WO2007090511A1 - Polyelectrolyte monolayers and multilayers for optical signal converters - Google Patents

Polyelectrolyte monolayers and multilayers for optical signal converters Download PDF

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WO2007090511A1
WO2007090511A1 PCT/EP2007/000448 EP2007000448W WO2007090511A1 WO 2007090511 A1 WO2007090511 A1 WO 2007090511A1 EP 2007000448 W EP2007000448 W EP 2007000448W WO 2007090511 A1 WO2007090511 A1 WO 2007090511A1
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WO
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waveguide
polyelectrolyte
dna
recognition
multilayers
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/000448
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German (de)
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Inventor
Karlheinz Hildenbrand
Original Assignee
Siemens Medical Solutions Diagnostics Gmbh
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Publication date
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08JWORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/20Manufacture of shaped structures of ion-exchange resins
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N2021/7769Measurement method of reaction-produced change in sensor
    • G01N2021/7786Fluorescence
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/7703Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator using reagent-clad optical fibres or optical waveguides

Definitions

  • the invention relates to methods for coating dielectric materials with polyelectrolyte mono- and multilayers and to an optical signal converter having a coating of these polyelectrolyte layers and to the use thereof.
  • Dielectric materials are modified with polyelectrolyte monolayers or multilayers for bio- and chemofunctionalization, with the aim of producing chemical and / or biochemical (biochemical) recognition elements, e.g. Receptors, antibodies, DNA, etc., to be able to immobilize on the surface.
  • biochemical recognition elements e.g. Receptors, antibodies, DNA, etc.
  • Such coated dielectric materials e.g. Coated optical waveguides are used as signal transducers (transducers), such as those used in sensor technology in biosensors or chemosensors.
  • Bio or chemosensors are devices that can qualitatively or quantitatively detect an analyte with the aid of a signal converter and a recognition reaction.
  • the recognition reaction is generally referred to as the specific binding or reaction of a so-called analyte with a so-called recognition element.
  • recognition reactions are the binding of ligands to complexes, the complexation of ions, the binding of ligands to (biological) receptors, membrane receptors or ion channels, of antigens or haptens to antibodies, of substrates to enzymes, of DNA or RNA to specific proteins, the hybridization of DNA / RNA / PNA or the processing of substrates by enzymes.
  • Analytes may be: ions, proteins, natural or artificial antigens or haptens, hormones, cytokines, mono- and oligosaccharides, metabolites, or other biochemical markers used in diagnostics, enzyme substrates, DNA, RNA, PNA, potential drugs , Medicines, cells, viruses.
  • recognition elements are: complexing agents for metals / metal ions, cyclodextrins, crown ethers, antibodies, antibody fragments, anticalins, enzymes, DNA, RNA, PNA, DNA / RNA-binding proteins, enzymes, receptors, membrane receptors, ion channels, cell adhesion proteins, Gangliosides, mono- or oligosaccharides.
  • bio- or chemosensors can be used in environmental analysis, the food industry, human and veterinary diagnostics and crop protection to qualitatively and / or quantitatively determine analytes.
  • the specificity of the recognition reaction also makes it possible to qualitatively or quantitatively determine analytes in complex samples such as ambient air, contaminated water or body fluids without or with little previous purification.
  • bio- or chemosensors can also be used in (bio-) chemical research and drug discovery to study the interaction between two different substances (eg between proteins, DNA, RNA, or biologically active substances and proteins, DNA, RNA, etc.). ).
  • Integration of the recognition reaction with the signal transducer into a biosensor or chemosensor can be accomplished by immobilizing the recognition element or analyte on the surface of the transducer.
  • the recognition reaction ie the binding or the reaction of the analyte with the recognition element
  • the optical properties of the medium change directly on the surface of the signal transducer (eg change in the optical refractive index, absorption, fluorescence, phosphorescence, luminescence, etc.) , which is translated by the signal converter into a measurement signal.
  • Optical waveguides are a class of signal transducers that can detect the change in optical properties of a medium that is adjacent to a waveguiding layer, typically a dielectric. If light is transported as a guided mode in the waveguiding layer, the light field at the interface medium / waveguide does not drop abruptly, but decays exponentially in the so-called detection medium adjoining the waveguide. This exponentially decaying light field is called an evanescent field. If very thin waveguides are used whose refractive index differs as strongly as possible from that of the adjacent medium, decay lengths of the evanescent field (intensity decreases to the value 1 / e) of ⁇ 200 nm are achieved.
  • the optical properties of the medium adjacent to the waveguide change within the evanescent field
  • this can be detected by means of a suitable measurement setup. or chemosensors is that the change in the optical properties of the medium is detected only very close to the surface of the waveguide, namely, if the recognition element or analyte is immobilized at the waveguide interface, binding to the recognition element or reaction of the waveguide may occur Detection element surface-sensitively detected, if this change the optical properties of the detection medium (liquid, solid, gaseous) at the interface to the waveguide.
  • the waveguide / detection medium interface must be stable.
  • the recognition elements must be immobilized within the range of the evanescent field of the waveguide.
  • recognition elements On the surface of waveguides can be immobilized in various ways recognition elements. This can be done, for example, by physisorption of the recognition elements on the transducer surface. Clerc and Lukosz describe the physisorption of avidin on SiO 2 -TiO 2 waveguide surfaces.
  • biotinylated antibodies can be immobilized on the thus-applied avidin layers by utilizing the high-affinity avidin-biotin binding.
  • a disadvantage of this immobilization method of waveguide surface recognition elements is the instability of the physisorbed avidin layer. A change in the reaction conditions, such as temperature changes, pH changes, addition of detergents, etc., can lead to a desorption of the avidin layer and thus also of the antibody.
  • G. Gao describes in Surface & Coating Technology (2005) 244-250 an "oxygen plasma” method that allows adsorptive binding of DNA to silica wafers.
  • the recognition elements can also be covalently bound to the surface of a waveguide, with bifunctional silanes forming a covalent bond with the waveguide surface, as well as a second functional group in this silane
  • These covalent bonds to the waveguide surface must be operated under absolutely dry reaction conditions to prevent hydrolysis of the reactive silane waveguide surfaces are stable under acidic, neutral, and slightly basic conditions, but hydrolysis of the silane may occur at pH values above 9, which may result in desorption of the recognition elements from the surface, a further disadvantage of this immobilization method gt in the relatively high unspecific adsorption of proteins such as albumin to the thus functionalized waveguide surfaces.
  • the unspecific binding to these waveguide surfaces can be reduced by post bonding
  • the recognition elements are bound to the surface of blocking agents such as polyethylene glycols.
  • hydrophilic polymers e.g. Polyacrylamides, dextrans, polyethylene glycols, etc. described on previously silanized waveguide surfaces. These polymers have the task of minimizing the non-specific binding of proteins etc. to the surface.
  • the recognition elements are then covalently bonded to these polymers in a further step.
  • the problem with this surface functionalization is that several steps have to be carried out to immobilize the recognition elements on the surface and the instability of the bond to the waveguide surfaces at pH> 9.
  • the recognition elements can also be bound to polymers which are applied directly to the waveguide layers without prior silanization.
  • Polymer as interface between waveguide surface and recognition element is content of the present description.
  • Waveguide / detection medium must allow the polymer interface to irreversibly bond to both the substrate and the sensing element under the reaction conditions, and must be as thin as possible, due to the intensity decreasing with 1 / e.
  • ionic polymers are also described.
  • poly (L-lysine) -g-poly (ethylene glycol) graft copolymers PLL-g-PEG
  • g denotes the grafting ratio, ie the quotient from the
  • Another disadvantage of this method is the instability of these layers to pH values of less than 3 and greater than 9, as well as high salt concentrations, since under these conditions, the electrostatically bonded polymer desorbs from the surface.
  • WO 02/068481 describes phosphorus-containing polymers for coating dielectric materials and their use in optical signal converters. These are water-soluble polymers which are prepared, for example, by reacting polyallylamine hydrochloride with formaldehyde and phosphorous acid, according to the so-called Mannich Mödritzer reaction.
  • polyphosphonamides in addition to cationic ones, also have anionic groups which are rather counterproductive to coupling of recognition molecules, for example DNA, by electrostatic means.
  • recognition molecules for example DNA
  • gene chip concepts based on polyelectrolyte bonding are particularly preferred embodiments in the coating of biophore and co-receptors because of their simple production method.
  • PEL polyelectrolyte
  • PEL polyelectrolyte
  • cationic PEL polyelectrolyte
  • Polyelectrolytes are polymers that carry ionic or ionizable groups in their repeating unit.
  • cationic polyelectrolytes are polyamines, such as polyethylenimine (PEI) or polyammonium compounds, such as polyallylamine hydrochloride or polydiallyldimethylammonium chloride (P DADMAC).
  • anionic polymers are the salts of polyacrylic acids (PAS), polystyrene sulfonic acids or dextran sulfonic acid.
  • Polyelectrolyte multilayers consist of an alternating structure of oppositely charged polyelectrolytes, as described, for example, in “Multilayer Thin Films” G. Decher, Wiley-VCH, 2003. While the binding of nucleic acids to PEL multilayers is also state of the art ( B. Sukhoukov, "Multilayer Films Containing Immobilized Nucleic Acids” Biosensors & Bioelectronics, vol. 11, no. 9, 913-922, 1966), the challenge, as described in US Pat. No.
  • 6,689,4708 is to bind the first polymer layer to a cationic polymer to the glass substrate. This challenge is solved by first treating the glass supports in a complex manner with hydrogen peroxide and then with sulfuric acid, whereby the glass surface is anionically modified.
  • B. Languitton in US Pat. No. 6,689,478 argues that with monolayer polymer layers, the requirements for reliable substrate coating can not be achieved.
  • polyvinylamines of molecular weight (MW) of 50,000 g / mol did not exhibit sufficient affinity for the Ta 2 O 5 surface
  • Polyvinylamines with MW 340 000 g / mol met all the requirements.
  • Polyvinylamines are polymers formed by acidic or alkaline hydrolysis of poly (N-vinylformamides) as described in J. Appl. Pole. See VoI 86, 3412-3419 (2002).
  • the corresponding products are manufactured by BASF AG under the trade name "Lupamin” in various molecular weights.These products are used on a large scale, for example as paper chemicals, in the personal care sector, as superabsorbent or dispersant.In the Lupamin products of sale are those from the hydrolysis
  • the modification of waveguide surfaces, both the salt-containing and the desalted form can be used, for example desalination by ultrafiltration.
  • IPEI linear polyethylenimines
  • planar waveguide PWG: planar wave guide
  • capture DNA DNA as recognition molecule
  • the substrate (PWG made of quartz glass with Ta 2 O 5 surface) is immersed for 30 min in a highly diluted Lupamin 9095 solution (0.005% in water) and then immersed in water for 30 min and dried.
  • the PWG provided with the capture DNA spot is immersed in an aqueous dextran sulfate (DexS) solution (MW: 500,000 g / mol, 0.05% in water) for 30 min and briefly washed with water.
  • DexS dextran sulfate
  • the PWG thus provided with capture DNA spots can be used directly for hybridization experiments.
  • the method described here is a process that is hard to beat in terms of simplicity and reproducibility.
  • step 3. blocking of the method according to the invention.
  • Dextran sulfate as a blocking agent in DNA chips is also advantageous in that in the subsequent recognition reaction (hybridization) is often also dextran sulfate used as an aid in the corresponding hybridization buffer.
  • cationic polyelectrolytes which bind to the substrate surface in high affinity and permit ionic or covalent attachment of the capture DNA, for example, all known cationic polyelectrolytes in question, provided they have a very high molecular weight, vzgw. higher than 100,000, more preferably higher than 250,000 g / mol.
  • examples are polyallylamine, polydimethyldiallylammonium chloride, polyvinylpyridine, cationically modified polyacrylates and polyethyleneimine (PEI), which may be branched or linear, depending on the method of preparation. Linear, very high molecular weight PEI can be readily prepared from the readily available poly (2-ethyl-2-oxazoline) (MW: 500,000 g / mol) by acid hydrolysis.
  • the mentioned cationic polyelectrolytes can be used both as hydrochloride and in their aminic form. Namely, the aminic form is partially protonated in aqueous solution and thus also has cationic charge properties in this form.
  • anionic polyelectrolytes which are used by interaction with the cationic surface for anionic blocking against non-specific DNA, in addition to dextran sulfate all known anionic polyelectrolytes, for example, the Na salts of polystyrenesulfonic acid, polyacrylic acid, or Polyacrylsärecopolymere or polymaleic acid and their copolymers in question. While in the above-mentioned cationic polyelectrolytes for the process of the present invention, as mentioned above, a very high molecular weight is required, the anionic polyelectrolytes may also be used in their low-molecular form.
  • the substrates modified with cationic polyelectrolytes in their aminic form can also be modified via covalent bonding mechanisms.
  • biomolecules can be coupled to aminic surfaces via bifunctional reagents, such as glutaric dialdehyde or bis-N-hydroxysuccinimides, for example disuccinimidylsuberate (DSS) or sulfo-DSS.
  • DSS disuccinimidylsuberate
  • sulfo-DSS sulfo-DSS.
  • the blocking step can also take place via covalent bonding mechanisms.
  • polyethylene glycols for non-specific protein adsorption via bifunctional reagents, polyethylene glycols, amine-modified polyethylene glycols or hyperbranched polyglycerol (hyperpolymers GmbH) can be coupled in.
  • Polyethylene glycols can also be, for example, isocyanate-functionalized polyethylene glycols, for example polyethylene glycol monomethyl ether or succinimidyl ester derivatized polyethylene glycols (Shearwater Polymers). be coupled.
  • the described, particularly preferred method based on high molecular weight cationic polyelectrolytes as a polymer interface and anionic polyelectrolytes as a blocking layer against nonspecific DNA adsorption, refers to substrates with metal oxide, vzgw. Ta 2 Os surfaces.
  • the high molecular weight cationic polyelectrolytes are preferably suitable for anchoring the polymer on waveguides made of materials such as TiO 2 , Ta 2 O 5 , ZrO 2 , HfO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 (Si (Ti) O 2 ), In 2 O 3 / SnO 2 (TTO), aluminosilicates, Nb 2 O 5 , vanadium oxides, or mixtures of these materials.
  • the waveguide materials can also be oxides or hydroxides of the following elements which can form oxides or hydroxides: Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru , Os, Co, Rh, Ir, Ni, PD, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, B, Al, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, lanthanides, actinides and mixtures thereof, as well as mixtures of group IIa (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) and VIb (Se, Te, Po)).
  • Sc Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru , Os, Co, Rh, Ir, Ni, PD, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, B, Al, Ga
  • the polymer is applied to the waveguide surfaces from organic or preferably aqueous solution. This can be done by incubation in the solution, such as dipping, spraying, spotting, spin coating or similar conventional methods. Typically, solutions between 0.1 to 0.0001 wt%, in particular between 0.05 and 0.001 wt%, used and the waveguide surfaces at temperatures between 0 and 200 0 C, in particular between 20 and 30 0 C coated.
  • the incubation time of the white materials with the polymer solutions may be between 10 seconds and 48 hours, typically between 10 minutes and 24 hours. After incubation, the waveguides are rinsed with organic solvents or aqueous solutions and optionally further derivatized.
  • Chemisorbieren polyelectrolytes for bio- and chemofunctionalization from organic or aqueous solution on waveguide surfaces form a stable layer on the waveguide due to the specific polyelectrolyte bonding to waveguide materials.
  • the waveguide chips coated in the manner described can be used for any type of qualitative, semi-quantitative or quantitative analytical assays.
  • Recognition elements can be immobilized covalently, coordinatively or via another linkage to the functional groups of the polymer and thus to the surface of the biosensor or chemosensor, directly or with the aid of a crosslinker.
  • the direct coupling of the detection elements can take place before the coating of the waveguides with the polymer or thereafter.
  • the recognition elements can be obtained by their own functional groups such as carboxylic acid, carboxylic acid ester, carboxylic acid chloride, carboxylic acid anhydride, carboxylic acid nitrophenyl ester, carboxylic acid N-hydroxysucinimide, carboxylic acid imidazolide, carboxylic acid pentafluorophenyl ester, hydroxy, toulo-sulfonyl, trifluoromethylsulfonyl, epoxy, aldehyde, ketone, ⁇ -dicarbonyl, isocyanate, Thioisocyanate, nitrile, amine, aziridine, hydrazine, hydrazide, nitro, thiol, disulphide, thiosulphite, halogen, iodoacetamide, bromoacetamide, chloroacetamide, boric acid esters, maleimide, ⁇ , ⁇ -unsaturated carbonyls, Phosphate, phosphon
  • Proteins as recognition elements can e.g. be immobilized on the polymer via its amino acid side chains.
  • amino acids such as e.g. Lysines, cysteines, serines, tyrosines, histides, glutamates, aspartates located on the surface of a protein have functional groups in their side chains that can form a covalent bond with the functional groups of the polymer.
  • Functional groups can also be generated in the recognition elements by derivatization (phosphorylation of tyrosines), oxidation (e.g., oxidation of diol units of glycosylated proteins to aldehyde groups), reduction (e.g., of disulfide bonds to thiols), or coupling of a crosslinker.
  • the recognition elements can also be bound coordinately to the polymer.
  • proteins such as enzymes, antibody fragments and receptors with specific affinity sequences such as e.g. the 6x histidine tag.
  • affinity sequences have a high affinity and specificity to metal ion complexes, e.g. Nickel nitrilotriacetic acid or copper iminodiacetic acid, which may be incorporated as a functional group F in the polymer.
  • biochemical recognition reactions can also be used to immobilize recognition elements to the polymer.
  • the very specific and high affinity binding of biotin to streptavidin can be used to immobilize recognition elements to the polymer.
  • the streptavidin must first be immobilized.
  • the recognition element is then functionalized with biotin and can be indirectly bound to the polymer via the streptavidin-biotin interaction.
  • the recognition element can be molecularly biological or chemically provided with a short amino acid sequence, the so-called StrepTag 24 , which also has a high specificity and affinity for streptavidin.
  • the signal transducers according to the invention characterized in that the recognition elements are bound to polyelectrolyte monolayers, are indeed preferred content of the present application. Nevertheless, it may sometimes be advantageous if the recognition elements are bound to polyelectrolyte multilayers. Although a multilayer structure induces a greater distance of the detection element from the waveguide surface - and thus a reduced Sensitivity - on the other hand, defects in the multi-layer process can be compensated by so-called "bridge effects".
  • the polyelectrolyte used for the first substrate coating has a very high molecular weight, vzgw. greater than 100,000, more preferably greater than 250,000 g / mol.
  • vzgw very high molecular weight
  • polyelectrolytes can be used for the following layers.
  • optically transparent supports which are characterized in that they comprise continuous or individual waveguiding regions (optical waveguides).
  • the optical waveguide is particularly preferably an optical waveguide with a first substantially optically transparent layer (a) facing the imaged surface on a second substantially transparent layer (b) with a lower refractive index than layer (a). It is also preferred that said optical waveguide be substantially planar.
  • Characteristic of such an embodiment of an immobilization surface according to the invention on an optical slab waveguide as carrier is that for coupling excitation light into the optically transparent layer (a), this layer is in optical contact with one or more optical coupling elements from the group learning of prism couplers , evanescent fields, end face couplers with arranged in front of an end face of the waveguiding layer focused lenses and grating couplers is formed.
  • the coupling of excitation light into the optically transparent layer (a) takes place by means of one or more grating structures (c) which are formed in the optically transparent layer (a).
  • An object of the invention is a surface for the immobilization of one or more first nucleic acids as Erkennungseleme ⁇ te for producing a recognition surface for the detection of one or more second nucleic acids in one or more contacted with the detection surface in contact samples, wherein the first nucleic acids on a cationic high molecular weight polyelectrolyte layer as Surface are applied for immobilization.
  • Such embodiments of an immobilization surface according to the invention in which the nucleic acids immobilized thereon are arranged as recognition elements in discrete (spatially separated) measurement regions, are particularly preferred.
  • up to 2,000,000 measuring ranges can be arranged, and a single measuring range can occupy an area of 10- 5 mm 2 to 10 mm 2 .
  • the measuring ranges are arranged in a density of more than 100, preferably more than 1000 measuring ranges per square centimeter.
  • the discrete (spatially separated) measurement areas on said immobilization surface may be generated by spatially selective application of nucleic acids as recognition elements, preferably using one or more of the group of methods known from "inkjet spotting", mechanical spotting by stylus, Spring or capillary, “Micro contact spotting", fluidic contacting of the measuring range with the biological or biochemical or synthetic recognition elements by their supply in parallel or crossed microchannels, under the influence of pressure differences or electrical or electromagnetic potentials and photochemical or photolithographic immobilization is formed.
  • Another object of the invention is a method for the simultaneous or sequential, qualitative and / or quantitative detection of one or more second nucleic acids in one or more samples, characterized in that said samples and optionally further reagents with one of the immobilization surfaces according to the invention according to one of the embodiments in Are contacted, on which one or more nucleic acids are bound as recognition elements for specific binding / hybridization with second nucleic acids and from the binding / hybridization of this second nucleic acid or further for analyte detection of inserted detection substances resulting change of optical or e- lektrischen signals are measured.
  • the detection of one or more second nucleic acids based on the determination of the change of one or more luminescences.
  • various optical excitation configurations are possible.
  • excitation light for exciting one or more luminescences from one or more light sources is irradiated in an incident light excitation arrangement.
  • excitation light for excitation of one or more lumine lengths of one or more light sources is irradiated in a transmission light excitation device.
  • Such an embodiment of the immobilization surfaces and / or methods according to the invention is preferably characterized in that the surface is arranged on an optical waveguide such that the one or more samples with second nucleic acids to be detected therein and optionally further detection reagents sequentially or after mixing with said detection reagents are brought into contact with the bound first nucleic acids as recognition elements and the excitation light from one or more light sources is coupled into the optical waveguide with the help of one or more optical coupling elements from the group of prism couplers, evanescent FeI- , End vomkopptefan with arranged in front of an end face of the waveguiding layer fo- kuss concerned lenses and grating couplers is formed.
  • the light wave traveling in the waveguide produces luminescence from molecules capable of luminescence, and that this luminescence is detected by one or more detectors. From the intensity of the luminescence signal, the concentration of one or more subsequent nucleic acids to be detected can be determined.
  • the luminescent label can be coupled to the second nucleic acid to be detected itself, or bound in a competitive approach to molecules of known concentration and sequence, as competitor, and thus added to the sample.
  • the Lutninszenz label can also be introduced by a third binding partner in the analysis mixture.
  • luminescent dyes or luminescent nanoparticles are used as luminescent labels for generating the luminescence, which are excited and emit at a wavelength of between 300 nm and 1100 nm.
  • the method according to the invention is characterized in that the samples to be examined are aqueous solutions, in particular buffer solutions or naturally occurring body fluids such as blood, serum, plasma, urine or tissue fluids.
  • the samples to be examined can also be prepared from biological tissue parts or cells.
  • the invention further relates to the use of the immobilization surfaces and / or methods according to the invention in qualitative and quantitative DNA and RNA analysis, for example the determination of genomic differences such as the single nucleotide polymorphisms (SNPs) or DNA amplifications or DNA deletions or DNA methylation or for the detection and quantification of mRNA (expression profiling).
  • SNPs single nucleotide polymorphisms
  • mRNA DNA RNA methylation
  • waveguides with polymeric monolayers (polyvinylamine hydrochloride) and with a three-layer structure (polyvinylamine hydrochloride / dextran sulfate / polyvinylamine hydrochloride) as immobilization surfaces are described and their application in nucleic acid analysis. Examples
  • a planar waveguide (Unaxis Balzers, Liechtenstein) in the dimensions 2x1 cm, consisting of AF 45 glass with a waveguiding, optically transparent, high refractive Ta 2 O 5 layer (refractive index of 2.10 at 633 nm, layer thickness 185 nm) and parallel to the width extending grating lines (318 nm period with 32 +/- 3 nm lattice depth)
  • the lupamine-modified waveguide was washed in pure water for 30 min
  • the spotted waveguide was immersed in an aqueous dextran sulfate solution (MW: 500,000 g / mol, from Fluka) for 30 min and washed briefly with water.
  • aqueous dextran sulfate solution MW: 500,000 g / mol, from Fluka
  • the functional test was carried out by coupling a laser light beam of wavelength 635 nm.
  • a planar waveguide (Unaxis, Balzers, Liechtenstein) in the dimensions 2x1 cm, consisting of AP 45 glass with a waveguiding, optically transparent, high refractive Ta ⁇ Os layer (refractive index of 2.15 at 633 nm, layer thickness 185 nm) and parallel to the width Grid lines (318 nm period with 32 +/- 3 nm lattice depth)
  • the lupamine-modified waveguide was washed in pure water for 30 min.
  • the waveguide with the lupamine monolayer was immersed in a 0.05% aqueous dextran sulfate solution for 30 min.
  • the waveguide with the polyelectrolyte triple layer was washed in water for 30 min.
  • the spotted waveguide was immersed in an aqueous dextran sulfate solution (MW: 500,000 g / mol, from Fluka) for 30 min and washed briefly with water.
  • aqueous dextran sulfate solution MW: 500,000 g / mol, from Fluka
  • the functional test was carried out by coupling a laser light beam of wavelength 635 nm.
  • a planar waveguide chip (SensiChip, Zeptosens, Bayer Switzerland AG, Witterswil, Switzerland) of 14mm x 57mm consisting of AF 45 glass with a waveguiding, optically transparent, high refractive Ta 2 O 5 layer (refractive index of 2.12 at 535 nm, layer thickness 145 nm) and parallel to the width-extending grating lines (318 nm period with 13 +/- 2 nm grating depth)
  • the chips were placed in a contact spotter and spotted with different oligonucleotides solutions in a concentration of 10 '5 M.
  • the oligonucleotide was synthesized by the company Operon (Cologne, Germany) and had a length of 70 bases.
  • Four of the oligonucleotides had a sequence complementary to the bacterial control cDNA used in the later hybridization (B.subtilis sequences, ATCC 87482 and 87483, reference sequences X17013 and M24537, respectively, The American Type Culture Collection, www -atccorg)
  • the spotted waveguide was placed in an aqueous blocking solution for 5 min (5% dextran sulfate (MW: 500,000 g / mol, 1% Tween, 10 mM Tris, 30% formamide, pH 8.5). dipped in water and then washed with water for 1 min.
  • dextran sulfate MW: 500,000 g / mol, 1% Tween, 10 mM Tris, 30% formamide, pH 8.5.
  • the bespotteten and blocked chips were inserted into the hybridization chambers of the SensiChip system of Zeptosens (Bayer Switzerland AG, Witterswil, Switzerland) according to the system distributor. The chips were incubated according to system instruction first in SB buffer and then in PHB buffer. Containing the Cy5-labeled cDNA-
  • the hybridization mixture was also prepared according to the specifications of the SensiChip system.
  • the cDNA had previously been synthesized in a labeling reaction using the LabelStar kit from Qiagen Hilden, Germany) with the fluorescent dye Cy5 (Amersham, Arlington Heights, USA) from the bacterial mRNA.
  • the hybridization mixture was heated at 95 ° for 5 min just prior to filling in the hybridization chambers.
  • the cDNA was at concentrations of 5x10 "14 M - to 10 '12 M based on the starting RNA quantity employed since hybridization volume was 40 .mu.l After an overnight incubation at 42 ° C, the chips were washed according to the system distributor with the system wash buffers.. The chips were read in the Zepto-Reader (PWG system, CCD camera based) with different exposure times The intensities determined as a function of the different sample concentrations are shown in FIG.

Abstract

The invention relates to a method for coating dielectric materials with polyelectrolyte monolayers and multilayers as well as to an optical signal converter having a coating of these polyelectrolyte layers and to the use thereof.

Description

Polyelektrolyt Mono- und Multischichten für optische SignalwandlerPolyelectrolyte monolayers and multilayers for optical signal transducers
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Beschichtung von dielektrischen Materialien mit Polyelekt- rolyt Mono- und Multischichten sowie einen optischen Signalwandler mit einer Beschichtung aus diesen Polyelektrolytschichten und dessen Verwendung.The invention relates to methods for coating dielectric materials with polyelectrolyte mono- and multilayers and to an optical signal converter having a coating of these polyelectrolyte layers and to the use thereof.
Dielektrische Materialien werden mit Polyelektrolyt Mono- bzw. Multischichten zur Bio- und Chemofunktionalisierung modifiziert, mit dem Ziel, chemische und/oder biochemische (biochemische) Erkennungselemente, wie z.B. Rezeptoren, Antikörper, DNA etc., an deren Oberfläche immobilisieren zu können. Solche beschichtete dielektrische Materialien, z.B. beschichtete optische Wellenleiter, finden Anwendung als Signalwandler (Transducer), wie sie in der Sensorik bei Bio- oder Chemosensoren eingesetzt werden.Dielectric materials are modified with polyelectrolyte monolayers or multilayers for bio- and chemofunctionalization, with the aim of producing chemical and / or biochemical (biochemical) recognition elements, e.g. Receptors, antibodies, DNA, etc., to be able to immobilize on the surface. Such coated dielectric materials, e.g. Coated optical waveguides are used as signal transducers (transducers), such as those used in sensor technology in biosensors or chemosensors.
Als Bio- oder Chemosensoren bezeichnet man Geräte, die mit Hilfe eines Signalwandlers und einer Erkennungsreaktion einen Analyten qualitativ oder quantitativ nachweisen können. Als Erkennungsreaktion wird ganz allgemein die spezifische Bindung oder Reaktion eines sogenannten Analyten mit einem sogenannten Erkennungselement bezeichnet. Beispiele für Erkennungsreaktionen sind die Bindung von Liganden an Komplexe, die Komplexierung von Ionen, die Bindung von Liganden an (biologische) Rezeptoren, Membranrezeptoren oder Ionenkanäle, von Antigenen oder Haptenen an Antikörper, von Substraten an Enzyme, von DNA oder RNA an bestimmte Proteine, die Hybridisierung von DNA/RNA/PNA oder die Prozessierung von Substraten durch Enzyme. Analyten können sein: Ionen, Proteine, natürliche oder künstliche Antigene oder Haptene, Hormo- ne, Cytokine, Mono- und Oligosaccharide, Soffwechselprodukte, oder andere biochemische Marker, die in der Diagnostik verwendet werden, Enzymsubstrate, DNA, RNA, PNA, potentielle Wirkstoffe, Medikamente, Zellen, Viren. Beispiele für Erkennungselemente sind: Komplexbildner für Metalle/Metallionen, Cyclodextrine, Kronenether, Antikörper, Antikörperfragmente, Anticali- ne , Enzyme, DNA, RNA, PNA, DNA/RNA-bindende Proteine, Enzyme, Rezeptoren, Membranre- zeptoren, Ionenkanäle, Zelladhäsionsprotεine, Ganglioside, Mono- oder Oligosaccharide.Bio or chemosensors are devices that can qualitatively or quantitatively detect an analyte with the aid of a signal converter and a recognition reaction. The recognition reaction is generally referred to as the specific binding or reaction of a so-called analyte with a so-called recognition element. Examples of recognition reactions are the binding of ligands to complexes, the complexation of ions, the binding of ligands to (biological) receptors, membrane receptors or ion channels, of antigens or haptens to antibodies, of substrates to enzymes, of DNA or RNA to specific proteins, the hybridization of DNA / RNA / PNA or the processing of substrates by enzymes. Analytes may be: ions, proteins, natural or artificial antigens or haptens, hormones, cytokines, mono- and oligosaccharides, metabolites, or other biochemical markers used in diagnostics, enzyme substrates, DNA, RNA, PNA, potential drugs , Medicines, cells, viruses. Examples of recognition elements are: complexing agents for metals / metal ions, cyclodextrins, crown ethers, antibodies, antibody fragments, anticalins, enzymes, DNA, RNA, PNA, DNA / RNA-binding proteins, enzymes, receptors, membrane receptors, ion channels, cell adhesion proteins, Gangliosides, mono- or oligosaccharides.
Diese Bio- oder Chemosensoren können in der Umweltanalytik, dem Nahrungsmittelbereich, der Human- und Veterinärdiagnostik und dem Pflanzenschutz eingesetzt werden, um Analyten qualitativ und/oder quantitativ zu bestimmen. Die Spezifität der Erkennungsreaktion ermöglicht es, auch Analyten in komplexen Proben wie z.B. Umgebungsluft, verschmutztem Wasser oder Körperflüs- sigkeiteπ ohne oder nur mit geringer vorherige Aufreinigung qualitativ oder quantitativ zu bestimmen. Zusätzlich können Bio- oder Chemosensoren auch in der (bio-) chemischen Forschung und Wirkstoffsuche eingesetzt werden, um die Interaktion zwischen zwei unterschiedlichen Substanzen zu untersuchen (z.B. zwischen Proteinen, DNA, RNA, oder biologisch aktiven Substanzen und Proteinen, DNA, RNA etc.). Die Integration der Erkennungsreaktion mit dem Signalwandler zu einem Bio- oder Chemosensor kann geschehen, indem man das Erkennungselement oder den Analyten auf der Oberfläche des Signalwandlers immobilisiert. Durch die Erkennungsreaktion, d. h. das Binden oder die Reaktion des Analyten mit dem Erkennungselement, ändern sich die optischen Eigenschaften des Mediums direkt an der Oberfläche des Signalwandlers (z.B. Änderung des optischen Brechungsindexes, der Absorption, der Fluoreszenz, der Phosphoreszenz, der Lumineszenz etc.), was vom Signalwandler in ein Messsignal übersetzt wird.These bio- or chemosensors can be used in environmental analysis, the food industry, human and veterinary diagnostics and crop protection to qualitatively and / or quantitatively determine analytes. The specificity of the recognition reaction also makes it possible to qualitatively or quantitatively determine analytes in complex samples such as ambient air, contaminated water or body fluids without or with little previous purification. In addition, bio- or chemosensors can also be used in (bio-) chemical research and drug discovery to study the interaction between two different substances (eg between proteins, DNA, RNA, or biologically active substances and proteins, DNA, RNA, etc.). ). Integration of the recognition reaction with the signal transducer into a biosensor or chemosensor can be accomplished by immobilizing the recognition element or analyte on the surface of the transducer. By the recognition reaction, ie the binding or the reaction of the analyte with the recognition element, the optical properties of the medium change directly on the surface of the signal transducer (eg change in the optical refractive index, absorption, fluorescence, phosphorescence, luminescence, etc.) , which is translated by the signal converter into a measurement signal.
Optische Wellenleiter sind eine Klasse von Signalwandlern, mit denen man die Änderung der optischen Eigenschaften eines Mediums detektieren kann, das an eine wellenleitende Schicht, typi- scher Weise ein Dielektrikum, grenzt. Wird Licht als geführte Mode in der wellenleitenden Schicht transportiert, fällt das Lichtfeld an der Grenzfläche Medium/Wellenleiter nicht abrupt ab, sondern klingt in dem an den Wellenleiter angrenzenden sogenannten Detektionsmedium exponen- tiell ab. Dieses exponentiell abfallende Lichtfeld wird als evaneszentes Feld bezeichnet. Werden sehr dünne Wellenleiter verwendet, deren Brechungsindex möglichst stark von dem des angren- zenden Mediums differiert, werden Abfalllängen des evaneszenten Feldes (Intensität fallt auf den Wert 1/e ab) von < 200 nm erreicht. Ändern sich die optischen Eigenschaften des an den Wellenleiter grenzenden Mediums (z.B. Änderung des optischen Brechungsindexes ' , der Lumineszenz" etc.) innerhalb des evaneszenten Feldes, kann dies über einen geeigneten Messaufbau detektiert werden. Entscheidend für die Verwendung von Wellenleitern als Signalwandler in Bio- oder Che- mosensoren ist dabei, dass die Änderung der optischen Eigenschaften des Mediums nur sehr nahe an der Oberfläche des Wellenleiters detektiert wird. Wird nämlich das Erkennungselement oder der Analyt an der Grenzfläche des Wellenleiters immobilisiert, kann das Binden an das Erkennungselement oder die Reaktion des Erkennungselementes oberflächensensitiv detektiert werden, wenn sich dabei die optischen Eigenschaften des Detektionsmediums (flüssig, fest, gasförmig) an der Grenzfläche zum Wellenleiter ändern.Optical waveguides are a class of signal transducers that can detect the change in optical properties of a medium that is adjacent to a waveguiding layer, typically a dielectric. If light is transported as a guided mode in the waveguiding layer, the light field at the interface medium / waveguide does not drop abruptly, but decays exponentially in the so-called detection medium adjoining the waveguide. This exponentially decaying light field is called an evanescent field. If very thin waveguides are used whose refractive index differs as strongly as possible from that of the adjacent medium, decay lengths of the evanescent field (intensity decreases to the value 1 / e) of <200 nm are achieved. If the optical properties of the medium adjacent to the waveguide (eg change in the optical refractive index, luminescence, etc.) change within the evanescent field, this can be detected by means of a suitable measurement setup. or chemosensors is that the change in the optical properties of the medium is detected only very close to the surface of the waveguide, namely, if the recognition element or analyte is immobilized at the waveguide interface, binding to the recognition element or reaction of the waveguide may occur Detection element surface-sensitively detected, if this change the optical properties of the detection medium (liquid, solid, gaseous) at the interface to the waveguide.
Bei der Verwendung von optischen Wellenleitern als Bio- oder Chemosensoren werden an die Grenzfläche Wellenleiter zu Detektionsmedium hohe Anforderungen gestellt:When optical waveguides are used as biosensors or chemosensors, high demands are placed on the waveguide to detection medium interface:
• Unter den Reaktionsbedingungen der Erkennungsreaktion muss die Grenzfläche Wellenleiter / Detektionsmedium stabil sein.• Under the reaction conditions of the recognition reaction, the waveguide / detection medium interface must be stable.
• Die Erkennungselemente müssen innerhalb der Reichweite des evaneszenten Feldes des Wellenleiters immobilisiert werden.• The recognition elements must be immobilized within the range of the evanescent field of the waveguide.
• Unter den Reaktionsbedingungen der Erkennungsreaktion muss die Immobilisierung der Erkennungselement stabil sein. • Die Funktionalität der Erkennungselemente muss auch nach der Immobilisierung noch vorhanden sein.• Under the reaction conditions of the recognition reaction, the immobilization of the recognition element must be stable. • The functionality of the recognition elements must still be present after immobilization.
• Damit nur die spezifische Erkennungsreaktion durch den Signalwandler detektiert wird, muss jede Art von unspezifischer Bindung an die Grenzfläche Wellenleiter / Detektionsmedium un- terdrückt werden.• In order to detect only the specific recognition reaction by the signal transducer, any kind of non-specific binding to the waveguide / detection medium interface must be suppressed.
An die Oberfläche von Wellenleitern können auf verschiedenste Weise Erkennungselemente immobilisiert werden. Dies kann z.B. durch Physisorption der Erkennungselemente auf die Signalwandleroberfläche geschehen. Clerc und Lukosz beschreiben die Physisorption von Avidin auf SiO2-TiO2 Wellenleiteroberflächen. In einem zweiten Schritt können unter Ausnutzung der hochaf- finen Avidin-Biotin Bindung biotinylierten Antikörpern an die so aufgebrachten Avidin Schichten immobilisiert werden. Ein Nachteil dieser Immobilisierungsmethode von Erkennungselementen auf Wellenleiteroberflächen ist die Instabilität der physisorbierten Avidinschicht. Eine Änderung der Reaktionsbedingungen, wie z.B. Temperaturänderungen, pH-Änderungen, Zugabe von Deter- genzien etc., kann zu einer Desorption der Avidinschicht und damit auch des Antikörpers fuhren.On the surface of waveguides can be immobilized in various ways recognition elements. This can be done, for example, by physisorption of the recognition elements on the transducer surface. Clerc and Lukosz describe the physisorption of avidin on SiO 2 -TiO 2 waveguide surfaces. In a second step, biotinylated antibodies can be immobilized on the thus-applied avidin layers by utilizing the high-affinity avidin-biotin binding. A disadvantage of this immobilization method of waveguide surface recognition elements is the instability of the physisorbed avidin layer. A change in the reaction conditions, such as temperature changes, pH changes, addition of detergents, etc., can lead to a desorption of the avidin layer and thus also of the antibody.
G. Gao beschreibt in Surface & Coating Technology (2005) 244-250 eine „oxygen plasma" Methode, die eine adsorptive Bindung von DNA an Silika Wafer ermöglicht.G. Gao describes in Surface & Coating Technology (2005) 244-250 an "oxygen plasma" method that allows adsorptive binding of DNA to silica wafers.
Es ist jedoch bekannt, dass durch Plasma Behandlung erzeugte aktivierte Oberflächen keine gute Langzeitbeständigkeit besitzen und deshalb hinsichtlich Reproduzierbarkeit kritisch zu beurteilen sind.However, it is known that activated surfaces produced by plasma treatment do not have good long term stability and are therefore to be critically evaluated for reproducibility.
Die Erkennungselemente, auch „capture" Moleküle genannt, können auch kovalent an die Oberfläche eines Wellenleiters gebunden werden. Eine Möglichkeit dazu stellen bifunktionelle Silane dar, die eine kovalente Bindung mit der Wellenleiteroberfläche eingehen . Über eine zweite funktionelle Gruppe in diesem Silan können nun die Erkennungselemente, wie z.B. Proteine oder DNA , kovalent gebunden werden. Diese bifunktionellen Silane sind sehr reaktiv und bei der kovalenten Bindung an die Wellenleiteroberfläche muss unter absolut trockenen Reaktionsbedingungen gearbeitet werden, um eine Hydrolyse des reaktiven Silans zu vermeiden. Die Bindung der Erkennungselemente über diese Silane an die Wellenleiteroberflächen ist bei sauren, neutralen und leicht basischen Bedingungen stabil. Bei pH-Werten über 9 kann aber eine Hydrolyse des Silans eintreten, was zu einer Desorption der Erkennungselemente von der Oberfläche fuhren kann. Ein weite- rer Nachteil dieser Immobilisierungsmethode liegt in der relativ hohen unspezifischen Adsorption von Proteinen wie z.B. Albumin an die so funktionalisierten Wellenleiteroberflächen . Die unspezi- fische Bindung an diese Wellenleiteroberflächen kann reduziert werden, indem nach der Bindung - A - der Erkennungselemente in einem zweiten Schritt Blockierungsagenzien wie z.B. Polyethylengly- cole an die Oberfläche gebunden werden.The recognition elements, also known as "capture" molecules, can also be covalently bound to the surface of a waveguide, with bifunctional silanes forming a covalent bond with the waveguide surface, as well as a second functional group in this silane These covalent bonds to the waveguide surface must be operated under absolutely dry reaction conditions to prevent hydrolysis of the reactive silane waveguide surfaces are stable under acidic, neutral, and slightly basic conditions, but hydrolysis of the silane may occur at pH values above 9, which may result in desorption of the recognition elements from the surface, a further disadvantage of this immobilization method gt in the relatively high unspecific adsorption of proteins such as albumin to the thus functionalized waveguide surfaces. The unspecific binding to these waveguide surfaces can be reduced by post bonding In a second step, the recognition elements are bound to the surface of blocking agents such as polyethylene glycols.
Alternativ wird die Bindung von hydrophilen Polymeren, wie z.B. Polyacrylamide, Dextrane, Po- lyethylenglycole etc. an zuvor silanisierte Wellenleiteroberflächen beschrieben . Diese Polymere haben die Aufgabe, die unspezifische Bindung von Proteinen etc. an die Oberfläche zu minimieren. Die Erkennungselemente werden dann in einem weiteren Schritt an diese Polymere kovalent gebunden. Problematisch bei dieser Oberflächenfunktionalisierung ist, dass mehrere Schritte zur Immobilisierung der Erkennungselemente an der Oberfläche durchgeführt werden müssen und die Instabilität der Süanbindung an die Wellenleiteroberflächen bei pH > 9.Alternatively, the binding of hydrophilic polymers, e.g. Polyacrylamides, dextrans, polyethylene glycols, etc. described on previously silanized waveguide surfaces. These polymers have the task of minimizing the non-specific binding of proteins etc. to the surface. The recognition elements are then covalently bonded to these polymers in a further step. The problem with this surface functionalization is that several steps have to be carried out to immobilize the recognition elements on the surface and the instability of the bond to the waveguide surfaces at pH> 9.
Die Erkennungselemente können auch an Polymere gebunden werden, die ohne vorangegangene Silanisierung direkt auf die Wellenleiterschichten aufgebracht werden.The recognition elements can also be bound to polymers which are applied directly to the waveguide layers without prior silanization.
Polymere als Interface zwischen Wellenleiteroberfläche und Erkennungselement ist Inhalt der vorliegenden Beschreibung.Polymer as interface between waveguide surface and recognition element is content of the present description.
Unter Berücksichtigung der o.g. Anforderungen an die Grenzfläche Wellenleiter/- Detektionsmedium muss das Polymer-Interface unter den Reaktionsbedingungen sowohl zum Substrat als auch zum Erkennungselement eine irreversible Bindung ermöglichen und es muss, wegen der mit 1/e abfallenden Intensität möglichst dünn sein.Taking into account the o.g. Interface Requirements Waveguide / detection medium must allow the polymer interface to irreversibly bond to both the substrate and the sensing element under the reaction conditions, and must be as thin as possible, due to the intensity decreasing with 1 / e.
Von Vorteil wären deshalb Polymer-Monoschichten, die darüber hinaus, nach dem Ankoppeln der punktuell angeordneten Erkennungselemente, eine Blockierung gegen nichtspezifische Adsorption von Störkomponenten in einem möglichst einfachen Verfahrensschritt ermöglichen.Therefore, it would be advantageous to use polymer monolayers which, in addition, after the coupling of the punctually arranged recognition elements, enable blocking against nonspecific adsorption of interfering components in the simplest possible method step.
Da die Oberflächen von Wellenleiterschichten, bzw. generell von Substraten je nach Anwendungsgebiet verschieden und in der Regel bzgl. Oberflächenchemie nicht exakt bekannt sind, ist die Bereitstellung von geeigneten Polymeren eine große Herausforderung zur Herstellung leistungsfähiger Bio- oder Chemosensoren.Since the surfaces of waveguide layers, or of substrates in general, are not exactly different depending on the field of application and are generally not known in terms of surface chemistry, the provision of suitable polymers is a great challenge for producing efficient biosensors or chemosensors.
Es hat deshalb nicht an Versuchen gefehlt, durch Synthese maßgeschneiderte Polymere für bestimmte Substratoberflächen herzustellen.There has therefore been no lack of attempts to produce by synthesis tailor-made polymers for certain substrate surfaces.
Hinsichtlich Beschichtung von Substraten mit Metalloxid Oberflächen, wie TiO2, Nb2Os oder Ta2Os sind bspw. auch ionische Polymere beschrieben.With regard to coating substrates with metal oxide surfaces, such as TiO 2, Nb 2 Os or Ta 2 Os, for example, ionic polymers are also described.
In WO 03/020966 sind Poly(L-Lysin)-g-poly(ethylenglykol) Pfropfcopolymere (PLL-g-PEG) be- schrieben. Dabei bezeichnet „g" das Pfropfverhältnis (grafting ratio), d. h. den Quotienten aus derIn WO 03/020966 poly (L-lysine) -g-poly (ethylene glycol) graft copolymers (PLL-g-PEG) are described. In this case, "g" denotes the grafting ratio, ie the quotient from the
Anzahl der Lysineinheiten und der Anzahl Polyetylenglykol Setenketten. Dabei hat sich gezeigt, dass mit diesen PLL-g-PEG Pfropf-Copolymeren nur dann gute Ergebnisse erzielt werden können, wenn das Pfropfverhältnis „g" innerhalb der Bandbreite 8 bis 12 liegt und die PEG Seitenketten im Molekulargewichtsbereich von 1500 bis 5000 g/mol liegen.Number of lysine units and the number of polyethylene glycol chain chains. It has been shown that good results can only be achieved with these PLL-g-PEG graft copolymers if the graft ratio "g" is within the range of 8 to 12 and the PEG side chains in the molecular weight range of 1500 to 5000 g / mol.
Dieses komplexe und eng definierte Spezialpolymer erfüllt die gestellten Forderungen bzgl. guter Verfügbarkeit, gleich bleibender Qualität und universelle Anwendbarkeit für unterschiedliche Substratoberflächen nur unzureichend.This complex and narrowly defined special polymer meets the demands made regarding good availability, consistent quality and universal applicability for different substrate surfaces only insufficient.
Ein weiterer Nachteil dieser Methode stellt die Instabilität dieser Schichten gegenüber pH- Werten von kleiner 3 und größer 9, sowie gegenüber hohen Salzkonzentrationen dar, da unter diesen Bedingungen das elektrostatisch gebundene Polymer von der Oberfläche desorbiert.Another disadvantage of this method is the instability of these layers to pH values of less than 3 and greater than 9, as well as high salt concentrations, since under these conditions, the electrostatically bonded polymer desorbs from the surface.
In WO 02/068481 sind phosphorhaltige Polymere zur Beschichtung von dielektrischen Materialien und dessen Verwendung bei optischen Signalwandlern beschrieben. Es handelt sich hierbei um wasserlösliche Polymere, die bspw. durch Umsetzen von Polyallylaminhydrochlorid mit Formaldehyd und phosphoriger Säure, nach der sog. Mannich Mödritzer Reaktion, hergestellt werden.WO 02/068481 describes phosphorus-containing polymers for coating dielectric materials and their use in optical signal converters. These are water-soluble polymers which are prepared, for example, by reacting polyallylamine hydrochloride with formaldehyde and phosphorous acid, according to the so-called Mannich Mödritzer reaction.
Diese Polyphosphonamide besitzen neben kationischen auch anionische Gruppen, die einer An- kopplung von Erkennungsmolekülen, bspw. DNA auf elektrostatischem Wege, eher kontraproduktiv sind. Darüber hinaus handelt es sich erfahrungsgemäß bei der o.g. Mannich Mödritzer Umsetzung um ein Verfahren, das wegen Nebenreaktionen neben den gewünschten Polyphosphonamiden auch andere Produkte bildet.These polyphosphonamides, in addition to cationic ones, also have anionic groups which are rather counterproductive to coupling of recognition molecules, for example DNA, by electrostatic means. In addition, experience shows that the o.g. Mannich Mödritzer Implementation of a process that forms other products in addition to the desired Polyphosphonamiden because of side reactions.
Auf Polyelektrolytbindung basierende Gen Chip Konzepte sind dagegen wegen ihrer einfachen Herstellweise, besonders bevorzugte Ausführungsformen bei der Beschichtung von Bio- und Che- morezeptoren.On the other hand, gene chip concepts based on polyelectrolyte bonding are particularly preferred embodiments in the coating of biophore and co-receptors because of their simple production method.
B. Laguitton beschreibt in US 6 689 478 die Ankopplung von DNA Erkennungsmolekülen an Po- lyelektrolyt (PEL)-Multischichten, wobei die oberste Bindungsschicht ein kationisches Polymer (kationischer PEL) ist. Polyelektrolyte sind Polymere, die ionische oder ionisierbare Gruppen in ihrer wiederkehrenden Einheit tragen. Beispiele für kationische Polyelektrolyte sind Polyamine, wie Polyethylenimin (PEI) oder Polyammoniumverbindungen, wie Polyallylaminhydrochlorid oder Polydiallyldimethylammoniumchlorid (P DADMAC). Beispiele für anionische Polymere sind die Salze von Polyacrylsäuren (PAS), Polystyrolsulfonsäuren oder Dextransulfonsäure. Polyelektrolyt- Multischichten bestehen aus einem abwechselnden Aufbau von entgegengesetzt geladenen PoIy- elektrolyten, wie bspw. in „Multilayer Thin Films" G. Decher, Wiley-VCH, 2003 beschrieben. Während die Bindung von Nukleinsäuren an PEL Multischichten ebenfalls zum Stand der Technik gehört (B. Sukhoukov, „Multilayer Films Containing Immobilized Nucleic Acids" Biosensors & Bioelectronics, vol 11, no 9, 913-922, 1966), besteht die Herausforderung, wie in US 6 689 478 beschrieben darin, die erste Polymerschicht, ein kationisches Polymer an das Substrat aus Glas zu binden. Diese Herausforderung wird dadurch gelöst, dass die Glasträger zunächst in einer komplexen Art mit Wasserstoffperoxid und anschließend mit Schwefelsäure behandelt werden, wobei die Glasoberfläche anionisch modifiziert wird. Dagegen argumentiert B. Languitton in US 6 689 478, dass mit Monolayer Polymerschichten, die Anforderungen hinsichtlich zuverlässiger Substratbe- schichtung nicht erreicht werden können.B. Laguitton describes in US 6,689,478 the coupling of DNA recognition molecules to polyelectrolyte (PEL) multilayers, wherein the uppermost binding layer is a cationic polymer (cationic PEL). Polyelectrolytes are polymers that carry ionic or ionizable groups in their repeating unit. Examples of cationic polyelectrolytes are polyamines, such as polyethylenimine (PEI) or polyammonium compounds, such as polyallylamine hydrochloride or polydiallyldimethylammonium chloride (P DADMAC). Examples of anionic polymers are the salts of polyacrylic acids (PAS), polystyrene sulfonic acids or dextran sulfonic acid. Polyelectrolyte multilayers consist of an alternating structure of oppositely charged polyelectrolytes, as described, for example, in "Multilayer Thin Films" G. Decher, Wiley-VCH, 2003. While the binding of nucleic acids to PEL multilayers is also state of the art ( B. Sukhoukov, "Multilayer Films Containing Immobilized Nucleic Acids" Biosensors & Bioelectronics, vol. 11, no. 9, 913-922, 1966), the challenge, as described in US Pat. No. 6,689,478, is to bind the first polymer layer to a cationic polymer to the glass substrate. This challenge is solved by first treating the glass supports in a complex manner with hydrogen peroxide and then with sulfuric acid, whereby the glass surface is anionically modified. In contrast, B. Languitton in US Pat. No. 6,689,478 argues that with monolayer polymer layers, the requirements for reliable substrate coating can not be achieved.
Es wurde nun überraschender Weise gefunden, dass die Polymermodifizierung von Substratoberflächen in Polymermonoschichten dennoch möglich ist, wenn die zuvor erwähnten, leicht und in hoher Qualität verfügbaren Polyelektrolyt Polymeren ein besonders hohes Molekulargewicht haben.It has now surprisingly been found that polymer modification of substrate surfaces in polymer monolayers is nevertheless possible if the aforementioned polyelectrolyte polymers which are readily available in high quality have a particularly high molecular weight.
Ausgehend von einem Wellenleiter mit einer hochbrechenden Ta2O5 Oberfläche wurde zunächst in einem Screening Verfahren mit verschiedenen kationischen und anionischen Polyelektrolyten gefunden, dass diese Oberfläche keinerlei Affinität zu anionischen Polyelektrolyten zeigte.Starting from a waveguide with a high refractive Ta 2 O 5 surface, it was initially found in a screening process with various cationic and anionic polyelectrolytes that this surface showed no affinity for anionic polyelectrolytes.
Innerhalb der Gruppe der kationischen Polyelektrolyte, das sind Polymere, die in ihrer wiederkehrenden Einheit Ammoniumstrukturen tragen, wurde bspw. gefunden, dass Polyvinylamine mit dem Molekulargewicht (MW) von 50 000 g/mol keine ausreichende Affinität zur Ta2O5 Oberfläche zeigten, während Polyvinylamine mit dem MW 340 000 g/mol alle Voraussetzungen erfüllten.For example, within the group of cationic polyelectrolytes, that is, polymers carrying ammonium structures in their repeating unit, it has been found that polyvinylamines of molecular weight (MW) of 50,000 g / mol did not exhibit sufficient affinity for the Ta 2 O 5 surface Polyvinylamines with MW 340 000 g / mol met all the requirements.
Bei Polyvinylaminen handelt es sich um Polymerisate die durch saure oder alkalische Hydrolyse von Poly(N-vinylformamiden), wie in J. Appl. Pol. Sei VoI 86, 3412-3419 (2002) beschrieben, hergestellt werden. Die entsprechenden Produkte werden von der BASF AG unter dem Handelsnamen „Lupamin" in verschiedenen Molekulargewichten hergestellt. Diese Produkte werden im großen Massstab bspw. als Papierchemikalien, im personal care Bereich, als Superabsorber oder Dispergiermittel eingesetzt. In den Lupamin Verkaufsprodukten sind die aus der Hydrolyse entste- henden Salze noch enthalten. Für den beschriebenen Anwendungsbereich, die Modifizierung von Wellenleiter Oberflächen, kann sowohl die salzhaltige, als auch die entsalzte Form eingesetzt werden. Die Entsalzung kann bspw. durch Ultrafiltration erfolgen.Polyvinylamines are polymers formed by acidic or alkaline hydrolysis of poly (N-vinylformamides) as described in J. Appl. Pole. See VoI 86, 3412-3419 (2002). The corresponding products are manufactured by BASF AG under the trade name "Lupamin" in various molecular weights.These products are used on a large scale, for example as paper chemicals, in the personal care sector, as superabsorbent or dispersant.In the Lupamin products of sale are those from the hydrolysis For the field of application described, the modification of waveguide surfaces, both the salt-containing and the desalted form can be used, for example desalination by ultrafiltration.
Analoges wurde mit linearen Polyetyleniminen (IPEI) gefunden. Während IPEI mit MW 25 000 g/mol (Fa. Polyscience Inc.) die Anforderungen nicht erfüllten, konnte mit den sehr hochmolekula- ren IPEI 500 000 g/mol wieder alle Anforderungen erfüllt werden. Polyamine mit ungeladenem N in ihrer wiederkehrenden Einheit zählen in wässeriger Lösung ebenfalls zu den kationischen Polyelektrolyten, da sie unter diesen Bedingungen zu mindest teilweise protoniert sind. AIs weiterer kationischer Polyelektrolyt mit hohem Molekulargewicht kommt Poly-(diallyl- dimethylammoniumchlorid) in Frage, das als wässerige Lösung im Molekulargewichtsbereich von MW 400 000 - 500 000 g/mol gut erhältlich ist. Im Gegensatz zu den vorher erwähnten kationischen Polyelektrolyten handelt es sich hier um quartäre Ammoniumgruppen, d. h. der Ladungszu- stand ist unabhängig vom pH Wert.The same was found with linear polyethylenimines (IPEI). While IPEI with MW 25 000 g / mol (Polyscience Inc.) did not meet the requirements, the very high molecular weight IPEI 500 000 g / mol again met all requirements. Polyamines with uncharged N in their repeating unit also count as aqueous cationic polyelectrolytes, since they are at least partially protonated under these conditions. Another cationic polyelectrolyte having a high molecular weight is poly (diallyldimethylammonium chloride), which is readily available as an aqueous solution in the molecular weight range of 400,000 to 500,000 g / mol. In contrast to the previously mentioned cationic polyelectrolytes, these are quaternary ammonium groups, ie the state of charge is independent of the pH.
Im Folgenden soll am Bsp. Lupamin 9095 (Polyvinylamin PVAm 340 000 g/mol) das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Planaren Wellenleiters (PWG: planar wave guide) mit DNA als Erkennungsmolekül (capture DNA) beschrieben werden.In the following, the method according to the invention for the production of a planar waveguide (PWG: planar wave guide) with DNA as recognition molecule (capture DNA) will be described on the example Lupamin 9095 (polyvinylamine PVAm 340 000 g / mol).
1. Beladen des Substrates mit Lupamin 90951. Loading the substrate with Lupamin 9095
Das Substrat (PWG aus Quarzglas mit Ta2O5 Oberfläche) wird 30 Min. in eine stark verdünnte Lupamin 9095 Lösung (0.005 % ig in Wasser) und anschließend 30 Min. in Wasser getaucht und getrocknet.The substrate (PWG made of quartz glass with Ta 2 O 5 surface) is immersed for 30 min in a highly diluted Lupamin 9095 solution (0.005% in water) and then immersed in water for 30 min and dried.
2. Aufbringen der capture DNA spots2. Apply the capture DNA spots
Mit Hilfe einer Mikropipette wird auf die mit Polymer beschichtete Ta2O5 Seite eine mit Farbstoff markierte DNA Lösung (ca. 10'10 m) aufpipettiert und 20 Min. bei RT inkubiertBy means of a micropipette onto the polymer coated Ta 2 O 5 side of the dye-labeled DNA solution was pipetted (about 10 -10 m) and 20 min. At RT
(stehen gelassen).(ditched).
3. Blockieren der nicht bespotteten Oberfläche3. Block the unpaved surface
Der mit dem capture DNA spot versehene PWG wird 30 Min. in eine wässerige Dextransulfat (DexS) Lösung (MW: 500 000 g/mol, 0.05%ig in Wasser) getaucht und kurz mit Wasser gewa- sehen.The PWG provided with the capture DNA spot is immersed in an aqueous dextran sulfate (DexS) solution (MW: 500,000 g / mol, 0.05% in water) for 30 min and briefly washed with water.
Der so mit capture DNA spots versehene PWG kann direkt für Hybridisierungeversuche eingesetzt werden.The PWG thus provided with capture DNA spots can be used directly for hybridization experiments.
Bei der hier beschriebenen Methode handelt es sich um einen Prozess, der an Einfachheit und Reproduzierbarkeit kaum zu überbieten ist.The method described here is a process that is hard to beat in terms of simplicity and reproducibility.
Neben der guten Verfügbarkeit der Polymeren sind v. a. die Anzahl und die Simplizität der einzelnen Prozessschritte zu erwähnen.In addition to the good availability of the polymers v. a. to mention the number and the simplicity of the individual process steps.
So sind bspw. bei Laguitton in US 6689478, wo capture DNA an Polyelektrolyt Multischichten (abwechselnde Folge von kationischen und anionischen Polyelektrolytmonoschichten) gebunden werden, folgende, teilweise recht komplexen Einzelschritte enthalten: Funktionalisierung der Substratoberfläche mit H2O2 und Schwefelsäure, mehrfacher Auftrag von verschiedenen Polyelektrolyten, Aufpipettieren der capture DNA, Abwaschen des capture DNA Überschusses, Blockieren der nicht bespotteten Oberfläche mit einem bifunktionellen Reagenz und Abwaschen des Reagenzüberschusses.For example, in Laguitton in US Pat. No. 6,689,478, where capture DNA is bound to polyelectrolyte multilayers (alternating sequence of cationic and anionic polyelectrolyte monolayers), the following, sometimes quite complex, individual steps are contained: Functionalization of the substrate surface with H 2 O 2 and sulfuric acid, multiple application of different polyelectrolytes, pipetting of the capture DNA, washing off the capture DNA excess, blocking of the non-spotted surface with a bifunctional reagent and washing off of the reagent excess.
In diesem Zusammenhang soll insbesondere auf den Schritt 3. (Blockieren) des erfindungsgemäßen Verfahrens hingewiesen werden.In this context, reference should be made in particular to the step 3. (blocking) of the method according to the invention.
Beim Eintauchen des PWG mit dem/den capture DNA spot(s) in die Dextransulfat Lösung erfolgt simultan eine Abwaschung des capture DNA Überschusses und durch die Polyelektrolyt Bindung von Dextransulfat an die nicht bespottete Lupaminoberfläche eine Blockierung hinsichtlich nicht spezifischer Adsorption von DNA. Dextransulfat als Blockierungsmittel bei DNA Chips ist auch insofern von Vorteil als bei der anschließenden Erkennungsreaktion (Hybridisierung) häufig ebenfalls Dextransulfat als Hilfsmittel im entsprechenden Hybridisierungspuffer eingesetzt wird.When the PWG is immersed with the capture DNA spot (s) in the dextran sulfate solution, the capture DNA excess is washed off simultaneously and the polyelectrolyte binding of dextran sulfate to the unspotted lupamine surface blocks the nonspecific adsorption of DNA. Dextran sulfate as a blocking agent in DNA chips is also advantageous in that in the subsequent recognition reaction (hybridization) is often also dextran sulfate used as an aid in the corresponding hybridization buffer.
Wenn auch die bisher genannten Polymeren, Lupamin 9095 und Dextransulfat bevorzugt eingesetzt werden, ist es prinzipiell möglich alternative Polyelektrolyt Kombinationen einzusetzen.Although the previously mentioned polymers, Lupamin 9095 and dextran sulfate are preferably used, it is possible in principle to use alternative polyelectrolyte combinations.
Bzgl. kationische Polyelektrolyte, die in hoher Affinität an die Substratoberfläche binden und eine ionische oder kovalente Anknüpfung der capture DNA ermöglichen, kommen bspw. alle bekannten kationischen Polyelektrolyte in Frage, sofern sie ein sehr hohes Molekulargewicht, vzgw. höher als 100 000, besonders bevorzugt höher als 250 000 g/mol haben. Beispiele sind, Polyallylamin, PoIy- dimethyldiallylammoniumchlorid, Polyvinylpyridin, kationisch modifizierte Polyacrylate und Po- lyethylenimin (PEI), das sowohl verzweigt als auch linear, je nach Herstellweise vorliegen kann. Lineares, sehr hochmolekulares PEI kann leicht aus dem gut verfügbaren Poly(2-ethyl-2-oxazolin) (MW: 500 000 g/mol) durch saure Hydrolyse hergestellt werden.Concerning. cationic polyelectrolytes which bind to the substrate surface in high affinity and permit ionic or covalent attachment of the capture DNA, for example, all known cationic polyelectrolytes in question, provided they have a very high molecular weight, vzgw. higher than 100,000, more preferably higher than 250,000 g / mol. Examples are polyallylamine, polydimethyldiallylammonium chloride, polyvinylpyridine, cationically modified polyacrylates and polyethyleneimine (PEI), which may be branched or linear, depending on the method of preparation. Linear, very high molecular weight PEI can be readily prepared from the readily available poly (2-ethyl-2-oxazoline) (MW: 500,000 g / mol) by acid hydrolysis.
Die genannten kationischen Polyelektrolyte können sowohl als Hydrochlorid als auch in ihrer aminischen Form eingesetzt werden. Die aminische Form ist nämlich in wässeriger Lösung teilweise protoniert und besitzt daher in dieser Form ebenfalls kationische Ladungseigenschaften.The mentioned cationic polyelectrolytes can be used both as hydrochloride and in their aminic form. Namely, the aminic form is partially protonated in aqueous solution and thus also has cationic charge properties in this form.
Bzgl. anionischer Polyelektrolyte, die durch Wechselwirkung mit der kationischen Oberfläche zur anionischen Blockierung gegen nicht spezifische DNA eingesetzt werden, kommen neben Dextransulfat alle bekannten anionischen Polyelektrolyte, bspw. die Na Salze von Polystyrolsul- fonsäure, Polyacrylsäure, bzw. Polyacrylsärecopolymere oder Polymaleinsäure und deren Copo- lymere in Frage. Während bei den oben erwähnten kationische Polyelektrolyten für das erfindungsgemäße Verfahren, wie oben erwähnt, ein sehr hohes Molekulargewicht erforderlich ist, können die anionischen Polyelektrolyte auch in ihrer niedermolekularen Form eingesetzt werden.Concerning. anionic polyelectrolytes which are used by interaction with the cationic surface for anionic blocking against non-specific DNA, in addition to dextran sulfate all known anionic polyelectrolytes, for example, the Na salts of polystyrenesulfonic acid, polyacrylic acid, or Polyacrylsärecopolymere or polymaleic acid and their copolymers in question. While in the above-mentioned cationic polyelectrolytes for the process of the present invention, as mentioned above, a very high molecular weight is required, the anionic polyelectrolytes may also be used in their low-molecular form.
Bspw. wurden mit Dextransulfat sowohl mit MW 5000 als auch 500 000 g/mol hervorragende Blockierungseigenschaften gegen nichtspezifische DNA Adsorption erzielen.For example. were obtained with dextran sulfate both MW 5000 and 500 000 g / mol excellent blocking properties against nonspecific DNA adsorption.
Wenn auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die auf Physisorption (Polyelektrolyt Wechselwirkung) basierenden Testelemente hinsichtlich DNA Chips bevorzugt sind, können die mit kationischen Polyelektrolyten modifizierten Substraten in ihrer aminischen Form auch über kova- lente Bindungsmechanismen modifiziert werden. So ist bekannt, dass an aminische Oberflächen Biomoleküle über bifunktionelle Reagenzien, wie Glutardialdehyd oder Bis N-Hydroxysuccin- imide, bspw. Disuccinimdylsuberat (DSS) oder Sulfo-DSS angekoppelt werden können.Although the test elements based on physisorption (polyelectrolyte interaction) are preferred with regard to DNA chips in the method according to the invention, the substrates modified with cationic polyelectrolytes in their aminic form can also be modified via covalent bonding mechanisms. Thus, it is known that biomolecules can be coupled to aminic surfaces via bifunctional reagents, such as glutaric dialdehyde or bis-N-hydroxysuccinimides, for example disuccinimidylsuberate (DSS) or sulfo-DSS.
In analoger Weise kann auch der Blockierungsschritt über kovalente Bindungsmechanismen erfolgen. Bspw. können hinsichtlich nichtspezifische Proteinadsorption über bifunktionelle Reagenzien Polyethylenglykole, Amin modifizierte Polyethylenglykole oder hochverzweigte Polyglycerine (hyperbrached polyglycerol (Fa. Hyperpolymers GmbH) angekoppelt werden. Polyethylenglykole können bspw. auch über Isocyanat- funktionalisierte Polyethylenglykole bspw. Polyethylengly- kolmonomethylether oder Succinimidyester derivatisierte Polyethylenglykole (Shearwater Polymers) angekoppelt werden.In an analogous manner, the blocking step can also take place via covalent bonding mechanisms. For example. For non-specific protein adsorption via bifunctional reagents, polyethylene glycols, amine-modified polyethylene glycols or hyperbranched polyglycerol (hyperpolymers GmbH) can be coupled in. Polyethylene glycols can also be, for example, isocyanate-functionalized polyethylene glycols, for example polyethylene glycol monomethyl ether or succinimidyl ester derivatized polyethylene glycols (Shearwater Polymers). be coupled.
Das beschriebene, besonders bevorzugte Verfahren, basierend auf hochmolekularen kationischen Polyelktrolyten als Polymer Interface und anionische Polyelektrolyten als Blockierungsschicht gegen nicht spezifische DNA Adsorption, bezieht sich auf Substrate mit Metalloxid-, vzgw. Ta2Os Oberflächen.The described, particularly preferred method, based on high molecular weight cationic polyelectrolytes as a polymer interface and anionic polyelectrolytes as a blocking layer against nonspecific DNA adsorption, refers to substrates with metal oxide, vzgw. Ta 2 Os surfaces.
Bei anderen Substratoberflächen, die bspw. partiell positiv geladen sind, können sich dementsprechend diese Verhältnisse umkehren, so dass anionische hochmolekulare Polyelektrolyte als PoIy- mer Interface dienen können.Accordingly, for other substrate surfaces which, for example, are partially positively charged, these ratios can be reversed so that anionic high molecular weight polyelectrolytes can serve as polymer interface.
Die hochmolekularen kationischen Polyelektrolyte eignen sich bevorzugt für die Verankerung des Polymers auf Wellenleitern aus Materialien wie TiO2, Ta2O5, ZrO2, HfO2, Al2O3, SiO2 (Si(Ti)O2), In2O3/SnO2 (TTO), Aluminumsilicate, Nb2O5, Vanadiumoxide, oder Mischungen dieser Materialien. Die Wellenleitermaterialien können aber auch Oxide oder Hydroxide folgender Elemente sein, die Oxide oder Hydroxide bilden können: Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, PD, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, B, Al, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Lanthanide, Actinide und Mixturen davon ebenso wie Mixturen von Gruppe IIa (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) und VIb (Se, Te, Po)).The high molecular weight cationic polyelectrolytes are preferably suitable for anchoring the polymer on waveguides made of materials such as TiO 2 , Ta 2 O 5 , ZrO 2 , HfO 2 , Al 2 O 3 , SiO 2 (Si (Ti) O 2 ), In 2 O 3 / SnO 2 (TTO), aluminosilicates, Nb 2 O 5 , vanadium oxides, or mixtures of these materials. However, the waveguide materials can also be oxides or hydroxides of the following elements which can form oxides or hydroxides: Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru , Os, Co, Rh, Ir, Ni, PD, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, B, Al, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, lanthanides, actinides and mixtures thereof, as well as mixtures of group IIa (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) and VIb (Se, Te, Po)).
Das Polymer wird aus organischer oder bevorzugt wässriger Lösung auf die Wellenleiteroberflächen aufgebracht. Dies kann durch Inkubation in der Lösung, wie Tauchen, Sprühen, Spotten, Spincoating oder ähnliche übliche Verfahren geschehen. Typischerweise werden Lösungen zwischen 0,1 bis 0.0001 Gew%, insbesondere zwischen 0,05 und 0.001 Gew%, verwendet und die Wellenleiteroberflächen bei Temperaturen zwischen 0 und 200 0C, insbesondere zwischen 20 und 30 0C, beschichtet. Die Inkubationszeit der WeJJenleiteπnaterialien mit den Polymer-Lösungen kann zwischen 10 s und 48 h liegen, typischerweise zwischen 10 min und 24 h. Nach der Inkubati- on werden die Wellenleiter mit organischen Lösungsmitteln oder wässrigen Lösungen gespült und gegebenenfalls weiter derivatisiert.The polymer is applied to the waveguide surfaces from organic or preferably aqueous solution. This can be done by incubation in the solution, such as dipping, spraying, spotting, spin coating or similar conventional methods. Typically, solutions between 0.1 to 0.0001 wt%, in particular between 0.05 and 0.001 wt%, used and the waveguide surfaces at temperatures between 0 and 200 0 C, in particular between 20 and 30 0 C coated. The incubation time of the white materials with the polymer solutions may be between 10 seconds and 48 hours, typically between 10 minutes and 24 hours. After incubation, the waveguides are rinsed with organic solvents or aqueous solutions and optionally further derivatized.
Polyelektrolyte zur Bio- und Chemofunktionalisierung chemisorbieren aus organischer oder wässriger Lösung auf Wellenleiteroberflächen. Sie bilden aufgrund der spezifischen Polyelektrolyt Bindung an Wellenleitermaterialien eine stabile Schicht auf dem Wellenleiter aus. Die Bindung ist über einen weiten pH-Bereich (ph = 1 bis pH = 14), Temperaturbereich (0 0C bis 100 0C) wie auch gegenüber hohen Salzkonzentrationen (IM) stabil. Auch die Anwesenheit von Detergenzien in der Reaktionslösung führt nicht zu einer Desorption des Polymers von der Wellenleiteroberfläche. Da nach einer Polyelektrolytbelegung der Substratoberfläche mit einer monomolekularen Schicht eine weitere Adsorption von gleichsinnig geladenen Polymeren verhindert wird, kann ganz im Sinne einer Chemisorption nur eine Monolage an Polymer auf der Oberfläche aufgebracht werden. Damit kann sichergestellt werden, dass die Erkennungselemente innerhalb des evaneszenten Lichtfeldes und somit im sensitiven Detektionsbereich des Signalwandlers immobilisiert werden.Chemisorbieren polyelectrolytes for bio- and chemofunctionalization from organic or aqueous solution on waveguide surfaces. They form a stable layer on the waveguide due to the specific polyelectrolyte bonding to waveguide materials. The binding is stable over a wide pH range (pH = 1 to pH = 14), temperature range (0 ° C. to 100 ° C.) as well as to high salt concentrations (III). Also, the presence of detergents in the reaction solution does not result in desorption of the polymer from the waveguide surface. Since, after a polyelectrolyte coating of the substrate surface with a monomolecular layer, a further adsorption of polymers charged in the same direction is prevented, only a monolayer of polymer can be applied to the surface in the sense of chemisorption. This can ensure that the recognition elements are immobilized within the evanescent light field and thus in the sensitive detection area of the signal converter.
Die auf die beschriebene Weise beschichteten Wellenleiterchips können für jede Art von qualitativer, semi-quantitativer oder quantitative analytische Assays verwendet werden.The waveguide chips coated in the manner described can be used for any type of qualitative, semi-quantitative or quantitative analytical assays.
Erkennungselemente können direkt oder mit Hilfe eines Crosslinkers kovalent, koordinativ oder über eine andere Bindung an die funktionellen Gruppen des Polymers und somit an die Oberfläche des Bio- oder Chemosensors immobilisiert werden. Die direkte Kopplung der Erkenungselemente kann vor der Beschichtung der Wellenleiter mit dem Polymer erfolgen oder danach. Die Erkennungselemente können über eigene funktionelle Gruppen wie Carbonsäure, Carbonsäureester, Carbonsäurechlorid, Carbonsäureanhydrid, Carbonsäurenitrophenylester, Carbonsäure-N- hydroxysucinimid, Carbonsäureimidazolid, Carbonsäure-pentafluorophenylester, Hydroxy, ToIu- olsulfonyl, Trifluoromethylsulfonyl, Epoxy, Aldehyd, Keton, ß-Dicarbonyl, Isocyanat, Thioisocy- aπat, Nitril, Amin, Aziridin, Hydrazin, Hydrazid, Nitro, Thiol, Disulfid, Thiosulfit, Halogen, Joda- cetamid, Bromacetamid, Chloracetamid, Borsäureester, Maleimid, α,ß -ungesättigte Carbonyle, Phosphat, Phosphonat, Hydroxymethylamid, Alkoxymethylamid, Benzophenon, Azid, Triazen, Acylphosphan, an die funktionellen Gruppen des Polymers kovalent gebunden werden. Die Kombination welche funktionelle Gruppe des Erkennungselementes mit welcher funktionellen Gruppe des Polymers reagiert ergibt sich aus den dem Chemiker bekannten Reaktionsmöglichkeiten zwi- sehen den funktionellen Gruppen.Recognition elements can be immobilized covalently, coordinatively or via another linkage to the functional groups of the polymer and thus to the surface of the biosensor or chemosensor, directly or with the aid of a crosslinker. The direct coupling of the detection elements can take place before the coating of the waveguides with the polymer or thereafter. The recognition elements can be obtained by their own functional groups such as carboxylic acid, carboxylic acid ester, carboxylic acid chloride, carboxylic acid anhydride, carboxylic acid nitrophenyl ester, carboxylic acid N-hydroxysucinimide, carboxylic acid imidazolide, carboxylic acid pentafluorophenyl ester, hydroxy, toulo-sulfonyl, trifluoromethylsulfonyl, epoxy, aldehyde, ketone, β-dicarbonyl, isocyanate, Thioisocyanate, nitrile, amine, aziridine, hydrazine, hydrazide, nitro, thiol, disulphide, thiosulphite, halogen, iodoacetamide, bromoacetamide, chloroacetamide, boric acid esters, maleimide, α, β-unsaturated carbonyls, Phosphate, phosphonate, hydroxymethylamide, alkoxymethylamide, benzophenone, azide, triazene, acylphosphine, to which functional groups of the polymer are covalently bonded. The combination which functional group of the recognition element reacts with which functional group of the polymer results from the reaction possibilities known to the chemist between the functional groups.
Proteine als Erkennungselemente können z.B. über ihre Aminosäureseitenketten an dem Polymer immobilisiert werden. Speziell Aminosäuren wie z.B. Lysine, Cysteine, Serine, Tyrosine, Histidi- ne, Glutamate, Aspartate, die an der Oberfläche eines Proteins lokalisiert sind besitzen funktionelle Gruppen in ihren Seitenketten, die eine kovalente Bindung mit den funktionellen Gruppen des Polymers eingehen können. Funktionelle Gruppen können auch in den Erkennungselemente auch durch Derivatisierung (Phosphorylierung von Tyrosinen), Oxidation (z.B. Oxidation von Diolein- heiten glycosilierter Proteine zu Aldehydgruppen), Reduktion (z.B. von Disulfidbrücken zu Thio- len) oder Kopplung eines Crosslinkers erzeugt werden.Proteins as recognition elements can e.g. be immobilized on the polymer via its amino acid side chains. Specifically, amino acids such as e.g. Lysines, cysteines, serines, tyrosines, histides, glutamates, aspartates located on the surface of a protein have functional groups in their side chains that can form a covalent bond with the functional groups of the polymer. Functional groups can also be generated in the recognition elements by derivatization (phosphorylation of tyrosines), oxidation (e.g., oxidation of diol units of glycosylated proteins to aldehyde groups), reduction (e.g., of disulfide bonds to thiols), or coupling of a crosslinker.
Neben der kovalenten Immobilisierung der Erkennungselemente an das Polymer können die Er- kennungselemente auch koordinativ an das Polymer gebunden werden. Mit Methoden der Molekularbiologie können z.B. Proteine wie Enzyme, Antikörperfragmente und Rezeptoren mit speziellen Affinitätssequenzen wie z.B. dem 6xHistidin-Tag hergestellt werden. Diese Affinitätssequenzen besitzen eine hohe Affinität und Spezifität zu Metallionenkomplexen wie z.B. Nickel Nitrilotries- sigsäure oder Kupfer Iminodiessigsäure, die als funktionelle Gruppe F in das Polymer eingebracht sein kann.In addition to the covalent immobilization of the recognition elements to the polymer, the recognition elements can also be bound coordinately to the polymer. With methods of molecular biology, e.g. Proteins such as enzymes, antibody fragments and receptors with specific affinity sequences such as e.g. the 6x histidine tag. These affinity sequences have a high affinity and specificity to metal ion complexes, e.g. Nickel nitrilotriacetic acid or copper iminodiacetic acid, which may be incorporated as a functional group F in the polymer.
Alternativ können auch biochemische Erkennungsreaktionen genutzt werden, um Erkennungselemente an das Polymer zu immobilisieren. Die sehr spezifische und hochaffine Bindung von Biotin an Streptavidin kann zur Immobilisierung von Erkennungselementen an das Polymer genutzt werden. Dazu muss zunächst das Streptavidin immobilisiert werden. Das Erkennungselement wird dann mit Biotin funktionalisiert und kann über die Streptavidin-Biotin Wechselwirkung indirekt an das Polymer gebunden werden. Alternativ kann das Erkennungselement molekularbiologisch oder chemisch mit einer kurzen Aminosäuresequenz versehen werden, dem sogenannten StrepTag24, der ebenfalls eine hohe Spezifität und Affinität für Streptavidin aufweist.Alternatively, biochemical recognition reactions can also be used to immobilize recognition elements to the polymer. The very specific and high affinity binding of biotin to streptavidin can be used to immobilize recognition elements to the polymer. For this purpose, the streptavidin must first be immobilized. The recognition element is then functionalized with biotin and can be indirectly bound to the polymer via the streptavidin-biotin interaction. Alternatively, the recognition element can be molecularly biological or chemically provided with a short amino acid sequence, the so-called StrepTag 24 , which also has a high specificity and affinity for streptavidin.
Die erfindungsgemäßen Signalwandler, dadurch charakterisiert, dass die Erkennungselemente an Polyelektrolyt Monoschichten gebunden sind, sind zwar bevorzugter Inhalt der vorliegenden Anmeldung. Trotzdem kann es bisweilen von Vorteil sein, wenn die Erkennungselemente an Polyelektrolyt Multischichten gebunden sind. Ein Multischichtaufbau induziert zwar einen größeren Abstand des Erkennungselementes von der Wellenleiteroberfläche - und damit eine reduzierte Empfindlichkeit - auf der anderen Seite können im Mehrschichtverfahren Fehlstellen über sog. „bridge Effekte" ausgeglichen werden.The signal transducers according to the invention, characterized in that the recognition elements are bound to polyelectrolyte monolayers, are indeed preferred content of the present application. Nevertheless, it may sometimes be advantageous if the recognition elements are bound to polyelectrolyte multilayers. Although a multilayer structure induces a greater distance of the detection element from the waveguide surface - and thus a reduced Sensitivity - on the other hand, defects in the multi-layer process can be compensated by so-called "bridge effects".
Wesentlich für die erfindungsgemäße Substratbeschichtung ist jedoch, dass der für die erste Sub- stratbeschichtung eingesetzte Polyelektrolyt ein sehr hohes Molekulargewicht, vzgw. größer 100 000, besonders bevorzugt größer 250 000 g/mol aufweist. Für die folgenden Schichten können auch Polyelektrolyte mit niedrigerem Molekulargewicht eingesetzt werden.However, it is essential for the substrate coating according to the invention that the polyelectrolyte used for the first substrate coating has a very high molecular weight, vzgw. greater than 100,000, more preferably greater than 250,000 g / mol. For the following layers also lower molecular weight polyelectrolytes can be used.
Eine Ausführungsform der erfϊndungsgemässen Immobilisierungsoberflächen ist die Verwendung auf optisch transparenten Trägern, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie durchgehende oder einzelne wellenleitende Bereiche umfassen (optische Wellenleiter). Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem optischen Wellenleiter um einen optischen Schichtwellenleiter mit einer, der Im- mobilisierungsoberfläche zugewandten, ersten im wesentlichen optisch transparenten Schicht (a) auf einer zweiten im wesentlichen transparenten Schicht (b) mit niedrigeren Brechungsindex als Schicht (a). Außerdem wird bevorzugt, dass besagter optischer Wellenleiter im wesentlichen planer ist.One embodiment of the immobilization surfaces according to the invention is the use on optically transparent supports, which are characterized in that they comprise continuous or individual waveguiding regions (optical waveguides). The optical waveguide is particularly preferably an optical waveguide with a first substantially optically transparent layer (a) facing the imaged surface on a second substantially transparent layer (b) with a lower refractive index than layer (a). It is also preferred that said optical waveguide be substantially planar.
Kennzeichen einer derartigen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Immobilisierungsoberfläche auf einem optischen Schichtwellenleiter als Träger ist, dass zur Einkopplung von Anregungswellenlicht in die optisch transparenten Schicht (a), diese Schicht in optischen Kontakt zu einem oder mehrerer optischen Einkoppelelementen aus der Gruppe steht, die von Prismenkopp- lern, evaneszenten Feldern, Stirnflächenkopplern mit vor einer Stirnseite der wellenleitenden Schicht angeordneten fokussierten Linsen und Gitterkopplern gebildet wird.Characteristic of such an embodiment of an immobilization surface according to the invention on an optical slab waveguide as carrier is that for coupling excitation light into the optically transparent layer (a), this layer is in optical contact with one or more optical coupling elements from the group learning of prism couplers , evanescent fields, end face couplers with arranged in front of an end face of the waveguiding layer focused lenses and grating couplers is formed.
Dabei wird bevorzugt, dass die Einkopplung von Anregungslicht in die optisch transparente Schicht (a) mithilfe einer oder mehrerer Gittestrukturen (c) erfolgt, die in der optisch transparenten Schicht (a) ausgebildet sind.In this case, it is preferred that the coupling of excitation light into the optically transparent layer (a) takes place by means of one or more grating structures (c) which are formed in the optically transparent layer (a).
Ein Gegenstand der Erfindung ist eine Oberfläche zur Immobilisierung einer oder mehrerer erster Nukleinsäuren als Erkennungselemeπte zur Herstellung einer Erkennungsoberfläche zum Nachweis einer oder mehrere zweiter Nukleinsäuren in einer oder mehrerer mit der Erkennungsoberfläche in Kontakt gebrachter Proben, wobei die ersten Nukleinsäuren auf einer kationischen hochmolekularen Polyelektrolyte Schicht als Oberfläche zur Immobilisierung aufgebracht sind.An object of the invention is a surface for the immobilization of one or more first nucleic acids as Erkennungselemeπte for producing a recognition surface for the detection of one or more second nucleic acids in one or more contacted with the detection surface in contact samples, wherein the first nucleic acids on a cationic high molecular weight polyelectrolyte layer as Surface are applied for immobilization.
Besonders bevorzugt werden solche Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Immobilisie- rungsoberfläche, bei denen die darauf immobilisierten Nukleinsäuren als Erkennungselemente in diskreten (räumlich getrennten) Messbereichen angeordnet sind. In einer zweidimensionalen Anordnung können bis zu 2 000 000 Messbereiche angeordnet sein, und ein einzelner Messbereich kann eine Fläche von 10-5 mm2 bis 10 mm2 einnehmen. Es wird bevorzugt, dass die Messbereiche in einer Dichte von mehr als 100, bevorzugt mehr als 1000 Messbereiche pro Quadratzentimeter angeordnet sind.Such embodiments of an immobilization surface according to the invention, in which the nucleic acids immobilized thereon are arranged as recognition elements in discrete (spatially separated) measurement regions, are particularly preferred. In a two-dimensional arrangement up to 2,000,000 measuring ranges can be arranged, and a single measuring range can occupy an area of 10- 5 mm 2 to 10 mm 2 . It is preferred that the measuring ranges are arranged in a density of more than 100, preferably more than 1000 measuring ranges per square centimeter.
Die diskreten (räumlich getrennten) Messbereiche auf besagter Immobilisierungsoberfläche kön- nen durch räumlich selektive Aufbringung von Nukleinsäuren als Erkennungselemente erzeugt werden, vorzugsweise unter Verwendung eines oder mehrerer Verfahren aus der Gruppe von Verfahren, die von „ink jet Spotting", mechanischem Spotting mittels Stift, Feder oder Kapillare, „Micro contact Spotting", fluidischer Kontaktierung des Messbereichs mit den biologischen oder biochemischen oder synthetischen Erkennungselementen durch deren Zufuhr in parallelen oder gekreuzten Mikrokanälen, unter Einwirkung von Druckunterschieden oder elektrischen oder elektromagnetischen Potentialen sowie photochemischen oder photolitographischen Immobilisierungsverfahren gebildet wird.The discrete (spatially separated) measurement areas on said immobilization surface may be generated by spatially selective application of nucleic acids as recognition elements, preferably using one or more of the group of methods known from "inkjet spotting", mechanical spotting by stylus, Spring or capillary, "Micro contact spotting", fluidic contacting of the measuring range with the biological or biochemical or synthetic recognition elements by their supply in parallel or crossed microchannels, under the influence of pressure differences or electrical or electromagnetic potentials and photochemical or photolithographic immobilization is formed.
Weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum gleichzeitigen oder sequentiellen, qualitativen und / oder quantitativen Nachweis einer oder mehrerer zweiter Nukleinsäuren in einer oder mehrerer Proben, dadurch gekennzeichnet, dass besagte Proben und gegebenenfalls weitere Reagenzien mit einer der erfindungsgemäßen Immobilisierungsoberflächen nach einer der genannten Ausführungsformen in Kontakt gebracht werden, auf welcher eine oder mehrere Nukleinsäuren als Erkennungselemente zur spezifischen Bindung / Hybridisierung mit zweiten Nukleinsäuren gebunden sind und aus der Bindung /Hybridisierung dieser zweiten Nukleinsäure oder weiter zum Analytnachweis eingesetzter Nachweissubstanzen resultierende Änderung von optischen oder e- lektrischen Signalen gemessen werden.Another object of the invention is a method for the simultaneous or sequential, qualitative and / or quantitative detection of one or more second nucleic acids in one or more samples, characterized in that said samples and optionally further reagents with one of the immobilization surfaces according to the invention according to one of the embodiments in Are contacted, on which one or more nucleic acids are bound as recognition elements for specific binding / hybridization with second nucleic acids and from the binding / hybridization of this second nucleic acid or further for analyte detection of inserted detection substances resulting change of optical or e- lektrischen signals are measured.
Dabei wird bevorzugt, dass der Nachweis einer oder mehrerer zweiter Nukleinsäuren auf der Bestimmung der Änderung einer oder mehrerer Lumineszenzen beruht. Zur Luminszenzerzeugung sind verschiedene optische Anregungskonfigurationen möglich. Eine Möglichkeit besteht darin, dass Anregungslicht zur Anregung einer oder mehrerer Lumineszenzen von einer oder mehrerer Lichtquellen in einer Auflichtanregungsanordnung eingestrahlt wird.It is preferred that the detection of one or more second nucleic acids based on the determination of the change of one or more luminescences. For luminescence generation various optical excitation configurations are possible. One possibility is that excitation light for exciting one or more luminescences from one or more light sources is irradiated in an incident light excitation arrangement.
Eine andere mögliche Konfiguration ist dadurch gekennzeichnet, dass Anregungslicht zur Anregung einer oder mehrerer Luminszenzen von einer oder mehrerer Lichtquellen in einer Transmis- sionslichtanregungsanordung eingestrahlt wird.Another possible configuration is characterized in that excitation light for excitation of one or more lumine lengths of one or more light sources is irradiated in a transmission light excitation device.
Bevorzugt wird eine solche Ausfuhrungsform der erfindungsgemäßen Immobilisierungsoberflächen und / oder Verfahren welche dadurch gekennzeichnet sind, dass die Oberfläche auf einem optischen Wellenleiter angeordnet ist, dass die eine oder mehrere Proben mit darin nachzuweisenden zweiten Nukleinsäuren und gegebenenfalls weiterer Nachweisreagenzien sequenziell oder nach Mischung mit besagten Nachweisreagenzien mit den gebundenen ersten Nukleinsäuren als Erkennungselemente in Kontakt gebracht werden und ass das Anregungswellenlicht von einer oder mehrerer Lichtquellen in den optischen Wellenleiter eingekoppelt wird mit Hilfe eines oder mehrerer optischer Kopplungselemente aus der Gruppe, die von Prismenkopplern, evaneszenten FeI- dem, Stirnflächenkopplern mit vor einer Stirnseite der wellenleitenden Schicht angeordneten fo- kussierten Linsen und Gitterkopplern gebildet wird.Such an embodiment of the immobilization surfaces and / or methods according to the invention is preferably characterized in that the surface is arranged on an optical waveguide such that the one or more samples with second nucleic acids to be detected therein and optionally further detection reagents sequentially or after mixing with said detection reagents are brought into contact with the bound first nucleic acids as recognition elements and the excitation light from one or more light sources is coupled into the optical waveguide with the help of one or more optical coupling elements from the group of prism couplers, evanescent FeI- , Endflächenkopplern with arranged in front of an end face of the waveguiding layer fo- kussierten lenses and grating couplers is formed.
Bevorzugt wird, dass die im Wellenleiter laufende Lichtwelle Lumineszenz von lumineszenzfähigen Molekülen erzeugt und dass diese Lumineszenz von einem oder mehrerer Detektoren erfasst wird. Aus der Intensität des Lumineszenzsignals kann die Konzentration einer oder mehrerer nach- zuweisenden Nukleinsäuren ermittelt werden.It is preferred that the light wave traveling in the waveguide produces luminescence from molecules capable of luminescence, and that this luminescence is detected by one or more detectors. From the intensity of the luminescence signal, the concentration of one or more subsequent nucleic acids to be detected can be determined.
Das Lumineszenzlabel kann an die nachzuweisende zweite Nukleinsäure selbst gekoppelt sein, oder in einem kompetetiven Ansatz an Molekülen mit bekannter Konzentration und Sequenz, als Kompetitor, gebunden ist und so der Probe beigefügt werden. Das Lutninszenzlabel kann aber auch durch einen dritten Bindungspartner in das Analysengemisch eingebracht werden.The luminescent label can be coupled to the second nucleic acid to be detected itself, or bound in a competitive approach to molecules of known concentration and sequence, as competitor, and thus added to the sample. The Lutninszenz label can also be introduced by a third binding partner in the analysis mixture.
Es wird bevorzugt, dass zur Erzeugung der Lumineszenz Lumineszenz-Farbstoffe oder lumines- zente Nanopartikel als Lumineszenzlabel verwendet werden, die bei einer Wellenlänge zwischen 300nm und 1100 nm angeregt werden und emittieren.It is preferred that luminescent dyes or luminescent nanoparticles are used as luminescent labels for generating the luminescence, which are excited and emit at a wavelength of between 300 nm and 1100 nm.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die zu untersuchenden Proben wässrige Lösungen, insbesondere Pufferlösungen oder natürlich vorkommende Körperflüssigkei- ten wie Blut, Serum, Plasma, Urin oder Gewebeflüssigkeiten sind. Die zu untersuchenden Proben können auch aus biologischen Gewebeteilen oder Zellen präpariert werden.The method according to the invention is characterized in that the samples to be examined are aqueous solutions, in particular buffer solutions or naturally occurring body fluids such as blood, serum, plasma, urine or tissue fluids. The samples to be examined can also be prepared from biological tissue parts or cells.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Immobilisierungsoberflächen und / oder Verfahren in der qualitativen und quantitativen DNA- und RNA Analytik, beispielsweise die Bestimmung von genomischen Unterschieden wie den Einzelnukleotid - Polymorphismen (SNPs) oder DNA Amplifikationen oder DNA Deletionen oder DNA- Methylierung oder für die Detektion und Quantifizierung von mRNA (Expression Profiling).The invention further relates to the use of the immobilization surfaces and / or methods according to the invention in qualitative and quantitative DNA and RNA analysis, for example the determination of genomic differences such as the single nucleotide polymorphisms (SNPs) or DNA amplifications or DNA deletions or DNA methylation or for the detection and quantification of mRNA (expression profiling).
In den folgenden Beispielen sind Wellenleiter mit polymeren Monoschichten (Polyvinylamin- hydrochlorid) sowie mit dreischichtigem Aufbau (Polyvinylaminhydrochlorid/Dextransulfat/ PoIy- vinylaminhydrochlorid) als Immobilisierngsoberflächen beschrieben und deren Anwendung bei der Nukleinsäure- Analytik. BeispieleIn the following examples, waveguides with polymeric monolayers (polyvinylamine hydrochloride) and with a three-layer structure (polyvinylamine hydrochloride / dextran sulfate / polyvinylamine hydrochloride) as immobilization surfaces are described and their application in nucleic acid analysis. Examples
1. Modifizieren eines planaren Wellenleiters mit einer Monoschicht aus Polyvinylamin- hydrochlorid, anschließende Dotierung mit capture DNA spots sowie Blockierung mit Dextransulfat1. Modification of a planar waveguide with a monolayer of polyvinylamine hydrochloride, subsequent doping with capture DNA spots and blocking with dextran sulfate
Ein planarer Wellenleiter (Unaxis Balzers, Liechtenstein) in den Dimensionen 2x1 cm, bestehend aus AF 45 Glas mit einer wellenleitenden, optisch transparenten, hochbrechenden Ta2O5 Schicht (Brechungs index von 2.10 bei 633 nm, Schichtdicke 185 nm) und parallel zur Breite verlaufenden Gitterlinien (318 nm Periode mit 32+/- 3 nm Gittertiefe) wurdeA planar waveguide (Unaxis Balzers, Liechtenstein) in the dimensions 2x1 cm, consisting of AF 45 glass with a waveguiding, optically transparent, high refractive Ta 2 O 5 layer (refractive index of 2.10 at 633 nm, layer thickness 185 nm) and parallel to the width extending grating lines (318 nm period with 32 +/- 3 nm lattice depth)
- 30 Min. in eine 0.005 %ige Lösung von Lupamin 9095 (Fa. BASF) in Wasser getaucht.- Dipped in water for 30 min in a 0.005% solution of Lupamin 9095 (BASF).
- Der mit Lupamin modifizierte Wellenleiter wurde 30 Min. in reinem Wasser gewaschenThe lupamine-modified waveguide was washed in pure water for 30 min
Überschüssige Wasserreste wurden mit einem trockenen N2 Strom getrocknetExcess water residues were dried with a dry N 2 stream
Mit Hilfe einer Mikropipette wurden 5 μl einer Fluoreszenz markierten DNA Sequenz (Cy5 - 50 mer: 5'- Cy5-CAA CAG TGC AAC CTT GGA AGC AGA TGT AGA TGT TGT TGT GTC ACC TCC AT 3' , Fa. BioTeZ Berlin) auf die hochbrechende, Lupamin beschichtete Oberfläche pipettiert. Auf dieselbe Weise wurden an zwei anderen Stellen analoge capture Oligo spots aufgetragen.Using a micropipette, 5 μl of a fluorescence-labeled DNA sequence (Cy5 - 50 mer: 5'-Cy5-CAA CAG TGC AAC CTT GGA AGC AGA TGT AGA TGT TGT TGT GTC ACC TCC AT 3 ', from BioTeZ Berlin) were applied to the high-index, Lupamin coated surface pipetted. In the same way, analogue capture oligo spots were applied at two other sites.
Nach einer Inkubationszeit von 30 Min. bei RT wurde der bespottete Wellenleiter 30 Min. in eine wässerige Dextransulfat Lösung (MW: 500 000 g/mol, Fa. Fluka) eingetaucht und kurz mit Wasser abgewaschen.After incubation for 30 min. At RT, the spotted waveguide was immersed in an aqueous dextran sulfate solution (MW: 500,000 g / mol, from Fluka) for 30 min and washed briefly with water.
Der Funktionstest erfolgte durch Einkoppeln eines Laserlichtstrahls der Wellenlänge 635 nm.The functional test was carried out by coupling a laser light beam of wavelength 635 nm.
Dabei konnten an den Stellen, an denen die capture DNA spots aufpipettiert wurden, hervorgerufen durch die Emission des Cy5 Fluoreszenzfarbstoffes (Fa. Amersham), hell leuchtende Punkte beobachtet werden.At the sites where the capture DNA spots were pipetted on, caused by the emission of the Cy5 fluorescent dye (Amersham), bright spots were observed.
Zum Vergleich wurde die oben erwähnte Cy5 50 mer Capture Lösung auf eine Stelle, die mit Dextransulfat gegen DNA Adsorption geblockt war, aufpipettiert und mit Wasser gewaschen.For comparison, the above-mentioned Cy5 50 mer capture solution was pipetted to a site blocked with dextran sulfate against DNA adsorption and washed with water.
Beim anschließenden optischen Funktionstest wurde an den entsprechenden Stellen kein Farbsignal gefunden. 2. Modifizieren eines pianaren Wellenleiters mit einer Polyelektrolyt Tripleschicht aus PoIy- vinylaminhydrochlorid/Dextransulfat/ Polyvinylaminhydrochlorid, anschließende Dotierung mit capture DNA spots sowie Blockierung mit DextransulfatDuring the subsequent optical function test, no color signal was found at the corresponding points. 2. Modification of a pianar waveguide with a polyelectrolyte triplicate layer of polyvinylamine hydrochloride / dextran sulfate / polyvinylamine hydrochloride, subsequent doping with capture DNA spots and blocking with dextran sulfate
Ein planarer Wellenleiter (Unaxis, Balzers, Liechtenstein) in den Dimensionen 2x1 cm, bestehend aus AP 45 Glas mit einer wellenleitenden, optisch transparenten, hochbrechenden TaOs Schicht (Brechungsindex von 2.15 bei 633 nm, Schichtdicke 185 nm) und parallel zur Breite verlaufenden Gitterlinien (318 nm Periode mit 32 +/- 3 nm Gittertiefe) wurdeA planar waveguide (Unaxis, Balzers, Liechtenstein) in the dimensions 2x1 cm, consisting of AP 45 glass with a waveguiding, optically transparent, high refractive Ta Σ Os layer (refractive index of 2.15 at 633 nm, layer thickness 185 nm) and parallel to the width Grid lines (318 nm period with 32 +/- 3 nm lattice depth)
1. 30 Min. in eine 0.005 %ige Lösung von Lupamin 9095 (Fa. BASF) in Wasser getaucht.1. Dipped in water for 30 minutes in a 0.005% solution of Lupamin 9095 (BASF).
2. Der mit Lupamin modifizierte Wellenleiter wurde 30 Min. in reinem Wasser gewaschen.2. The lupamine-modified waveguide was washed in pure water for 30 min.
3. Der Wellenleiter mit der Lupamin Monoschicht wurde 30 Min. in eine 0.05%ige wässerige Dextransulfat Lösung getaucht.3. The waveguide with the lupamine monolayer was immersed in a 0.05% aqueous dextran sulfate solution for 30 min.
4. Anschließend wurde 30 Min. in reinem Wasser gewaschen.4. Subsequently, it was washed in pure water for 30 min.
5. Wiederholung von Schritt 1.5. Repeat step 1.
6. Der Wellenleiter mit der Polyelektrolyt Triple Schicht wurde 30 Min. in Wasser gewa- sehen.6. The waveguide with the polyelectrolyte triple layer was washed in water for 30 min.
7. Überschüssige Wasserreste wurden mit einem trockenen N2 Strom getrocknet.7. Excess water residues were dried with a dry N 2 stream.
8. Mit Hilfe einer Mikropipette wurden 5 μl einer Fluoreszenz markierten DNA Sequenz (Cy5 - 50 mer: 5'- Cy5-CAA CAG TGC AAC CTT GGA AGC AGA TGT AGA TGT TGT TGT GTC ACC TCC AT 3' , Fa. BioTeZ Berlin) auf die hochbrechende, Lupamin beschichtete Oberfläche pipettiert. Auf dieselbe Weise wurden an zwei anderen Stellen analoge capture Oligo spots aufgetragen.Using a micropipette, 5 μl of a fluorescence-labeled DNA sequence (Cy5 - 50 mer: 5'-Cy5-CAA CAG TGC AAC CTT GGA AGC AGA TGT AGA TGT TGT TGT GTC ACC TCC AT 3 ', from BioTeZ Berlin) pipetted onto the high refractive, lupamin coated surface. In the same way, analogue capture oligo spots were applied at two other sites.
9. Nach einer Inkubationszeit von 30 Min. bei RT wurde der bespottete Wellenleiter 30 Min. in eine wässerige Dextransulfat Lösung (MW: 500 000 g/mol, Fa. Fluka) eingetaucht und kurz mit Wasser abgewaschen.9. After incubation for 30 min at RT, the spotted waveguide was immersed in an aqueous dextran sulfate solution (MW: 500,000 g / mol, from Fluka) for 30 min and washed briefly with water.
Der Funktionstest erfolgte durch Einkoppeln eines Laserlichtstrahls der Wellenlänge 635 nm.The functional test was carried out by coupling a laser light beam of wavelength 635 nm.
Dabei konnten an den Stellen, an denen die capture DNA spots aufpipettiert wurden, hervorgerufen durch die Emission des Cy5 Fluoreszenzfarbstoffes (Fa. Amersham), hell leuchtende Punkte beobachtet werden. Zum Vergleich wurde die oben erwähnte Cy5 50 mer Capture Lösung auf eine Stelle, die mit Dextransulfat gegen DNA Adsorption geblockt war, aufpipettiert und mit Wasser gewaschen. Beim anschließenden optischen Funktionstest wurde an den entsprechenden Stellen kein Farbsignal gefunden.At the sites where the capture DNA spots were pipetted on, caused by the emission of the Cy5 fluorescent dye (Amersham), bright spots were observed. For comparison, the above-mentioned Cy5 50 mer capture solution was pipetted to a site blocked with dextran sulfate against DNA adsorption and washed with water. During the subsequent optical function test, no color signal was found at the corresponding points.
Beispiel 3Example 3
Hybridisierung bakterieller cDNA auf Lupamin beschichteten planaren Wellenleiter-ChipsHybridization of bacterial cDNA on lupamine coated planar waveguide chips
Ein planarer Wellenleiterchip (SensiChip, Zeptosens, Bayer Schweiz AG, Witterswil, Schweiz) von 14mm x 57mm bestehend aus AF 45 Glas mit einer wellenleitenden, optisch transparenten, hochbrechenden Ta2O5 Schicht (Brechungsindex von 2.12 bei 535 nm, Schichtdicke 145 nm) und parallel zur Breite verlaufenden Gitterlinien (318 nm Periode mit 13 +/- 2 nm Gittertiefe) wurdeA planar waveguide chip (SensiChip, Zeptosens, Bayer Switzerland AG, Witterswil, Switzerland) of 14mm x 57mm consisting of AF 45 glass with a waveguiding, optically transparent, high refractive Ta 2 O 5 layer (refractive index of 2.12 at 535 nm, layer thickness 145 nm) and parallel to the width-extending grating lines (318 nm period with 13 +/- 2 nm grating depth)
60 Min. in eine 0.01 %ige Lösung von Lupamin 9095 (Fa. BASF) in Wasser getaucht60 min. In a 0.01% solution of Lupamin 9095 (BASF) immersed in water
anschließend wurden die Chips 30min in Miüipore Wasser gewaschen und weitere 4 Stunden in einem frisch Millipore Wasser gestellt.then the chips were washed for 30 min in Miüipore water and placed for a further 4 hours in a fresh Millipore water.
Überschüssige Wasserreste wurden mit einem trockenen N2 Strom entfernt.Excess water residues were removed with a dry N 2 stream.
- Die Chips wurden in einen Kontakt-Spotter positioniert und mit unterschiedlichen Oligo- nucleotide Lösungen in einer Konzentration von 10'5 M bespottet. Die Oligonucleotide wurde von der Firma Operon (Köln, Deutschland) synthetisiert und hatten eine Länge von 70 Basen. Vier der Oligonucleotide hatten eine Sequenz die komplementär zu den bei der späteren Hybidisierung verwendeten bakteriellen Kontroll-cDNA hatten (B.subtilis Se- quenzen, ATCC 87482 bzw. 87483; Referenz Sequenzen X17013 bzw. M24537, The A- merican Type Culture Collection, www-atccorg)- The chips were placed in a contact spotter and spotted with different oligonucleotides solutions in a concentration of 10 '5 M. The oligonucleotide was synthesized by the company Operon (Cologne, Germany) and had a length of 70 bases. Four of the oligonucleotides had a sequence complementary to the bacterial control cDNA used in the later hybridization (B.subtilis sequences, ATCC 87482 and 87483, reference sequences X17013 and M24537, respectively, The American Type Culture Collection, www -atccorg)
- Nach einer Inkubationszeit von 60 Min. bei RT wurde der bespottete Wellenleiter 5 Min. in eine wässerige Blockingslösung (5%Dextransulfat (MW: 500 000 g/mol, 1% Tween, 1OmM Tris, 30% Formamid, ph 8,5) eingetaucht und anschließend 1 min mit Wasser ab- gewaschen.After an incubation time of 60 min at RT, the spotted waveguide was placed in an aqueous blocking solution for 5 min (5% dextran sulfate (MW: 500,000 g / mol, 1% Tween, 10 mM Tris, 30% formamide, pH 8.5). dipped in water and then washed with water for 1 min.
Überschüssige Wasserreste wurden mit einem trockenen N2 Strom entfernt.Excess water residues were removed with a dry N 2 stream.
Die bespotteten und blockierten Chips wurden in die Hybridisierungkammern des SensiChip Systems der Firma Zeptosens (Bayer Schweiz AG, Witterswil, Schweiz) nach Angaben des Systemvertreibers eingelegt. Die Chips wurden nach Systemanweisung zunächst in SB Puffer und dann in PHB Puffer inkubiert. Das die Cy5- markierte cDNA beinhalten- de Hybridisierungsgemisch wurde ebenfalls nach Vorgaben des SensiChip Systems angesetzt. Die cDNA war zuvor in einer Markierungsreaktion mit Hilfe des LabelStar-Kits der Firma Qiagen Hilden, Germany) mit dem Fluoreszenzfarbstoff Cy5 (Amersham, Arling- ton Heights, USA) aus der bakteriellen mRNA synthetisiert worden. Das Hybridisierungs- gemisch wurde unmittelbar vor Einfüllen in die Hybridisierungskammern für 5 min bei 95° erhitzt. Die cDNA wurde in Konzentrationen von 5x10"14 M - bis 10'12 M bezogen auf die Ausgangs-RNA Menge eingesetzt. Da Hybridisierungsvolumen betrug 40μl. Nach einer über Nacht Inkubation bei 42°C wurde die Chips nach Angaben des Systemvertreibers mit den Systemwaschpuffern gewaschen. Die Auslesung der Chips erfolgte im Zepto-Reader (PWG-System, CCD Kamera basiert) mit unterschiedlichen Belichtungszeiten. Die ermittelten Intensitäten in Abhängigkeit von den unterschiedlichen Proben-Konzentrationen sind in Fig. 1 dargestellt. The bespotteten and blocked chips were inserted into the hybridization chambers of the SensiChip system of Zeptosens (Bayer Switzerland AG, Witterswil, Switzerland) according to the system distributor. The chips were incubated according to system instruction first in SB buffer and then in PHB buffer. Containing the Cy5-labeled cDNA- The hybridization mixture was also prepared according to the specifications of the SensiChip system. The cDNA had previously been synthesized in a labeling reaction using the LabelStar kit from Qiagen Hilden, Germany) with the fluorescent dye Cy5 (Amersham, Arlington Heights, USA) from the bacterial mRNA. The hybridization mixture was heated at 95 ° for 5 min just prior to filling in the hybridization chambers. The cDNA was at concentrations of 5x10 "14 M - to 10 '12 M based on the starting RNA quantity employed since hybridization volume was 40 .mu.l After an overnight incubation at 42 ° C, the chips were washed according to the system distributor with the system wash buffers.. The chips were read in the Zepto-Reader (PWG system, CCD camera based) with different exposure times The intensities determined as a function of the different sample concentrations are shown in FIG.
Literaturliterature
1 Beste, G.; Schmidt, F. S.; Stibora, T.; Skerra A.; Proc. Natl. Acad. Sei. USA (1999) 96, 1898-1903. 1 Best, G .; Schmidt, FS; Stibora, T .; Skerra A .; Proc. Natl. Acad. Be. USA (1999) 96, 1898-1903.
2 Tiefenthaler et al.; US 4 815 843 (1989). 2 Tiefenthaler et al .; U.S. 4,815,843 (1989).
3 Kunz, R.; US 5 442 169 (1995). 3 Kunz, R .; US 5,442,169 (1995).
4 Duveneck, G. L.; Neuschäfer, D.; Ehrat, M.; US 5 959 292 (1999). 4 Duveneck, GL; Neuschäfer, D .; Ehrat, M .; US 5,959,292 (1999).
5 Duveneck, D. L.; Heming, M.; Neuschäfer, D.; Segner, J.; EP 0 759 159 (1995). 5 Duveneck, DL; Heming, M .; Neuschäfer, D .; Segner, J .; EP 0 759 159 (1995).
6 Neuschäfer, D.; Duveneck, G. L.; Pawlak, M.; Pieles, U.; Budach, W.; WO 96/35940 (1996). 6 Neuschäfer, D .; Duveneck, GL; Pawlak, M .; Pieles, U .; Budach, W .; WO 96/35940 (1996).
7 Clerc, D. and Lukosz, W.; Sensors and Actuators B (1997) 40, 53-58. 7 Clerc, D. and Lukosz, W .; Sensors and Actuators B (1997) 40, 53-58.
8 Barner, R.; Fattinger, C; Huber, W., Hübscher, J.; Schlauer, D.; Europäische Patentanmeldung EP 0 596 421. 8 Barner, R .; Fattinger, C; Huber, W., Hübscher, J .; Clever, D .; European Patent Application EP 0 596 421.
9 Budach, W.; Abel, A: P.; Bruno, A. E.; Neuschäfer, D.; Anal. Chem. (1999) 71, 3347- 3355. 9 Budach, W .; Abel, A: P .; Bruno, AE; Neuschäfer, D .; Anal. Chem. (1999) 71, 3347-3355.
I0Piehler, J.; Brecht, A.; Geckeier, K. E.; Gauglitz, G.; Biosensors & Biolelectronics (1996) I0 Piehler, J .; Brecht, A .; Geckeier, KE; Gauglitz, G .; Biosensors & Biolelectronics (1996)
11, 579-590. nSchneider, B. H.; Dickinson, E. L.; Vach, M. D.; Hoijer, J. V.; Howard, L. V.; Biosensors11, 579-590. n tailor, bra; Dickinson, EL; Vach, MD; Hoijer, JV; Howard, LV; Biosensors
& Bioelectronics (2000) 15, 13-22. 12Piehler, J.; Brecht, A.; Geckeier, K. E.; Gauglitz, G.; Biosensors & Biolelectronics (1996)& Bioelectronics (2000) 15, 13-22. 12 Piehler, J .; Brecht, A .; Geckeier, KE; Gauglitz, G .; Biosensors & Biolelectronics (1996)
11, 579-590.11, 579-590.
13Porath, J. Protein Expr. PuHf. (1992) 3, 263-281. 14Buckland, R. M.; Nature (1986) 320, 557. 13 Porath, J. Protein Expr. PuHf. (1992) 3, 263-281. 14 Buckland, RM; Nature (1986) 320, 557.

Claims

Patentansprücbe Patentansprücbe
1. Polyelektrolyt Mono- und Multischichten für optische Signalwandler dadurch gekennzeichnet, dass die Polyelektrolyt Polymeren ein besonders hohes Molekulargewicht haben.1. Polyelectrolyte mono- and multilayers for optical signal transducers, characterized in that the polyelectrolyte polymers have a particularly high molecular weight.
2. Polyelektrolyt Mono- und Multischichten für optische Signalwandler gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Polyelektrolyt Polymere ein Molekulargewicht von mindestens 300.000 g/mol.2. polyelectrolyte mono- and multilayers for optical signal transducers according to claim 1, characterized in that the polyelectrolyte polymers have a molecular weight of at least 300,000 g / mol.
3. Polyelektrolyt Mono- und Multischichten für optische Signalwandler gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Polyelektrolyt Polymere ein Molekulargewicht von mindestens 400.000 g/mol haben.3. polyelectrolyte mono- and multilayers for optical signal transducers according to claim 1, characterized in that the polyelectrolyte polymers have a molecular weight of at least 400,000 g / mol.
4. Polyelektrolyt Mono- und Multischichten für optische Signalwandler gemäß Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Polyelektrolyt Polymere ein Molekulargewicht von mindestens 500.000 g/mol haben.4. polyelectrolyte mono- and multilayers for optical signal transducers according to claim 1, characterized in that the polyelectrolyte polymers have a molecular weight of at least 500,000 g / mol.
5. Polyelektrolyt Mono- und Multischichten für optische Signalwandler gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Polyelektrolyt Polymere ausgewählt sind aus der Gruppe: Polyvinylamin, Polyetylenimin und Poly-(diallyl-dimethylammonium- chlorid). 5. polyelectrolyte mono- and multilayers for optical signal transducers according to claims 1 to 4, characterized in that the polyelectrolyte polymers are selected from the group: polyvinylamine, polyetylenimine and poly (diallyl dimethylammonium chloride).
PCT/EP2007/000448 2006-02-03 2007-01-19 Polyelectrolyte monolayers and multilayers for optical signal converters WO2007090511A1 (en)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008019928A1 (en) * 2008-04-21 2009-12-31 Siemens Healthcare Diagnostics Gmbh Procedures for applying spots with capture molecules on substrate surface for chip, particularly optical sensor, involve washing substrate surface of chip by dipping in aqueous solution of cationic polyelectrolyte

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