B. mittels Primer Ex- tension oder Rolling-Cycle-PCR. In diesen Fällen erhält man ein Meßsignal, das um so größer ist, je mehr Analyt vorhanden ist. Es ist auch möglich, daß durch die Wechselwirkung der Probe mit den auf der Oberfläche immobilisierten Substanzen die Fluoreszenz der immobilisierten Substanzen verändert wird (Abschwäch ung, Verstärkung, z.B. Molecular Beacons) oder die Aktivität eines Enzyms verändert wird und diese Änderung als Meßsignal registriert wird. Beispiele für nichtkompetitive Assays sind Hybridisierungsreak- tionen von PCR-Produkten oder markierter DNA/RNA an auf der Oberfläche immobilisierte Nukleinsäuren, insbesondere Oligonukleotide oder cDNA, sowie Sandwichimmunoas- says.In non-competitive assays, the substance to be analyzed (analyte) coincides with that on the Interacting surface immobilized biomolecules. As a rule, the analyte is marked beforehand, but marking is also possible after the analyte has already interacted with the immobilized biomolecules, for example by means of primer extension or rolling-cycle PCR. In these cases, a measurement signal is obtained which is greater the more analyte is present. It is also possible that the interaction of the sample with the substances immobilized on the surface changes the fluorescence of the immobilized substances (attenuation, amplification, for example molecular beacons) or changes the activity of an enzyme and this change is registered as a measurement signal. Examples of non-competitive assays are hybridization reactions of PCR products or labeled DNA / RNA to nucleic acids immobilized on the surface, in particular oligonucleotides or cDNA, and sandwich immunoassays.
Bei kompetitiven Verfahren wird der Probe eine markierte Substanz (Marker) zugesetzt, die ähnliche Bindungseigenschaften zu den auf der Oberfläche immobilisierten Biomolekülen hat wie der Analyt selbst. Es findet eine Konkurrenzreaktion zwischen Analyt und Marker um die begrenzte Anzahl von Bindungsplätzen auf der Oberfläche statt. Man erhält ein Signal, das um so niedriger ist, je mehr Analyt vorhanden ist. Beispiele für kom- petivie Assays sind Immunoassays (ELISA) und Rezeptorassays).In the case of competitive methods, a labeled substance (marker) is added to the sample which has similar binding properties to the biomolecules immobilized on the surface as the analyte itself. There is a competitive reaction between analyte and marker for the limited number of binding sites on the surface. A signal is obtained which is lower the more analyte is present. Examples of competitive assays are immunoassays (ELISA) and receptor assays).
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele und Figuren veranschaulicht.The invention is illustrated by the following examples and figures.
Figuren:Characters:
Figur 1: Es wird eine schematische Darstellung der Variante 1 des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In Figur 1a wird die Aufsicht auf einen üblichen Polydimethyl- siloxan-Stempel, der eine Vielzahl säulenförmiger Erhebungen aufweist, gezeigt. Figur 1 b zeigt einen Querschnitt durch den in Figur 1 a in der Aufsicht gezeigten Polydimethylsiloxan-Stempel. In Figur 1 c wird schematisch das Aufbringen verschiedener Lösungen der Biomoleküle auf unterschiedliche Bereiche der Stempelfläche und ein Querschnitt durch den so behandelten Stempel gezeigt. Figur 1 d zeigt eine Aufsicht auf die so erhaltene Stempelfläche. Figur 1 e ist eine schematische Darstellung des Inkontaktbringens der behandelten Stempelfläche mit der Substrat-Oberfläche. Figur 1 f zeigt eine schematisierte Aufsicht auf die gestempelten Oberfläche und eine schematisierte Seitenansicht der gestempelten Oberfläche Figur 2: Dargestellt wird in schematisierter Weise die Variante 2 des erfindungsgemäßen Verfahrens. Figur 2 a zeigt einen Querschnitt des verwendeten Stempels. Figur 2 b zeigt schematisiert das Aufdrucken der Substanz V auf eine mit einer Hydrogel- Schicht (1) beschichtete Substratoberfläche. Figur 2 c zeigt die mit der Substanz V (2) bestempelte Oberfläche in der Aufsicht und Figur 2d als Querschnitt. Figur 2 e stellt in schematisierter Weise die Aufsicht auf eine Oberfläche und Figur 2 f deren Querschnitt dar, auf die nach Aufbringen der Substanz V mehrere Spots (3) unterschiedlicher Protein-Lösungen aufgebracht wurden.Figure 1: A schematic representation of variant 1 of the method according to the invention is shown. FIG. 1a shows the top view of a conventional polydimethylsiloxane stamp, which has a large number of columnar elevations. Figure 1 b shows a cross section through the polydimethylsiloxane stamp shown in Figure 1 a in the supervision. FIG. 1 c shows schematically the application of different solutions of the biomolecules to different areas of the stamp surface and a cross section through the stamp treated in this way. Figure 1 d shows a plan view of the stamp surface thus obtained. FIG. 1e is a schematic representation of the contacting of the treated stamp surface with the substrate surface. Figure 1 f shows a schematic plan view of the stamped surface and a schematic side view of the stamped surface Figure 2: The variant 2 of the method according to the invention is shown in a schematic manner. Figure 2 a shows a cross section of the stamp used. FIG. 2 b shows schematically the printing of substance V onto a substrate surface coated with a hydrogel layer (1). Figure 2 c shows the surface stamped with the substance V (2) in the top view and Figure 2d as a cross section. FIG. 2e schematically shows the top view of a surface and FIG. 2f the cross section thereof, to which several spots (3) of different protein solutions were applied after substance V had been applied.
Figur 3: Figuren 3a und 3b zeigen eine fluoreszenmikroskopische Aufnahme eines nach Variante 1 hergestellten Arrays von immobilisiertem Fluorescein in unterschiedlichen Vergrößerungen.Figure 3: Figures 3a and 3b show a fluorescence microscope image of an array of immobilized fluorescein prepared according to variant 1 in different magnifications.
Figur 4: Teilansicht einer fluoreszenzmikroskopischen Aufnahme eines nach Variante 2 hergestellten Bereichs mit einer Vielzahl von Plätzen, auf denen via Biotin fluo- reszenz-markiertes Streptavidin immobilisiert wurde.FIG. 4: partial view of a fluorescence microscope image of an area produced according to variant 2 with a large number of places on which fluorescent-labeled streptavidin was immobilized via biotin.
Figur 5: Teilansicht einer fluoreszenzmikroskopischen Aufnahme eines nach Variante 2 hergestellten Arrays mit einer Vielzahl von Plätzen, auf denen Green- Fluorescent-Protein mit Histidin-Tag mittels Lysin-NTA-Nickel(ll) immobilisiert war.Figure 5: Partial view of a fluorescence microscope image of an array produced according to variant 2 with a large number of places on which green fluorescent protein with histidine tag was immobilized using lysine-NTA-nickel (II).
BeispieleExamples
I. Aminofunktionalisierung des Trägers:I. Amino functionalization of the carrier:
Die Substratoberflächen (Glasplättchen, Mikroskopieträger, Siliziumträger) wurden zunächst vorbehandelt. Hierzu wurden die Substrate 1h bei 60°C in einer Mischung aus konzentriertem wässrigem Ammoniak, Wasserstoffperoxid (25 Gew.-%ig) und Wasser in einem Volumenverhältnis 1 :1 :5 gelagert. Danach wurden sie mehrmals mit Wasser abgespült. Die so behandelten Substrate wurden anschließend in entsalztem Wasser aufbewahrt. Alternativ können die durch Wasser und Aceton vorgereinigten Substrate in einer Plasmaanlage des Typs TePla 100-E der Firma Plasma Systeme 2 Minuten im Sauerstoffplasma behandelt (Druck: 1 mbar, 50W) und anschließend mit Wasser und Aceton nachgewaschen werden. Alternativ können die vorgereinigten Substrate auch unter einer 40 W UV-Lampe mit Wellenlänge von 185 nm für 10 min mit Sauerstoff behandelt (Abstand zwischen Substratoberfläche und Lichtquelle 2 mm), und anschließend mit Wasser und Aceton nachgewaschen werden.The substrate surfaces (glass plates, microscope carriers, silicon carriers) were first pretreated. For this purpose, the substrates were stored for 1 hour at 60 ° C. in a mixture of concentrated aqueous ammonia, hydrogen peroxide (25% by weight) and water in a volume ratio of 1: 1: 5. Then they were rinsed several times with water. The substrates treated in this way were then stored in deionized water. Alternatively, the substrates pre-cleaned by water and acetone can be treated in a plasma system of the type TePla 100-E from the company Plasma Systems in oxygen plasma for 2 minutes (pressure: 1 mbar, 50W) and then washed with water and acetone. Alternatively, the pre-cleaned substrates can also be treated with oxygen under a 40 W UV lamp with a wavelength of 185 nm for 10 min (distance between substrate surface and light source 2 mm), and then washed with water and acetone become.
Zur Aminofunktionalisierung wurden die vorbehandelten Substrate mit einer Amino- silian-Monolage beschichtet. Hierzu wurde die aus dem Wasser entnommene und mit Stickstoff trockengeblasene Probe in eine Glovebox transferiert. Dort wurden die Substrate in einer 0,5%igen (v/v) Lösung von (3-Aminopropyl)trimethoxylsilan in trockenem Toluol 16 h gelagert, anschließend mit Toluol gründlich gewaschen und darin gelagert und vor Benutzung unter Stickstoffatmosphäre in einer Glovebox mittels eines gefilterten Stickstoffstroms getrocknet.For the amino functionalization, the pretreated substrates were coated with an aminosilian monolayer. For this purpose, the sample taken from the water and blown dry with nitrogen was transferred to a glove box. There, the substrates were stored in a 0.5% (v / v) solution of (3-aminopropyl) trimethoxylsilane in dry toluene for 16 h, then washed thoroughly with toluene and stored therein and filtered before use in a glove box under a nitrogen atmosphere Nitrogen stream dried.
Herstellung eines Trägers mit einer Hydrogel-Schicht, die auf ihrer Oberfläche funktionelle Gruppen R aufweist.Production of a carrier with a hydrogel layer which has functional groups R on its surface.
Herstellungsbeispiel 1 :Production example 1:
Ein 6-armiges statistisches Poly(ethyIen/propyIenoxid) mit einem EO/PO-Verhältnis von 80/20 mit einem Molekulargewicht von 3100 g/mol, das an den Enden der Polymerarme mit Isophorondiisocyanat modifiziert worden war (hergestellt analog Beispiel 11 der DE 10216639.0), wurde in einer Konzentration von 1 mg/ml in einer Mischung aus Tetra hydrofu ran und Wasser (1:9 v/v) gelöst. Dann wurde ein amino- funktionalisierter Glasträger, hergestellt nach I, in diese Lösung getaucht und mit einer Geschwindigkeit von 5 mm/sec senkrecht zur Flüssigkeitsoberfläche herausgezogen. Auf diese weise erhielt man eine nahezu monomolekulare Beschichtung des Glasträgers mit dem Präpolymeren, die herstellungsbedingt an ihrer Oberfläche Isocyanatgruppen aufweist.A 6-arm statistical poly (ethylene / propylene oxide) with an EO / PO ratio of 80/20 with a molecular weight of 3100 g / mol, which had been modified at the ends of the polymer arms with isophorone diisocyanate (prepared analogously to Example 11 of DE 10216639.0 ), was dissolved in a concentration of 1 mg / ml in a mixture of tetrahydrofuran and water (1: 9 v / v). Then an amino-functionalized glass slide, manufactured according to I, was immersed in this solution and pulled out perpendicular to the liquid surface at a speed of 5 mm / sec. In this way, an almost monomolecular coating of the glass support with the prepolymer was obtained, which has isocyanate groups on its surface due to the manufacturing process.
Herstellungbeispiel 2:Production example 2:
Ein 6-armiges statistisches Poly(ethylen/propylenoxid) mit einem EO/PO-Verhältnis von 80/20 mit einem Molekulargewicht von 18000 g/mol, das an den Enden der Polymerarme mit Isophorondiisocyanat modifiziert worden war (hergestellt analog Beispiel 11 der DE 10216639.0), wurde in einer Konzentration von 10 mg/ml in trockenem Tetrahydrofuran gelöst. Dann wurde ein aminofunktionalisierter Siliziumträger, hergestellt nach I, mittels Spincoating beschichtet. Hierzu wurde zunächst das nicht rotierende, getrocknete Substrat mit der Präpolymerlösung vollständig benetzt, bevor die Lösung bei einer Endgeschwindigkeit von 4000 U/min für 40 Sekunden ab- geschleudert wurde. Das so beschichtete Substrat wurde dann über Nacht in einer mit Wasserdampf gesättigten Atmosphäre aufbewahrt, wobei man eine Oberfläche mit NH2-Gruppen erhielt.A 6-arm statistical poly (ethylene / propylene oxide) with an EO / PO ratio of 80/20 with a molecular weight of 18000 g / mol, which had been modified at the ends of the polymer arms with isophorone diisocyanate (produced analogously to Example 11 of DE 10216639.0 ), was dissolved in a concentration of 10 mg / ml in dry tetrahydrofuran. Then an amino-functionalized silicon carrier, produced according to I, was coated by means of spin coating. For this purpose, the non-rotating, dried substrate was first completely wetted with the prepolymer solution before the solution was removed at a final speed of 4000 rpm for 40 seconds. was hurled. The substrate thus coated was then kept overnight in an atmosphere saturated with water vapor, whereby a surface with NH 2 groups was obtained.
III. Herstellung der BioarraysIII. Production of bioarrays
Beispiel 1 : Herstellung eines Fluorescein-Arrays:Example 1: Preparation of a fluorescein array:
Eine Lösung eines mit Isothiocyanat modifizierten Fluorescein-Derivats (FITC von der Fa. Aldrich) wurde in einer Mischung aus Ethanol/Dimethylsulfoxid 50:1 v/v in einer Konzentration von 100 μM gelöst. Auf einen rechteckigen Polydimethyldisiloxanstempel, hergestellt nach Tan et al., Langmuir 2002, 18, S. 519-523 mit einer Fläche von 15 mm x 15 mm mit einer regelmäßigen Anordnung zylindrischer Säulen (Durchmesser 10 μm, Höhe 2 μm, mittlerer Abstand 20 μm) wurden mit einer Mikroliterpipette ein sehr kleine Flüssigkeitsmenge (< 0,5 μl) dieser Lösung aufgebracht und anschließend getrocknet, wobei man einen Spot mit einem Durchmesser < 500 μm erhielt. Der so vorbereitete Stempel wurde 2 min mit dem in I hergestellten aminofunktionalisierten Glasträger in Kontakt gebracht. Anschließend wurde die Oberfläche fluoreszenmikroskopisch untersucht. Auf diese Weise erhält man das in den Abbildungen 3 und 3a gezeigte Muster.A solution of an isothiocyanate-modified fluorescein derivative (FITC from Aldrich) was dissolved in a mixture of ethanol / dimethyl sulfoxide 50: 1 v / v in a concentration of 100 μM. On a rectangular polydimethyldisiloxane stamp, manufactured according to Tan et al., Langmuir 2002, 18, pp. 519-523 with an area of 15 mm x 15 mm with a regular arrangement of cylindrical columns (diameter 10 μm, height 2 μm, average distance 20 μm ), a very small amount of liquid (<0.5 μl) of this solution was applied with a microliter pipette and then dried, giving a spot with a diameter of <500 μm. The stamp prepared in this way was brought into contact with the amino-functionalized glass carrier produced in I for 2 minutes. The surface was then examined by fluorescence microscopy. In this way, the pattern shown in Figures 3 and 3a is obtained.
In analoger Weise können auch Protein-Arrays und Nucleotid-Arrays hergestellt werden:Protein arrays and nucleotide arrays can also be produced in an analogous manner:
Beispiel 2: Herstellung eines Oligonucleotid-ArraysExample 2: Preparation of an oligonucleotide array
Ein rechteckiger Polydimethyldisiloxanstempel, hergestellt z.B. nach Tan et al., Langmuir 2002, 18, S. 519-523, mit einer Fläche von 15 mm x 15 mm mit einer regelmäßigen Anordnung von Säulen (Durchmesser 5 μm, Höhe 2 μm, mittlerer Abstand 20 μm), wird gemäß der Vorschrift von Donzel et al., Adv. Mater. 2001, 13, 1164, im Sauerstoffplasma hydrophil modifiziert. Auf diesen Stempel werden mittels Mikropipette 2 Spots a 0,1 μl einer Lösung von 3'-aminoterminiertem-5'-fluoreszenzmarkiertem Oligonucleotid in PBS- Puffer mit einer Konzentration von 100 pmol/μl aufgebracht. Nach Trocknen im Inertgasstrom wird der so vorbereitete Stempel wird mit einer nach II Beispiel 1 frisch hergestellten Oberfläche 2 min in Kontakt gebracht. Anschließend wird mit PBS gewaschen. Man erhält auf diese Weise ein nahezu fehlerfreies Abbild des Stempels, das 2 getrennte Bereiche aufweist, in denen die Nucleotide eine sehr große Anzahl von räumlich getrennten Plätzen belegen, wie sich Fluoreszenzmikroskopisch nachweisen lässt. Beispiel 3 Herstellung eines Biotin-Streptavidin-Arrays:A rectangular polydimethyldisiloxane stamp, produced for example according to Tan et al., Langmuir 2002, 18, pp. 519-523, with an area of 15 mm x 15 mm with a regular arrangement of columns (diameter 5 μm, height 2 μm, average distance 20 μm), is carried out according to the specification by Donzel et al., Adv. Mater. 2001, 13, 1164, modified hydrophilically in the oxygen plasma. 2 spots of 0.1 .mu.l of a solution of 3'-amino-terminated-5'-fluorescence-labeled oligonucleotide in PBS buffer with a concentration of 100 pmol / .mu.l are applied to this stamp using a micropipette. After drying in an inert gas stream, the stamp prepared in this way is brought into contact with a surface freshly produced according to II Example 1 for 2 minutes. It is then washed with PBS. In this way, an almost error-free image of the stamp is obtained, which has 2 separate areas in which the nucleotides occupy a very large number of spatially separated places, as can be demonstrated by fluorescence microscopy. Example 3 Preparation of a Biotin Streptavidin Array:
Der in Beispiel 2 verwendete Polydimethyldisiloxanstempel wird mit einer Lösung von Biotinamidocapronsäure-N-hydroxysuccinimid-Ester in Dimethylformamid (10 μg/ml) benetzt und anschließend getrocknet. Der so erhaltene Stempel wird 2 min. mit der II Beispiel 2 hergestellten Beschichtung in Kontakt gebracht. Anschließend wird die so erhaltene Beschichtung zum Entfernen von nicht-gebundenem Ester nacheinander mit Dimethylformamid und Wasser gewaschen und im Argonstrom getrocknet. Auf diese Weise erhielt man ein Array mit kreisförmigen Bereichen immobilisiertem Biotins.The polydimethyldisiloxane stamp used in Example 2 is wetted with a solution of biotinamidocaproic acid N-hydroxysuccinimide ester in dimethylformamide (10 μg / ml) and then dried. The stamp thus obtained is 2 min. brought into contact with the coating produced in Example 2. The coating thus obtained is then washed successively with dimethylformamide and water to remove unbound ester and dried in a stream of argon. In this way an array with circular regions of immobilized biotin was obtained.
Auf das so hergestellte Biotin-Array werden mittels Mikropipette 2 Spots a 1-2 μl einer Lösung von fluoreszenzmarkiertem Streptavidin (Molecular Probes) in PBS-Puffer (0,04 mg/ml) aufgebracht und 4 h bei Raumtemperatur gelagert. Anschließend wird der Array mit PBS-Puffer nachgewaschen, im Argonstrom getrocknet. Auf diese Weise erhält man einen Array der zwei räumlich voneinander getrennte Bereiche aufweist, die eine Vielzahl von mit Streptavidin belegeten Plätzen aufweisen, wie sich fluoreszenzmikroskopisch nachweisen lässt (siehe Abbildung 4).2 spots of 1-2 μl of a solution of fluorescence-labeled streptavidin (Molecular Probes) in PBS buffer (0.04 mg / ml) are applied to the biotin array produced in this way using a micropipette and stored for 4 hours at room temperature. The array is then washed with PBS buffer and dried in a stream of argon. In this way, an array is obtained which has two spatially separated areas which have a large number of places occupied by streptavidin, as can be demonstrated by fluorescence microscopy (see Figure 4).
Beispiel 4: Herstellung eines Protein-Arrays über KomplexbildungExample 4: Production of a protein array via complex formation
Der in Beispiel 1 verwendete Polydimethylsiloxanstempel, mit einer Fläche von etwa 15 mm x 15 mm, mit einer regelmäßigen Anordnung von Säulen (Durchmesser 10 μm, Höhe 2 μm mittlerer Abstand 20 μm) wird mit einer Lösung von Lysino-NTA-tert-Butylester, hergestellt nach J. Groll, Diplomarbeit der Universität Ulm, 2001 , in Toluol (20 mg/ml) benetzt und anschließend getrocknet. Der so erhaltene Stempel wird 15 min. mit der gemäß II Beispiel 1 frisch hergestellten Beschichtung in Kontakt gebracht. Anschließend wird der so erhaltende Träger über Nacht in einer mit Wasserdampf gesättigten Atmosphäre aufbewahrt und mit Toluol gewaschen. Der erhaltene Träger wird 10 min. bei 200 °C unter Vakuum (0,02 mbar) gelagert und nach dem Abkühlen für 5 min. in eine Lösung von NiCI2 in Wasser (5 mg/ml) getaucht und mit Wasser gewaschen. Anschließend wird auf den so behandelten Träger eine Lösung eines mit His-Tags versehenen Green- Fluorescent-Proteins in PBS-Puffer (0,03 mg/ml) aufgebracht, 10 min. gelagert und anschließend mit PBS-Puffer gewaschen. Der erhaltene Array wird fluoreszenzmikroskopisch untersucht. Man erhält das in der Abbildung 5 gezeigte Muster. The polydimethylsiloxane stamp used in Example 1, with an area of approximately 15 mm × 15 mm, with a regular arrangement of columns (diameter 10 μm, height 2 μm, average distance 20 μm) is mixed with a solution of lysino-NTA tert-butyl ester, produced according to J. Groll, diploma thesis of the University of Ulm, 2001, wetted in toluene (20 mg / ml) and then dried. The stamp thus obtained is 15 min. brought into contact with the coating freshly prepared according to II Example 1. The support thus obtained is then stored overnight in an atmosphere saturated with water vapor and washed with toluene. The carrier obtained is 10 min. stored at 200 ° C under vacuum (0.02 mbar) and after cooling for 5 min. immersed in a solution of NiCI 2 in water (5 mg / ml) and washed with water. A solution of a His fluorescent green fluorescent protein in PBS buffer (0.03 mg / ml) is then applied to the carrier treated in this way, 10 min. stored and then washed with PBS buffer. The array obtained is examined by fluorescence microscopy. The pattern shown in Figure 5 is obtained.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikroarray immobilisierter Biomoleküle, der wenigstens zwei auf einer Oberfläche räumlich voneinander getrennt angeordnete Flächenbereiche B aufweist, die jeweils mehrere, räumlich voneinander getrennte Plätze P umfassen, auf denen Biomoleküle immobilisiert sind, worin der mittlere Abstand der Begrenzungslinie eines Bereichs B zu seinem Flächenmittelpunkt die Bereich von 10 μm bis 250 μm liegt.1. Microarray of immobilized biomolecules, which has at least two surface areas B arranged spatially separated from one another, each comprising a plurality of spatially separated places P, on which biomolecules are immobilized, wherein the mean distance of the boundary line of a region B from its center point is the Range is from 10 microns to 250 microns.
2. Mikroarray nach Anspruch 1 , worin der mittlere Abstand benachbarter Plätze P innerhalb der Bereiche B wenigstens doppelt so groß ist wie der mittlere Abstand der Begrenzungslinie eines Platzes P zu seinem Flächenmittelpunkt.2. A microarray according to claim 1, wherein the average distance between adjacent places P within the areas B is at least twice as large as the average distance between the boundary line of a place P and its center point.
3. Mikroarray nach Anspruch 1 oder 2, worin der mittlere Abstand der Begrenzungslinie eines Platzes P zu seinem Flächenmittelpunkt im Mittel 50 nm bis 50 μm beträgt.3. Microarray according to claim 1 or 2, wherein the average distance of the boundary line of a place P to its center point is on average 50 nm to 50 microns.
4. Mikroarray nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der mittlere Abstand benachbarter Plätze im Bereich von 200 nm bis 200 μm beträgt.4. Microarray according to one of the preceding claims, wherein the average distance between adjacent sites is in the range from 200 nm to 200 μm.
5. Mikroarray nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Plätze P durch eine kreisförmige, ellipsoide oder rechteckige Fläche beschrieben werden.5. Microarray according to one of the preceding claims, wherein the places P are described by a circular, ellipsoidal or rectangular area.
6. Mikroarray nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Plätze P innerhalb der Bereiche B regelmäßig angeordnet sind.6. Microarray according to one of the preceding claims, wherein the places P are arranged regularly within the areas B.
7. Mikroarray nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Bereiche B wenigstens 10 voneinander räumlich getrennte, flächige Plätze P umfassen.7. Microarray according to one of the preceding claims, wherein the regions B comprise at least 10 spatially separated, flat spaces P.
8. Mikroarray nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin wenigstens zwei der Flächenbereiche B sich in der Art und/oder der Flächendichte der immobilisierten Biomoleküle unterscheiden.8. Microarray according to one of the preceding claims, wherein at least two of the surface areas B differ in the type and / or the surface density of the immobilized biomolecules.
9. Mikroarray nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Bereiche B eine kreisförmige Geometrie aufweisen. 9. Microarray according to one of the preceding claims, wherein the regions B have a circular geometry.
10. Mikroarray nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der mittlere Abstand benachbarter Bereiche wenigstens 50 μm beträgt.10. Microarray according to one of the preceding claims, wherein the average distance between adjacent areas is at least 50 microns.
11. Mikroarray nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine auf einem Träger angeordnete organische Oberflächenschicht, auf welcher die Biomoleküle immobilisiert sind.11. Microarray according to one of the preceding claims, comprising an organic surface layer arranged on a carrier, on which the biomolecules are immobilized.
12. Mikroarray nach Anspruch 11 , worin die Oberflächenschicht wenigstens eine hydro- gelbildende Schicht umfasst.12. The microarray of claim 11, wherein the surface layer comprises at least one hydrogel-forming layer.
13. Mikroarray nach Anspruch 12, worin die hydrogelbildende Oberflächenschicht im wesentlichen aus miteinander vernetzten sternförmigen Präpolymeren aufgebaut ist, welche im Mittel wenigstens 4 Polymerarme A aufweisen, die für sich gesehen wasserlöslich sind.13. The microarray according to claim 12, wherein the hydrogel-forming surface layer is essentially composed of crosslinked star-shaped prepolymers which on average have at least 4 polymer arms A, which are water-soluble per se.
14. Mikroarray nach Anspruch 12 oder 13, worin die hydrogelbildende Oberflächenschicht im Mittel eine Dicke von 1 nm bis 100 μm im trockenen Zustand aufweist.14. Microarray according to claim 12 or 13, wherein the hydrogel-forming surface layer has an average thickness of 1 nm to 100 microns in the dry state.
15. Verfahren zur Herstellung eines Mikroarrays immobilisierter Biomoleküle, der wenigstens zwei auf einer Oberfläche räumlich voneinander getrennt angeordnete Flächenbereiche B aufweist, die jeweils mehrere, räumlich voneinander getrennte Plätze P umfassen, auf denen Biomoleküle immobilisiert sind, indem man auf einer Stempelfläche, welche eine Vielzahl von erhabenen Flächen aufweist, ein oder mehrere voneinander verschiedene Biomoleküle in wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens zehn und insbesondere wenigstens einhundert voneinander räumlich getrennten Flächenbereichen B so aufbringt, dass die Biomoleküle in den Flächenbereichen B jeweils eine Vielzahl der erhabenen Bereiche der Stempelfläche abdecken und anschließend die Stempelfläche mit der Oberfläche, auf der die Biomoleküle immobilisiert werden sollen, in Kontakt bringt und gegebenenfalls nicht immobilisierte Biomoleküle entfernt.15. A method for producing a microarray of immobilized biomolecules which has at least two surface areas B which are spatially separated from one another and which each comprise a plurality of spatially separated places P on which biomolecules are immobilized by placing on a stamp surface which a multiplicity of raised areas, one or more biomolecules different from one another in at least two, preferably at least ten and in particular at least one hundred spatially separated area areas B so that the biomolecules in area areas B each cover a plurality of the raised areas of the stamp area and then the stamp area brings into contact with the surface on which the biomolecules are to be immobilized and, if appropriate, removes non-immobilized biomolecules.
16. Verfahren zur Herstellung eines Mikroarrays immobilisierter Biomoleküle, der wenigstens zwei auf einer Oberfläche räumlich voneinander getrennt angeordnete Flächenbereiche B aufweist, die jeweils mehrere, räumlich voneinander getrennte Plätze P umfassen, auf denen Biomoleküle immobilisiert sind, indem man auf eine Stempelfläche, die eine Vielzahl von erhabenen Flächen aufweist, eine Verbindung V, die eine Immobilisierung der Biomoleküle bewirkt, aufbringt, die so behandelte Stempelfläche mit Oberfläche, auf der die Biomoleküle immobilisiert werden sollen, in Kontakt bringt, wobei man eine Oberfläche erhält, die eine Vielzahl von räumlich getrennten Plätzen P aufweist, die mit der Verbindung V belegt sind, und anschließend eine oder mehrere voneinander verschiedene Lösungen der zu immobilisierenden Biomoleküle in wenigstens zwei voneinander räumlich getrennten Flächenbereichen B so aufbringt, dass die Flächenbereiche jeweils eine Vielzahl der Plätze, welche mit der Verbindung V belegt sind, abdecken, wobei die Biomoleküle an den Plätzen P immobilisiert werden, und anschließend nicht immobilisierte Biomoleküle entfernt.16. A method for producing a microarray of immobilized biomolecules, which has at least two surface areas B which are spatially separated from one another and which each comprise a plurality of spatially separated locations P, on which biomolecules are immobilized, by pressing on a stamp surface which has a multiplicity of raised surfaces has a connection V, which brings about immobilization of the biomolecules, brings the thus treated stamp surface into contact with the surface on which the biomolecules are to be immobilized, thereby obtaining a surface which has a multiplicity of spatially separated places P which are connected to the compound V are occupied, and then one or more solutions of the biomolecules to be immobilized which are different from one another are applied in at least two spatially separated surface areas B in such a way that the surface areas each cover a large number of the places which are occupied by the compound V, the biomolecules being attached the places P are immobilized, and then non-immobilized biomolecules are removed.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Verbindung, welche die Immobilisierung der Biomoleküle bewirkt, ausgewählt ist unter Verbindungen, die mit der Oberfläche eine kovalente oder ionische Bindung bilden und die eine, kovalente, ionische, koordinative oder affinitive Bindung mit dem zu immobilisierenden Biomolekül ausbilden.17. The method according to claim 16, wherein the compound which brings about the immobilization of the biomolecules is selected from compounds which form a covalent or ionic bond with the surface and which have a, covalent, ionic, coordinative or affinitive bond with the biomolecule to be immobilized form.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der mittlere Abstand benachbarter Erhebungen auf der Stempelfläche wenigstens doppelt so groß ist wie der mittlere Abstand der Begrenzungslinie der Stirnfläche einer Erhebung zu dem Flächenmittelpunkt der Stirnfläche.18. The method according to any one of claims 15 to 17, wherein the average distance between adjacent elevations on the stamp surface is at least twice as large as the average distance of the boundary line of the end face of an elevation to the surface center of the end face.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei der mittlere Abstand der Begrenzungslinie der Stirnfläche der Erhebungen zu dem Flächenmittelpunkt der Stirnfläche im Mittel 50 nm bis 50 μm beträgt.19. The method according to any one of claims 15 to 18, wherein the average distance of the boundary line of the end face of the elevations to the center of the face of the end face is on average 50 nm to 50 microns.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei der mittlere Abstand benachbarter Erhebungen auf der Stempelfläche im Bereich von 200 nm bis 200 μm liegt.20. The method according to any one of claims 15 to 19, wherein the average distance between adjacent surveys on the stamp surface is in the range of 200 nm to 200 microns.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, wobei die Stirnflächen der Erhebungen auf der Stempelfläche kreisförmig, ellipsoid oder rechteckig sind.21. The method according to any one of claims 15 to 20, wherein the end faces of the elevations on the stamp surface are circular, ellipsoidal or rectangular.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21 , wobei Erhebungen auf der Stempeloberfläche regelmäßig angeordnet sind. 22. The method according to any one of claims 15 to 21, wherein elevations are regularly arranged on the stamp surface.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, wobei Erhebungen auf der Stempeloberfläche im Mittel eine Höhe im Bereich von 0,5 bis 500 μm aufweisen und das Verhältnis H:A von mittlerer Höhe H zum mittlere Abstand A zwischen den Begrenzungslinien der Stirnflächen der Erhebungen und den Flächenmittelpunkten der Stirnflächen nicht mehr als 10 beträgt.23. The method according to any one of claims 15 to 22, wherein elevations on the stamp surface have an average height in the range of 0.5 to 500 microns and the ratio H: A of average height H to the average distance A between the boundary lines of the end faces of the Elevations and the surface centers of the end faces is not more than 10.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, wobei die Erhebungen des Stempel von einem elastomeren Material gebildet werden.24. The method according to any one of claims 15 to 23, wherein the elevations of the stamp are formed by an elastomeric material.
25. Verfahren nach Anspruch 24, wobei das elastomere Material Polydimethylsiloxan ist.25. The method of claim 24, wherein the elastomeric material is polydimethylsiloxane.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 25, wobei die Konzentration der Biomoleküle in der Lösung im Bereich von 0,1 nM bis 10 mM liegt.26. The method according to any one of claims 15 to 25, wherein the concentration of the biomolecules in the solution is in the range of 0.1 nM to 10 mM.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 26, wobei die Oberfläche, auf welcher die Biomoleküle bzw. die Verbindung, welche die Immobilisierung der zu immobli- sierenden Biomoleküle bewirkt, von einer hydrogelbildenden Oberflächenschicht gebildet wird.27. The method according to any one of claims 15 to 26, wherein the surface on which the biomolecules or the compound which brings about the immobilization of the biomolecules to be immobilized is formed by a hydrogel-forming surface layer.
28. Verfahren nach Anspruch nach Anspruch 27, wobei man in einem ersten Schritt auf einem Träger eine Hydrogel-bildende Oberflä- chenschicht bereitstellt, die an ihrer Oberfläche eine Vielzahl funktioneller Gruppen aufweist, die mit hierzu komplementären funktionellen Gruppen unter Bindungsbildung reagieren, auf eine Stempelfläche, die eine Vielzahl von erhabenen Flächen aufweist, eine Verbindung V aufbringt, die eine oder mehrere funktionelle Gruppen aufweist, die mit den funktionellen Gruppen der Oberfläche unter Ausbildung einer kovalenten Bindung reagieren können, und die ausserdem eine oder mehrere davon verschiedene funktionelle Gruppen aufweist, die eine Bindung zu dem zu immobilisierenden Biomolekül ausbilden können; die so behandelte Stempelfläche mit der Hydrogel-bildenden Oberflächenschicht in Kontakt bringt, wobei man eine Oberfläche erhält, die eine Vielzahl von räumlich getrennten Plätzen P aufweist, die mit der Verbindung V belegt sind, anschließend eine oder mehrere, voneinander verschiedene Lösungen der zu immobilisierenden Biomoleküle in wenigstens zwei voneinander räumlich getrennten Flächenbereichen B so aufbringt, dass die Flächenbereiche jeweils eine Vielzahl der Plätze, welche mit der Verbindung V belegt sind, abdecken, wobei die Biomoleküle an den Plätzen immobilisiert werden, und anschließend nicht immobilisierte Biomoleküle entfernt.28. The method according to claim 27, wherein in a first step, a hydrogel-forming surface layer is provided on a support, which surface has a multiplicity of functional groups which react with complementary functional groups to form a bond on a stamp surface which has a multiplicity of raised areas, applies a compound V which has one or more functional groups which can react with the functional groups of the surface to form a covalent bond and which also has one or more different functional groups which can form a bond to the biomolecule to be immobilized; the stamp surface thus treated is brought into contact with the hydrogel-forming surface layer, a surface being obtained which has a multiplicity of spatially separated places P which are occupied by the compound V, then one or more different solutions of the immobilizing biomolecules in at least two spatially separated surface areas B in such a way that the surface areas each cover a multiplicity of the places which are occupied by the compound V, the biomolecules being immobilized in the places and subsequently removing non-immobilized biomolecules.
29. Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Hydrogel-bildende Oberflächenschicht aus miteinander vernetzten sternförmigen Präpolymeren aufgebaut ist, welche im Mittel wenigstens 4 Polymerarme A aufweisen, die für sich gesehen wasserlöslich sind.29. The method according to claim 28, wherein the hydrogel-forming surface layer is composed of crosslinked star-shaped prepolymers which on average have at least 4 polymer arms A which are water-soluble in themselves.
30. Verfahren nach Anspruch 28 oder 29, wobei die funktionellen Gruppen auf der O- berflächenschicht unter Isocyanat-Gruppen und Aminogruppen ausgewählt sind.30. The method according to claim 28 or 29, wherein the functional groups on the surface layer are selected from isocyanate groups and amino groups.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 28 bis 30, wobei die Bindung der Verbindung V an das Biomolekül eine über ein Übergangsmetall vermittelte koordinative Bindung ist.31. The method according to any one of claims 28 to 30, wherein the binding of the compound V to the biomolecule is a coordinative bond mediated via a transition metal.
32. Verfahren nach Anspruch 31 , worin die Verbindung V ein Derivat der Polycarbon- säure mit wenigstens 2 Carboxylgruppen ist, das eine funktionelle Gruppe aufweist, die mit den funktionellen Gruppen der Hydrogel-Bildenden Oberflächenschicht unter Ausbildung einer kovalenten Bindung reagiert.32. The method according to claim 31, wherein the compound V is a derivative of polycarboxylic acid having at least 2 carboxyl groups, which has a functional group which reacts with the functional groups of the hydrogel-forming surface layer to form a covalent bond.
33. Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, wobei das zu immobilisierende Biomolekül ein Protein mit einem His-Tag ist.33. The method according to claim 31 or 32, wherein the biomolecule to be immobilized is a protein with a His tag.
34. Vorrichtung auf Basis eines Mikroarrays nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in Form eines Chips, einer Microfluid-Vorrichtung oder eines Dipsticks.34. Device based on a microarray according to one of claims 1 to 14 in the form of a chip, a microfluid device or a dipstick.
35. Verwendung eines Mikroarrays nach einem der Ansprüche 1 bis 14 oder einer Vorrichtung nach Anspruch 34 für diagnostische und für analytische Zwecke. 35. Use of a microarray according to one of claims 1 to 14 or a device according to claim 34 for diagnostic and analytical purposes.
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