DE10201653A1 - Device for use in biochip base modules, e.g. for studying enzymatic reactions or nucleic acid hybridization, comprises a flat, porous semiconductor carrier with a functionalized polymer on the pore surfaces - Google Patents
Device for use in biochip base modules, e.g. for studying enzymatic reactions or nucleic acid hybridization, comprises a flat, porous semiconductor carrier with a functionalized polymer on the pore surfacesInfo
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, umfassend ein Halbleiter-Trägermaterial, das Poren aufweist, welche sich von einer Oberfläche zur gegenüberliegenden Oberfläche des Trägermaterials erstrecken, und mindestens eine auf den Porenoberflächen angeordnete Polymermatrix mit einer Vielzahl von mindestens einer Art von funktionellen Gruppen, welche zur Bindung mit in biologisch-chemischen (Bindungs)Reaktionen einsetzbaren Fängermolekülen befähigt sind, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich als Basis für ein "BioChip-Grundmodul" in Verfahren zum Nachweis biochemischer (Bindungs)Reaktionen sowie hierfür insbesondere zur Untersuchung von enzymatischen Reaktionen, Nukleinsäure- Hybridisierungen, Protein-Protein-Wechselwirkungen und anderer Bindungsreaktionen im Bereich der Genom-, Proteom- oder Wirkstoff-Forschung in Biologie und Medizin. The present invention relates to a device comprising a semiconductor carrier material which has pores, which is from one surface to the opposite Extend surface of the carrier material, and at least a polymer matrix arranged on the pore surfaces a variety of at least one type of functional Groups that are linked to in biochemical (Binding) reactions capable of using catcher molecules are, and a process for their preparation. The The device according to the invention is suitable as a basis for a "BioChip basic module" in procedures for the detection of biochemical (Binding) reactions and especially for Analysis of enzymatic reactions, nucleic acid Hybridizations, protein-protein interactions and other binding reactions in the field of genome, proteome or drug discovery in biology and medicine.
In der Molekularbiologie finden heute in zunehmendem Maße Biochips Verwendung, mit denen auf schnelle Art und Weise Erkenntnisse über Organismen und Gewebe gewonnen werden. Für die Biowissenschaften und die medizinische Diagnostik ist die Detektion (bio)chemischer Reaktionen, d. h. die Detektion biologisch relevanter Moleküle in definiertem Untersuchungsmaterial von herausragender Bedeutung. In diesem Rahmen wird die Entwicklung von sogenannten BioChips stetig vorangetrieben. Bei derartigen BioChips handelt es sich üblicherweise um miniaturisierte hybride Funktionselemente mit biologischen und technischen Komponenten, insbesondere auf einer Oberfläche eines BioChip-Grundmoduls immobilisierten Biomolekülen, die als spezifische Interaktionspartner dienen. Häufig weist die Struktur dieser Funktionselemente Reihen und Spalten auf. Man spricht dann von sogenannten "Mikro Arrays". Da tausende von biologischen bzw. biochemischen Funktionselementen auf einem Chip angeordnet sein können, werden diese in der Regel mit mikrotechnischen Methoden angefertigt. Molecular biology is increasingly used today Use biochips with those in a quick way Knowledge about organisms and tissues can be gained. For the life sciences and medical diagnostics is the Detection of (bio) chemical reactions, d. H. the detection biologically relevant molecules in defined Examination material of outstanding importance. In this The development of so-called BioChips is steadily becoming a framework promoted. Such BioChips are usually around miniaturized hybrid functional elements with biological and technical components, in particular on a surface of a BioChip basic module immobilized biomolecules as specific Serve interaction partners. Often the structure indicates this Functional elements rows and columns. Then one speaks of so-called "micro arrays". Because thousands of biological or biochemical functional elements on a chip can be arranged, these are usually with microtechnical methods.
Als biologische und biochemische Funktionselemente kommen insbesondere DNA, RNA, PNA, (bei Nukleinsäuren und ihren chemischen Derivaten können z. B. Einzelstränge wie Oligonukleotide, Triplex-Strukturen oder Kombinationen hiervon vorliegen), Saccharide, Peptide, Proteine (z. B. Antikörper, Antigene, Rezeptoren), Derivate der kombinatorischen Chemie (z. B. organische Moleküle), Zellbestandteile (z. B. Organellen), einzelne Zellen, mehrzellige Organismen sowie Zellverbände in Frage. Coming as biological and biochemical functional elements especially DNA, RNA, PNA, (for nucleic acids and their Chemical derivatives can e.g. B. single strands like Oligonucleotides, triplex structures or combinations thereof), saccharides, peptides, proteins (e.g. Antibodies, antigens, receptors), derivatives of combinatorial chemistry (e.g. organic molecules), Cell components (e.g. organelles), individual cells, multi-cell organisms as well as cell assemblies in question.
Die am weitesten verbreitete Variante von Biochips sind die sogenannten Microarrays. Dies sind kleine Plättchen ("Chips") aus beispielsweise Glas, Gold, Kunstoff oder Silizium. Zum Nachweis entsprechender biologischer oder biochemischer (Bindungs)Reaktionen werden beispielsweise kleine Mengen an solubilisierten unterschiedlichen Fängermolekülen, z. B. eine bekannte Nukleinsäuresequenz, in Form von kleinsten Tröpfchen punktförmig und matrizenartig, sogenannte Dots, auf der Oberfläche des BioChip-Grundmoduls fixiert. The most common variant of biochips are so-called microarrays. These are small tiles ("chips") made of, for example, glass, gold, plastic or silicon. To the Evidence of appropriate biological or biochemical (Binding) reactions are, for example, small amounts of solubilized different capture molecules, e.g. Legs known nucleic acid sequence, in the form of tiny droplets punctiform and matrix-like, so-called dots, on the Fixed surface of the BioChip basic module.
In der Praxis werden einige hundert bis einige tausend Tröpfchen pro Chip verwendet. Anschließend wird ein zu untersuchender Analyt, der beispielsweise fluoreszenzmarkierte Zielmoleküle enthalten kann, über diese Oberfläche gepumpt. Dabei kommt es im allgemeinen zu unterschiedlichen chemischen (Bindungs)Reaktionen zwischen den im Analyt enthaltenen Zielmolekülen und den fixierten bzw. immobilisierten Fängermolekülen. Wie bereits angeführt, werden zur Beobachtung dieser Reaktionen oder Bindungen die Zielmoleküle mit Farbstoffmolekülbausteinen, üblicherweise Fluorochromen markiert. Das Vorhandensein und die Intensität von Licht, das von den Fluorochromen emittiert wird, gibt Aufschluß über den Verlauf der Reaktion oder Bindung in den einzelnen Tröpfchen auf dem Substrat, so daß Rückschlüsse auf das Vorhandensein und/oder die Eigenschaft der Zielmoleküle und/oder Fängermoleküle gezogen werden können. Wenn sich die entsprechenden fluoreszenzmarkierten Zielmoleküle des Analyten mit bzw. an den an der Oberfläche des Trägersubstrats immobilisierten Fängermolekülen umsetzen bzw. binden, kann durch optische Anregung mit einem Laser und Messung des entsprechenden Fluoreszenzsignals diese Reaktion bzw. Bindung nachgewiesen werden. In practice, a few hundred to a few thousand Droplets used per chip. Then one becomes investigating analyte, for example may contain fluorescent-labeled target molecules via this Pumped surface. This generally happens different chemical (binding) reactions between the target molecules contained in the analyte and the fixed ones or immobilized capture molecules. As already mentioned, are used to observe these reactions or bonds Target molecules with dye molecule building blocks, usually Fluorochrome marked. The presence and the intensity of light emitted by the fluorochromes Information about the course of the reaction or bond in the individual droplets on the substrate, so that conclusions can be drawn the presence and / or property of the target molecules and / or capture molecules can be drawn. If the corresponding fluorescence-labeled target molecules of the Analytes with or on the surface of the Implement carrier molecules immobilized or can bind by optical excitation with a laser and Measurement of the corresponding fluorescence signal this reaction or bond can be demonstrated.
Eines der Hauptprobleme bei diesem Verfahren besteht in der geringen Menge von Fängermolekülen, die in den einzelnen Dots bzw. Spots planarer Chips enthalten sind. Dadurch können die optischen Signale, die insbesondere von Fluoreszenzmarkierungen ausgehen, welche zur Auswertung der (Bindungs)Reaktionen zur Verfügung stehen, sehr schwach sein, mit dem Ergebnis, daß der Array bei einer Limitierung der Zielmoleküle im Analyten und/oder der immobilisierten Fängermoleküle falsch negative Signale liefert. Daher ist der durchzuführende Test oft nicht sensitiv genug. One of the main problems with this method is that small amount of catcher molecules in the individual dots or spots of planar chips are included. This allows the optical signals, in particular from Fluorescence markers go out, which are used to evaluate the (Binding) reactions are available, be very weak, with the result that the array is limited when the Target molecules in the analyte and / or the immobilized Catcher molecules deliver false negative signals. Hence the test to be carried out is often not sensitive enough.
Insbesondere bei der Verwendung von Biochips aus Silizium in Verbindung mit fluoreszierenden Markergruppen kommt es darüber hinaus häufig zu optischen Dämpfungs- und Fluoreszenzauslöschungserscheinungen (sog. Quenching). Dieser Effekt tritt vor allem dann auf, wenn die zu detektierenden, optisch markierten Biomoleküle sich räumlich sehr nah an der Siliziumoberfläche befinden oder im Falle der sog. porösen Siliziumchips an den Porenwänden gebunden sind. Especially when using silicon biochips in It connects with fluorescent marker groups in addition often to optical attenuation and Fluorescence quenching phenomena (so-called quenching). This Effect occurs especially when the optically marked biomolecules are spatially very close to the Silicon surface or in the case of the so-called porous Silicon chips are bound to the pore walls.
Ein im Stand der Technik bekannter Ansatz zur Vergrößerung der Menge von Fängermolekülen in den Spots besteht darin, daß auf die Oberfläche des Chips ein Polymer, beispielsweise ein epoxyfunktionelles Polysiloxan oder Polyethylen, aufgebracht wird. Das Polymer weist in einer dreidimensionalen Matrix zahlreiche Bindungsstellen für die Fängermoleküle auf. Daher liegen die Fängermoleküle nicht in einer dünnen, monomolekularen Schicht auf der Chipoberfläche vor, sondern sind in einem mehrschichtigen, dreidimensionalen Netzwerk an der Oberfläche des Chips gebunden. Durch diese Vorgehensweise kann eine höhere Konzentration von Bindungsstellen für das Anlagern der Fängermoleküle pro Oberflächeneinheit des Chips erreicht werden. A magnification approach known in the art the amount of capture molecules in the spots is that on the surface of the chip a polymer, for example a epoxy-functional polysiloxane or polyethylene becomes. The polymer has a three-dimensional matrix numerous binding sites for the capture molecules. Therefore the capture molecules are not in a thin monomolecular layer on the chip surface, but instead are in a multi-layer, three-dimensional network bound to the surface of the chip. By doing this may have a higher concentration of binding sites for the Accumulation of the capture molecules per surface unit of the chip can be achieved.
Im Stand der Technik ist eine weitere Vorgehensweise bekannt, welche darin besteht, daß der Chip mit kleinsten Hohlräumen bzw. Poren bzw. Kanäle bzw. Kapillaren, welche sich von einer Oberfläche des Chips zur gegenüberliegenden Oberfläche erstrecken, versehen wird (sog. poröser Chip oder engl. "flow-through chip", FTC). Dadurch, daß an den Oberflächen der Poren die Fängermoleküle immobilisiert werden, ist die effektive Dichte von Fängermolekülen pro Oberflächeneinheit gegenüber den herkömmlichen Chips erhöht. Bei dieser Vorgehensweise ist es außerdem möglich, die Analytenlösung, beispielsweise eine Hybridisierungslösung, durch die Poren zu pumpen, wodurch biochemische Reaktionen oder Bindungen, z. B. die Hybridisierung von Nukleinsäuren, nicht mehr diffusionslimitiert erfolgen, sondern aufgrund einer optimalen Durchmischung der Zielmoleküle beschleunigt sind. A further procedure is known in the prior art, which is that the chip has the smallest voids or pores or channels or capillaries, which differ from one Surface of the chip to the opposite surface extend, is provided (so-called porous chip or Engl. "flow-through chip", FTC). The fact that on the surfaces the pores the immobilizer molecules are immobilized on is the effective density of capture molecules per surface unit increased compared to conventional chips. At this Procedure, it is also possible to use the analyte solution, for example a hybridization solution through the pores pump, causing biochemical reactions or bonds, e.g. B. the hybridization of nucleic acids, nothing more diffusion-limited, but due to a optimal mixing of the target molecules are accelerated.
Insbesondere bei der Detektion der auszuwertenden Bindungsereignisse mit Hilfe fluoreszenzmarkierter Moleküle in Verbindung mit einem FTC auf Siliziumbasis ergibt sich allerdings das vorstehend bereits angeführte Problem einer Verringerung des auswertbaren Signals aufgrund von Fluoreszenzauslöschungsphänomenen. Diese Signalverminderung kann nur teilweise durch die Vergrößerung der effektiven Oberfläche kompensiert werden, weshalb bei den bekannten FTCs in der Regel teurere und weniger benutzerfreundliche Markierungssubstanzen, beispielsweise Chemilumineszenzgruppen, verwendet werden. In particular when detecting those to be evaluated Binding events using fluorescence-labeled molecules in combination with a silicon-based FTC however, the problem of one already mentioned above Reduction of the evaluable signal due to Fluorescence quenching phenomena. This signal reduction can only partially by increasing the effective Surface are compensated, which is why with the known FTCs usually more expensive and less user-friendly Marking substances, for example Chemiluminescent groups can be used.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein "BioChip-Grundmodul" zum Nachweis biochemischer Reaktionen und/oder Bindungen bereitzustellen, bei der bzw. dem die lokale Konzentration an Fängermolekülen pro Oberflächeneinheit des Chips gegenüber dem Stand der Technik weiter erhöht werden soll, um so die Sensitivität von mit dem Biochip durchzuführenden Tests zu steigern, wobei es insbesondere ermöglicht werden soll, die vorstehenden Vorteile der Fluoreszenzmarkierung auch bei porösen Siliziumchips zu nutzen. The present invention is therefore based on the object a device or a "BioChip basic module" for verification to provide biochemical reactions and / or bonds, at which the local concentration of capture molecules per unit area of the chip compared to the state of the Technology should be increased further, so as to increase the sensitivity of to increase with the biochip tests to be carried out, whereby it in particular, the above should be made possible Advantages of fluorescent labeling even with porous ones To use silicon chips.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichneten Ausführungsformen gelöst. This task is accomplished by the in the claims characterized embodiments solved.
Insbesondere wird eine Vorrichtung bereitgestellt, umfassend ein flächig ausgebildetes Halbleiter-Trägermaterial bzw. Substrat mit zumindest bereichsweise angeordneten Poren, welche sich im wesentlichen vertikal von einer Oberfläche des Trägermaterials zur gegenüberliegenden Oberfläche des Trägermaterials durchgängig erstrecken, wobei auf der Oberfläche der Poren zumindest bereichsweise eine erste dreidimensional ausgebildete Matrix angeordnet ist, welche aus mindestens einem Polymer mit einer Vielzahl von funktionellen Gruppen aufgebaut ist, wobei die funktionellen Gruppen zur Bindung von in biologisch-chemischen Reaktionen/Bindungen verwendbaren Fängermolekülen befähigt sind. Der Ausdruck "Bindung von in biologisch-chemischen Reaktionen/Bindungen verwendbare Fängermoleküle" bedeutet, daß die Fängermoleküle an die funktionellen Gruppen kovalent oder ionisch oder über elektrostatische/adsorptive Wechselwirkungen, wie koordinative Bindungen, Einschlußbindung ("trapping") etc., gebunden sein können. Besonders bevorzugt sind kovalente Bindungen. Der Begriff "Vielzahl von funktionellen Gruppen" bedeutet vorzugsweise durchschnittlich 0,1 bis 10 funktionelle Gruppen pro wiederkehrende Einheit im Polymer, besonders bevorzugt sind durchschnittlich 0,5 bis 2 funktionelle Gruppen. Die Poren bzw. (diskrete) Kanäle des Halbleiter-Trägermaterials weisen beispielsweise einen Durchmesser von etwa 500 nm bis etwa 100 µm, insbesondere von 5 µm bis 10 µm auf. In particular, a device is provided comprising a flat semiconductor carrier material or Substrate with at least partially arranged pores, which is essentially vertical from a surface of the Backing material to the opposite surface of the Extend support material throughout, on the Surface of the pores, at least in regions, a first one three-dimensional matrix is arranged, which from at least one polymer with a variety of functional groups is built, the functional Binding groups in biochemical Catcher molecules usable reactions / bonds are. The expression "binding of in biochemical Reactions / bonds usable capture molecules "means that the capture molecules are covalent to the functional groups or ionic or via electrostatic / adsorptive Interactions, like coordinative bonds, Trapping, etc., may be bound. Covalent bonds are particularly preferred. The term "Large number of functional groups" preferably means on average 0.1 to 10 functional groups per recurring unit in the polymer, are particularly preferred 0.5 to 2 functional groups on average. The pores or (discrete) channels of the semiconductor carrier material for example a diameter of approximately 500 nm to approximately 100 μm, in particular from 5 µm to 10 µm.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich als Basis für ein "Biochip-Grundmodul" in Verfahren zum Nachweis biochemischer Reaktionen und/oder Bindungen sowie hierfür insbesondere zur Untersuchung von enzymatischen Reaktionen, Nukleinsäure(z. B. DNA)-Hybridisierungen, Protein-Protein- Wechselwirkungen, Protein-Liganden-Wechselwirkungen und anderer Verbindungsreaktionen im Bereich der Genom-, Proteom- oder Wirkstoff-Forschung in Biologie und Medizin und zum Nachweis niedermolekularer Substanzen über enzymatische Reaktionen. The device according to the invention is suitable as a basis for a "basic biochip module" in detection procedures biochemical reactions and / or bonds and for this especially for the investigation of enzymatic reactions, Nucleic acid (e.g. DNA) hybridizations, protein-protein Interactions, protein-ligand interactions and other connection reactions in the field of genome, proteome or drug research in biology and medicine and for Detection of low molecular weight substances via enzymatic Reactions.
Die Bereitstellung des Substrats bzw. Trägermaterials der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann gemäß im Stand der Technik bekannten Verfahren erfolgen. Das Trägermaterial ist vorzugsweise ein poröses Halbleiter-Trägermaterial ausgewählt aus Silizium, Siliziumoxid und Silizium mit mindestens einer oder mehreren (unterschiedlichen) Schichten, ausgewählt aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid, Germanium und Galliumarsenid. Besonders bevorzugt ist ein poröser Silizium-Chip. In einer bevorzugten Ausführungsform können insbesondere die Poren eines porösen Silizium-Chips zusätzlich eine oder mehrere Schichten aus Siliziumoxid und/oder Siliziumnitrid aufweisen, welche beispielsweise mittels CVD auf die Porenoberfläche aufgebracht werden können. Die Dicke des Trägermaterials liegt beispielsweise im Bereich von 400 µm bis 700 µm, vorzugsweise etwa 500 µm. The provision of the substrate or carrier material The device according to the invention can be used in the prior art known methods. The carrier material is preferably a porous semiconductor carrier material is selected made of silicon, silicon oxide and silicon with at least one or several (different) layers selected from Silicon oxide, silicon nitride, germanium and gallium arsenide. A porous silicon chip is particularly preferred. In a preferred embodiment can in particular the pores of a porous silicon chip additionally one or more Have layers of silicon oxide and / or silicon nitride, which, for example, by means of CVD on the pore surface can be applied. The thickness of the substrate is, for example, in the range from 400 µm to 700 µm, preferably about 500 microns.
Das erfindungsgemäße verwendete Polymer ist beispielsweise aus der Gruppe, bestehend aus Polysiloxanen, Acrylamiden und Derivaten davon wie Isopropylacrylamid, (Meth)acrylaten und Derivaten davon, Polyvinylpyridinen, Polyiminen, PMMA-PEGs, Alkoxysilanen wie 3-Glycidyloxypropyltrimethoxysilan, Tetraethoxylsilan (TEOS), Tetramethoxysilan (TMOS), Polyethern, Hydrogelen wie Polysacchariden, und Polyethylen sowie möglichen Copolymeren davon, ausgewählt. Derartige Polymere sind z. B. teilweise auch in EP-A-0 562 370, EP-A-0 562 373 und DE-A-198 53 815 beschrieben. Das Polymer kann darüberhinaus auch als Dendrimer, das heißt als baumförmige Struktur, ausgebildet sein. Des weiteren ist es möglich, die dreidimensionale Matrix als Gel oder als Schaum bereitzustellen. Beispiele hierfür sind insbesondere TMOS, TEOS und Hydrogele. The polymer used according to the invention is, for example from the group consisting of polysiloxanes, acrylamides and Derivatives thereof such as isopropylacrylamide, (meth) acrylates and Derivatives thereof, polyvinyl pyridines, polyimines, PMMA-PEGs, Alkoxysilanes such as 3-glycidyloxypropyltrimethoxysilane, Tetraethoxylsilane (TEOS), tetramethoxysilane (TMOS), Polyethers, hydrogels such as polysaccharides, and polyethylene as well as possible copolymers thereof. such Polymers are e.g. B. also partially in EP-A-0 562 370, EP-A-0 562 373 and DE-A-198 53 815. The polymer can also as a dendrimer, that is, as a tree-shaped Structure. Furthermore, it is possible to three-dimensional matrix as a gel or as a foam provide. Examples include TMOS, TEOS and hydrogels.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird als Polymer in der dreidimensionalen Matrix ein Copolymer verwendet, welches mindestens aus einem ersten Monomertyp, welcher mindestens eine funktionelle Gruppe aufweist, die zur Bindung mit in biologisch-chemischen Reaktionen/Bindungen einsetzbaren Fängermolekülen befähigt ist, und aus einem zweiten Monomertyp aufgebaut ist, welcher als Gerüstmonomer für das Copolymer dient und unspezifische Bindungen im wesentlichen verhindert. Derartige Copolymere sind beispielsweise in DE-A-198 53 815 beschrieben. According to a preferred embodiment, the polymer is in the three-dimensional matrix uses a copolymer which at least from a first type of monomer, which at least has a functional group which is suitable for binding with in biochemical reactions / bonds can be used Catcher molecules, and from a second Monomer type is built up, which as a scaffold monomer for the Copolymer serves and unspecific bonds essentially prevented. Such copolymers are described, for example, in DE-A-198 53 815 described.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die außerordentlich hohe Dichte der Bindungsstellen pro Oberflächeneinheit des Trägermaterials für gegebenenfalls zu bindende Fängermoleküle, welcher zum einen auf der Bereitstellung der dreidimensionalen Polymermatrix mit einer Vielzahl von Bindungsstellen für Fängermoleküle und zum anderen auf der durch die Hohlräume bzw. Kanäle bzw. Poren bzw. Kapillaren im Trägermaterial bzw. Substrat stark vergrößerten Oberfläche beruht. Damit der überraschende synergistische Effekt der beiden vorstehend genannten Beiträge zur Sensitivitätsverbesserung von insbesondere mit Fluoreszenzmarkern durchgeführten biochemischen Tests erzielt werden kann, ist die Zugänglichkeit der gesamten Struktur für die bei einem derartigen Test aufzubringende Testflüssigkeit und die darin gelöst vorliegenden Zielmoleküle von entscheidender Bedeutung. Daher ist das Trägermaterial mit Poren einschließlich der darin angeordneten dreidimensional ausgebildeten Polymermatrix mindestens für Flüssigkeiten und darin gelöste Zielmoleküle permeabel. A major advantage of the device according to the invention is the extraordinarily high density of the binding sites per Surface unit of the carrier material for if necessary binding capture molecules, which on the one hand on the Provision of the three-dimensional polymer matrix with one Variety of binding sites for capture molecules and others on the through the cavities or channels or pores or capillaries in the carrier material or substrate strong enlarged surface. So the surprising synergistic effect of the two above Contributions to sensitivity improvement, especially with Fluorescence markers performed biochemical tests achieved is the accessibility of the entire structure for the test liquid to be applied in such a test and the target molecules of vitally important. Therefore, the carrier material is included Pores including the three-dimensional arranged therein trained polymer matrix at least for liquids and target molecules dissolved therein are permeable.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform zur Sicherstellung dieser Eigenschaft der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die mindestens eine Polymermatrix derart vor, daß der halbe Durchmesser der Poren des Trägermaterials größer ist als die Dicke der Polymermatrix (vgl. auch Fig. 1(a)). In einer anderen Ausführungsform liegt die Polymermatrix über dem gesamten Porenquerschnitt in den Poren des Trägermaterials vor (vgl. auch Fig. 1(b)). According to a preferred embodiment to ensure this property of the device according to the invention, the at least one polymer matrix is present in such a way that half the diameter of the pores of the carrier material is larger than the thickness of the polymer matrix (cf. also FIG. 1 (a)). In another embodiment, the polymer matrix is present in the pores of the carrier material over the entire pore cross section (cf. also FIG. 1 (b)).
Diesbezüglich sind insbesondere Polymermatrices geeignet, die eine erhöhte Porosität, beispielsweise eine Schaumstruktur, aufweisen. Bei dichteren Materialien, beispielsweise Gelen, welche ein Durchströmen von Flüssigkeiten mit Zielmolekülen bzw. Waschflüssigkeiten erschweren, ist es auch möglich, die Permeationsvorgänge durch elektrokinetische Verfahren, wie beispielsweise Elektrophorese, zu unterstützen. Hierdurch ist es möglich, geladene Moleküle durch Anlegen eines elektrischen Feldes auch durch relativ dichte Medien, insbesondere Gele, zu bewegen. In this regard, polymer matrices are particularly suitable increased porosity, for example a foam structure, exhibit. With denser materials, such as gels, which is a flow of liquids with target molecules or complicate washing liquids, it is also possible to Permeation processes by electrokinetic processes, such as for example electrophoresis. This is it is possible to create charged molecules by applying a electric field also through relatively dense media, especially gels to move.
Die Art der in dem Polymer vorliegenden funktionellen Gruppen ist nicht besonders eingeschränkt, solange sie zur Bindung mit in biologisch-chemischen Reaktionen und/oder Bindungen einsetzbaren Fängermolekülen befähigt sind. Beispiele funktioneller Gruppen für eine vorzugsweise kovalente Bindung sind -COOH, -SH, -Epoxy, -NH2, -NR4+ mit R ist jeweils unabhängig voneinander H oder ein C1-4-Alkylrest, -Glycidyl und -Cl. The type of functional groups present in the polymer is not particularly limited as long as they are capable of binding with capture molecules that can be used in biological-chemical reactions and / or bonds. Examples of functional groups for a preferably covalent bond are -COOH, -SH, -epoxy, -NH 2 , -NR 4 + where R is in each case independently of one another H or a C 1-4 -alkyl radical, -Glycidyl and -Cl.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergibt sich, wenn auf der Oberfläche der Poren des Trägermaterials zwei oder mehrere dreidimensional ausgebildete Matrices schichtweise übereinander angeordnet sind (vgl. auch Fig. 1(c)). Dabei können jeweils die funktionellen Gruppen in der ersten Polymermatrix von denen in einer zweiten Polymermatrix bzw. den anderen Polymermatrices verschieden sein, so daß in den Polymermatrices unterschiedliche Fängermoleküle gekoppelt werden können. Durch eine derartige schichtweise Anordnung mehrerer Polymermatrices zumindest in den Poren des Trägermaterials ist es beispielsweise möglich, im Falle von Enzymen als Fängermolekülen durch ein Reaktionsprodukt aus der äußersten Polymermatrix eine chemische Reaktion in einer darunterliegenden Polymermatrix zu starten oder ein von einem ersten Farbstoff verschiedenes Fluorophor zu erzeugen. A further advantageous embodiment of the device according to the invention is obtained if two or more three-dimensionally designed matrices are arranged one above the other in layers on the surface of the pores of the carrier material (cf. also FIG. 1 (c)). The functional groups in the first polymer matrix can differ from those in a second polymer matrix or the other polymer matrices, so that different capture molecules can be coupled in the polymer matrices. Such a layered arrangement of several polymer matrices, at least in the pores of the carrier material, makes it possible, for example, in the case of enzymes as capture molecules, to start a chemical reaction in an underlying polymer matrix by a reaction product from the outermost polymer matrix or to generate a fluorophore different from a first dye ,
Im allgemeinen benötigt die Polymermatrix keine zusätzlichen Hilfsmittel zur Ausbildung einer ausreichenden Haftung bzw. Verankerung an die Oberfläche der Halbleiter-Trägermaterials. Zur weiteren Verbesserung der Haftung an die Oberfläche des Halbleiter-Trägermaterials können jedoch im Stand der Technik bekannte Haftvermittler, wie Silane, zwischen der Polymermatrix und der Oberfläche des Halbleiter- Trägermaterials angeordnet sein. In general, the polymer matrix does not require any additional ones Aid for training sufficient liability or Anchoring to the surface of the semiconductor substrate. To further improve the adhesion to the surface of the Semiconductor carrier material can, however, in the prior art well-known adhesion promoters, such as silanes, between the Polymer matrix and the surface of the semiconductor Carrier material may be arranged.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiter ein "BioChip-Grundmodul" auf der Basis der vorstehend beschriebenen Vorrichtung, bei welchem an das die dreidimensionale Matrix aufbauende mindestens eine Polymer über die funktionellen Gruppen Fängermoleküle, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus beispielsweise Nukleinsäuren, Proteinen, Enzymen, Peptiden und niedermolekularen organischen Liganden, kovalent, ionisch oder über elektrostatische Wechselwirkungen gebunden sind. Besonders bevorzugte Fängermoleküle sind Oligonukleotide. The present invention further relates to "BioChip basic module" based on the above described device, in which the three-dimensional matrix building up at least one polymer via the functional groups capture molecules, selected from the group consisting of, for example, nucleic acids, Proteins, enzymes, peptides and low molecular weight organic ligands, covalent, ionic or via electrostatic interactions are bound. Especially preferred capture molecules are oligonucleotides.
Dieses erfindungsgemäße BioChip-Grundmodul wird vorteilhafterweise in Tests verwendet, bei denen die Zielmoleküle mindestens eine Markierung, beispielsweise einen Farbstoff, eine lumineszierende Gruppe oder eine radioaktive Gruppe, aufweisen. Insbesondere bei der Analyse von Hybridisierungen mit Oligonukleotiden wird bevorzugt eine optische Auswertung vorgenommen, in welchem die Zielmoleküle mit einer lumineszierenden Gruppe, insbesondere einer fluoreszierenden Gruppe, markiert sind bzw. werden. This basic BioChip module according to the invention is advantageously used in tests in which the Target molecules at least one label, for example one Dye, a luminescent group or a radioactive Group. Especially when analyzing Hybridizations with oligonucleotides is preferred optical evaluation made in which the target molecules with a luminescent group, especially one fluorescent group, are marked.
Das erfindungsgemäße BioChip-Grundmodul ermöglicht überraschenderweise den Einsatz gängiger fluoreszierender Gruppen zur Auswertung von (Bindungs)Reaktionen unter Verwendung von vorzugsweise porösen Silizium-Chips (FTC). Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäß verwendeten Polymermatrix besteht dahingehend, daß die Fängermoleküle nicht direkt an der Oberfläche als Trägermaterials angeordnet sind und somit ein Quenching nach Bindung von fluoreszenzmarkierten Zielmolekülen im wesentlichen unterbunden wird. The BioChip basic module according to the invention enables surprisingly the use of common fluorescent Groups for the evaluation of (binding) reactions under Use of preferably porous silicon chips (FTC). A major advantage of the used according to the invention Polymer matrix exists in that the capture molecules not arranged directly on the surface as a carrier material are and thus a quenching after binding of fluorescence-labeled target molecules essentially is prevented.
Als fluoreszierende Gruppen bzw. Fluorochrome können dabei die in derartigen Diagnoseverfahren, z. B. Hybridisierungstests, üblichen Fluoreszenzgruppen eingesetzt werden, wie z. B. Hydroxycumarin, Aminocumarin, Methoxycumarin, Cascade blue, Lucifer yellow, NBD, R- Phycoerythrin (PE), PE-Cy5 Konjugate, PE-Cy7 Konjugate, Red 613, Fluorescein, BODIPY-FL, Cy3, TRITC, X-Rhodamin, Lissamin Rhodamin B, PERCP, Texas Red, Cy5, Cy7, Allophycocyanin (APC), TruRed, APC-Cy7 Konjugate, Hoechst 33342, DAPI, Hoechst 33258, SYTOX Blue, Chromomycin A3, Mithramycin, YOYO- 1, SYTOX Green, SYTOX Orange, Ethidiumbromid, 7-AAD, Acridin Orange, TOTO-1, TO-PRO-1, Thiazol Orange, Propidiumiodid (PI), TOTO-3, TOPRO-3, LDS 751, Indo-1, Fluo-3, DCFH, DHR, SNARF, Y66F, Y66H, EBFP, Wilde Type, GFPuv, ECFP, Y66W, S65A, S65C, S65L, S65T, EGFP, EYFP, DsRed, Monochlobiman, Calcein und fluoreszierende Naphthalin-1,4,5,8- tetracarbonsäurebisimide. As fluorescent groups or fluorochromes can be used in such diagnostic methods, for. B. hybridization tests, usual fluorescent groups are used, such as. B. hydroxycoumarin, aminocoumarin, methoxycoumarin, cascade blue, lucifer yellow, NBD, R-phycoerythrin (PE), PE-Cy5 conjugates, PE-Cy7 conjugates, Red 613 , fluorescein, BODIPY-FL, Cy3, TRITC, X-rhodamine, Lissamin Rhodamin B, PERCP, Texas Red, Cy5, Cy7, Allophycocyanin (APC), TruRed, APC-Cy7 conjugates, Hoechst 33342, DAPI, Hoechst 33258, SYTOX Blue, Chromomycin A3, Mithramycin, YOYO- 1 , SYTOX Green, SYTOX Orange , Ethidium bromide, 7-AAD, acridine orange, TOTO-1, TO-PRO-1, thiazole orange, propidium iodide (PI), TOTO-3, TOPRO-3, LDS 751 , Indo-1, Fluo-3, DCFH, DHR , SNARF, Y66F, Y66H, EBFP, wild type, GFPuv, ECFP, Y66W, S65A, S65C, S65L, S65T, EGFP, EYFP, DsRed, monochlobimane, calcein and fluorescent naphthalene-1,4,5,8-tetracarboxylic acid bisimides.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung, umfassend den Schritt des Aufbringens mindestens eines vorstehend definierten Polymers zumindest bereichsweise auf der Oberfläche der Poren des vorstehend definierten Trägermaterials unter Ausbildung einer dreidimensionalen Matrix. Another object of the present invention relates a method of making one as above Described device according to the invention, comprising the Step of applying at least one above defined polymer at least in some areas on the Surface of the pores defined above Carrier material with the formation of a three-dimensional Matrix.
Nachfolgend sind beispielhaft drei Verfahren zum Beschichten der porösen Substrate bzw. Halbleiter-Trägermaterialien aufgeführt.
- 1. Ein fertig synthetisiertes Polymer wird in einem entsprechenden Lösungsmittel aufgelöst. Diese Lösung kann durch Tauchen, Spotten oder Pumpen in die Poren des Substrates gebracht werden. Die Schichtdicke wird über die Viskosität (ähnlich wie beim Aufschleudervorgang) eingestellt. Ein Haftvermittler an den Porenwänden, z. B. eine dünne Silanschicht, kann eine kovalente Bindung des Polymer an die Porenwände unterstützen. Während oder nach dem Aufbringen kann ein Teil der Lösung über ein Vakuum abgepumpt oder mit Druck aus den Poren entfernt werden. Das Lösungsmittel aus dem verbleibenden Film verdampft danach von alleine oder durch Spülen mittels Stickstoff oder durch Erhitzen. Erst dann wird das Polymer funktionalisiert, so dass eine Anbindung von Biomolekülen möglich ist.
- 2. Eine nicht oder nur teilweise polymerisierte Lösung wird in die Poren gebracht (Tauchen, Spotten oder Pumpen) und erst in den Poren die Lösung fertig synthetisiert. Dies ist z. B. bei photovernetzbaren Polymeren möglich oder bei Polymeren, die durch Radikalstarter polymerisieren. Das Polymer wird anschliessend funktionalisiert oder die Monomere enthalten schon vorher die funktionelle Gruppe. Im Falle der Siloxane kann z. B. eine Aktivierung der Oberfläche die Polymerisation der Monomerenlösung (Tetramethoxysilan, Trimethoxymethylsilan, Dimethoxydimethylsilan in einem bestimmten Mischungsverhältnis, um große Poren zu erzeugen) auslösen. So wächst eine Polymerschicht an den Wänden der Poren auf.
- 3. Ferner kann in die Monomerenlösung ein makromolekulares Porogen eingebracht werden. Das können flüssige (z. B. Polyalkylenglykol, Polypropylenglykol) oder feste (z. B. Natriumchlorid, Natriumhydrogencarbonat) Porogene sein. Nach dem Abscheiden des Polymerfilms wird thermisch aufgeschäumt (z. B. Pyrolyse von polymeren Porogenen), oder es entstehen Gase (z. B. im Falle von Ammoniumbicarbonat Ammoniak und CO2), oder das polymere oder feste Porogen wird gelöst (z. B. wasserlösliche Polyvinylmethylether). Dadurch entsteht eine definierte Porosität und eine Oberflächenvergrößerung. Anschließend wird chemisch funktionalisiert.
- 1. A completely synthesized polymer is dissolved in an appropriate solvent. This solution can be brought into the pores of the substrate by dipping, spotting or pumping. The layer thickness is set via the viscosity (similar to the spin coating process). An adhesion promoter on the pore walls, e.g. B. a thin silane layer, can support a covalent bond of the polymer to the pore walls. During or after application, part of the solution can be pumped off under a vacuum or removed from the pores with pressure. The solvent from the remaining film then evaporates by itself or by flushing with nitrogen or by heating. Only then is the polymer functionalized so that biomolecules can be bound.
- 2. A solution that is not or only partially polymerized is brought into the pores (dipping, spotting or pumping) and the solution is only synthesized in the pores. This is e.g. B. possible with photocrosslinkable polymers or with polymers that polymerize by radical initiators. The polymer is then functionalized or the monomers contain the functional group beforehand. In the case of siloxanes, e.g. B. activation of the surface trigger the polymerization of the monomer solution (tetramethoxysilane, trimethoxymethylsilane, dimethoxydimethylsilane in a certain mixing ratio to produce large pores). A polymer layer grows on the walls of the pores.
- 3. A macromolecular porogen can also be introduced into the monomer solution. These can be liquid (e.g. polyalkylene glycol, polypropylene glycol) or solid (e.g. sodium chloride, sodium bicarbonate) porogens. After the polymer film has been deposited, thermal foaming is carried out (e.g. pyrolysis of polymeric porogens), or gases are formed (e.g. in the case of ammonium bicarbonate, ammonia and CO 2 ), or the polymeric or solid porogen is dissolved (e.g. water-soluble polyvinyl methyl ether). This creates a defined porosity and an increase in surface area. It is then functionalized chemically.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem vorstehend definierten Schritt des Aufbringens sowie Kopplung von geeigneten Trägermolekülen mindestens eine weitere Polymermatrix auf die erste Polymermatrix aufgebracht. Dabei können die funktionellen Gruppen in der ersten Polymermatrix von denen in der weiteren Polymermatrix bzw. den Polymermatrices verschieden sein. Dadurch besteht die Möglichkeit unterschiedliche Ziel- bzw. andere Moleküle in den verschiedenen Polymerschichten bzw. -matrices zu binden. According to a preferred embodiment of the invention The process is carried out according to the step of Application and coupling of suitable carrier molecules at least one other polymer matrix on top of the first Polymer matrix applied. The functional Groups in the first polymer matrix, of which in the further Polymer matrix or the polymer matrices may be different. This enables different target or other molecules in the different polymer layers or -matrices to tie.
Des weiteren ist es bevorzugt, die Polymermatrices derart aufzubringen, daß der halbe Durchmesser der Poren des Trägermaterials größer als die Dicke der Polymermatrix(ces) ist, und/oder die Polymermatrix(ces) für Flüssigkeiten und darin gelöste Zielmoleküle permeabel ist/sind. Durch mindestens eine dieser Maßnahmen wird sichergestellt, daß bei der Durchführung eines biochemischen Tests unter Verwendung eines so hergestellten BioChip-Grundmoduls der bzw. die in der Analyseflüssigkeit vorliegende(n) Zielmoleküle als Analyt(en) die Bindungsstellen optimal erreichen. Furthermore, it is preferred to use the polymer matrices in this way to apply that half the diameter of the pores of the Carrier material larger than the thickness of the polymer matrix (ces) is, and / or the polymer matrix (ces) for liquids and target molecules dissolved therein are permeable. By at least one of these measures ensures that at performing a biochemical test using of a BioChip basic module produced in this way target molecules present in the analysis liquid as Analyte (s) optimally reach the binding sites.
Wie schon vorstehend ausgeführt, ist das eine erfindungsgemäße Matrix aufbauende Polymer nicht besonders eingeschränkt. Es ist jedoch bevorzugt, daß der vorstehend definierte Schritt das Polymerisieren eines Polymers umfaßt. Derartige Polymere und deren Herstellung sowie das Aufbringen auf gängigen Chipoberflächen sind im Stand der Technik allgemein beschrieben bzw. vorstehend definiert und beispielhaft erläutert. As stated above, this is one Polymer constructing the matrix according to the invention is not special limited. However, it is preferred that the above defined step comprises polymerizing a polymer. Such polymers and their production and application on common chip surfaces are state of the art generally described or defined above and exemplified.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich, wenn im vorstehend definierten Schritt ein Copolymer mindestens aus einem ersten Monomertyp, welcher mindestens eine funktionelle Gruppe aufweist, die zur Bindung, vorzugsweise kovalenten Bindung mit in biologisch- chemischen Reaktionen und/oder Bindungen einsetzbaren Fängermolekülen befähigt ist, und aus einem zweiten Monomertyp copolymerisiert wird, welcher als Gerüstmonomer für das Copolymer dient. Wie schon vorstehend ausgeführt sind derartige Copolymere beispielsweise im Stand der Technik beschrieben. Bei dieser Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im vorstehend definierten Schritt zuerst Fängermoleküle, beispielsweise Nukleinsäuren, Proteine oder niedermolekulare organische Liganden, an die Monomere vom ersten Typ über die funktionelle Gruppe kovalent, ionisch oder über elektrostatische Wechselwirkungen gebunden und danach diese Monomere mit den Gerüstmonomeren, d. h. den Monomeren vom zweiten Typ, copolymerisiert. Somit erfolgt der Einbau der Fängermoleküle in die Polymermatrix und das Aufbringen derselben, d. h. beispielsweise auf der Trägermaterialoberfläche und den Porenoberflächen des Trägermaterial, in einem Arbeitsschritt. Diese Vorgehensweise ist besonders ökonomisch, da bisher im allgemeinen bei der Herstellung von Biochips zunächst die Oberflächen zur Kopplung der Fängermoleküle entsprechend behandelt werden müssen und erst dann das Aufbringen der Fängermoleküle in Form der Dots erfolgt. Dadurch, daß bei der vorstehend genannten, bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens die Gerüststruktur, d. h. die die Fängermoleküle bindende Polymermatrix, (die sonst separat durchzuführende Vorbereitung des Chips zur Kopplung) sowie die Fängermoleküle selbst in einem Arbeitsschritt aufgebracht werden, wird eine erheblich vereinfachte Herstellung eines BioChip-Grundmoduls ermöglicht. Des weiteren kann bei dieser Vorgehensweise die Stabilität der Fängermoleküle erhöht werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß durch Auswahl der Art und Menge der Fängermoleküle sowie des Verhältnisses des Monomertyps mit funktioneller(n) Gruppe(n) zum Gerüstmonomer die Bindung der Fängermoleküle an die Polymermatrix wesentlich differenzierter steuerbar ist. A particularly preferred embodiment of the invention Procedure results if defined in the above Step a copolymer of at least one first type of monomer, which has at least one functional group which for Bond, preferably covalent bond with in biological chemical reactions and / or bonds can be used Catcher molecules, and from a second Is copolymerized type of monomer, which as a framework monomer serves for the copolymer. As stated above such copolymers, for example in the prior art described. In this variant of the invention Procedures are first in the step defined above Capture molecules, for example nucleic acids, proteins or low molecular weight organic ligands to which monomers from first type on the functional group covalent, ionic or bound by electrostatic interactions and then these monomers with the skeletal monomers, d. H. the Second type monomers copolymerized. Thus the Installation of the capture molecules in the polymer matrix and that Applying the same, d. H. for example on the Substrate surface and the pore surfaces of the Carrier material, in one step. This approach is particularly economical, because so far in general with the Production of biochips first the surfaces for Coupling of the capture molecules are treated accordingly and then the application of the capture molecules in Form of the dots takes place. The fact that in the above mentioned, preferred embodiment of the Manufacturing process the framework structure, d. H. the the Catcher-binding polymer matrix, (which is otherwise separate preparation of the chip to be carried out for coupling) and the capture molecules themselves applied in one step will be a significantly simplified manufacture of a BioChip basic module enables. Furthermore, with this Procedure increases the stability of the capture molecules become. Another advantage is that by choosing the type and amount of capture molecules and the ratio of the monomer type with functional group (s) for Scaffold monomer binds the capture molecules to the Polymer matrix can be controlled much more differentiated.
Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich sowohl im Fall der Ausbildung eines Copolymers als auch im Fall des Aufbringens anderer Polymertypen, beispielsweise die bereits vorstehend definierten Polymere, nach dem Aufbringen der Polymerschicht gemäß vorstehend definiertem Schritt die Fängermoleküle, insbesondere solche, die aus der Gruppe, bestehend beispielsweise aus Nukleinsäuren, Proteinen und niedermolekularen organischen Liganden, ausgewählt sind, an die Polymerschicht bzw. die äußerste Polymerschicht über die funktionellen Gruppen beispielsweise kovalent zu binden. Of course, it is also possible both in the case the formation of a copolymer as well as in the case of Applying other types of polymer, for example those already polymers defined above, after the application of Polymer layer according to the step defined above Capture molecules, especially those from the group consisting for example of nucleic acids, proteins and low molecular weight organic ligands are selected the polymer layer or the outermost polymer layer over the to bind functional groups, for example, covalently.
Die Figuren zeigen: The figures show:
Fig. 1 zeigt schematisch drei Ausführungsformen (a), (b) und (c) der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei (1) das Halbleiter-Trägermaterial, (2) eine Pore und (3) und (4) unterschiedliche Polymermatrices sind. Fig. 1 shows schematically three embodiments (a), (b) and (c) of the inventive device, wherein (1) the semiconductor substrate, (2) a pore, and (3) and (4) different polymer matrices.
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