DE102005041061A1 - Method for controlled movement of absorbed polymers on a surface, involves preparing surfaces on which soluble polymer can be absorbed - Google Patents

Abstract

Method for controlled movement of a polymer soluble in an electrolyte, comprises preparing a first surface (10a), preparing a second surface (10b), absorption of the polymer (30) in the first surface (10a), adjusting absorption of the first- and second-surface, so absorption of the polymer on the second surface is greater than that on the first-surface, and the polymer thus moves from the first- to the second-surface, in which the polymer during movement remains on the first- and/or second-surface. An independent claim is included for a device for switchable position fixing of a number of miniaturized test probe bodies in an electrolyte.

Description

Translated fromGerman

Hintergrundder Erfindungbackgroundthe invention

DieErfindung betrifft die Handhabung und Manipulation einzelner, aufeiner Oberflächeabsorbierter Polymere wie etwa Einzelstrang-DNA, Polysaccharideoder auch synthetisch hergestellte Polymere wie Kunststoff.TheInvention relates to the handling and manipulation of individual, ona surfaceabsorbed polymers such as single-stranded DNA, polysaccharidesor synthetically produced polymers such as plastic.

VerwandterStand der TechnikrelatedState of the art

DieEntwicklung des Rasterkraftmikroskops (AFM, atomic force microscope)hat die Untersuchung und Manipulation auch von elektrisch nichtleitendenObjekten wie beispielsweise Polymeren auf mikroskopischer und nanoskopischerEbene, d. h. die Untersuchung und Manipulation einzelner Moleküle möglich gemacht.Im Folgenden werden einige zum Verständnis der vorliegenden Erfindungerforderliche Begriffe erläutert.TheDevelopment of Atomic Force Microscope (AFM)also has the investigation and manipulation of electrically non-conductiveObjects such as polymers on microscopic and nanoscopicLevel, d. H. the investigation and manipulation of individual molecules made possible.The following are some to understand the present inventionnecessary terms explained.

Polymere:Makromoleküle,die aus vielen gleichen oder ähnlichenBausteinen (Monomeren) aufgebaut sind. Natürlich vorkommende Polymere (Biopolymere)sind z. B. die Proteine und Polysaccharide. Synthetisch hergestelltePolymere sind z. B. viele Kunststoffe. Beispiele für Biopolymeresind insbeondere Einzelstrang-DNA, Polyvinylamin und Polyacrylsäure. Dabeiist entscheidend, dass die Makromoleküle keinen dreidimensionalenKnoll (Tertiärstruktur)ausbilden. Wenn im folgenden von Polymeren die Rede ist, sind jeweilsdie einzelnen Makromolekülegemeint.polymers:Macromoleculesthose of many the same or similarBuilding blocks (monomers) are constructed. Naturally occurring polymers (biopolymers)are z. The proteins and polysaccharides. Synthetically producedPolymers are z. B. many plastics. Examples of biopolymersare in particular single-stranded DNA, polyvinylamine and polyacrylic acid. thereIt is crucial that the macromolecules are not three-dimensionalKnoll (tertiary structure)form. If in the following of polymers is mentioned, respectivelythe individual macromoleculesmeant.

Rasterkraftmikroskop(AFM atomic force microscope):1 zeigtschematisch den Aufbau eines Rasterkraftmikroskops. Der entscheidendeTeil des AFM ist eine sehr kleine und scharfe Spitze, die am außeren Endeeiner Tastfeder (Cantilever) angebracht ist. Die Tastfeder dientals Sensor und reagiert auf lokale Wechselwirkungen zwischen Meßspitze undProbe. Ein Laserstrahl wird dabei auf die Tastfeder fokussiert undauf eine segmentierte Fotodiode reflektiert. Bei einem abbildendenKraftmikroskop wird durch einen x-y-Piezo (siehe1)die Probe unter der Spitze lateral bewegt. Ändert sich die Höhe (und/oderdie Kraft der Probe), so wird der Cantilever ausgelenkt, und manerhältaus dem Ablekungssignal des Laserstrahls ein Höhenprofil der Probe.Atomic Force Microscope (AFM): 1 schematically shows the structure of an atomic force microscope. The crucial part of the AFM is a very small and sharp tip attached to the outer end of a stylus (cantilever). The probe serves as a sensor and responds to local interactions between the probe tip and the sample. A laser beam is focused on the probe spring and reflected on a segmented photodiode. In an imaging force microscope is by an xy piezo (see 1 ) moves the sample laterally under the tip. If the height (and / or the force of the sample) changes, then the cantilever is deflected, and a height profile of the sample is obtained from the deflection signal of the laser beam.

Kraftspektroskopie:Für kraftspektroskopischeMessungen mittels AFM verwendet man nur einen z-Piezo, dessen Bewegungsrichtungsenkrecht zur Probe ist. Die Tastfeder wird zur Probe heruntergefahrenund nach einer kurzen Verweildauer wieder entfernt. Besteht eineWechselwirkung zwischen Spitze und Oberfläche, so wird die Tastfederausgelenkt, bis die Kraft, die benötigt wird, die Tastfeder zu verbiegen,die Wechselwirkungskraft übersteigt.Aus dieser Auslenkung kann man nach einer Eichung des Cantileversdie Kraft der Wechselwirkung, beispielsweise eine Absorptionskraft,berechnen.Force spectroscopy:For force spectroscopicMeasurements using AFM use only a z-piezo whose direction of motionperpendicular to the sample. The feeler spring shuts down to the sampleand removed after a short stay. There is oneInteraction between tip and surface, so is the feeler springdeflected until the force needed to bend the feeler springexceeds the interaction force.From this deflection, one can after a calibration of the cantileverthe force of interaction, for example an absorption force,to calculate.

Absorptionskraft:Die Absorptionskraft ist die Kraft, die benötigt wird, um ein Molekül – beispielsweiseein Polymer – vonder Probenoberflächezu trennen und somit in freie Lösungzu überführen.Absorption power:The absorption force is the force needed to make a molecule - for examplea polymer - fromthe sample surfaceto separate and thus in free solutionto convict.

KovalenteAnbindung: Eine kovalente Anbindung durch chemische Molekülbindungist die stabilste Möglichkeit,ein Polymer an eine Probenoberflächeanzubinden. Die zur Trennung benötigteKraft liegt bei über1 nN und ist somit um einen Faktor 10 größer als bei spezifischen Wechselwirkungenwie z. B. der oben genannten Absorptionskraft.covalentAttachment: A covalent attachment through chemical molecular bondingis the most stable waya polymer to a sample surfaceto tie. The needed for separationPower is above1 nN and is therefore a factor of 10 larger than for specific interactionssuch as B. the above absorption force.

MitHilfe von Kraftmikroskopen wurden vielfach kraftspektroskopischeMessungen an einzelnen Polymeren durchgeführt. Dabei konnten die Absorptionskräfte vonverschiedenen Polymeren zu verschiedenen Oberflächen gemessen werden. Es konntedabei gezeigt werden, dass die Absorptionskraft an der Oberfläche durch chemischeVeränderungder Lösungsflüssigkeitoder durch elektrische Potentialveränderung kontrolliert werdenkann.WithHelp from force microscopes were often force-spectroscopicMeasurements were carried out on individual polymers. The absorption forces ofdifferent polymers are measured to different surfaces. It couldbe shown that the absorption force at the surface by chemicalchangethe dissolving liquidor controlled by electrical potential changecan.

InjüngererZeit konnte gezeigt werden, dass es mit kraftmikroskopischen Technikenmöglichist, einzelne Polymere an Grenzflächen zu manipulieren. Insbesondereist es gelungen, die Adhäsionskraft einzelnerPolymere auf Oberflächenzu bestimmen (siehe Dissertation von Claudia Friedsam, eingereichtam 20. November 2003 bei der Ludwig-Maximilians-Universität in München).Durch diese Arbeit konnte auch ein An- und Abkoppelungszyklus eines einzelnenPolyacrylsäure-Polymersauf einer Platinoberflächereproduzierbar experimentell ausgeführt werden.InyoungerTime has been shown to work with force microscopy techniquespossibleis to manipulate individual polymers at interfaces. Especiallysucceeded, the Adhäsionskraft individualPolymers on surfacesto determine (see thesis by Claudia Friedsam, submittedon November 20, 2003 at the Ludwig-Maximilians-University in Munich).Through this work could also be a coupling and decoupling cycle of a singlePolyacrylic acid polymeron a platinum surfacereproducibly performed experimentally.

Zusammenfassungder ErfindungSummarythe invention

Dervorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bestehendenMöglichkeitenzur Handhabung einzelner Polymere (Polymer-Makromoleküle) zu erweiternund insbesondere ein Verfahren vorzuschlagen, das eine lateraleBewegung einzelner, an einer Oberfläche absorbierter Polymere vorzuschlagen.Of thepresent invention is based on the object, the existingoptionsto handle individual polymers (polymer macromolecules) to expandand in particular to propose a method which is a lateralTo propose movement of individual polymers absorbed on a surface.

Gelöst wirddie Aufgabe durch ein Verfahren zur gesteuerten Bewegung eines ineiner elektrolytischen FlüssigkeitlösbarenPolymers aufweisend die Verfahrensschritte der Bereitstellung einerersten Oberfläche,an welcher das Polymer absorbierbar ist, einer zweiten Oberfläche, anwelcher das Polymer absorbierbar ist, wobei erste und zweite Oberfläche zumindestan einer Stelle einen Abstand voneinander haben, der kleiner istals die Längedes Polymers, Absorption des Polymers an der ersten Oberfläche undEinstellung der Absorptionskraft der ersten und/oder der zweitenOberflächederart, dass die Absorptionskraft des Polymers an der zweiten Oberfläche größer istals an der ersten Oberflächeund sich das Polymer so von der ersten zur zweiten Oberfläche bewegt,wobei das Polymer währenddes Bewegungsvorgangs an der ersten und/oder der zweiten Oberfläche absorbiertbleibt.The object is achieved by a method for the controlled movement of a polymer which can be dissolved in an electrolytic liquid, comprising the method steps of providing a first surface, on which the polymer is absorbable, of a second surface, on which the polymer wherein the first and second surfaces are spaced apart at least at a location smaller than the length of the polymer, absorption of the polymer at the first surface, and adjustment of the absorption force of the first and / or second surfaces such that the absorption force of the polymer at the second surface is greater than at the first surface and the polymer thus moves from the first to the second surface, the polymer remaining absorbed at the first and / or second surface during the agitation process.

Dervorliegenden Erfindung liegt die neue, überraschende Erkenntnis zugrunde,dass, obwohl die Absorptionskraft einzelner Polymere auf einer Oberfläche sehrgroß unddaher der Kraftaufwand zum Ablösendes Makromolekülsvon der Oberfläche erheblichist, die Polymere auf den Oberflächenunter bestimmten Bedingungen praktisch reibungsfrei gleiten können. Dielaterale Reibungskraft des Polymers in sauberer Lösung isthierbei wesentlich kleiner als die thermische Energie k_bT.Dadurch wird es möglich, diePolymer-Makromolekülemit sehr geringem Energieaufwand, der wesentlich kleiner als diezur Desorption benötigteEnergie ist, gesteuert zu bewegen, indem wenigstens zwei Oberflächen bereitgestellt werden,deren Absorptionskraft fürdas Polymer unterschiedlich ist. Das Polymer bewegt sich dann im Überlappungsbereichbeider Oberflächenvon der ersten Oberflächemit geringerer Absorptionskraft zu der zweiten Oberfläche mitgrößerer Absorptionskraft,um dort ein niedrigeres Energieniveau einzunehmen. Ist das Polymernicht im Übergangsbereich derbeiden Oberflächenabsorbiert, so führtes eine thermische Bewegung auf der Oberfläche aus und wird dann, wennes den Übergangsbereicherreicht, zur Oberflächemit der höherenAbsorptionskraft bewegt.The present invention is based on the new, surprising discovery that, although the absorption force of individual polymers on a surface is very large and therefore the force required to detach the macromolecule from the surface is considerable, the polymers can slide on the surfaces under certain conditions with practically no friction. The lateral frictional force of the polymer in clean solution is in this case much smaller than the thermal energy k_b T. This makes it possible, the polymer macromolecules with very little energy input, which is much smaller than the energy required for desorption to move controlled by at least two surfaces are provided whose absorption force is different for the polymer. The polymer then moves in the overlap area of both surfaces from the first lower absorbance surface to the second higher absorbance surface to occupy a lower energy level there. If the polymer is not absorbed in the transitional area of the two surfaces, it will thermally move on the surface and, when it reaches the transition region, will be moved to the higher absorption force surface.

DieAbsorptionskraft kann dabei durch Anlegen einer Spannung zwischender Oberflächeund der elektrolytischen Flüssigkeitoder durch Wahl geeigneter oder geeignet funktionalisierter Oberflächen mitdefinierten Absorptionskräftenfür daszu bewegende Polymer eingestellt werden.TheAbsorption force can be achieved by applying a voltage betweenthe surfaceand the electrolytic liquidor by choosing suitable or suitably functionalized surfaces withdefined absorption forcesfor thebe set to moving polymer.

Ersteund zweite Oberflächekönnenparallel zueinander angeordnet sein oder auch senkrecht oder schräg zueinanderstehen. Bei den Oberflächen kannes sich auch um eine kegelförmigsich verjüngendeOberfläche,beispielsweise eine Spitze oder dergleichen, handeln. Die Oberflächen können kamm-oder mäanderförmig ineinandergreifende Grenzflächen aufweisen.Firstand second surfacecanbe arranged parallel to each other or perpendicular or oblique to each otherstand. At the surfaces canIt is also a cone-shapedrejuvenatingSurface,For example, a tip or the like, act. The surfaces can be combedor have meandering interlocking interfaces.

Umdie Polymere überlängereStrecken zu bewegen, kann man mehrere Stufen mit zunehmenden Absorptionskräften hintereinanderanordnen. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung kann die Absorptionskraftauch zeitlich verändertwerden.Aroundthe polymers overlongerTo move distances, one can take several stages with increasing absorption forces one behind the otherArrange. By applying a suitable voltage, the absorption forcealso changed over timebecome.

Beidem Polymer kann es sich dabei beispielsweise um Einzelstrang-DNA,um Polyvinylamin oder um Polyacrylsäure handeln. Andere langgestreckteMakromolekülesind jedoch ebenso möglich.atthe polymer may be, for example, single-stranded DNA,to polyvinylamine or polyacrylic acid act. Other elongatedmacromoleculesare however also possible.

DieOberflächeist vorzugsweise glatt und sauber und besteht aus Metall wie beispielsweise Gold,Kupfer, Platin oder Silber oder beispielsweise aus Mica und kannauch geeignet strukturiert sein.Thesurfaceis preferably smooth and clean and made of metal such as gold,Copper, platinum or silver or, for example, mica and canalso be suitably structured.

Erfindungsgemäß wird fernerein Verfahren zur steuerbaren Positionsfixierung eines miniaturisiertenSondenkörpersin einer elektrolytischen Flüssigkeitvorgeschlagen, welches die Schritte des kovalenten Bindens einesEndes des Polymers an die Oberflächedes Sondenkörpersbzw. an eine mit der elektrolytischen Flüssigkeit benetzten Referenzoberfläche unddes Schattens des Polymers durch Anlegen einer Spannung zwischender elektrolytischen Flüssigkeitund der Referenzoberflächezwischen einem Haltezustand und einem Freigabezustand umfasst, wobeiin dem Haltezustand die Absorptionskraft des Polymers an der Oberfläche desSondenkörpersgrößer bzw.kleiner ist als an der Referenzoberfläche und das Polymer daher denSondenkörper festhält, undin dem Freigabezustand die Absorptionskraft des Polymers an derOberflächedes Sondenkörperskleiner bzw. größer istals an der Referenzoberflächeund das Polymer daher an der Oberfläche absorbiert und der Sondenkörper durchdas Polymer freigegeben wird.According to the invention is furthera method for the controllable position fixation of a miniaturizedprobe bodyin an electrolytic liquidproposed the steps of covalently bonding aEnd of the polymer to the surfaceof the probe bodyor to a wetted with the electrolytic liquid reference surface andthe shadow of the polymer by applying a voltage betweenthe electrolytic liquidand the reference surfacebetween a hold state and a release state, whereinin the holding state, the absorption force of the polymer on the surface of theprobe bodylarger orsmaller than at the reference surface and therefore the polymerHolding the probe body, andin the release state, the absorption force of the polymer at thesurfaceof the probe bodyis smaller or largeras at the reference surfaceand the polymer is therefore absorbed on the surface and the probe body bythe polymer is released.

DerSondenkörperkann dabei aus einem Metall wie beispielsweise Gold, Silber, Platinoder Kupfer oder aus Polysaccharid oder Latex bestehen oder beschichtetsein und einen Durchmesser von beispielsweise 1 bis 100, vorzugsweise1 bis 10 μm aufweisen.Of theprobe bodycan be made of a metal such as gold, silver, platinumor copper or made of polysaccharide or latex or coatedand a diameter of, for example, 1 to 100, preferably1 to 10 microns have.

DerSondenkörperkann dabei eine chemisch funktionalisierte Oberfläche undaußerdem einedie Funktionalisierung kennzeichnende farbige Fluoreszenz-Markierung aufweisen.Of theprobe bodycan be a chemically functionalized surface andalso onehave the functionalization characteristic colored fluorescent label.

Derelektrolytischen FlüssigkeitkönnenTestmolekülezugegeben werden, welche die Absorptionskraft des Polymers an derOberflächedes Sondenkörpersoder der Referenzoberflächebeeinflussen, um so eine Oberflächenanalysedes Sondenkörpersbzw. der Referenzoberflächedurchführenzu können.Of theelectrolytic liquidcantest moleculesbe added, which the absorption force of the polymer at thesurfaceof the probe bodyor the reference surfaceaffect, so a surface analysisof the probe bodyor the reference surfacecarry outto be able to.

Kurze Beschreibungder ZeichnungenShort descriptionthe drawings

1 zeigt schematisch den Aufbau eines Rasterkraftmikroskops. 1 schematically shows the structure of an atomic force microscope.

2 zeigt schematisch den Vorgang des Desorbierenseines Polymers von einer Oberfläche. 2 schematically shows the process of desorbing a polymer from a surface.

3 illustriert die Bewegung eines Polymersmit der Spitze senkrecht und parallel zur Oberfläche. 3 illustrates the movement of a polymer with the tip perpendicular and parallel to the surface.

4 zeigt eine Messung der Kraft, die benötigt wird,ein Polymer von der Oberflächeabzulösen. 4 Figure 2 shows a measurement of the force needed to strip a polymer from the surface.

5 zeigt eine Messung der lateralen Reibungskraftbeim Ziehen eines Polymers überdie Oberfläche. 5 Figure 12 shows a measurement of lateral frictional force in pulling a polymer across the surface.

6a und6b zeigenschematisch alternative Ausführungsbeispielevon Anordnungen zur Ausführungdes erfindungsgemäßen Verfahrens. 6a and 6b schematically show alternative embodiments of arrangements for carrying out the method according to the invention.

6c zeigt die Anordnung aus6a oder6b inAnsicht von oben. 6c shows the arrangement 6a or 6b in top view.

7a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispieleiner Anordnung zur Ausführungdes erfindungsgemäßen Verfahrens. 7a shows a further embodiment of an arrangement for carrying out the method according to the invention.

7b zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispieleiner Anordnung zur Ausführungdes erfindungsgemäßen Verfahrens. 7b shows yet another embodiment of an arrangement for carrying out the method according to the invention.

7c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispieleiner Anordnung zur Ausführungdes erfindungsgemäßen Verfahrensmit mehreren kammartig ineinandergreifenden Oberflächen. 7c shows a further embodiment of an arrangement for carrying out the method according to the invention with a plurality of comb-like interlocking surfaces.

8a und8b sindschematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweiseeines Ausführungsbeispielseines weiteren Aspekts des erfindungsgemäßen Verfahrens. 8a and 8b are schematic representations for explaining the operation of an embodiment of another aspect of the method according to the invention.

9a und9b illustriereneine weitere Variante des zweiten Aspekts der Erfindung. 9a and 9b illustrate a further variant of the second aspect of the invention.

10a und10b illustrierennoch eine weitere Variante des zweiten Aspekts der Erfindung. 10a and 10b illustrate still another variant of the second aspect of the invention.

DetaillierteBeschreibung der ErfindungdetailedDescription of the invention

Dervorliegenden Erfindung liegt die neue und überraschende Erkenntnis zugrunde,dass, obwohl es einer sehr hohen Kraft bedarf, Polymere von derOberflächezu trennen, unter bestimmten Bedingungen möglich ist, dass die Polymereauf geeigneten, insbesondere glatten und sauberen Oberflächen nahezufrei gleiten. Dabei ist die laterale Reibungskraft des Polymersauf der Oberflächenahezu beliebig klein. Dies soll im Folgenden unter Bezugnahme aufdie2 bis5 näher erläutert werden.The present invention is based on the new and surprising finding that, although it requires a very high force to separate polymers from the surface, it is possible under certain conditions for the polymers to slide almost freely on suitable, especially smooth and clean surfaces. The lateral frictional force of the polymer on the surface is almost arbitrarily small. This will be explained below with reference to the 2 to 5 be explained in more detail.

2 zeigt den schematischen Aufbau einer Versuchsanordnungzur Messung der Kraft, die benötigtwird, um ein Polymer30 von einer Oberfläche10 zulösen (zudesorbieren). Das Polymer30 wird kovalent an eine geeignetpräparierteSpitze22 eines Rasterkraftmikroskops50 (siehe1) gebunden, welche Spitze wiederum amvorderen Ende einer Tastfeder21 angeordnet ist. DurchMessung der Auslenkung der Tastfeder21 läßt sichdie zur Desorption eines an der Oberfläche10 absorbiertenPolymers30 erforderliche Kraft messen. 2 shows the schematic structure of a test arrangement for measuring the force required to a polymer 30 from a surface 10 to solve (to desorb). The polymer 30 is covalently attached to a suitably prepared tip 22 an atomic force microscope 50 (please refer 1 ), which tip in turn at the front end of a feeler spring 21 is arranged. By measuring the deflection of the feeler spring 21 can be the desorption of a surface 10 absorbed polymer 30 measure required force.

3 zeigt den gleichen Versuchsaufbau wie2, wobei die Bewegungsrichtungen der Spitze22 relativzur Oberfläche10 bezeichnetsind. In einem ersten Schritt wird das an der Spitze22 kovalent gebundenePolymer30, beispielsweise Einzelstrang-DNA, durch Anhebender Spitze senkrecht nach oben (in z-Richtung) in Schritt1 vonder Oberfläche10 zumTeil entfernt. Dann wird das Polymer in den Schritten2 und3 parallelvor- und zurück-und nach rechts und links bewegt und im abschließenden Schritt4 vollständig vonder Oberflächeentfernt. In den Schritten1 und4 wird die Absorptionskraftgemessen und dabei dem System Energie hinzugefügt, um die Absorptionskraftdes Polymers an der Oberflächezu überwinden.In den Schritten2 und3 wird die laterale Reibungskraftin zwei senkrechten Richtungen gemessen. 3 shows the same experimental setup as 2 , where the directions of movement of the tip 22 relative to the surface 10 are designated. In a first step, that will be at the top 22 covalently bound polymer 30 For example, single-stranded DNA by raising the tip vertically upwards (in the z-direction) in step 1 from the surface 10 partly removed. Then the polymer is in the steps 2 and 3 moving forwards and backwards and to the right and left and in the final step 4 completely removed from the surface. In the steps 1 and 4 The absorption force is measured while adding energy to the system to overcome the absorption force of the polymer at the surface. In the steps 2 and 3 the lateral frictional force is measured in two perpendicular directions.

DasErgebnis der Messungen in Schritten1 und4 istin4 dargestellt. Im Falle des Ablösens einesEinzelstrang-DNA-Molekülsvon einer Goldoberflächebeträgtdie Kraft ca. 50 pN.The result of measurements in steps 1 and 4 is in 4 shown. In the case of detaching a single-stranded DNA molecule from a gold surface, the force is about 50 pN.

5 hingegen zeigt die Meßergebnissefür dielaterale Reibungskraft beim Ziehen des Polymers parallel zur Oberfläche in denSchritten2 und3. Die laterale Reibungskraftliegt unterhalb der Kraftauflösungsgrenzevon ca. 5 pN, dh. ist nahezu null. Dies bedeutet, dass Polymerelateral auf der Oberfläche mitReibungskräftengleiten können,die sehr klein im Verhältniszur Absorptionskraft sind. 5 whereas, the measurement results for the lateral frictional force when pulling the polymer are parallel to the surface in the steps 2 and 3 , The lateral frictional force is below the force resolution limit of about 5 pN, ie. is almost zero. This means that polymers can slide laterally on the surface with frictional forces that are very small in relation to the absorption force.

Polymerekönnendaher auf Oberflächen gleitenund ihr maximales Energieminimum finden, welches einer maximalenAbsorptionskraft entspricht. Hierbei muß das Polymer nicht den sehrenergieaufwändigenWeg übereine Desorption von der Oberflächegehen, sondern kann sich entlang der Oberfläche bewegen.polymerscantherefore slide on surfacesand find their maximum energy minimum, which is a maximumAbsorptive force corresponds. Here, the polymer does not have the veryenergy-intensiveWay overa desorption from the surfacebut can move along the surface.

Basierendauf dieser Erkenntnis schlägtdie Erfindung ein Verfahren vor, Polymere wie etwa Einzelstrang-DNA,Polyvinylamine oder Polyacrylsäure oderandere durch Oberflächenbereicheunterschiedlicher Absorptionskraft gesteuert zu bewegen. Die Oberflächen mitunterschiedlicher Absorptionskraft für das Polymer können durchunterschiedliche Oberflächenmaterialienoder auch durch Anlegen einer Spannung an die Oberfläche bzw.zwischen Oberflächeund elektrolytischer Lösungerzeugt werden.Based on this finding, the invention proposes a method of moving polymers such as single-stranded DNA, polyvinylamines or polyacrylic acid or others controlled by surface areas of different absorption force. The surfaces with different absorption force for the polymer can by different surface materials or by applying a voltage to the surface or between Surface and electrolytic solution are generated.

Mögliche Anordnungenzur Durchführung desVerfahrens sind in6 schematisch dargestellt.Am Boden eines mit einer elektrolytischen Flüssigkeit (beispielsweise biokompatiblerKochsalzlösung)15 gefülltes Probengefäß enthält an seinem Bodenzwei unterschiedliche Oberflächenabschnitte10a und10b,wobei die Oberfläche10b bezüglich desgewähltenPolymer-Makromoleküls30 einegrößere Absorptionskraftaufweist. Ein Molekül,das sich gerade im Übergangsbereichzwischen den unterschiedlichen Oberflächen10a,10b befindet,wird so in Pfeilrichtung nach rechts gezogen, da auf der Oberfläche10b dieAbsorptionskraft größer ist.Da die laterale Reibungskraft der Polymere30 auf den Oberflächen10a,10b verschwindendgering ist, führendie Polymere eine zufälligethermische Bewegung auf der Oberfläche aus. Sobald sie zu dem Übergangsbereichgelangen, werden sie sich zu der Oberfläche10b mit der größeren Absorptionskraft bewegen.Nach Ablauf einer gewissen Zeitspanne werden sich somit praktischalle Polymere 30 im Bereich der rechten Oberfläche10b befinden.Possible arrangements for carrying out the method are in 6 shown schematically. At the bottom of one with an electrolytic liquid (for example biocompatible saline solution) 15 filled sample vessel contains at its bottom two different surface sections 10a and 10b , where the surface 10b with respect to the chosen polymer macromolecule 30 has a greater absorption force. A molecule located in the transition area between the different surfaces 10a . 10b is pulled in the direction of the arrow to the right, because on the surface 10b the absorption force is greater. Because the lateral frictional force of the polymers 30 on the surfaces 10a . 10b is negligible, the polymers cause a random thermal movement on the surface. As soon as they reach the transition area, they become the surface 10b move with the greater absorption force. After a certain period of time, virtually all polymers 30 will thus be in the area of the right-hand surface 10b are located.

6b zeigt eine alternative Anordnung zur Durchführung deserfindungsgemäßen Verfahrens. Dabeisind wiederum zwei Oberflächen10a,10b vorgesehen,die jedoch aus dem gleichen Material gebildet sind. Jedoch kannmittels einer Elektrode18 eine Spannung zwischen der rechtenOberfläche18b und derelektrolytischen Flüssigkeit15 angelegtwerden, wodurch die Absorptionskraft eingestellt wird. Ist dadurchdie Absorptionskraft der Oberfläche10b wiederumgrößer alsdiejenige der Oberfläche10a wird wiederumeine Migrationsbewegung der Polymere in Pfeilrichtung von linksnach rechts erzeugt. 6b shows an alternative arrangement for carrying out the method according to the invention. Again, there are two surfaces 10a . 10b provided, but which are formed of the same material. However, by means of an electrode 18 a tension between the right surface 18b and the electrolytic liquid 15 are applied, whereby the absorption force is adjusted. Is this the absorption force of the surface 10b again larger than that of the surface 10a In turn, a migration movement of the polymers in the direction of the arrow is generated from left to right.

6c zeigt die Anordnung der6a oder6b inAufsicht. 6c shows the arrangement of 6a or 6b in supervision.

AlsOberflächenmaterialwird vorzugsweise ein glattes Material gewählt, beispielsweise Metalle wieGold, Silber, Platin, Kupfer etc. Andere Oberflächenmaterialien wie Mica, Silicium,Graphit usw. sind im Rahmen der Erfindung jedoch ebenfalls möglich. DieOberflächenkönnenauch geeignet chemisch funktionalisiert sein.Whensurface materialPreferably, a smooth material is selected, for example, metals such asGold, silver, platinum, copper, etc. Other surface materials such as mica, silicon,However, graphite, etc. are also possible within the scope of the invention. Thesurfacescanalso be suitably chemically functionalized.

7a zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Anordnung,bei der mehrere Oberflächenabschnitte10a bis10e hintereinanderangeordnet sind, an die unterschiedliche Spannungen V₀ bisV₄ angelegt werden. Dadurch kann eine gezielteBewegung der Polymere30 in eine bestimmte Richtung erzeugt werden.Es ist auch möglich,die Spannungen V₀ bis V₄ zeitlichzu variieren, um eine bestimmte zeitlich gesteuerte Molekülbewegungzu veranlassen. 7a shows a variant of the arrangement according to the invention, in which a plurality of surface sections 10a to 10e are arranged one behind the other, to which different voltages V₀ to V_{4 are} applied. This allows a targeted movement of the polymers 30 be generated in a certain direction. It is also possible to vary the voltages V₀ to V_{4 in} time to cause a certain time-controlled molecular motion.

7b zeigt eine weitere Variante einer Anordnungzur Ausführungder Erfindung. Dabei sind die beiden Oberflächen10a,10b senkrechtzueinander angeordnet. Die Oberflächen können beispielsweise auch dieForm einer kegelförmigenSpitze oder dergleichen haben. Auch bei solchen Anordnungen istes möglich,die Polymermoleküle30 gesteuertvon einer Oberflächezu einer anderen Oberflächezu bewegen. 7b shows a further variant of an arrangement for carrying out the invention. Here are the two surfaces 10a . 10b arranged perpendicular to each other. For example, the surfaces may also be in the form of a conical tip or the like. Even with such arrangements, it is possible to use the polymer molecules 30 controlled by a surface to move to another surface.

7c zeigt eine Anordnung zur Ausführung deserfindungsgemäßen Verfahrens,bei der drei Oberflächenbereiche10a,10b,10c mäanderförmig ineinandergreifen,um so bestimmte gezielte Bewegungen der Polymere erzeugen zu können. 7c shows an arrangement for carrying out the method according to the invention, in which three surface areas 10a . 10b . 10c meander into one another in order to be able to produce specific targeted movements of the polymers.

Einweiterer Aspekt der Erfindung ist in den8 bis10 illustriert.Another aspect of the invention is in the 8th to 10 illustrated.

Beider in8 gezeigten erfindungsgemäßen Anordnungwird ein Polymer30 wird mittels einer kovalenten Bindung31 aneine Referenzoberfläche10 angebunden.Das Polymer30 befindet sich in einer elektrolytischenFlüssigkeit(Lösung),in der sich eine Vielzahl von Sondenkörpern (beats)40 miteiner ebenfalls glatten Oberflächebefinden. Der Durchmesser der Sondenkörper40 ist mit ca.1 bis 10 μm sobemessen, dass das länglichePolymermolekül30 ander Oberflächedes Sondenkörpers40 absorbiert wird,diesen „umschlingt" und dadurch festhalten kann.In8a ist ein Zustand gezeigt, indem die Absorptionskraft des Polymers30 an der Oberfläche desSondenkörpers40 größer istals an der Oberfläche10.At the in 8th The inventive arrangement shown is a polymer 30 is by means of a covalent bond 31 to a reference surface 10 tethered. The polymer 30 is located in an electrolytic liquid (solution), in which a plurality of probe bodies (beats) 40 with a smooth surface as well. The diameter of the probe body 40 is about 1 to 10 microns sized so that the elongated polymer molecule 30 on the surface of the probe body 40 is absorbed, "wraps around" and thereby can hold 8a a state is shown in which the absorption force of the polymer 30 on the surface of the probe body 40 is greater than at the surface 10 ,

DieserZustand kann durch Anlegen einer Spannung zwischen Lösung undReferenzoberfläche10 geändert werden.Ist, wie in8b gezeigt, die Absorptionskraftdes Moleküls30 ander Referenzoberfläche10 größer alsan der Oberflächedes Sondenkörpers40,so absorbiert das Molekül30 andie Referenzoberfläche10 undläßt den Sondenkörper40 frei.This condition can be achieved by applying a voltage between solution and reference surface 10 be changed. Is, as in 8b shown the absorption power of the molecule 30 at the reference surface 10 larger than at the surface of the probe body 40 So the molecule absorbs 30 to the reference surface 10 and leaves the probe body 40 free.

DerSondenkörperhat dabei eine zur Absorption des Polymermoleküls geeignete glatte Oberfläche, beispielsweiseaus Metall. In die Lösungkönnenauch Sondenkörpermit verschiedenen Absorptionseigenschaften eingebracht werden. Dadurchwird es möglich,je nach angelegtem Potential verschiedene Sorten von beats einzufangenoder freizugeben.Of theprobe bodyhas a suitable for absorption of the polymer molecule smooth surface, for examplemade of metal. Into the solutioncanalso probe bodybe introduced with different absorption properties. Therebywill it be possibleDepending on the applied potential different types of beats captureor release.

Eineweitere Anwendung der Erfindung ist der Test, ob verschiedene chemischeBindungen effektiv sind. Dafürwerden wie in9a gezeigt beats mitchemisch verschieden funktionalisierten Oberflächen verwendet, die durch verschiedeneFarben gekennzeichnet sind. Jede chemische Oberfläche besitzteine gewisse Absorptionskraft. Dadurch besteht ein bestimmtes Verhältnis vonverschiedenfarbigen festgehaltenen beats40a,40b,40c beiverschiedenen Potentialen.Another application of the invention is the test of whether different chemical bonds are effective. For this, as in 9a shown beats used with chemically different functionalized surfaces, which are characterized by different colors. Every chemical surface has a certain absorption power. This exists a certain ratio of differently colored captured beats 40a . 40b . 40c at different potentials.

Wirdnun ein Testmolekülin die Lösunggegeben, welches an verschiedene beats verschieden stark anbindenkann, verändernsich folglich auch die Absorptionskräfte an das Polymer und somitdas Farbverhältnisder festgehaltenen Sondenkörper. Diesläßt auf dieBindungsaktivitätdes Molekülszu verschiedenen Oberflächender Sondenkörper schließen. In9b sind zwei charakteristische Diagrammeder relativen Anzahl festgehaltener beats zweier verschiedener Farben(und damit Oberflächenbeschaffenheiten)in Abhängigkeitvon der angelegten Spannung dargestellt. Dadurch wird eine charakteristischeOberflächenanalyseder Sondenkörperin hochparallelem Format möglich.Zusätzlich können auchunterschiedliche Polymere auf lokal getrennten Oberflächen verwendetwerden, um den „Fingerabdruck" des Experimentszusätzlichzu verfeinern.If a test molecule is added to the solution, which can bind differently to different beats, the absorption forces on the polymer and thus the color ratio of the retained probe bodies also change. This suggests the binding activity of the molecule to different surfaces of the probe body. In 9b Two characteristic diagrams of the relative number of recorded beats of two different colors (and thus surface qualities) are shown as a function of the applied voltage. Characterized a characteristic surface analysis of the probe body in highly parallel format is possible. In addition, different polymers can be used on locally separated surfaces to further refine the "fingerprint" of the experiment.

Beider in10 gezeigten alternativen erfindungsgemäßen Anordnungwird das Polymer30 wird mittels einer kovalenten Bindung31 andie Oberflächedes Sondenkörpers40 selbstangebunden. In10a ist der Freigabezustandgezeigt, in dem die Absorptionskraft des Polymers30 ander Oberfläche desSondenkörpers40 größer istals an der Referenzoberfläche10.Dieser Zustand kann durch Anlegen einer Spannung zwischen Lösung undReferenzoberfläche10 geändert werden.In dem in10b gezeigten Haltezustandist die Absorptionskraft des Moleküls30 an der Referenzoberfläche10 größer alsan der Oberflächedes Sondenkörpers40,so dass das Molekül30 andie Referenzoberfläche10 absorbiert undden Sondenkörperan die Referenzoberfläche10 bindet.At the in 10 shown alternative arrangement of the invention is the polymer 30 is by means of a covalent bond 31 to the surface of the probe body 40 self-connected. In 10a the release state is shown in which the absorption force of the polymer 30 on the surface of the probe body 40 is greater than at the reference surface 10 , This condition can be achieved by applying a voltage between solution and reference surface 10 be changed. In the in 10b shown holding state is the absorption force of the molecule 30 at the reference surface 10 larger than at the surface of the probe body 40 so that the molecule 30 to the reference surface 10 absorbed and the probe body to the reference surface 10 binds.

Claims (19)

Translated fromGerman

Verfahren zur gesteuerten Bewegung eines in einerelektrolytischen FlüssigkeitlösbarenPolymers, aufweisend die Schritte: • Bereitstellung einer erstenOberfläche(10a), an welche das Polymer absorbierbar ist, • Bereitstellungeiner zweiten Oberfläche(10b), an welche das Polymer absorbierbar ist, wobei ersteund zweite Oberflächezumindest an einer Stelle einen Abstand voneinander haben, der kleinerals die Längedes Polymers ist, • Absorptiondes Polymers (30) an der ersten Oberfläche (10a), • Einstellungder Absorptionskraft der ersten und/oder der zweiten Oberfläche derart,dass die Absorptionskraft des Polymers an der zweiten Oberfläche größer istals an der ersten Oberflächeund sich das Polymer von der ersten zur zweiten Oberfläche bewegt,wobei das Polymer währenddes Bewegungsvorgangs an der ersten und/oder zweiten Oberfläche absorbiertbleibt.A method of controlled movement of a polymer soluble in an electrolytic liquid comprising the steps of: • providing a first surface ( 10a ) to which the polymer is absorbable, • providing a second surface ( 10b ) to which the polymer is absorbable, wherein the first and second surfaces are at least at a distance from each other that is smaller than the length of the polymer, • absorption of the polymer ( 30 ) on the first surface ( 10a ) Adjusting the absorption force of the first and / or the second surface such that the absorption force of the polymer at the second surface is greater than at the first surface and the polymer moves from the first to the second surface, wherein the polymer during the movement process remains absorbed at the first and / or second surface.Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Absorptionskraftder ersten und/oder zweiten Oberfläche durch Anlegen einer Spannungzwischen Oberfläche undeiner die Oberflächebenetzenden elektrolytischen Flüssigkeiteingestellt wird.The method of claim 1, wherein the absorption forcethe first and / or second surface by applying a voltagebetween surface andone the surfacewetting electrolytic liquidis set.Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Absorptionskraftder ersten und/oder zweiten Oberfläche durch Wahl unterschiedlicherMaterialien und/oder Funktionalisierungen der Oberflächen eingestellt wird.The method of claim 1, wherein the absorption forcethe first and / or second surface by choosing differentMaterials and / or functionalizations of the surfaces is set.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ersteund zweite Oberflächeparallel zueinander angeordnet sind.Method according to one of claims 1 to 3, wherein the firstand second surfaceare arranged parallel to each other.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die ersteund zweite Oberflächesenkrecht oder geneigt zueinander angeordnet sind.Method according to one of claims 1 to 3, wherein the firstand second surfaceare arranged perpendicular or inclined to each other.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei erste undzweite Oberflächeeine kamm- oder mäanderförmige Grenzfläche zueinanderbilden.Method according to one of claims 1 to 5, wherein first andsecond surfacea comb or meandering interface to each otherform.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Verfahrenmehrstufig mit mehreren Oberflächenmit unterschiedlichen Absorptionskräften ausgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 6, wherein the methodmulti-level with several surfacesis performed with different absorption forces.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Polymereine Einzelstrang-DNA, Polyvinylamin oder Polyacrylsäure ist.Method according to one of claims 1 to 7, wherein the polymera single-stranded DNA, polyvinylamine or polyacrylic acid.Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Oberfläche eineglatte Oberflächeaus Metall oder Mica ist.Method according to one of claims 1 to 7, wherein the surface of asmooth surfacemade of metal or mica.Verfahren zur steuerbaren Positionsfixierung einesSondenkörpers(beats) in einer elektrolytischen Flüssigkeit, umfassend die Schritte: KovalentesBinden eines Endes eines Polymers (30) an die Oberfläche desSondenkörpers(40) bzw. eine mit der elektrolytischen Flüssigkeitbenetzten Referenzoberfläche, durchAnlegen einer Spannung zwischen der elektrolytischen Flüssigkeitund der Referebzoberfläche (10),Schalten des Polymers zwischen einem Haltezustand, in dem die Absorptionskraftdes Polymers an der Oberflächedes Sondenkörpersgrößer bzw. kleinerist als an der Referenzoberflächeund das Polymer daher den Sondenkörper (40) festhält, undeinem Freigabezustand, in dem die Absorptionskraft des Polymersan der Oberflächedes Sondenkörpers kleinerbzw. größer istals an der Referenzoberfläche unddas Polymer daher an der Oberflächeabsorbiert wird und den Sondenkörperfreigibt.A method of controllably position fixing a probe body (beats) in an electrolytic liquid, comprising the steps of: covalently bonding one end of a polymer ( 30 ) to the surface of the probe body ( 40 ) or a wetted with the electrolytic liquid reference surface, by applying a voltage between the electrolytic liquid and the Referebzoberfläche ( 10 ), Switching of the polymer between a holding state in which the absorption force of the polymer at the surface of the probe body is greater or smaller than at the reference surface and the polymer therefore the probe body ( 40 ), and a release state in which the absorption force of the polymer at the surface of the probe body is smaller than that at the reference surface and the polymer is therefore absorbed at the surface and releases the probe body.Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Sondenkörper (40)aus einem Metall, beispielsweise Au, Ag oder Cu oder aus Polysaccharidoder Latex besteht.The method of claim 10, wherein the probe body ( 40 ) consists of a metal, for example Au, Ag or Cu or of polysaccharide or latex.Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei der Sondenkörper einenDurchmesser von 1 bis 100, vorzugsweise 1 bis 10 Mikrometer aufweist.The method of claim 10 or 11, wherein the probe body aDiameter of 1 to 100, preferably 1 to 10 microns.Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei das Polymer(30) eine Einzelstrang-DNA, Polyvinylamin oder Polyacrylsäure ist.Method according to one of claims 10 to 12, wherein the polymer ( 30 ) is a single-stranded DNA, polyvinylamine or polyacrylic acid.Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei der Sondenkörper (40)oder die Referenzoberfläche(10) eine chemisch funktionalisierte Oberfläche aufweist.Method according to one of claims 10 to 13, wherein the probe body ( 40 ) or the reference surface ( 10 ) has a chemically functionalized surface.Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Sondenkörper (40)entsprechend der chemisch funktionalisierten Oberfläche durchFluoreszenz farbig markiert ist.The method of claim 14, wherein the probe body ( 40 ) is marked in color according to the chemically functionalized surface by fluorescence.Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, umfassend denSchritt der Zugabe von Testmolekülenin die elektrolytische Flüssigkeit,welche Testmoleküle dieAbsorptionskraft des Polymers an der Oberfläche des Sondenkörpers (40)oder der Referenzoberfläche(10) beeinflussen, um eine Oberflächenanalyse des Sondenkörpers bzw.der Referenzoberfläche durchzuführen.The method of claim 14 or 15, comprising the step of adding test molecules to the electrolytic liquid, which test molecules have the absorption force of the polymer on the surface of the probe body ( 40 ) or the reference surface ( 10 ) to perform a surface analysis of the probe body or the reference surface.Vorrichtung zur schaltbaren Positionsfixierung einerVielzahl von miniaturisierten Sondenkörpern (beats) in einer elektrolytischenFlüssigkeit,aufweisend: eine Vielzahl von Polymeren (30), diemit einem Ende kovalent an die Oberfläche des Sondenkörpers (40) bzw.eine mit der elektrolytischen Flüssigkeitbenetzten Referenzoberfläche(10) gebunden sind, welche Polymere (30) durchAnlegen einer Spannung zwischen der elektrolytischen Flüssigkeitund der Referebzoberflächezwischen einem Haltezustand, in dem die Absorptionskraft des Polymersan der Oberflächedes Sondenkörpersgrößer bzw.kleiner ist als an der Referenzoberfläche und das Polymer daher denSondenkörperfesthält,und einem Freigabezustand, in dem die Absorptionskraft des Polymersan der Oberflächedes Sondenkörperskleiner bzw. größer istals an der Referenzoberflächeund das Polymer daher an der Oberfläche absorbiert wird und den Sondenkörper freigibt,schaltbar sind.Apparatus for switchably position fixing a plurality of miniaturized probe bodies (beats) in an electrolytic liquid, comprising: a plurality of polymers ( 30 ) covalently attached to the surface of the probe body ( 40 ) or a wetted with the electrolytic liquid reference surface ( 10 ), which polymers ( 30 by applying a voltage between the electrolytic liquid and the reference surface between a holding state in which the absorption force of the polymer at the surface of the probe body is smaller than at the reference surface and the polymer therefore holds the probe body, and a release state in which the absorption force of the polymer at the surface of the probe body is smaller or larger than at the reference surface and therefore the polymer is absorbed at the surface and releases the probe body.Vorrichtung nach Anspruch 17, aufweisend mehrereBereiche mit unterschiedlich funktionalisierten Referenzoberflächen.Apparatus according to claim 17, comprising a pluralityAreas with differently functionalized reference surfaces.Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, aufweisendmehrere Bereiche der Referenzoberfläche (10), deren elektrischesPotential einzeln ansteuerbar ist.Apparatus according to claim 17 or 18, comprising a plurality of regions of the reference surface ( 10 ), whose electrical potential can be controlled individually.