Photochemische Oberflächenmodifizierung für die Bioanalytik auf Kunststoffträgern

Abstract

Die Immobilisierung von Biomolekülen auf entsprechende Trägermaterialien für bioanalytische Applikationen stellt einen entscheidenden Arbeitsschritt bei der Herstellung von Probenträgern und Biosensoren dar. Für eine uneingeschränkte Einsetzbarkeit der immobilisierten Sondenmoleküle ist idealerweise eine stabile (kovalente) und gerichtete Anbindung unter vollständiger Aufrechterhaltung der biomolekularen Funktionen wünschenswert. Dies lässt sich auf traditionellen Trägermaterialien wie z. B. Glas, Silizium oder Gold hervorragend realisieren. Allerdings lässt sich ein starker Trend hin zu Kunststoffmaterialien feststellen, die vor allem als Einmalartikel ihren Einzug in viele Bereiche der Biochip-Technologie und der Biosensorik halten. Aufgrund der chemischen Inertheit vieler Kunststoffe wird die Biomolekülanbindung zumeist lediglich durch eine adsorptive Bindung erreicht, die in hohem Maße unspezifisch, ungerichtet und wenig stabil ist.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung einer geeigneten und angepassten Oberflächenchemie für die kovalente Anbindung von Biomolekülen, insbesondere DNA-Oligonukleotiden, auf Kunststoffträgern. Dazu werden sogenannte „Photolinker“ (heterobifunktionelle photoaktivierbare Crosslinker) verwendet, um die Biomoleküle direkt, parallel und gerichtet auf dem Träger zu fixieren. Ferner werden Möglichkeiten der Immobilisierung über photoreaktive Polymere (Photodextrane) untersucht. Die Photoimmobilisierung kann für die Herstellung von DNA-Mikroarrays nicht nur auf planaren, sondern auch auf strukturierten Kunststoffträgern genutzt werden, wie am Beispiel des NanoWellSlides, einer mikrofluidischen Arrayplattform, gezeigt wird. Eine weitere dargestellte Applikation für den Einsatz der Photoimmobilisierung ist die Reflektometrische Interferenzspektroskopie (RIfS) als Beispiel für ein biosensorisches System. Dass die Methode der Photoimmobilisierung nicht nur auf die Anbindung von DNA-Oligonukleotiden beschränkt ist, sondern auch zur Immobilisierung anderer Biomoleküle genutzt werden kann, wird schließlich am Beispiel von Antikörpern gezeigt.

Immobilization of biomolecules on appropriate carrier materials for bioanalytical applications forms a cruicial step in biosensor and biochip fabrication. To obtain an unconfined applicability of immobilized biomolecular probes, a stable (covalent) and directed attachment with full maintenance of their biomolecular functions is desired. This is excellently feasible and well-investigated on traditional carrier materials, e. g. glass, silicon or gold. However, there is a considerable trend towards employing plastic materials, especially as disposables, in the fields of biochip technology and biosensors. Due to chemical inertness of many plastic materials, biomolecule attachment is usually achieved by adsorption which is largely non-specific and non-directed and provides only little stability.

The present work describes the development and optimization of an appropriate and well-adapted surface chemistry for covalent attachment of biomolecules, particularly DNA oligonucleotides, on plastic carriers. Therefore “photolinkers” (heterobifunctional photoactivable crosslinkers) are used to attach biomolecules directly, directedly, and in parallel on the surface. In addition, immobilization possibilities using photoreactive polymers (photodextrans) are investigated. The technique of photoimmobilization is ideal for DNA microarray fabrication not only on planar surfaces but also on structured plastic carriers, which is demonstrated on the NanoWellSlide, a microfluidic array platform. Another presented application for the use of photoimmobilization is the reflectometric interference spectroscopy (RIfS) as an example of a biosensor system. The photoimmobilization of antibodies finally demonstrates that this method is not restricted to DNA oligonucleotide attachment and can be transferred to immobilization of other kinds of biomolecules.