DE10332848B4 - Microarrays of immobilized biomolecules, their preparation and use - Google Patents
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Abstract
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 200 μm liegt.A microarray of immobilized biomolecules, which has at least two surface areas B which are spatially separated from one another and each comprise several spatially separated places P on which biomolecules are immobilized, in which the mean distance of the boundary line of an area B to its center point is the area of 10 μm to 200 μm.
Description
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 preparation and their use. Likewise, the present invention 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 biology analysis, the standard techniques associated with a very high work and cost, often lasting days or weeks, are reaching their limits. New test formats such as biochips should enable enormous time and cost savings. Since a large number of different substances immobilized in a confined space can be brought into contact simultaneously with a single sample to be analyzed by this technique, the information content obtained per measurement from a chip is very high.
Eine Übersicht über die bekanntesten Biochip-Systeme findet man beispielsweise in Bowtell D. D. L. Nature Genetics Supplement 21 (1999) 25–32; Lockhart et al. Nature Biotechnology 14 (1996) 1675. Eine Übersicht über Protein- und Antikörper-Arrays gibt Cahill, D. J. Immunol. Methods, 250 (2001) 81–91.For a review of the most popular biochip systems, see, for example, Bowtell D.D. L. Nature Genetics Supplement 21 (1999) 25-32; Lockhart et al. Nature Biotechnology 14 (1996) 1675. For a review of protein and antibody arrays, see Cahill, D. J. Immunol. Methods, 250 (2001) 81-91.
Ein typisches Beispiel eines sogenannten „high density array” ist der GeneChip von Affymetrix, ein Oligonukleotidarray mit typischerweise über 400 verschiedenen Capture Probes, 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 more than 400 different Capture probes 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 Aminosilanisierungen und NHS-aktivierte Haptene, epoxyaktivierte Oberflächen, Carbodiimidkopplungen an Carboxylgruppen sowie Biotin/Streptavidin-Bindungen zugrunde liegen (vgl.
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
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.The spotting techniques are printing processes. The biomolecules are applied to a surface as solutions with a printing system in the form of a regular dot pattern. At the heart of the printing system is a printhead, which either has a series of needles or is a micro-dosing head. The latter allows parallel printing of different solutions of biomolecules. Namely, when printing with a micro-dosing head, different liquids can be filled into the reservoirs which are connected to the micro-dosing head. You can successively perform several 100 to 1000 printing operations without refilling and thus generate a corresponding number of spots on a surface. However, with the usual spotting techniques it is not possible to produce spots with a diameter below 100 μm. Thus, this technique is not suitable to produce so-called high-density chips, but only low-and medium-density chips. Although 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 <1 micron on a surface. In this context, those of Boland et al. (222nd ACS National Meeting 2001, pp. 26-30), the nanopipette method (Bruckbauer et al., J. Am. Chem. Soc., 2002, 124, 8810), 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 associated with high equipment costs.
In jüngerer Zeit wurde verschiedentlich eine Stempeltechnik, das sogenannte Mikrokontakt-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
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 strip-shaped protein regions are first applied to a surface by means of a polydimethylsiloxane stamp having strip-shaped elevations. In a second stamping process, a stamp having the same structure is then wetted with a solution of a second protein and rotated by 90 ° onto the surface already coated with the first protein. Thus one obtains a surface with two different, orthogonally arranged protein strips. A third protein can be applied to the surface not yet occupied by the first two proteins 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. Therefore, such arrays 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 Antikörper 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 method for the production of protein arrays, in which one first inserts a protein solution in so-called micro-wells, then with a stamp the protein solution from these micro-wells receives and on imprinted 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 procedure is described by Renault et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 2320. In this case, a mask with a plurality of through holes is placed on a stamp surface, in which holes solutions of different antigens are filled. As a result, the antigens are applied to the stamp surface. Subsequently, the stamp surface is contacted with a solution of antibody and then printed on a suitable surface. In this way, protein arrays can be produced which have several different regions with respect to their proteins. With both methods, however, only large areas can be produced. Both methods are extremely complicated to carry out and have the disadvantage of low selectivity. This is due to capillary forces of protein fluids.
Die
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 the largest possible number of regions 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 need for the costly techniques 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 200 μm insbesondere 25 μm bis 200 μm entspricht. Derartige Mikrobioarrays sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung.This object is achieved by microarrays of immobilized biomolecules, also referred to below as microbioarrays, which have at least two, preferably at least ten, in particular at least fifty and especially at least one hundred spatially separated surface regions B arranged on a surface, each surface region comprising a plurality of preferably on average at least ten, in particular at least one hundred spatially separated sites P, on which the biomolecules are immobilized and wherein the extent of the areas on average a distance of the boundary line of a respective area B to its area center in the range of 10 .mu.m to 200 .mu.m in particular 25 microns to 200 microns corresponds. 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. weiche 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 Biomoleküle auf die so bereitgestellte Oberfläche spottet, so dass jeder Spot mehrere Plätze P abdeckt und anschließend überschüssige Biomoleküle entfernt (Variante 2).
- - By means of spotting techniques biomolecules spatially resolved on a suitably structured stamping surface so that each spot covers several of the raised areas of the stamp surface, such as columnar elevations, and then brings the stamp surface with the surface on which the biomolecules are to be immobilized in contact and optionally excess, ie not immobilized biomolecules removed (variant 1); or
- A pattern corresponding to the array of compounds V. which causes immobilization of biomolecules on a surface, hereinafter also referred to as coupling agent V, is applied to the surface, resulting in an array having a plurality of spatially separated sites P which are occupied by the compound V, then mocks a solution of the biomolecules on the thus provided surface, so that each spot covers several places P and then removes 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 variants of the method combine the high resolution achieved by the μCP technique and the advantages of the spotting technique, which makes it possible to generate different regions of immobilized biomolecules 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 the production of microbioarrays, in which one according to
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 corresponds to this. Arrangement and size of the raised regions of the stamp surface covered by the biomolecules in the surface regions B, in each case the number, arrangement and size of the sites P of a region 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
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 inventive method according to the
Die Erfindung ist mit einer Reihe von Vorteilen verbunden:
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 konventionellen Arrays, die durch Spotting-Technik hergestellt werden, auftreten, werden vermieden. Dies erlaubt eine sehr dichte Anordnung der einzelnen Flächenbereiche auf der Oberfläche 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 invention has a number of advantages:
The microbioarrays according to the invention allow an increase in capacity compared to conventional biochips produced by spotting techniques, since four to ten spots with the same biomolecule occupancy are generally required in the latter. to ensure a sufficiently accurate detection of the analyte. By contrast, in the arrays according to the invention, only a surface area corresponding in size to a spot is required. Due to the division of the areas into several places P, a clear increase in sensitivity, ie a better signal-to-noise ratio, is also achieved in the detection of analytes. In addition, significantly lower amounts of biomolecules are required for the production. Furthermore, the arrays according to the invention are relatively easy to produce. The expense for their production corresponds even at a resolution corresponding to that of a high-density biochip, only the production cost 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 technique allows a repeated application of the stamping process without the need for intermittent spotting steps. Due to the attachment of the biomolecules to sites P within a given area, the area boundaries are relatively sharp, unlike conventional spots, ie, "coffee stain forms" such as occur in conventional arrays made by spotting techniques are avoided. This allows a very dense arrangement of the individual surface areas on the surface of the array, without having to worry about smearing these areas. Furthermore, it is surprisingly found that the method according to the invention does not occur in the case of complex biomolecules in which there is the danger of denaturation, especially in the case of proteins, such denaturation. Therefore, a particularly preferred embodiment of the invention relates to protein microbial arrays, ie 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 locations P, in particular a spatial assignment of specific substances to defined locations P, it being possible for different sites P to be assigned the same or different substances. The assigned substances are according to the invention biomolecules. The spatial dimensions of the places P are in the micron range or in the sub-micron range. Therefore, the arrays according to the invention are 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 several areas, which in turn are subdivided into spatially separated locations P. The locations P within each area are assigned the same substance type, although it is also conceivable to associate mixtures of two or more substance types with the sites P of a region. Places P in different areas will generally differ with regard to the composition and / or the coverage of the respective substance type. As a rule, therefore, different biomolecules will be immobilized on sites P in different regions.
Der Begriff „Biochip bezeichnet hier einen Array von Biomolekülen, die auf einem festen Träger immobilisiert sind.The term "biochip" refers to an array of biomolecules 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:
- – Nukleinsäuren, insbesondere Oligonukleinsäuren, z. B. einzel- und/oder doppelsträngige, 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;
- – Proteine, z. B. Allergene, Inhibitoren, Rezeptoren;
- – Enzyme, z. B. Peroxidasen, Alkalische-Phosphatasen, Glukose-Oxidase, Nukleasen;
- – kleine Moleküle (Haptene), z. B. Pestizide, Hormone, Aminosäuren, Antibiotika, Pharmaka, Farbstoffe, synthetische Rezeptoren, Rezeptorliganden.
- - Nucleic acids, in particular oligonucleic acids, eg. 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, z. Fab, Fab ', F (ab) 2 , synthetic;
- Proteins, e.g. B. allergens, inhibitors, receptors;
- - enzymes, eg. Peroxidases, alkaline phosphatases, glucose oxidase, nucleases;
- Small molecules (haptens), e.g. Pesticides, hormones, amino acids, antibiotics, drugs, 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 enter into a specific analytical interaction 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.In a particular aspect, a particular type of biomolecule is designated as a ligand. Ligands interact with and, in particular, bind to specific targets, preferably specifically.
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 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 gründsätzlich 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 sites P of a surface. These places P have a certain shape and extent. The shape of the places P is basically arbitrary. Preferably, the shape of the places P is uniform and has, for example, a polygonal, z. B. an n-sided with n = 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 or 12, and preferably a rectangular with n = 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9th , 10, 11 or 12, and of these, preferably a rectangular geometry, a circular or an ellipsoidal geometry. Mixed forms of these geometries are fundamentally suitable, for. B. stretched ovals. Preferably, the places P have a circular or ellipsoidal geometry. The spatial extent of these places P naturally correlates with the distance of the boundary line of a respective place to its center of area. This distance is on average usually in the range of 50 nm to 50 .mu.m, preferably 100 nm to 25 .mu.m, in particular 0.25 .mu.m to 20 .mu.m and especially 0.5 .mu.m to 10 .mu.m.
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 spacing of the surface centers of adjacent places P, is generally in the range of in the range of 200 nm to 200 μm, frequently in the range of 1 μm to 150 μm, in particular in the range of 5 μm to 100 μm and especially in the range of 10 microns to 90 microns. The mean minimum distance between adjacent places P, defined by the minimum distance which the boundary lines of two adjacent places P have, is generally in the range of 100 nm to 150 μm, frequently in the range of 500 nm to 120 μm, in particular in the range of 2 μm to 100 μm, and especially in the range of 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 may be regular or irregular. Preference is given to regular arrangements, i. H. Arrangements in which the average distance, the two adjacent places P have, not more than 20% and especially not more than 10% varies, 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 positions P of the array can be assigned to different surface areas B. The surface regions B arranged on the microbioarrays according to the invention generally have a uniform geometry, preferably an ellipsoidal or circular geometry. Their extent naturally correlates with the distance of the boundary line of a respective area B to its center of area. This distance is on average usually in the range of 10 .mu.m to 250 .mu.m, preferably in the range of 25 .mu.m to 200 .mu.m and in particular in the range of 30 .mu.m to 150 .mu.m. For circular surface areas B, this corresponds to half the diameter of the respective surface area. The respective surface areas B usually form a uniform arrangement on the surface of the array. The mean distance between adjacent regions B, defined by the mean distance between the surface centers of adjacent regions, will generally not fall below a value of 50 .mu.m, in particular 100 .mu.m and especially 200 .mu.m. The minimum distance between adjacent areas B, defined by the minimum distance that the boundary lines of two adjacent areas have, will not be less than 5 μm on average, 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 have in the respective surface areas B in each case a plurality of at least 10, preferably at least 50 and in particular at least 100 and up to 10,000, preferably up to 5000 and in particular up to 1000 spatially separated sites P, 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.According to the invention, the biomolecules in the microarrays are immobilized on a surface, i. H. fixedly bound. The binding can be via covalent interactions, coordinative interactions, ionic or electrostatic interactions, hydrogen bonds, hydrophobic interactions and mixed forms of the aforementioned interactions.
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). The binding can take place both directly to the surface as well as via a compound V mediating the binding of the biomolecule. These substances V are usually compounds which are covalently bonded 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 for example in the base pairing of oligonucleotides, in the protein-protein interaction, antibody-antigen binding and in the protein-ligand interaction occur (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 attachment takes place via covalent interactions. The biomolecules are then bound to the biomolecules via ester, amide, sulfonamide, imino, amidino, urethane, urea, thiourethane, thiourea, sulfide, sulfonyl, ether or amino groups, for example.
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, Chinolin, 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(II), Nickel(II), Zink(II), Kobalt(II) und Eisen(II). Die Biomoleküle binden dann an diese Metalle über eine, vorzugsweise über zwei oder drei räumlich benachbarte funktionelle Gruppen der vorgenannten Art.In another embodiment of the invention, the biomolecules are bound via a metal atom mediated coordinate bond. In these cases, the metal atom is attached 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 over 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 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 Polynukleotid-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 binding of the biomolecules takes place via coordinating hydrogen-bond bonds, as occur, for example, in the base pairing of nucleotide sequences. In this embodiment, short oligo or polynucleotide sequences are generally at least two, e.g. B. 2 to 100, in particular 2 to 20 bases bonded via preferably covalent bonds to the surface. Accordingly, the biomolecule will have an oligonucleotide or polynucleotide sequence at least partially complementary thereto, at least 2, preferably at least 10, adjacent bases being 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 via affinitive interactions, eg. For example, protein-protein interactions, such as occur in the binding of antigens to antibodies, or protein-ligand interactions, for example via a biotin-streptavidin or biotin-avidin system bound.
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, Polyalkyl(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.As surfaces for the arrays according to the invention, basically all surfaces can be considered on which biomolecules can be immobilized without causing deactivation of the biomolecules. These surface materials may be the surface of a support material or a modified surface of a support material. The carrier materials can be rigid or flexible. Typical support materials include oxidic support materials such as glass, quartz, ceramics, semimetals such as silicon and germanium, common semiconductor materials, eg. As doped silicon or doped germanium, metals and metal alloys, especially based on gold, polymers, eg. As polyvinyl chloride, polyolefins such as polyethylene, polypropylene, polymethylpenthene, polyesters, fluoropolymers such as Teflon, polyamides, polyurethanes, polyalkyl (meth) acrylates, polystyrene, blends and composites of the aforementioned materials and the like. Preference is given to materials whose surface has a low roughness. Preferably, the roughness characterizing R a value is not more than 100 nm and in particular not more than 50 nm. Preferred support 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 funktionellen 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.In general, it is recommended that the surfaces of inert support materials, eg. Glass, ceramics, metal, metalloid such as silicon, polyolefin such as polyethylene or polypropylene, d. H. in a way to treat them having a plurality of functional groups R capable of reacting with complementary reactive groups R 'to form a chemical bond, preferably a covalent chemical bond. These functional groups R allow the biomolecules to be directly linked via a chemical bond or indirectly, i. H. by means of one of the above-defined substances V, which is covalently bonded to the surface via such groups to immobilize on the surface.
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, Carbonsäureester- und 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 nucleophile 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. Reactive groups R in the context of this invention are those which react with nucleophiles in an addition reaction including a Michael reaction or in a substitution reaction, e.g. As isocyanate groups, (meth) acrylic groups, vinylsulfone groups, oxirane groups, aldehyde groups, oxazoline groups, carboxylic acid groups, Carbonsäureester- and carboxylic anhydride groups, carboxylic acid and sulfonic acid halide groups, but also the complementary, reacting as a nucleophile groups such as alcoholic OH groups , primary and secondary amino groups, thiol groups and the like. Examples of carboxylic ester groups are in particular so-called active ester groups of the formula -C (O) OX in which X is pentafluorophenyl, pyrrolidine-2,5-dione-1-yl, benzo-1,2,3-triazol-1-yl or a carboxamidine residue, and NHS esters (N-hydroxy-succinimide ester). Reactive groups within the meaning of the invention are also nucleophilic groups which react with the aforementioned electophilic groups to form bonds, e.g. As NH 2 , SH, or OH, but especially NH 2 . It goes without saying that a surface according to the invention either predominantly electrophilic groups or predominantly nucleophilic groups, wherein in the case of NCO / NH 2 , both groups may be present side by side.
Eine Übersicht über reaktive Gruppen R und hierzu komplementäre funktionelle 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: Tabelle 1: Komplementäre funktionelle Gruppen
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, eg. B. in addition to the above-mentioned (meth) acrylic groups and 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 terms of an ene 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 ene 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 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(II), Nickel(II), Zink(II), Kobalt(II) und Eisen(II), 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.The groups R in a broader sense also include groups acting as ligands, the metal ions, in particular of transition metals and especially of transition metals of the third period, which can form divalent ions in an aqueous medium, such as copper (II), nickel (II), zinc (II), cobalt (II) and iron (II), which in turn mediate coordinate binding to the biomolecule. Examples of groups acting as ligands include carboxyl groups, hydroxyl groups, amino groups, SH groups, oxime groups, aldehyde groups, keto groups and heterocyclic groups having an imino nitrogen, such as in pyridine, quinoline, imidazole or oxazole. Preferably, the group acting as ligands on the surface are arranged 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-, Isothiocyanat-, Aldehyd, Aktivester, Acryl- und Methacrylgruppen, so dass die Biomoleküle mit der Oberfläche über eine der folgenden funktionellen Gruppen, ausgewählt unter Amidgruppen, Urethangruppen, Harnstoffgruppen, Thiourethangruppen, Estergruppen, Iminogruppen, Thioharnstoffgruppen oder Sulfoethylgruppen und gegebenenfalls über einen Spacer, gebunden sind. In a preferred embodiment, the organic surface layer has on its surface such functional groups which are amenable to addition or substitution reaction by nucleophiles. Preferred R groups are isocyanate, isothiocyanate, aldehyde, active ester, acrylic and methacrylic groups such that the surface-active biomolecules have one of the following functional groups selected from amide 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 specific embodiment of the invention, the binding of the biomolecules or of the substance V takes place via isocyanate groups present on the surface layer to form 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 multiplicity of nucleophilic groups, in particular NH 2 groups, such that the biomolecules used for the immobilization or the substance V is a group which is complementary to this, for example an isocyanate group, an ester group , z. B. 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 sauerstoffhaltigen Plasma erfolgen wie sie von P. Chevallier et al. J. Phys. Chem. B 2001, 105(50), 12490–12497; in
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 funktionelle 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 funktionelle 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. Erfindungsgemäß 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, activating the surface also includes applying an organic coating having on its surface a plurality of the above-defined functional groups R. This coating is also referred to below as an adhesive layer. For this purpose, bi- or polyfunctional organic compounds or polymers are applied to the surface, which has at least one functional group which react with the functional groups on the surface of the support material to form bonds (covalent, ionic and / or coordinative) and the at least one additional additional functional group R of the type described above. These substances can be applied to the carrier surface as thin or ultrathin layers, in particular as monomolecular or multimolecular layers, or produced on the surface of the carrier material by means of chemical vapor deposition (CVD). 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 (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 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 Triethoxyaminopropylsilan und N[(3-Triethoxysilyl)propyl]ethylendiamin, Trialkoxyalkyl-3-glycidylethersilane wie Triethoxypropyl-3-glycidylethersilan, Trialkoxyalkylmercaptane wie Triethoxypropylmercaptan, Trialkoxyallylsilane wie Allyltrimethoxysilan, Trialkoxy(isocyanatoalkyl)silane sowie Trialkoxysilyl(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 zitierter Stand der Technik bekannt.In a preferred embodiment of the invention, compounds which have silane groups, in particular trialkoxysilane groups, as bonding-promoting groups are used to produce the adhesive layer. Examples of such compounds are trialkoxyaminoalkylsilanes such as triethoxyaminopropylsilane and N [(3-triethoxysilyl) propyl] ethylenediamine, trialkoxyalkyl-3-glycidyl ether silanes such as triethoxypropyl-3-glycidyl ether silane, trialkoxyalkyl mercaptans such as triethoxypropyl mercaptan, trialkoxyallylsilanes such as allyltrimethoxysilane, trialkoxy (isocyanatoalkyl) silanes and trialkoxysilyl (meth) acryloxyalkanes and - (meth) acrylamidoalkanes such as 1-triethoxysilyl-3-acryloxypropane. These compounds are applied in very thin layers, in particular as monolayer on the surface, preferably after previous activation. Methods for this purpose are known from the cited prior art.
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, Red. 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 funktionelle Gruppen R aufweisen. Hier sind insbesondere monomolekulare Beschichtungen aus Polylysin und/oder Polyethylenimin zu nennen.Furthermore, for the production of adhesive layers and polyammonium compound with free primary amine groups, as z. By J. Scheerder, J.F. J Engbersen, and D.N. Reinhoudt, Red. Trav. Chim. Pays-Bas 1996, 115 (6), 307-320, and by Decher. Science 1997, 277, 1232-1237 to be described for this purpose. Also suitable are polyfunctional polymers which are absorbed by the chain backbone on the carrier surface and which have further functional groups R. Particular mention should be made here of monomolecular coatings of polylysine and / or polyethyleneimine.
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. 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 irradiation or by a plasma treatment in the manner described above.
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-Bildnern, 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 activation of the surface can also be effected in such a way that, instead of an adhesive layer or preferably on the adhesive layer or on another activated surface, a further coating is applied which is particularly suitable for immobilizing the biomolecules and such groups instead of the reactive groups R. which allows binding of the biomolecules via coordinative bonds, via hydrogen bonds, via hydrophobic interactions or via affinitive bonds. For this purpose, one will generate on the surface of a preferably monomolecular layer of the above compounds V, z. As layers of chelating agents, low molecular weight ligands for protein sequences such as biotin, from proteins such as avidin or streptavidin, or from oligonucleotides. It goes without saying that you will make such an activation only when the production of the arrays according to
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-funktionalisierte 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 Tec Bioanalytics GmbH (mit Polysaccharid-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 (Multi-funktionalisierte 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 cited prior art and largely commercially available, for example from the company Bioslide Technologies, Walnut CA, USA (NH 2 -functionalized support, CHO-functionalized Supports, epoxy-functionalized supports, polylysine-coated supports), from Xenopor Corp., Hawthorne, NJ, USA (NH 2 -functionalized supports, aldehyde-functionalized supports, epoxide-functionalized supports, maliimide-functionalized supports, nickel chelate Carrier, streptavidin-functionalized carriers, biotinylated carriers, thiol-modified carriers), from Greiner Bio-One GmbH, (amino-functionalized carriers, aldehyde-functionalized carriers, streptavidin carriers), Xan Tec Bioanalytics GmbH (with polysaccharide hydrogels coated supports, streptavidin-functionalized supports, biotin-functionalized supports er, ultrahydrophobic alkyl layers, carboxyl-functionalized supports, hydrazone-functionalized supports, thiol-functionalized supports) Amersham Biosciences UK Ltd., England (polymeric amino-modified surface), Schott Glas, Mainz, Germany (multi-functionalized aminosilane coatings, Nexterion ® carrier), company Sunergia Group Inc. (amino-modified support, isothiocyanate-modified support).
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 Regel 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 Hydrogel-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 to a hydrogel-forming surface layer. This surface layer should naturally be very thin, preferably in the dry state have a thickness ≤ 50 microns, especially ≤ 10 microns and especially ≤ 1 micron, more preferably ≤ 500 nm and especially ≤ 100 nm, so as not to adversely affect the function of the biochip. As a rule, 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 on exposure to moisture by 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 grolle 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 und Analytical Sciences, Boston, MA, USA (mit Polyacrylamid-Hydrogelen beschichtete Träger, Hydrogel® Coated Slides) und XanTec Bioanalytics GmbH (mit Polysaccharid-Hydrogelen beschichtete Träger, die an ihrer Oberfläche freie Carboxyl-, Amino, Hydrazino-, SH, Streptavidin- oder Biotin-Gruppen aufweisen.The hydrogel-forming coatings can be applied directly to the surface of the support, e.g. Example, be activated by treatment with acids or alkalis, by oxidation (flaming), by electron beam irradiation or by a plasma treatment surface, or to the above-described adhesive layer. Hydrogel-forming coatings are naturally preferred which have on their surface a large number of free functional groups R as described above. Carriers with hydrogel coatings are well known in the art and are also commercially available for the purposes of biochip production, for example, from Perkin-Elmer, Life and Analytical Sciences, Boston, MA, USA (polyacrylamide hydrogel coated carriers having hydrogel ® coated Slides) and XanTec Bioanalytics GmbH (coated with polysaccharide hydrogels carrier, the free at its surface carboxyl, amino, hydrazino, SH, streptavidin or biotin groups.
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 Regal 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
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. Star-shaped prepolymers are understood as meaning those polymers which have a plurality of polymer chains bonded to a low molecular weight central unit, the low molecular weight central unit generally having from 4 to 100 skeletal atoms such as C atoms, N atoms or O atoms.
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)acrylat, Hydroxypropyl(meth)acrylat, Acrylamid, Methacrylamid, Acrylsäure und/oder Methacrylsäure 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/Polypropylenoxid-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.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 8,000 daltons and especially in the range from 500 to 5,000 daltons. Accordingly, the star-shaped prepolymer has a number-average molecular weight in the range of generally at least 1500 daltons, preferably 2000 to 100,000 daltons, in particular 2500 to 50,000 daltons and especially 3000 to 30,000 daltons. The hydrogel-forming properties of the surface layer are ensured by the water solubility of the polymer arms. It is generally ensured 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, homopolymers and copolymers which contain at least 50 wt .-% of N-vinylpyrrolidone in copolymerized form, homopolymers and copolymers containing at least 30 wt. % Hydroxyethyl (meth) acrylate, hydroxypropyl (meth) acrylate, acrylamide, methacrylamide, acrylic acid and / or methacrylic acid in copolymerized form, hydroxylated polydienes and the like. The polymer arms A are preferably derived from poly-C 2 -C 4 -alkylene oxides and are in particular selected from polyethylene oxide, polypropylene oxide and polyethylene oxide / polypropylene oxide copolymers, which may have a block or a random arrangement of the repeat units. Particular preference is given to star-shaped prepolymers whose polymer arms A are derived from polyethylene oxides or from polyethylene oxide / polypropylene oxide copolymers having a propylene oxide content of not more than 50%.
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 a crosslinkability of the prepolymers, they have functional groups at the ends of their polymer arms, which react with complementary functional groups to form covalent bonds. Examples of such groups are those in Table 1 under R bwz. R 'mentioned 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 Isacyanat-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 preparation of hydrogel-forming coatings, which are composed of interconnected star-shaped prepolymers, in particular those prepolymers have proven that have at the ends of their polymer arms isocyanate groups and particularly preferably isocyanate end groups derived from aliphatic diisocyanates, in particular those such obtained by addition of isophorone diisocyanate (IPDI) to the chain ends of OH group-terminated star prepolymer precursors.
Die erfindungsgemäß zur Anwendung kommenden Präpolymere sind z. T. bekannt, z. B. aus der
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, which is 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. If desired, the steps of deposition and crosslinking may be repeated. You get in this way 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 funktionelle Gruppe tragen, auf die zu Oberfläche des Trägers;
- i.b. anschließend Durchführen einer Verknüpfungsreaktion der reaktiven Gruppen untereinander und Entfernen des Lösungsmittels; und
- i.c. gegegebenenfalls Umwandeln der funktionellen Gruppen auf der Oberfläche der Oberflächenschicht.
- ia depositing the star-shaped prepolymer on the surface of a carrier by applying a solution of at least one star-shaped prepolymer having on average at least four polymer arms A, which are individually soluble in water and carry at their free ends a reactive functional group to which Surface of the carrier;
- ib subsequently performing a linking reaction of the reactive groups with each other and removing the solvent; and
- 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 untereinander eine chemische Reaktion unter Bindungsbildung eingehen. In step ia, a coating is obtained which is composed of uncrosslinked prepolymers and which has a multiplicity of functional groups on its surface. In this coating, a linking reaction of the reactive groups is carried out with each other, wherein the linking reaction after application and removal of the solvent can be carried out by subsequent treatment of the coating with a crosslinker or removing the solvent, if the solution already contains a suitable crosslinker and / or the functional groups of the prepolymer undergo a chemical reaction with each other under binding formation.
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 methods are the immersion of the surface to be coated in the solution of the prepolymer and the spin coating - in this case the solution of the prepolymer is applied to the rotating at high speed surface to be coated. It goes without saying that the coating measures are usually carried out under dust-free conditions for the production of ultra-thin coatings.
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 as uniform a thickness as possible remains on the substrate. This is then dried. The resulting film thickness depends on the concentration of the prepolymer in the solution. Subsequently, the networking is 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 8000 U/min, in Rotation versetzt, wobei die Lösung weitgehend abgeschleudert wird und ein dünner Beschichtungsfilm 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. Subsequently, the substrate to be coated with high rotational speeds, usually at least 50 U / min, often at least 500 U / min, z. B. 500 to 30000 U / min, preferably above 1000 U / min, z. B. 1000 to 10000 U / min, and more preferably 3000 to 8000 U / min, set in rotation, wherein the solution is largely thrown off and a thin coating film remains on the surface of the substrate. Subsequently, a networking is 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 usually not exceed a value of 500 mg / ml, preferably 250 mg / ml and especially 100 mg / ml. Naturally, the concentration of the coating can 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, Diethylether, 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-Propanol, Isopropanol, 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 Isocyanatgruppen der Präpolymere in derartigen Lösungen vergleichsweise langsam erfolgt.To prepare the solutions of the prepolymers, all solvents which have little or no reactivity with respect to the functional groups of the prepolymer to be dissolved are fundamentally suitable. Of these, those are preferred which have a high vapor pressure and can thus be easily removed. Preference is therefore given to those solvents which have a boiling point below 150.degree. C. and preferably below 120.degree. C. under normal pressure. Examples of suitable solvents are aprotic solvents, e.g. As 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 having OH, SH, carboxyl, (meth) acrylic and oxirane groups and protic solvents such as water or alcohols, eg. For example, methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol and tert-butanol, and mixtures thereof with aprotic solvents suitable. 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 degradation of the isocyanate groups of the prepolymers in such solutions takes place comparatively slowly.
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 crosslinking of the prepolymers can take place in different ways. For example, the prepolymers may react with a crosslinking agent. As crosslinking agents, basically all compounds having 2 or more functional groups are suitable, which react with the functional groups of the prepolymer to form bonds.
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 provision of the organic surface by a process in which the linkage of the reactive groups of the prepolymer by the addition of a compound Vm1 triggers having at least two complementary reactive groups per molecule with the reactive groups of the star shaped prepolymer 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, Pentaerythrit und dergleichen, aliphatische oder cycloaliphatische Diamine, Triamine oder Tetramine, z. B. Ethylendiamin, Diethylentriamin, Triethylentetramin, Tetraethylenpentamin, 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, Adipinsäure, 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.The polyfunctional compounds Vm1 may be low molecular weight compounds, for. B. aliphatic or cycloaliphatic diols, triols and tetraols, z. As ethylene glycol, butanediol, diethylene glycol, triethylene glycol, trimethylolpropane, pentaerythritol and the like, aliphatic or cycloaliphatic diamines, triamines or tetramines, e.g. Ethylenediamine, diethylenetriamine, triethylenetetramine, tetraethylenepentamine, 1,8-diamino-3,6-dioxaoctane, diaminocyclohexane, isophoronediamine and the like, aminoalcohols such as ethanolamine, diethanolamine, aliphatic or cycloaliphatic dithiols, dicarboxylic acids or tricarboxylic acids such as sebacic acid, glutaric acid, adipic acid, Phthalic acid, isophthalic acid, or the aforementioned diisocyanates, depending on which type of reactive groups the prepolymer has. In contrast to the prepolymers, the low molecular weight polyfunctional compounds generally have a molecular weight <500 g / mol.
Die polyfunktionelle Verbindung Vm1 kann bereits in der Lösung des Präpolymeren enthalten sein. In der zunächst entstehende Oberflächenschicht aus weitgehend unvernetzten 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 compound Vm1 may already be contained in the solution of the prepolymer. In the initially formed surface layer of largely uncrosslinked prepolymers then react, for. As drying or heating of the layer, the reactive groups of the crosslinking agent with the reactive groups of the prepolymer and thus form a layer of crosslinked prepolymers, which usually has a plurality 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 which have at least four polymer arms A which are inherently 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 are also suitable as polyfunctional compounds Vm1. In other words, in order to provide the hydrogel coating, it is also possible according to the invention to use solutions of at least two different prepolymers, wherein the 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 Lager 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 Tetrahydrofuran 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 initiated by adding a sufficient amount of a compound Vm2 which reacts with a portion of the reactive groups of the prepolymer to form functional groups having a reactivity complementary thereto. In the case of prepolymers with isocyanate groups, for example, the crosslinking can be initiated by treating the coated article with water, eg. B. by storage in a humid atmosphere or under water. In this case, a part of the isocyanate groups react to form amino groups, which in turn react with the remaining isocyanate groups to form bonds, resulting in a layer of cross-linked prepolymers. The crosslinking agent Vm2 is thus here water. Thus prepared coatings, when freshly prepared, still have free isocyanate groups. Upon prolonged exposure to moisture, the surface isocyanate groups are converted to 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. Examples of suitable water-miscible solvents are, in particular, those which do not react with the isocyanate groups or react only much more slowly than water. Examples include cyclic ethers such as tetrahydrofuran and dioxane, furthermore 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 producing thicker layers. The concentration of prepolymer is then preferably in the range of 0.1 to 500 mg / ml, in particular in the range of 0.5 to 200 mg / ml and especially in the range of 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 crosslinked, 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 Gröle 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:
- – 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 Säulenim Bereich von 100nm bis 100 μm, vorzugsweise 200 nm bis 50 μm, insbesondere 0,5 μm bis 40 μm und speziell 1μm 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 5μm 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, insbesondereim Bereich von 2μm 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 Stirnmflächen 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 area of the end face is on average usually 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. In the preferred cylindrical column shapes, this corresponds to an average diameter of the columns in the range of 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 mean distance between the center areas of the faces of 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 of 10 microns to 90 microns.
- The average minimum distance between two adjacent columns is generally in the range of 100 nm to 150 μm, frequently in the range of 500 nm to 120 μm, in particular in the range of 2 μm to 100 μm, and especially in the range of 5 μm to 80 μm μm (number average). Preferably, the average distance between two adjacent columns, defined by the distance between the surface centers of the front surfaces of the columns, at least twice as large as the average distance of the boundary line of the end face of a column to the surface center of the end face.
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 columns correspond to the geometry of the places P and are in particular circular or ellipsoidal 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. H. the individual spacing of adjacent columns will on average not deviate more than 20% and preferably not more than 10% from the average spacing of 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 distances of the bands to one another, which were stated for the distances between adjacent columns, apply to one another. The average width of the band-shaped elevations is generally in the range of 100 nm to 100 .mu.m, preferably 200 nm to 50 .mu.m, in particular 1 .mu.m to 30 .mu.m and especially 2 .mu.m to 20 .mu.m.
Die Hohe 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 over the stamp base area is generally in the range of 0.5 to 500 .mu.m, in particular in the range of 0.5 to 50 .mu.m and especially in the range of 1 to 10 microns. It is of minor importance for the process according to the invention. In order to ensure a 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 of area H: A is not more than 10, in particular not more than 5. D. h. a cylindrical column with a diameter of about 1 micron will not exceed a height of 5 microns and especially 2.5 microns. The same applies to the ratio of the width of a band-shaped elevation to its height over the stamp base area.
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 hergestellt 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.Preferably, the columnar elevations of a stamp are formed by an elastic material in order to ensure a sufficiently good transmission. As a rule, the elastic material is a polymeric elastomer, for example a crosslinked polydimethylsiloxane. Such punches are known from the cited prior art or can be prepared by the methods specified therein (see in particular Kane et al.,
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 minor importance and depends primarily on the dimensions of the array to be produced. If the stamp material is an elastomer, it has proved advantageous if the stamp surface is arranged on a rigid or flexible support, for example on a metal foil. Usually, the elevations and the stamp surface 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, Platter, 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
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
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 on 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 of 1 nmol / ml to 1 .mu.mol / ml. The required for a clean transfer of the biomolecules from the stamp contact time is usually a few seconds to 30 min. Longer contact times are usually not required but not disadvantageous.
Die abgegebene Flüssigkeitsmenge ist von Bedeutung, da sie die Größe der Flächenbereiche B, also insbesondere die Spotgröße bestimmt. In der Regal 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 um können erzeugt werden, indem man mittels Kapillardispensern Mengen von etwa 0,01 nl bis 0,1 μl aufbringt.The amount of liquid dispensed is important because it determines the size of the surface areas B, ie in particular the spot size. Liquid quantities in the femtosecond to nanoliter range are applied to the shelf. Thus, spots are available with a diameter of about 150 to 200 microns with a contactless applied amount of about 10 nl to 2 ul. Spots with diameters in the range of 10 μm can be generated by applying amounts of about 0.01 μl to 0.1 μl using capillary dispensers.
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, Dimethylformamid, 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 Alkylsulfate, 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 solvents for preparing the solutions of the biomolecules depend in a manner known per se on the nature of the biomolecule to be dissolved. Often the solvent is water or aqueous mixtures of water with organic solvents that are immiscible with water indefinitely. These include, for example, alcohols such as methanol, ethanol, isopropanol or n-butanol, dimethylformamide, Dimethylfulfoxid, tetrahydrofuran and the like and mixtures thereof with water. Depending on the nature of the biomolecule, only organic solvents, eg. B. the aforementioned solvents and their mixtures are used, especially in the case of low molecular weight compounds. In addition to the biomolecules, the solutions may 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, quaternary ammonium compounds and the like. Furthermore, in particular aqueous solutions of the biomolecules may contain conventional buffers such as PBS buffer, SSC buffer 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
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.Subsequent to the application of the biomolecules and the concomitant coupling of the organic surface, a washing process is generally carried out. The purpose of this washing process is, in particular, to remove uncoupled biomolecules. In accordance with the solution previously used for applying the biomolecules, aqueous solvents or solvent mixtures are preferably used for washing. In principle, the above statements apply here accordingly.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform wäscht man mit einem wässrigen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, das ein Tensid, vorzugsweise ein nichtionisches Tensid, 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 containing a surfactant, preferably a nonionic surfactant. Particularly preferred are polyalkoxylated, and in particular polyethoxylated Fettsäurester of polyols, in particular glycerol or sorbitol, for example sorbitan fatty acid esters sold under the trade name Tween ®. In particular, the use of ethoxylated sorbitan hexylaurate has proved to be useful.
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 suitably chosen so that on the one hand effective removal of uncoupled biomolecules is ensured, on the other hand, the washing solution with the immobilized biomolecules is compatible. Concentrations ranging from 0.01% to 10%, and preferably from 0.05% to 2%, by weight have been found to be useful.
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
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 0. 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.Subsequently, the biomolecules are applied in several spatially separated surface areas B on the pretreated surface. This leads to a chemical binding of the biomolecules and thus to an immobilization at those sites P, which are occupied by the compound V, or in which the compound V is bound. Subsequently, unbound biomolecules are rinsed off from the surface in a manner known per se, for example by washing with the 0.g. Washing liquids. In this way, one obtains the array according to the invention, which has a plurality of spatially separate surface areas, each comprising a plurality of spatially separated sites P, which are occupied by biomolecules, wherein the places P within a range have a similar occupancy and the places P different surface areas have a similar occupancy or a different occupancy with respect to the occupation density and / or the type of immobilized biomolecule occupancy.
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 V localized in the sites 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 contacting the stamp surface with a solution of compound V. Then, any solvent is removed and then the thus treated stamp surface, which is now occupied by the compound V, with the surface , on which the biomolecules are to be immobilized, brought into contact. 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 Perlon-Elmer vertrieben werden.
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.
- In a first step, providing on a support a hydrogel-forming surface layer having on its surface a plurality of functional groups which react with complementary functional groups to form bonds,
- On a stamp surface having a plurality of raised surfaces, applying a compound V having one or more functional groups capable of reacting with the functional groups of the surface to form a covalent bond, and which also has one or more different functional groups Has groups that can form a bond to the biomolecule to be immobilized;
- Bringing the thus treated stamp face into contact with the hydrogel-forming surface layer to obtain a surface comprising a plurality of spatially separated sites P occupied by compound V,
- - Subsequently, one or more different solutions of the biomolecules to be immobilized in at least two spatially separated surface areas B so applied that the surface areas each covering a plurality of places, which are occupied by the compound V, wherein the biomolecules immobilized at the squares be, and
- - subsequently removed 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 nature of compound V. The optimum solvents and concentrations can be determined by the skilled person in a simple manner with a few routine experiments. Preference is given in principle to those 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 having a boiling point below 120 ° C. Examples of solvents are water, aqueous solvent mixtures and organic solvents, eg. As the solvents mentioned in the
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 application of the biomolecules in spatially separate areas can be done in a conventional manner by means of the usual spotting techniques, as described in detail in
Der in der Regel erforderliche Waschschritt erfolgt durch Abspülen mit einer geeigneten Waschlösung. Hier gelten die zu Variante 1 gemachten Ausführungen entsprechend.The usually required washing step is carried out by rinsing with a suitable washing solution. Here, the statements made to
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
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(II), Nickl(II), Zink(II), Kobalt(II) und Eisen(II). 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 aromatische Orthohydroxy-Aldehyde wie Salicylaldehyd, funktionalisierte Pyridin- und Chinolin-Verbindungen, wie 8-Hydroxychinolin, Dipicolylamin, N-2-Pyridylmethylaminoacetat, weiterhin Polycarbonsäuren mit vorzugsweise wenigstens 2, z. B. 2, 3, 4, 5 oder 6 Carboxylgruppen, insbesondere Verbindungen, die wenigstens 2, z. B. 2, 3, 4, 5 oder 6 Carboxymethyl-Gruppen und gegebenenfalls eine weitere funktionelle Gruppe R' aufweisen, wie in Iminodiessigsäure, Nitrilotriessigsäure und ihre Derivate, wie sie von Liu et al. Synthesis, 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 Verbindung 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 unkomplexierter 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.Binding to the biomolecule may involve covalent, ionic, coordinative, hydrophobic interactions, hydrogen bonding interactions, or a hybrid of the aforementioned bonds (affinity binding, such as occurs in protein ligand or protein-protein interactions). , In a first preferred embodiment of the invention, this binding center is a center that can form a coordinate bond to the biomolecule, which is mediated via a transition metal atom. With respect to the nature of the transition metal atoms, the above applies. In particular, they 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). Preferably, such compounds V bind the metal atom as a chelate, ie the compounds V have at least 2, preferably at least 3, z. B. 3, 4 or 5 functional groups that can form a coordinate bond to the above-mentioned metal ions. The spatial arrangement of the functional groups is preferably chosen so that the connection takes place in the form of a chelate over all functional groups of the compound. Examples of suitable compounds V which are capable of coordinating 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 Pyridylmethylaminoacetat, furthermore polycarboxylic acids with preferably at least 2, z. B. 2, 3, 4, 5 or 6 carboxyl groups, especially compounds containing at least 2, e.g. B. 2, 3, 4, 5 or 6 carboxymethyl groups and optionally 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 orthophosphoserine and Likewise, in a preferred embodiment of the invention, an amino-functionalized derivative of a compound having 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. When uncomplexed compounds V are used, complexation is then carried out by rinsing with a metal ion-containing solution. Optionally, following the application of Compound V, or subsequent to the complexing of Surface-bound Compound V, a washing step will be introduced 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 Carboxylgruppen 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 you can also in carboxyl-protected form, d. H. as an ester. Suitable protecting 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. does not affect the hydrogel layer or even destroy it. Example of this is the tert-butyl group, which is thermally, for. B. by heating to 150-220 ° C, preferably at reduced pressure, remove.
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 complexing are usually aqueous solutions of water-soluble salts of the metal ions, eg. B. Solutions of chlorides, nitrates, sulfates, acetates, etc. The concentration of metal ions in the solution is usually in the range of 1 mM to 1 M. Depending on the nature of the ligand and the nature of the metal ion, the pH of the solution usually 5 to 12, in particular 6 to 11. The solutions may optionally contain weak complexing agent, for. Ammonia to ensure solubility of the metal ions at higher pHs.
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 Oligonukleotid-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 another embodiment of the
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 a further embodiment of the invention, compounds V are used as compounds which, as is known, enter into an affine interaction with biomolecules. Examples of suitable compounds V are ligands, e.g. Haptens and antibodies that are so functionalized, d. H. have a group R 'that can react with the surface to form a covalent bond. These also include chemical compounds V which, in addition to at least one reactive group R ', have a further molecule group or amino acid sequence which can bind with the biomolecule in the sense of an affinitive interaction, for example a protein ligand or protein-protein interaction. Examples of these are 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 modified with a group R', so that they represent 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, for example a covalent bond, a coordinate bond, a hydrogen bond or an affinity bond, to the substance V immobilized on the surface. Examples of such groups have in part already been dealt with above in 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%.For example, biomolecules that bind to substance V to form a covalent bond have a complementary reactive group (see above). Naturally, these biomolecules which bind to an oligonucleotide sequence have a sequence which is at least partially complementary thereto, wherein preferably at least two adjacent base pairs in the oligonucleotide sequence of the biomolecule are complementary to two adjacent base pairs of the substance V oligonucleotide sequence. Preferably, the match is 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 attached via affinitive interactions, the biomolecule naturally has at least one group which can bind with the substance V in the sense of a protein ligand or protein-protein interaction, for example in 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, the substance V is a substance which coordinates a transition metal ion of the type described above. In this case, the biomolecule has a molecular group, which in turn can form a coordinating bond as a ligand, preferably as a chelating ligand with the transition metal ion. Preferably, however, the gelatizing effect of this group is not so strong that it comes to a complete displacement of the gelatizing part of the compound V. Chelating ligands in the biomolecules are in particular those which have at least two, in particular 2 or 3, groups 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. Of these, preference is given in particular to groups which have at least one or preferably 2 or 3, spatially adjacent imidazole groups. Particularly preferred among these are those 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 funktionalisierter 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. Chromate. 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 references cited therein (metal complexing-mediating tags), Christian Jakob, doctoral thesis of the University of Göttingen, 2001 and literature cited therein (recent 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
Bei der besonders bevorzugten Ausgestaltung der Variante 2 mit Hydrogel-bildender Oberflächenschicht 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 oder 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
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.
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 Funktionalisierung 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 regions of the biomolecules to the surface structured with the compound V, the principle stated above for the application of biomolecules to stamp surfaces applies in principle, with direct spotting (contact-free or with contact) being preferred. In this case, the biomolecule can be used in pure form or as a crude product of functionalization, since the biomolecule provided with the binding site selectively binds to the sites 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, Ethanol 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.In general, the application of the biomolecule is followed by a washing step. This washing step serves to remove unbound biomolecule from the surface of the array. When Wash liquids are basically those liquids into consideration, which solve the biomolecule and at the same time do not damage the surface. Particularly suitable are aqueous solvents which, in addition to water, may also contain small amounts, 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 may also contain surfactants as mentioned above. The proportion of surface-active substances will generally amount to no 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 buffer SSC buffers and the like, in the concentrations customary for this purpose. The type of additional constituents depends in a manner known per se on 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 provided with a marking 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. The measured amount of immobilized label makes it possible in particular to assess the coupling efficiency and thus the immobilization of the biomolecules in terms of area, homogeneity and density.
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 Nukleinsäure-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.In principle, all types of marking are suitable. Preferably, the marker is chosen so that it does not interfere or only minimally with the subsequent analysis, so the use of the arrays not or only insignificantly influenced. For this purpose, any necessary markings of the sample, ie in particular of nucleic acid targets, should be taken into account. On the other hand, the label may be chosen to interact with the label of the sample. The signal originating from interactive markers may be distinguishable from that originating from the corresponding non-interacting markers. For example, the interaction may affect signal intensity, e.g. B. amplify or quench, or modify the signal, for. B. change the wavelength 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, 125I, 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 Digoxigenin, die über entsprechende Nachweissysteme erkannt werden können.Suitable according to the invention are marking systems which are suitable for. B. detect spectroscopically, photochemically, biochemically, immunochemically, electrically, optically or chemically. These include both direct labeling systems, such as radioactive labels (eg 32 P, 3 H, 125 I, 35 S, 14 C), magnetic markers, chromophores, for example UV, VIS, or IR-absorbing compounds, fluorophores, chemical or bioluminescent markers, transition metals which are usually chelated, or enzymes, e.g. As horseradish peroxidase or alkaline phosphatase and the detection reactions coupled thereto, as well as indirect labeling systems, such as haptens, such as biotin or digoxigenin, which can be detected by appropriate detection systems.
Vorteilhafte Chromophore besitzen eine intensive Farbe, die von den umgebenden Molekülen nur geringfügig absorbiert wird. Farbstoffklassen, wie Chinoline, Triarylmethane, Acridine, Alizarine, Phthaleine, Azoverbindungen, Anthrachinone, Cyanine, Phenazathioniumverbindungen oder Phenazoxoniumverbindungen, seien hier stellvertretend für das breite Spektrum erfindungsgemäß geeigneter Chromophore genannt.Advantageous chromophores have an intense color, which 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 mentioned here as representative of the broad spectrum of chromophores which are suitable according to the invention.
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 Aminomethylcaumarinessigsäure (AMCA, blau), EDANS, BODIPY 493/503; FL; FL8r2; 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 Succinimidylester, und IRD41.Fluorescent labels are preferred. It gives strong signals with little background, high resolution and high sensitivity. According to the invention, it is advantageous that one and the same fluorophore can emit several distinguishable radiations depending on the excitation and detection principle. Fluorophores may be used alone or in combination with a quencher (eg, molecular beacons). Suitable fluorophores include, for example, aminomethyl caffeine acetic acid (AMCA, blue), EDANS, BODIPY 493/503; FL; FL8r2; 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, especially type 647 and 532, e.g. As succinimidyl ester, 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 may be designed, for example, as a chip, microfluid device or as a dipstick. Devices based on bioarrays are generally known to the person skilled in the art from the cited prior art, 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:
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; Toxicogenamics.By way of example, the following applications may be mentioned:
Diagnosis, treatment choice and therapy control of tumor and metabolic diseases; Examination of genetic predisposition (SNPs), in particular the detection of mutations, also in the forensic area; Detection of promoter methylation (epigenetics); Gene expression control; Sequencing, in particular sequencing by hybridization; Microbiological applications such as in bacteriology and virology, for example for the 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 compound libraries; Toxicogenamics.
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 noncompetitive 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 Extension 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 (Abschwächung, Verstärkung, z. B. Molecular Beacons) oder die Aktivität eines Enzyms verändert wird und diese Änderung als Meßsignal registriert wird. Beispiele für nichtkompetitive Assays sind Hybridisierungsreaktionen von PCR-Produkten oder markierter DNA/RNA an auf der Oberfläche immobilisierte Nukleinsäuren, insbesondere Oligonukleotide oder cDNA, sowie Sandwichimmunoassays.In noncompetitive assays, the analyte (analyte) interacts with the biomolecules immobilized on the surface. In general, the analyte is previously marked, but it is also possible a marker after the analyte has already interacted with the immobilized biomolecules, z. B. by primer extension or rolling-cycle PCR. In these cases, a measurement signal is obtained which is the greater, the more analyte is present. It is also possible that the fluorescence of the immobilized substances is changed by the interaction of the sample with the substances immobilized on the surface (attenuation, amplification, eg molecular beacons) or the activity of an enzyme is changed and this change is registered as a measurement signal becomes. Examples of noncompetitive assays are hybridization reactions of PCR products or labeled DNA / RNA to nucleic acids immobilized on the surface, in particular oligonucleotides or cDNA, as well as 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 kompetivie Assays sind Immunoassays (ELISA) und Rezeptorassays).In 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 competing reaction between analyte and label 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 will be illustrated by the following examples and figures.
Figuren:Characters:
Beispiele Examples
I. Aminofunktionalisierung des Trägers:I. Aminofunctionalization of the carrier:
Die Substratoberflächen (Glasplättchen, Mikroskopieträger, Siliziumträger) wurden zunächst vorbehandelt. Hierzu wurden die Substrate 1 h 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, 50 W) 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 slides, microscope slides, silicon supports) were first pretreated. For this purpose, the substrates were stored for 1 h at 60 ° C. in a mixture of concentrated aqueous ammonia, hydrogen peroxide (25% strength by weight) and water in a volume ratio of 1: 1: 5. Afterwards, they were rinsed several times with water. The treated substrates were then stored in deionized water. Alternatively, the pre-cleaned by water and acetone substrates in a plasma system of the type TePla 100-E from the company Plasma Systems for 2 minutes in oxygen plasma treated (pressure: 1 mbar, 50 W) 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 wavelength of 185 nm for 10 min (distance between substrate surface and
Zur Aminofunktionalisierung wurden die vorbehandelten Substrate mit einer Aminosilian-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 aminosilyl monolayer. For this purpose, the sample taken from the water and blown dry with nitrogen was transferred to a glovebox. There, the substrates were stored in a 0.5% (v / v) solution of (3-aminopropyl) trimethoxylsilane in dry toluene for 16 h, then thoroughly washed with toluene and stored therein and filtered using a nitrogen atmosphere in a glovebox before use Dried nitrogen stream.
II. Herstellung eines Trägers mit einer Hydrogel-Schicht, die auf ihrer Oberfläche funktionelle Gruppen R aufweist.II. Preparation 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(ethylen/propylenoxid) 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
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
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 × 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 fluoreszen-mikroskopisch 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 uM. On a rectangular Polydimethyldisiloxan stamp, manufactured by Tan et al., Langmuir 2002, 18, pp 519-523 with an area of 15 mm × 15 mm with a regular array of cylindrical columns (diameter 10 .mu.m,
In analoger Weise können auch Protein-Arrays und Nucleotid-Arrays hergestellt werden:Analogously, protein arrays and nucleotide arrays can also be prepared:
Beispiel 2: Herstellung eines Oligonucleotid-ArraysExample 2: Preparation of an oligonucleotide array
Ein rechteckiger Polydimethyldisiloxanstampel, hergestellt z. B. nach Tan et al., Langmuir 2002, 18, S. 519–523, mit einer Fläche von 15 mm × 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 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 11 Beispiel 1 frisch hergestellten Oberfläche 2 mm 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.A rectangular Polydimethyldisiloxanstampel prepared z. Langmuir 2002, 18, pp. 519-523, with an area of 15 mm × 15 mm with a regular arrangement of columns (diameter 5 μm,
Beispiel 3 Herstellung eines Biotin-Streptavidin-Arrays: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 mm. 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 becomes 2 mm. brought into contact with the coating produced by II Example 2. Subsequently, the coating thus obtained is washed successively with dimethylformamide and water to remove unbound ester and dried in an argon stream. In this way, an array of circular regions of immobilized biotin was obtained.
Auf das so hergestellte Biotin-Array werden mittels Mikropipette 2 Spots á 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
Beispiel 4: Herstellung eines Protein-Arrays über KomplexbildungExample 4: Production of a Protein Array via Complexing
Der in Beispiel 1 verwendete Polydimethylsiloxanstempel, mit einer Fläche von etwa 15 mm × 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 NiCl2 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
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