WO2003092881A1 - Method for producing patterns of physical, chemical or biochemical structures on carriers - Google Patents

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WO2003092881A1
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Dieter Kern
Heinrich Hoerber
Christoph Lienau
Erik Nibbering
Manfred Wick
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Universität Tübingen
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing patterns of physical, chemical and / or biochemical structures on a carrier by means of a spatially resolved transfer of electrons and / or energy from the nanostructures on the carrier.
  • microarray technology developed for this, in which many different sensor molecules are packed tightly in one predefined patterns on a carrier surface have become the standard method, especially in the area of parallel analysis of biological samples. It will e.g. used in the analysis of gene expression, in genetic diagnostics, in biological and pharmaceutical research and for the determination of genetically manipulated organisms in the food industry.
  • microarray technology requires simple, reproducible and inexpensive methods in order to offer a sufficient number of different molecules in the smallest space with high quality and quality.
  • An essential problem in the production of microarrays from complex molecules with high density and large variation is the often reproducible location-specific application of molecules on the carrier surfaces. In principle, these are the following two methods known for the production of DNA arrays.
  • finished macromolecules are applied to the carrier surface either in the form of drops (spotting) using a printing needle (US Pat. No. 6,101,946), micropipettes (US Pat. No. 5,601,980) or inkjet printers (US Pat. No. 5,927,547).
  • the diameter of the molecule fixation points (spots) in these methods are 50 ⁇ m to 200 ⁇ m. A thicker application or smaller spot sizes are not possible with this technique.
  • an in situ synthesis of array molecules from monomers takes place directly on a support by means of photochemically or electrostatically mediated reactions.
  • This method is a photolithographic technique in which specific end protective groups are removed by means of light masks or photomasks specially produced for this purpose, thus enabling direct solid-phase synthesis of the DNA on a carrier surface (WO 92/10092).
  • the location information or position of the oligonucleotide sequence to be addressed is given by the light mask applied in each case.
  • This fixed sequence, or permutation of masks defines a rigid pattern of the synthesized sequences.
  • the aim of the present invention is to increase the effectiveness of the synthesis methods for the production of microarrays and to provide a flexible, effective and inexpensive method for the spatially resolved production of molecular patterns on a carrier, which also serves as the basis for the production of semiconductor Molecular hybrid structures can serve for the area of so-called molecular electronics.
  • the invention primarily proposes a method with the features mentioned in claim 1.
  • An extension of the possible uses of the invention is the subject of the remaining dependent and independent claims 2 to 24, the wording of which, like the wording of the abstract, is made by reference to the content of the description.
  • the above-mentioned aim is achieved according to the invention in that the reactions or changes taking place on the surface of the carrier due to the antenna properties of the nanostructures present on the carrier surface as a result of an excitation of their plasmons and a subsequent transfer of energy and / or Electrons are induced on molecules chemically or physically bound to their surface.
  • the method according to the invention thus comprises the generation of patterns of physical, chemical and / or biochemical structures on a carrier by means of a spatially resolved transfer of electrons and / or energy from the nanostructures or nanoparticles on the carrier, this transfer being carried out by selective excitation of the Plasmons are induced in the nanostructures.
  • the physical, chemical or biochemical structures are understood to mean chemical or biochemical molecules of all kinds, cells or cell components, virus particles, individual atoms, electrons or the like.
  • Interface metal / dielectric or semiconductor / dielectric called. Due to the strong localization of the plasmons at the Interfaces, one speaks here of surface plasmon, their properties are very sensitive to the physical parameters of the boundary layer. Metal / semiconductor nanostructures have a characteristic plasmon spectrum, which is determined by the material (density, effective mass of the conduction electrons), their external shape and size, as well as the coupling with the environment, e.g. an interaction with a surface, with other nanostructures and thus whose density, or with a surrounding gaseous, liquid or solid medium is determined. For simplified geometries (e.g.
  • the frequency of the plasmon resonance can be derived directly from Maxwell's equations (H. Raether, Surface Plasmons, Springer Tracts Mod. Phys., Vol 111, Springer, 1988, U. Kreibig, M. Vollmer, Springer Ser. Mat. Sei. 25, Springer, 1995).
  • the resonance frequency ⁇ P results when ( ⁇ ( ⁇ ) + 2 ⁇ m ) 2 + ⁇ 2 ( ⁇ ) 2 assumes a minimum.
  • ⁇ ( ⁇ ) + i ⁇ 2 ( ⁇ ) denotes the complex frequency-dependent dielectric function of the nanoparticle.
  • R denotes the radius of the sphere, e the elementary charge, ⁇ 0 the vacuum dielectric constant, m e the effective mass and N the total number of conduction electrons in the sphere.
  • the plasmon resonances are between 350 and 650 nm depending on the size of the sphere (U. Kreibig, M.
  • the resonance frequency can be varied over a wide range by varying the doping, ie the electron density N / R 3 , and specifically covering the near, middle and far infrared range (R.
  • the attenuation of the plasmon resonance is in turn determined by the dielectric function, the size and shape of the nanoparticle.
  • metallic nanoparticles it is typically a few 10 to 100 meV (Feldmann) and a few meV in the infrared spectral range.
  • a strong local resonance increase of the electrical field occurs due to its antenna effect resulting from the Maxwell equations (L. Novotny et al. Phys. Rev. Lett. 79, 645 (1997)).
  • This means that a spectral resonant excitation of the nanoparticle can generate a local electrical plasmon field, the geometric dimensions of which are no longer determined by the wavelength of the light as in conventional optics, but by the size and shape of the nanostructure.
  • this electric field increase is used for the selective, local induction of elementary photochemical processes.
  • the basic principle of the invention is that in metallic or semiconducting nanostructures (FIG. 1) plasmons are generated locally on a carrier by electrical or electromagnetic excitation, which as a result of an energy and / or electron transfer into the physical, chemical or biological structures in these structures trigger changes.
  • the type and strength of the interactions between the nanostructures and the physical, chemical or biological structures on them depends on the combination of the materials, the density and environment of the structures, their absorption and emission spectra, their physical and / or chemical coupling, their relative distance, their distance from the carrier surface and the timing of the excitation.
  • the plasmons are optically excited by nanostructures applied to a carrier.
  • the excitation occurs when both the energy and the momentum of the incident light field match that of the plasmons (resonance).
  • a selective excitation of the plasmon resonance of a certain group of nanostructures can thus be achieved with the help of the variation of the wavelength (energy), the angle of incidence (pulse), the polarization and the intensity of the incident light.
  • fs pulses femtosecond pulses
  • An fs pulse is shorter in time than the typical oscillation periods of molecular excitations, and at the same time it causes a practically instantaneous initialization of vibronic core movement in the molecule. Because of its relatively large spectral width, an fs pulse leads to a superposition of many synchronous oscillations in phase in the excited state. This is used according to the invention to initiate a synchronous and effective electron and / or energy transfer to the structures located thereon.
  • Ultrashort light pulses with time durations of 10 to 100 fs have spectral widths of 10 - 100 meV and can therefore be spectrally adjusted to the plasmon resonances.
  • This enables an impulsive excitation of vibronic core movements in the molecule, whereby the dynamics of the core movement can be controlled within certain limits by choosing the amplitude, color and phase composition of the light pulse.
  • This results in possibilities for the coherent control of elementary photochemical reactions, both in electronically excited states in the visible and ultraviolet Spectral range (A. Assion et al., Science 282, 919 (1998)) as well as for reactions in the electronic ground state when excited with ultrashort infrared pulses in the spectral range between 500 and 4000 cm “1 (T. Witte et al., J. Chem. Phys. 118, 2021 (2003)).
  • the energy and / or electron transfer from the excited nanostructures to the physical, chemical and / or biochemical structures located on them can take place according to different mechanisms.
  • the plasmon can decay by emitting a photon that is in resonance with an absorption line in the spectrum of the structure on it and is therefore absorbed (radiation coupling). If the distance is appropriate, energy can also be transmitted using a near-field coupling (Förster transfer). Another possibility is the excitation of the nanostructures by electron transfer to the structures on them.
  • the basic mechanism for optically induced electron transfer is e.g. at D.S. Ginger in Physical Rev. B Vol. 59, No. 16, 10622-29: "Photoinduced electron transfer from conjugated polymers to CdSe nanocrystals" in the reverse direction.
  • the spatial pattern i.e. the positions of the nanostructures at which the optical excitation takes place and from which the energy and / or electron transfer is to take place can in principle be defined according to the invention by two different methods.
  • the plasmons of selected nanostructures can be excited in a spatially resolved manner. This can be achieved, for example, by using photomasks which cover individual carrier regions and only leave the nanostructures open to the incident light, on which the energy and / or electron transfer takes place during the irradiation and the subsequent reaction is to take place.
  • a serial radiation and Excitation of carrier areas with a laser writer, analogous to a laser printer or scanner, is also possible and is covered by the inventions.
  • the entire carrier surface is irradiated uniformly and simultaneously.
  • properties of the nanostructures which can be predetermined intrinsically during the design of the carrier are now used.
  • the excitation wavelength, excitation duration, excitation polarization and / or intensity can be specified by the choice of materials, size, shape, arrangement and environment of individual nanostructures or groups.
  • variable patterns of nanostructures can be selectively and spatially resolved.
  • spectra for the corresponding nanostructures are determined on the carrier before the irradiation.
  • the coated nanostructures can be custom-made to match the corresponding spectra previously defined.
  • the advantage of this embodiment variant is that the entire carrier surface can be irradiated in each reaction step. Plasmon excitation and energy and / or electron transfer only take place on the nanostructures which have the corresponding spectra, the other nanostructures remain unchanged In this way, complex photomasks can be dispensed with in whole or in part.
  • the plasmons in the nanostructures can also be excited electrically.
  • the carrier or structures applied to it must be made of an electrically conductive material.
  • the nanostructures should advantageously be electrically insulated in such a way that there is no electron transport or only electron transport through electron tunnels in the insulation layer. This can be achieved by applying a conductive layer to an insulating carrier, followed by an insulator layer a few nanometers thick.
  • the metallic or semiconducting nanostructures can be produced on this sandwich.
  • An electrical potential difference between the conductive lower layer and the nanostructures - for example as the potential difference between the base electrode and an electrolyte covering the structures - enables the excitation of plasmons in the nanostructures by means of electrons tunneling through the insulator layer.
  • the localized electrical excitation can take place in that the conductive substrate is applied in a structured manner to a suitably modified semiconductor chip, for example an SRAM chip (Static Random Access Memory), so that well-defined local areas of a few micrometers in size are specifically defined suitable voltage can be assigned.
  • a suitably modified semiconductor chip for example an SRAM chip (Static Random Access Memory)
  • SRAM chip Static Random Access Memory
  • Nanostructures made of gold, silver, gallium arsenide (GaAs) or other materials known from the physics of quantum dots are particularly preferably produced.
  • GaAs gallium arsenide
  • a combination of different materials for nanostructures is also possible, but this may be limited by the manufacturing processes used.
  • the nanostructures applied to the carrier have dimensions in the sub-micrometer range, preferably less than 200 nm. It must be taken into account here that with spherical nanostructures the intensity of the local electric field is proportional to the square of the volume of the nanostructure. Therefore, nanostructures with dimensions in the range from 2 to 100 nm are particularly preferred because, on the one hand, they allow the field to be localized to dimensions far below the wavelength of the light and, on the other hand, they ensure a sufficiently high field intensity.
  • the distances between individual nanostructures can be varied and are a possible parameter in the design of the support structures for adapting the coupling parameters for the interactions between the nanostructures and the physical, chemical and / or biological structures located thereon.
  • the nanostructures have different shapes on a carrier. You can e.g. be circular or elliptical or have some other geometric shape. The shape and size of the nanostructures and the material, in combination with other factors, determine the spectral properties of the plasmons and their
  • Another way to increase the spectral variability of the plasmons of the nanostructures is to use special spacing and / or coupling elements and their spacing for the nanostructure from the carrier, or between the nanostructures and the structures on them (Fig. 2 and Fig. 3). All spacers and / or coupling elements known to the person skilled in the art can be used for this.
  • All spacers and / or coupling elements known to the person skilled in the art can be used for this.
  • the spacing and / or coupling structures used between the carrier, the nanostructures and the physical, chemical and / or biological structures thereon not only function as a connecting element, but also modulate the interactions between the excited nanostructure and the applied or synthesized physical, chemical and / or biological structures and the excitation properties of the structures.
  • the energy and / or electron transfer can, according to the invention, not only take place on the above-described nanostructures raised over the carrier surface.
  • corresponding structures can also be sunk in a carrier material for this purpose or be present in the form of depressions or holes on the carrier surface. In this case, too, these structures have dimensions in the nanometer range, preferably below the exciting wavelength.
  • surface plasmons on depressed structures reference is made to the following article: L. Martin-Moreno et al., Phys. Rev. Lett. 2001, Vol. 86, 6, p. 11 14-1117 "Theory of extraordinary optical transmission through subwavelength hole arrays".
  • different materials can be used as supports (FIG. 4).
  • dielectric materials such as glass, plastics, silicon oxide and ceramic are preferably used.
  • the carrier In the case of electrical excitation, the carrier must at least partially consist of conductive structures. Layers and structures made of metal oxides can be used as insulators. Examples from semiconductor technology are well known for this.
  • a material that is transparent to the light is used for the carrier.
  • An example of such a slide can be an ordinary glass slide.
  • FIG. 5 shows an example of a slide which can be used as a carrier and is subdivided into eight regions (1 to 8), it being possible for individual of these regions to be subdivided further into four different levels (FIG. 6).
  • the nanostructures can also be excited from the lower side facing away from the nanostructures.
  • the particular advantage here lies in the use of an excitation under total reflection conditions at the upper boundary surface of the support, which only allow excitations very close to this surface, such as those from Stout AL and Axelrod D .: in “Evanescent field excitation of fluorescence by epi -illumination microscopy, Applied Optics Vol.28, pp. 5237-5242 (1989) have been described, as a result of which there is no radiation of the wider environment, for example the reagents in solution. The conditions of reflection are described by Snell's law: with the refractive index n-i and ß: the angle to the surface normal in the medium n 2 .
  • any reactions can be produced via the nanostructures used for localization and as an antenna, which can be induced by an energy and / or electron transfer.
  • Chemical and / or biochemical reactions such as synthesis, cleavage, coupling of functional groups, isomerization, conformational change, enzymatic or binding reactions, etc., are particularly preferably carried out.
  • the physical, chemical or biological structures mentioned above on the nanostructures can be, for example, reactants or molecular constituents which are to take part in the desired reaction.
  • molecules acting as catalysts, such as enzymes can be coupled to the nanostructures, which interact with the reactants from the environment and catalyze the chemical reaction.
  • polymer compounds are synthesized on the nanostructures, in particular it is a spatially resolved synthesis from monomers such as e.g. Nucleotides, amino acids, sugar units and other molecular components for the production of microarrays of chemical compounds.
  • monomers such as e.g. Nucleotides, amino acids, sugar units and other molecular components for the production of microarrays of chemical compounds.
  • polymeric compounds such as DNA, RNA, aptamers and their derivatives such as PNA or thioRNA, peptides, proteins, complex carbohydrates and other chemical compounds can be produced in a spatially resolved manner.
  • the synthesis of oligonucleotide sequences will be dealt with here (FIG. 7).
  • the coupling of the individual nucleotides can take place according to the classic method, in which the protective groups have to be removed before each synthesis step.
  • the site-specific cleavage of the protective groups is induced by the energy and / or electron transfer from the nanostructures to the start sequences or to the sequences already synthesized. After a The sequence repeats the attachment of a nucleotide or a nucleotide sequence to the deprotected sequences.
  • the molecular arrays produced by the method according to the invention can advantageously be used for analytical purposes.
  • the fields of application for arrays produced in this way include a large number of investigations in medical and / or veterinary diagnostics, drug development,
  • the method according to the invention can also be used in the field of sensors.
  • the starting materials present in a sample to be examined influence the spectral properties of the nanostructures, the emission spectrum, that is to say the color and / or spectral bandwidth or their luminous intensity.
  • An induced coupling of sample elements or a reaction induced by the sample particles - such as splitting off groups, changing the surface charge - can be a trigger for this.
  • specifically stimulated plasmons from nanostructures can be used to selectively activate coupled chromophores.
  • the chromophore By selecting the chromophore, the emission wavelength range and thus the color variation can be determined.
  • This can be used in the field of organic light-emitting diodes (LED), which are used in modern display technology, as optical data storage or as an indicator of a reaction, a condition - e.g. pH value of a solution or a hazardous substance.
  • the described method can be used to derive electrons from the nanostructures by means of electrodes into a downstream electronics.
  • nanostructures can thus be used as a type of switch or a pattern of nanostructures as a switch array in molecular electronics.
  • the biochemical, physical or chemical structures applied to the nanostructures can be used as passive delay elements or as damping elements or else as active elements, that is to say as an electron source or line.
  • Fig. 1 Schematic representation of metal / semiconductor
  • Nanostructures The specific properties of the nanostructures are given by the material, their external shape and size as well as by the coupling with the environment. Any differences in material are indicated here by the different hatching.
  • Fig. 2 Schematic representation of metal / semiconductor nanostructures with applied molecular
  • Fig. 4 Schematic representation of various combinations of metal / semiconductor nanostructures with applied molecular spacers (rectangles) and physical, chemical or biochemical structures (circles) located thereon, applied to different carrier materials, which are indicated by the different hatching.
  • Fig. 5 Exemplary schematic representation of a
  • Fig. 6 Exemplary representation of a carrier with different resolution levels with a schematic structure of nanostructures.
  • Photochromic materials change their optical and / or electrical properties when exposed to light and therefore offer options for use as optical data storage.
  • the state of the data storage device can, for example, be due to the light-induced conversion between different isomers of a molecule can be achieved.
  • Particularly optically bistable fulgides eg the phenyl-thiophene fulgide Ph-TF, S. Rath et al., J. Lum. 94, 156 (2001) are interesting candidates because they convert the colored C Isomer and the colorless E isomer is made possible.
  • the E-isomer shows no absorption resonance in the visible spectral range and has a factor of 10 less at 600 nm optical density.
  • the E isomer shows an absorption resonance at 350 nm.
  • the E isomer converts to the C isomer, while the irradiation from visible light around 600 nm leads to photoisomerization from C to E.
  • the reaction times for isomerization reactions are in the picosecond range and have been investigated in detail (M. Handschuh et al., J. Phys. Chem. A 101, 502 (1997).
  • suitable pulse sequences of visible and UV pulses optically reversible between C and E isomer are switched.
  • the plasmonic nanostructures were chosen so that their plasmon resonances match the absorption band of the C isomer. This could be ensured in the present example by choosing spherical gold nanoparticles with a size of approximately 50 nm (T. Klar et al., Phys. Rev. Lett. 80, 4249 (1998)).
  • the linker material By selecting the linker material, the molecules can be selectively coupled to the nanoparticle.
  • undesired secondary reactions for example fluorescence suppression by charge transfer, can be reduced. All molecules in the C state are prepared by exposure to UV light.
  • Irradiation of visible light pulses with a central wavelength of 600 nm allow selective excitation of the plasmon resonance of the nanoparticle.
  • this is transferred to the molecule by near-field radiation coupling (Förster transfer).
  • Förster transfer This results in a selective, local switching of the molecules that are located in the near field of the resonantly excited nanoparticles. Based on this principle, single-molecule switches in high density can be optically addressed.

Abstract

The invention relates to a method for producing patterns of physical, chemical and/or biochemical structures on a carrier by means of a local transfer of electrons and/or energy from the nanostructures on the carrier. According to said method, said transfer is induced by selective excitation of the plasmons in the nanostructures. The excitation of the plasmons occurs in an especially electrical manner by means of electromagnetic radiation and/or electron radiation.

Description

Verfahren zur Erzeugung von Mustern von physikalischen, chemischen oder biochemischen Strukturen auf Trägern Process for creating patterns of physical, chemical or biochemical structures on supports
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Mustern von physikalischen, chemischen und/oder biochemischen Strukturen auf einem Träger mittels eines ortsaufgelösten Transfers von Elektronen und / oder Energie aus den auf dem Träger befindlichen Nanostrukturen.The present invention relates to a method for producing patterns of physical, chemical and / or biochemical structures on a carrier by means of a spatially resolved transfer of electrons and / or energy from the nanostructures on the carrier.
In der biologischen und medizinischen Forschung sowie in der medizinischen Analytik existiert ein großer Bedarf an effektiven Methoden zur Analyse komplexer Gemische von Molekülen wie DNA, Proteinen, Zuckern, Stoffwechselmetaboliten etc. Die hierzu entwickelte Microarray-Technologie, bei der viele verschiedene Sensormoleküle dicht gepackt in einem vordefinierten Muster auf einer Träger- Oberfläche aufgebracht sind, ist mittlerweile zur Standardmethode vor allem im Bereich der parallelen Analyse biologischer Proben geworden. Sie wird z.B. bei der Analyse der Genexpression, bei der genetischen Diagnostik, in der biologischen und pharmazeutischen Forschung und zur Bestimmung genmanipulierter Organismen in der Lebensmittelindustrie verwendet.In biological and medical research as well as in medical analytics, there is a great need for effective methods for analyzing complex mixtures of molecules such as DNA, proteins, sugars, metabolic metabolites etc. The microarray technology developed for this, in which many different sensor molecules are packed tightly in one predefined patterns on a carrier surface have become the standard method, especially in the area of parallel analysis of biological samples. It will e.g. used in the analysis of gene expression, in genetic diagnostics, in biological and pharmaceutical research and for the determination of genetically manipulated organisms in the food industry.
Die Microarray-Technologie benötigt in der Fertigung einfache, reproduzierbare und preisgünstige Methoden, um hinreichend viele unterschiedliche Moleküle auf kleinstem Raum mit hoher Güte und Qualität anzubieten. Ein wesentliches Problem bei der Herstellung von Microarrays aus komplexen Molekülen mit hoher Dichte und großer Variation ist das vielfach reproduzierbare ortsspezifische Aufbringen von Molekülen auf die Träger-Oberflächen. Hierfür sind prinzipiell die folgenden zwei Verfahren für die Produktion von DNA-Arrays bekannt. Bei der ersten Methode werden fertige Makromoleküle entweder in Tropfenform (spotting) mittels Drucknadel (US 6,101 ,946), Mikropipetten (US 5,601 ,980) oder Tintenstrahldruckern (US 5,927,547) auf die Träger-Oberfläche aufgetragen. Die Durchmesser der Molekül- Fixierstellen (Spots) betragen bei diesen Verfahren 50 μm bis 200 μm. Eine dichtere Auftragung bzw. kleinere Spot-Größen sind mit dieser Technik nicht möglich. Bei der zweiten Methode findet eine in situ- Synthese von Array-Molekülen aus Monomeren mittels photochemisch- oder elektrostatisch-vermittelter Reaktionen am Ort direkt auf einem Träger statt. Bei diesem Verfahren handelt es sich um eine photolithographische Technik, bei der mittels speziell dafür hergestellter Licht- bzw. Photomasken spezifische Endschutzgruppen entfernt werden und somit eine direkte Festphasen-Synthese der DNA auf einer Trägeroberfläche ermöglicht wird (WO 92/10092). Die Ortsinformation bzw. Position der zu adressierenden Oligonukleotidsequenz wird bei diesem Verfahren durch die jeweils aufgebrachte Lichtmaske gegeben. Diese fest bestehende Abfolge, bzw. Permutation von Masken legt ein starres Muster der synthetisierten Sequenzen fest. Mit diesem Verfahren können zwar wesentlich kleinere Spot-Größen und höhere Dichten als mit der ersten Methode erreicht werden, die bisher erreichten Effizienzen der Einzelsynthese von 80% bis 95% pro Syntheseschritt grenzen die Anwendbarkeit dieser Techniken jedoch auf kurze Oligosequenzen bzw. auf wenige Variationen der Sequenzen ein. Darüber hinaus ist diese Methode mit einem erheblichen technischen sowie Zeit- und Kostenaufwand verbunden.In manufacturing, microarray technology requires simple, reproducible and inexpensive methods in order to offer a sufficient number of different molecules in the smallest space with high quality and quality. An essential problem in the production of microarrays from complex molecules with high density and large variation is the often reproducible location-specific application of molecules on the carrier surfaces. In principle, these are the following two methods known for the production of DNA arrays. In the first method, finished macromolecules are applied to the carrier surface either in the form of drops (spotting) using a printing needle (US Pat. No. 6,101,946), micropipettes (US Pat. No. 5,601,980) or inkjet printers (US Pat. No. 5,927,547). The diameter of the molecule fixation points (spots) in these methods are 50 μm to 200 μm. A thicker application or smaller spot sizes are not possible with this technique. In the second method, an in situ synthesis of array molecules from monomers takes place directly on a support by means of photochemically or electrostatically mediated reactions. This method is a photolithographic technique in which specific end protective groups are removed by means of light masks or photomasks specially produced for this purpose, thus enabling direct solid-phase synthesis of the DNA on a carrier surface (WO 92/10092). In this method, the location information or position of the oligonucleotide sequence to be addressed is given by the light mask applied in each case. This fixed sequence, or permutation of masks, defines a rigid pattern of the synthesized sequences. With this method, significantly smaller spot sizes and higher densities than with the first method can be achieved, the efficiency of the individual synthesis of 80% to 95% per synthesis step achieved so far limits the applicability of these techniques to short oligose sequences or to a few variations of Sequences. In addition, this method is associated with considerable technical, time and cost expenditure.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Effektivität der Synthesemethoden zur Herstellung von Microarrays zu erhöhen und ein flexibles, effektives und günstiges Verfahren zur ortsaufgelösten Herstellung von molekularen Mustern auf einem Träger bereitzustellen, das auch als Basis zur Produktion von Halbleiter- Molekülhybridstrukturen für den Bereich der sog. molekularen Elektronik dienen kann.The aim of the present invention is to increase the effectiveness of the synthesis methods for the production of microarrays and to provide a flexible, effective and inexpensive method for the spatially resolved production of molecular patterns on a carrier, which also serves as the basis for the production of semiconductor Molecular hybrid structures can serve for the area of so-called molecular electronics.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung in erster Linie ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen vor. Eine Ausweitung der Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ist Gegenstand der übrigen abhängigen und unabhängigen Ansprüche 2 bis 24, deren Wortlaut ebenso wie der Wortlaut der Zusammenfassung durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird.To achieve this object, the invention primarily proposes a method with the features mentioned in claim 1. An extension of the possible uses of the invention is the subject of the remaining dependent and independent claims 2 to 24, the wording of which, like the wording of the abstract, is made by reference to the content of the description.
Das oben genannte Ziel wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, dass die an der Oberfläche des Trägers stattfindenden Reaktionen bzw. Veränderungen auf Grund der Antenneneigenschaften der auf der Träger-Oberfläche vorhandenen Nanostrukturen als Folge einer Anregung ihrer Plasmonen und einen anschließenden Transfer von Energie und / oder Elektronen auf an ihre Oberfläche chemisch oder physikalisch gebunden Moleküle induziert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst also die Erzeugung von Mustern von physikalischen, chemischen und/oder biochemischen Strukturen auf einen Träger mittels eines ortsaufgelösten Transfers von Elektronen und/oder Energie aus den auf dem Träger befindlichen Nanostrukturen bzw. Nanopartikeln, wobei dieser Transfer durch eine selektive Anregung der Plasmonen in den Nanostrukturen induziert wird. Unter den physikalischen, chemischen oder biochemischen Strukturen werden in der vorliegenden Erfindung chemische oder biochemische Moleküle aller Art, Zellen oder Zellbestandteile, Viruspartikel, einzelne Atome, Elektronen oder dergleichen verstanden.The above-mentioned aim is achieved according to the invention in that the reactions or changes taking place on the surface of the carrier due to the antenna properties of the nanostructures present on the carrier surface as a result of an excitation of their plasmons and a subsequent transfer of energy and / or Electrons are induced on molecules chemically or physically bound to their surface. The method according to the invention thus comprises the generation of patterns of physical, chemical and / or biochemical structures on a carrier by means of a spatially resolved transfer of electrons and / or energy from the nanostructures or nanoparticles on the carrier, this transfer being carried out by selective excitation of the Plasmons are induced in the nanostructures. In the present invention, the physical, chemical or biochemical structures are understood to mean chemical or biochemical molecules of all kinds, cells or cell components, virus particles, individual atoms, electrons or the like.
Als Plasmonen werden kollektive Anregungen (Elektronendichtewellen) eines Elektronengases eines Metalls oder Halbleiters an einerCollective excitations (electron density waves) of an electron gas of a metal or semiconductor on a plasmons
Grenzfläche Metall / Dielektrikum bzw. Halbleiter / Dielektrikum bezeichnet. Aufgrund der starken Lokalisierung der Plasmonen an der Grenzfläche, man spricht hier auch von Oberflächenplasmonen, sind ihre Eigenschaften sehr empfindlich von den physikalischen Parametern der Grenzschicht abhängig. So besitzen Metall- / Halbleiter- Nanostrukturen ein charakteristisches Plasmonenspektrum, welches durch das Material (Dichte, effektive Masse der Leitungselektronen), ihre äußere Form und Größe, sowie die Kopplung mit der Umgebung, z.B. einer Wechselwirkung mit einer Oberfläche, mit anderen Nanostrukturen und damit deren Dichte, oder mit einem umgebenden gasförmigen, flüssigen oder festen Medium bestimmt ist. Für vereinfachte Geometrien (z.B. planare Oberfläche oder Kugeln mit einem Radius der viel kleiner als die Wellenlänge ist) lassen sich die Frequenz der Plasmonresonanz direkt aus den Maxwell'schen Gleichungen ableiten (H. Raether, Surface Plasmons, Springer Tracts Mod. Phys., Vol. 111 , Springer, 1988, U. Kreibig, M. Vollmer, Springer Ser. Mat. Sei. 25, Springer, 1995). Speziell für spärische Nanopartikel in einem dielektrischen Medium mit dielektrischer Funktion εm ergibt sich die Resonanzfrequenz ωP wenn (ει(ω)+2εm)22(ω)2 ein Minimum annimmt. Dabei bezeichnet ει(ω)+iε2(ω) die komplexe frequenzabhängige dielektrische Funktion des Nanopartikels. Oftmals kann die dielektrische Funktion von leitfähigen Nanopartikeln gut durch ein freies Elektronmodell (Drude-Modell) wiedergegeben werden, wobei sich dann die Resonanzfrequenz zu ωp2 = (N e2)/(4 π εo me R3) ergibt. Dabei bezeichnet R den Radius der Kugel, e die Elementarladung, ε0 die Vakuum-Dielektrizitätskonstante, me die effektive Masse und N die Gesamtzahl der Leitungselektronen in der Kugel. Für kugelförmige metallische Nanostrukturen aus Silber liegen die Plasmonresonanzen je nach Größe der Kugel zwischen 350 und 650 nm (U. Kreibig, M. Vollmer, Springer Ser. Mat. Sei. 25, Springer, 1995, S. R. Emory et al., J. Am. Chem. Soc. 120, 8009, (1998)), bei Goldpartikeln mit Abmessungen von 1 nm bis 100 nm werden Resonanzfrequenzen zwischen etwa 500 nm und 700 nm beobachtet (U. Kreibig, M. Vollmer, Springer Ser. Mat. Sei. 25, Springer, 1995. T. Klar et al., Phys. Rev. Lett. 80, 4249 (1998)). Bei halbleitenden Nanostrukturen kann die Resonanzfrequenz durch Variation der Dotierung, d.h. der Elektronendichte N/R3, über einen grossen Bereich variiert werden und speziell den nahen, mittleren und fernen Infrarotbereich abdecken (R. Hillenbrand et al., Nature 418, 159 (2002)). Die Dämpfung der Plasmonresonanz wird wiederum durch die dielektrische Funktion, die Größe und Form des Nanopartikels bestimmt. Sie beträgt für metallische Nanoparktikel typischerweise einige 10 bis 100 meV (Feldmann) und im infraroten Spektralbereich einige meV. Es ist bekannt, dass sich im Nahfeld der Nanostruktur aufgrund ihrer sich aus den Maxwell-Gleichungen ergebenden Antennenwirkung eine starke lokale Resonanzüberhöhung des elektrischen Feldes auftritt (L. Novotny et al. Phys. Rev. Lett. 79, 645 (1997)). Dieses bedeutet, dass sich durch spektral resonante Anregung des Nanopartikels ein lokales elektrisches Plasmon-Feld erzeugen läßt, dessen geometrische Abmessungen nicht mehr wie in der konventionellen Optik durch die Wellenlänge des Lichtes, sondern durch Größe und Form der Nanostruktur bestimmt ist.Interface metal / dielectric or semiconductor / dielectric called. Due to the strong localization of the plasmons at the Interfaces, one speaks here of surface plasmon, their properties are very sensitive to the physical parameters of the boundary layer. Metal / semiconductor nanostructures have a characteristic plasmon spectrum, which is determined by the material (density, effective mass of the conduction electrons), their external shape and size, as well as the coupling with the environment, e.g. an interaction with a surface, with other nanostructures and thus whose density, or with a surrounding gaseous, liquid or solid medium is determined. For simplified geometries (e.g. planar surface or spheres with a radius that is much smaller than the wavelength), the frequency of the plasmon resonance can be derived directly from Maxwell's equations (H. Raether, Surface Plasmons, Springer Tracts Mod. Phys., Vol 111, Springer, 1988, U. Kreibig, M. Vollmer, Springer Ser. Mat. Sei. 25, Springer, 1995). Especially for spherical nanoparticles in a dielectric medium with a dielectric function ε m , the resonance frequency ω P results when (ει (ω) + 2ε m ) 2 + ε 2 (ω) 2 assumes a minimum. Here ει (ω) + iε 2 (ω) denotes the complex frequency-dependent dielectric function of the nanoparticle. The dielectric function of conductive nanoparticles can often be reproduced well by a free electron model (Drude model), with the resonance frequency then being ωp 2 = (N e 2 ) / (4 π εo m e R 3 ). R denotes the radius of the sphere, e the elementary charge, ε 0 the vacuum dielectric constant, m e the effective mass and N the total number of conduction electrons in the sphere. For spherical metallic nanostructures made of silver, the plasmon resonances are between 350 and 650 nm depending on the size of the sphere (U. Kreibig, M. Vollmer, Springer Ser. Mat. Sei. 25, Springer, 1995, SR Emory et al., J. Am Chem. Soc. 120, 8009, (1998)), with gold particles with dimensions from 1 nm to 100 nm, resonance frequencies between about 500 nm and 700 nm are observed (U. Kreibig, M. Vollmer, Springer Ser. Mat. Sei. 25, Springer, 1995. T. Klar et al., Phys. Rev. Lett. 80, 4249 (1998)). In the case of semiconducting nanostructures, the resonance frequency can be varied over a wide range by varying the doping, ie the electron density N / R 3 , and specifically covering the near, middle and far infrared range (R. Hillenbrand et al., Nature 418, 159 (2002) ). The attenuation of the plasmon resonance is in turn determined by the dielectric function, the size and shape of the nanoparticle. For metallic nanoparticles, it is typically a few 10 to 100 meV (Feldmann) and a few meV in the infrared spectral range. It is known that in the near field of the nanostructure a strong local resonance increase of the electrical field occurs due to its antenna effect resulting from the Maxwell equations (L. Novotny et al. Phys. Rev. Lett. 79, 645 (1997)). This means that a spectral resonant excitation of the nanoparticle can generate a local electrical plasmon field, the geometric dimensions of which are no longer determined by the wavelength of the light as in conventional optics, but by the size and shape of the nanostructure.
In der vorliegenden Erfindung wird diese elektrische Feldüberhöhung zur selektiven, lokalen Induktion photochemischer Elementarprozesse nutzbar gemacht.In the present invention, this electric field increase is used for the selective, local induction of elementary photochemical processes.
Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, dass in metallischen oder halbleitenden Nanostrukturen (Fig. 1 ) auf einem Träger durch elektrische oder elektromagnetische Anregung Plasmonen lokal erzeugt werden, die als Folge durch einen Energie- und / oder Elektronentransfer in die darauf befindlichen physikalischen, chemischen oder biologischen Strukturen in diesen Strukturen Veränderungen auslösen. Die Art und Stärke der Wechselwirkungen zwischen den Nanostrukturen und den darauf befindlichen physikalischen, chemischen oder biologischen Strukturen hängt von der Kombination der Materialien, der Dichte und Umgebung der Strukturen, ihren Absorptions- und Emissionsspektren, ihrer physikalischen und / oder chemischen Kopplung, ihrem relativen Abstand, ihrem Abstand von der Trägeroberfläche und von dem Zeitablauf der Anregung ab.The basic principle of the invention is that in metallic or semiconducting nanostructures (FIG. 1) plasmons are generated locally on a carrier by electrical or electromagnetic excitation, which as a result of an energy and / or electron transfer into the physical, chemical or biological structures in these structures trigger changes. The type and strength of the interactions between the nanostructures and the physical, chemical or biological structures on them depends on the combination of the materials, the density and environment of the structures, their absorption and emission spectra, their physical and / or chemical coupling, their relative distance, their distance from the carrier surface and the timing of the excitation.
In einer bevorzugten Ausführung werden die Plasmonen von auf einem Träger aufgebrachten Nanostrukturen optisch angeregt. Die Anregung erfolgt, wenn sowohl Energie als auch Impuls des einfallenden Lichtfeldes mit dem der Plasmonen übereinstimmt (Resonanz). Eine selektive Anregung der Plasmonenresonanz einer bestimmten Gruppe von Nanostrukturen kann somit sowohl mit Hilfe der Variation der Wellenlänge (Energie), des Einfallwinkels (Impuls), der Polarisation und der Intensität des einfallenden Lichtes erreicht werden.In a preferred embodiment, the plasmons are optically excited by nanostructures applied to a carrier. The excitation occurs when both the energy and the momentum of the incident light field match that of the plasmons (resonance). A selective excitation of the plasmon resonance of a certain group of nanostructures can thus be achieved with the help of the variation of the wavelength (energy), the angle of incidence (pulse), the polarization and the intensity of the incident light.
Besonders gut geeignet zur Anregung von Plasmonen sind Lasersysteme, die Femtosekunden-Pulse (fs-Pulse) erzeugen können. Ein fs-Puls ist zeitlich kürzer als die typischen Schwingungsperioden molekularer Anregungen, und er verursacht zugleich eine praktisch zeitlich unverzögerte Initialisierung vibronischer Kernbewegung im Molekül. Ein fs-Puls führt auf Grund seiner relativ großen spektralen Breite zu einer Überlagerung von vielen synchronen Schwingungen in Phase im angeregten Zustand. Dies wird erfindungsgemäß dazu genutzt, um eine synchrone und effektive Elektronen- und / oder Energieübertragung auf die darauf befindlichen Strukturen zu initiieren. Ultrakurze Lichtimpulse mit zeitlichen Dauern von 10 bis 100 fs besitzen spektrale Breiten von 10 - 100 meV und lassen sich somit spektral an die Plasmonresonanzen anpassen. Dieses ermöglicht eine impulsive Anregung vibronischer Kernbewegungen im Molekül, wodurch durch Wahl der Amplituden-, Farben- und Phasenzusammensetzung des Lichtimpulses die Dynamik der Kernbewegung in gewissen Grenzen kontrolliert werden kann. Hieraus ergeben sich Möglichkeiten zur kohärenten Kontrolle photochemischer Elementarreaktionen, sowohl in elektronisch angeregten Zuständen im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich (A. Assion et al., Science 282, 919 (1998)) wie auch für Reaktionen im elektronischen Grundzustand bei Anregung mit ultrakurzen Infrarot-Impulsen im Spektralbereich zwischen 500 und 4000 cm"1 (T. Witte et al., J. Chem. Phys. 118, 2021 (2003)).Laser systems which can generate femtosecond pulses (fs pulses) are particularly well suited for the excitation of plasmons. An fs pulse is shorter in time than the typical oscillation periods of molecular excitations, and at the same time it causes a practically instantaneous initialization of vibronic core movement in the molecule. Because of its relatively large spectral width, an fs pulse leads to a superposition of many synchronous oscillations in phase in the excited state. This is used according to the invention to initiate a synchronous and effective electron and / or energy transfer to the structures located thereon. Ultrashort light pulses with time durations of 10 to 100 fs have spectral widths of 10 - 100 meV and can therefore be spectrally adjusted to the plasmon resonances. This enables an impulsive excitation of vibronic core movements in the molecule, whereby the dynamics of the core movement can be controlled within certain limits by choosing the amplitude, color and phase composition of the light pulse. This results in possibilities for the coherent control of elementary photochemical reactions, both in electronically excited states in the visible and ultraviolet Spectral range (A. Assion et al., Science 282, 919 (1998)) as well as for reactions in the electronic ground state when excited with ultrashort infrared pulses in the spectral range between 500 and 4000 cm "1 (T. Witte et al., J. Chem. Phys. 118, 2021 (2003)).
Der Energie- und / oder Elektronentransfer aus den angeregten Nanostrukturen an die darauf befindlichen physikalischen, chemischen und/oder biochemischen Strukturen kann nach unterschiedlichen Mechanismen stattfinden. Das Plasmon kann unter Aussendung eines Photons zerfallen, das in Resonanz mit einer Absorptionslinie im Spektrum der darauf befindlichen Struktur ist und daher absorbiert wird (Strahlungskopplung). Bei entsprechendem Abstand kann auch durch eine Nahfeldkopplung (Förster-Transfer) Energie übertragen werden. Eine andere Möglichkeit stellt nach der Anregung der Nanostrukturen ein Elektronentransfer auf die daran befindlichen Strukturen dar. Der grundlegende Mechanismus für den optisch induzierten Elektronentransfer wird z.B. bei D.S. Ginger in Physical Rev. B Vol. 59, Nr 16, 10622-29: „Photoinduced electron transfer from conjugated polymers to CdSe nanocrystals" in umgekehrter Richtung beschrieben.The energy and / or electron transfer from the excited nanostructures to the physical, chemical and / or biochemical structures located on them can take place according to different mechanisms. The plasmon can decay by emitting a photon that is in resonance with an absorption line in the spectrum of the structure on it and is therefore absorbed (radiation coupling). If the distance is appropriate, energy can also be transmitted using a near-field coupling (Förster transfer). Another possibility is the excitation of the nanostructures by electron transfer to the structures on them. The basic mechanism for optically induced electron transfer is e.g. at D.S. Ginger in Physical Rev. B Vol. 59, No. 16, 10622-29: "Photoinduced electron transfer from conjugated polymers to CdSe nanocrystals" in the reverse direction.
Das räumliche Muster, d.h. die Positionen der Nanostrukturen, an denen die optische Anregung erfolgen und von denen ausgehend der Energie- und / oder Elektronentransfer stattfinden soll, können erfindungsgemäß prinzipiell durch zwei verschiedene Methoden definiert werden.The spatial pattern, i.e. the positions of the nanostructures at which the optical excitation takes place and from which the energy and / or electron transfer is to take place can in principle be defined according to the invention by two different methods.
In der ersten Ausführungsvariante können die Plasmonen von ausgewählten Nanostrukturen räumlich aufgelöst angeregt werden. Das kann beispielsweise durch die Verwendung von Photomasken erreicht werden, die einzelne Trägerbereiche abdecken und nur die Nanostrukturen für das einfallende Licht offen lassen, an denen bei der Bestrahlung der Energie- und / oder Elektronentransfer erfolgen und die darauf folgende Reaktion stattfinden soll. Ein serielles Bestrahlung und damit eine Anregung von Trägerbereichen mit einem Laserschreiber, analog zu einem Laserdrucker bzw. Scanner ist ebenfalls möglich und wird von der Erfindungen umfasst.In the first embodiment variant, the plasmons of selected nanostructures can be excited in a spatially resolved manner. This can be achieved, for example, by using photomasks which cover individual carrier regions and only leave the nanostructures open to the incident light, on which the energy and / or electron transfer takes place during the irradiation and the subsequent reaction is to take place. A serial radiation and Excitation of carrier areas with a laser writer, analogous to a laser printer or scanner, is also possible and is covered by the inventions.
In der zweiten Ausführungsvariante wird die gesamte Trägeroberfläche gleichmäßig und gleichzeitig bestrahlt. Zur variablen, selektiven, ortsaufgelösten Anregung ausgewählter Nanostrukturen und somit zur Erzeugung des gewünschten Musters werden nunmehr die intrinsisch beim Design der Träger vorgebbaren Eigenschaften der Nanostrukturen ausgenutzt. Durch die Wahl der Materialien, Größe, Form, Anordnung und Umgebung einzelner Nanostrukturen oder Gruppen können ihre Anregungswellenlänge, Anregungsdauer, Anregungspolarisation und/oder -Intensität vorgegeben werden. Diese hochspezifischen spektralen Eigenschaften der Nanostrukturen in Verbindung mit dem Design ihrer Anordnung auf einem Träger und den darauf befindlichen physikalischen, chemischen oder biologischen Strukturen ermöglichen eine ortsspezifische optische Anregung, definiert durch die Wahl der Anregungsparameter wie Farbe, spektrale Bandbreite, Intensität, Polarisation oder Einfallswinkel des Lichts, und ersetzen somit eine oder mehrere Masken. Mit dieser zweiten Methode lassen sich somit variable Muster von Nanostrukturen selektiv und ortsaufgelöst anregen. Bei dieser Ausführung werden vor der Bestrahlung Spektren für die entsprechenden Nanostrukturen auf dem Träger ermittelt. Alternativ können die beschichtete Nanostrukturen passend zu den entsprechenden vorher festgelegten Spektren maßgeschneidert angefertigt werden.In the second embodiment variant, the entire carrier surface is irradiated uniformly and simultaneously. For variable, selective, spatially resolved excitation of selected nanostructures and thus for the generation of the desired pattern, the properties of the nanostructures which can be predetermined intrinsically during the design of the carrier are now used. The excitation wavelength, excitation duration, excitation polarization and / or intensity can be specified by the choice of materials, size, shape, arrangement and environment of individual nanostructures or groups. These highly specific spectral properties of the nanostructures in connection with the design of their arrangement on a support and the physical, chemical or biological structures on them enable site-specific optical excitation, defined by the choice of excitation parameters such as color, spectral bandwidth, intensity, polarization or angle of incidence of the Light, and thus replace one or more masks. With this second method, variable patterns of nanostructures can be selectively and spatially resolved. In this embodiment, spectra for the corresponding nanostructures are determined on the carrier before the irradiation. Alternatively, the coated nanostructures can be custom-made to match the corresponding spectra previously defined.
Zur Korrelation zwischen den physikalischen Eigenschaften der Nanostrukturen und deren spezifischen Anregungsspektren wird auf folgende Artikel verwiesen: B. Palpant, Physical Review B, Vol 57, Nr 3, S. 1963-1970, „Optical properties of gold clusters in the size ränge 2-4 nm"; M. Gaudry, Physical Review B, Vol 64, 085407-1 -7, „Optical properties of Au/Ag-clusters embedded in aluminia: Evolution with size and stoichiometry"; Steven R. EmoiN, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 8009-8010, "Direct observation of Size-Dependend Optical Enhancment in Single Metal Nanoparticles". Der Vorteil dieser Ausführungsvariante besteht darin, dass bei jedem Reaktionsschritt die gesamte Träger- Oberfläche bestrahlt werden kann. Eine Plasmonenanregung und ein Energie- und / oder Elektronentransfer erfolgt nur an den Nanostrukturen, die entsprechende Spektren aufweisen, die übrigen Nanostrukturen bleiben unverändert. Auf diese Weise kann auf aufwändige Photomasken ganz oder teilweise verzichtet werden.For the correlation between the physical properties of the nanostructures and their specific excitation spectra, reference is made to the following articles: B. Palpant, Physical Review B, Vol 57, No. 3, pp. 1963-1970, “Optical properties of gold clusters in the size ranks 2- 4 nm "; M. Gaudry, Physical Review B, Vol 64, 085407-1 -7," Optical properties of Au / Ag-clusters embedded in aluminum: Evolution with size and stoichiometry "; Steven R. EmoiN, J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 8009-8010," Direct observation of Size-Dependend Optical Enhancment in Single Metal Nanoparticles ". The advantage of this embodiment variant is that the entire carrier surface can be irradiated in each reaction step. Plasmon excitation and energy and / or electron transfer only take place on the nanostructures which have the corresponding spectra, the other nanostructures remain unchanged In this way, complex photomasks can be dispensed with in whole or in part.
Die beiden oben beschriebenen Möglichkeiten der gezielten Anregung ausgewählter Nanostrukturen können erfindungsgemäß kombiniert werden. Dadurch erhöht sich die mögliche Variationsbreite der herzustellenden Muster auf der Träger-Oberfläche erheblich.The two possibilities described above for the targeted excitation of selected nanostructures can be combined according to the invention. This considerably increases the possible range of variation of the patterns to be produced on the carrier surface.
Die Anregung der Plasmonen in den Nanostrukturen kann auch elektrisch erfolgen. In diesem Fall muss der Träger oder darauf aufgebrachte Strukturen aus einem elektrisch leitenden Material sein. Die Nanostrukturen sollten vorteilhafterweise elektrisch in einer Weise isoliert sein, dass kein Elektronentransport oder nur ein Elektronentransport durch Elektronentunnel in der Isolationschicht stattfindet. Dies kann dadurch erreicht werden, dass auf einen isolierenden Träger eine leitende Schicht, gefolgt von einer wenige Nanometer dicken Isolatorschicht aufgebracht wird. Auf diesem Sandwich können die metallischen oder halbleitenden Nanostrukturen erzeugt werden. Eine elektrische Potentialdifferenz zwischen leitender Unterschicht und Nanostrukturen - etwa als Potentialdifferenz zwischen Grundelektrode und einem die Strukturen bedeckenden Elektrolyten - ermöglicht die Anregung von Plasmonen in den Nanostrukturen mittels durch die Isolatorschicht tunnelnder Elektronen. Bei einer bevorzugten Ausführung kann die lokalisierte elektrische Anregung dadurch erfolgen, dass die leitende Unterlage strukturiert auf einem geeignet modifizierten Halbleiterchip, z.B. einem SRAM-Chip (Static Random Access Memory) aufgebracht wird, so dass wohl definiert lokale Bereiche von wenigen Mikrometern Ausdehnung spezifisch mit einer geeigneten Spannung belegt werden können. Die Kombination der beiden Anregungsmechanismen - optische und elektronische Anregung der Plasmonen an den Nanostrukturen - ist möglich und ist Teil der Erfindung.The plasmons in the nanostructures can also be excited electrically. In this case, the carrier or structures applied to it must be made of an electrically conductive material. The nanostructures should advantageously be electrically insulated in such a way that there is no electron transport or only electron transport through electron tunnels in the insulation layer. This can be achieved by applying a conductive layer to an insulating carrier, followed by an insulator layer a few nanometers thick. The metallic or semiconducting nanostructures can be produced on this sandwich. An electrical potential difference between the conductive lower layer and the nanostructures - for example as the potential difference between the base electrode and an electrolyte covering the structures - enables the excitation of plasmons in the nanostructures by means of electrons tunneling through the insulator layer. In a preferred embodiment, the localized electrical excitation can take place in that the conductive substrate is applied in a structured manner to a suitably modified semiconductor chip, for example an SRAM chip (Static Random Access Memory), so that well-defined local areas of a few micrometers in size are specifically defined suitable voltage can be assigned. The combination of the two excitation mechanisms - optical and electronic excitation of the plasmons at the nanostructures - is possible and is part of the invention.
Auch andere aus der Physik bekannten Anregungs- und Transfermechanismen sind möglich, z.B. der Einsatz von Elektronenstrahlen, Tunnel- und Kraftmikroskopen, und werden von der Erfindung umfasst.Other excitation and transfer mechanisms known from physics are also possible, e.g. the use of electron beams, tunnel and force microscopes, and are encompassed by the invention.
Als Materialien für die Nanostrukturen verwendet man vorteilhaft Metalle, Legierungen oder Halbleiterstrukturen. Besonders bevorzugt werden Nanostrukturen aus Gold, Silber, Gallium-Arsenid (GaAs) oder anderen aus der Physik der Quantendots bekannten Materialien hergestellt. Eine Kombination von verschiedenen Materialien für Nanostrukturen ist ebenso möglich, diese wird jedoch eventuell durch die verwendeten Fertigungsprozesse beschränkt.Metals, alloys or semiconductor structures are advantageously used as materials for the nanostructures. Nanostructures made of gold, silver, gallium arsenide (GaAs) or other materials known from the physics of quantum dots are particularly preferably produced. A combination of different materials for nanostructures is also possible, but this may be limited by the manufacturing processes used.
Erfindungsgemäß weisen die auf den Träger aufgebrachten Nanostrukturen Dimensionen im sub-Mikrometer-Bereich auf, bevorzugt kleiner als 200 nm. Dabei ist zu berücksichtigen, dass bei sphärischen Nanostrukturen die Intensität des lokalen elektrischen Feldes proportional zum Quadrat des Volumens der Nanostruktur ist. Daher sind speziell Nanostrukturen mit Abmessungen im Bereich von 2 bis 100 nm bevorzugt, da sie zum einen eine Lokalisierung des Feldes auf Dimensionen weit unterhalb der Wellenlänge des Lichtes ermöglichen und zum anderen eine hinreichend hohe Feldintensität gewährleisten. Die Abstände zwischen einzelnen Nanostrukturen sind variierbar und ein möglicher Parameter beim Design der Trägerstrukturen zur Anpassung der Kopplungsparameter für die Wechselwirkungen zwischen den Nanostrukturen und den darauf befindlichen physikalischen, chemischen und/oder biologischen Strukturen.According to the invention, the nanostructures applied to the carrier have dimensions in the sub-micrometer range, preferably less than 200 nm. It must be taken into account here that with spherical nanostructures the intensity of the local electric field is proportional to the square of the volume of the nanostructure. Therefore, nanostructures with dimensions in the range from 2 to 100 nm are particularly preferred because, on the one hand, they allow the field to be localized to dimensions far below the wavelength of the light and, on the other hand, they ensure a sufficiently high field intensity. The distances between individual nanostructures can be varied and are a possible parameter in the design of the support structures for adapting the coupling parameters for the interactions between the nanostructures and the physical, chemical and / or biological structures located thereon.
In einer besonders bevorzugten Ausführung weisen die Nanostrukturen auf einem Träger unterschiedliche Formen auf. Sie können z.B. kreisförmig oder elliptisch sein oder eine sonstige geometrische Form aufweisen. Die Form und die Größe der Nanostrukturen sowie das Material bestimmen im Zusammenspiel mit anderen Faktoren die spektralen Eigenschaften der Plasmonen und ihreIn a particularly preferred embodiment, the nanostructures have different shapes on a carrier. You can e.g. be circular or elliptical or have some other geometric shape. The shape and size of the nanostructures and the material, in combination with other factors, determine the spectral properties of the plasmons and their
Wechselwirkungskopplung mit den angebundenen Strukturen.Interaction coupling with the connected structures.
Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der spektralen Variabilität der Plasmonen der Nanostrukturen besteht in der Verwendung spezieller Abstands- und / oder Kopplungselemente und ihrem Abstand für die Nanostruktur zum Träger, bzw. zwischen den Nanostrukturen und zu den darauf befindlichen Strukturen (Fig. 2 und Fig. 3). Hierfür können alle dem Fachmann bekannten Abstandhalter und / oder Kopplungselemente eingesetzt werden. Für Beispiele möglicher Abstand- und/oder Kopplungselemente sowie ihrer Auswirkung auf die dazugehörige Plasmonenspektren wird auf die folgenden Artikel verwiesen: Dustin J. Maxwell, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, S. 9606- 9612, "Self-Assembied Nanoparticle Probes for Recognition and Detection of Biomolecules"; D.S. Ginger, Physical Rev. B, Vol 59, Nr 16, S. 10622-10629, "Photoinduced electron transfer from conjugated polymers to CdSe nanocrystals"; Yun Wei, Science 2002, Vol 297, S. 1536-1540, "Nanoparticles with Raman Spectroscopic Fingerprints for DNA and RNA Detection"; Wensha Yang, Nature materials 2002, Vol 1 , S. 253-257, "DNA-modified nanocrystalline diamond thin-films as stable, biologically active Substrate"; Zhang Lin, Langmuier 2002, 18, S. 788- 796, "DNA Attachment and Hybridization at Silicon (100) Surface". Die verwendeten Abstands- und/oder Kopplungsstrukturen zwischen dem Träger, den Nanostrukturen und den an diese darauf befindlichen physikalischen, chemischen und / oder biologischen Strukturen fungiert somit nicht nur als verbindendes Element, sondern moduliert außerdem die Wechselwirkungen zwischen der angeregten Nanostrukur und den aufgebrachten bzw. synthetisierten physikalischen, chemischen und / oder biologischen Strukturen und die Anregungseigenschaften der Strukturen.Another way to increase the spectral variability of the plasmons of the nanostructures is to use special spacing and / or coupling elements and their spacing for the nanostructure from the carrier, or between the nanostructures and the structures on them (Fig. 2 and Fig. 3). All spacers and / or coupling elements known to the person skilled in the art can be used for this. For examples of possible spacing and / or coupling elements and their effect on the associated plasmon spectra, reference is made to the following articles: Dustin J. Maxwell, J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, pp. 9606-9612, "Self-Assembled Nanoparticle Probes for Recognition and Detection of Biomolecules"; DS Ginger, Physical Rev. B, Vol 59, No. 16, pp. 10622-10629, "Photoinduced electron transfer from conjugated polymers to CdSe nanocrystals"; Yun Wei, Science 2002, Vol 297, pp. 1536-1540, "Nanoparticles with Raman Spectroscopic Fingerprints for DNA and RNA Detection"; Wensha Yang, Nature materials 2002, Vol 1, pp. 253-257, "DNA-modified nanocrystalline diamond thin-films as stable, biologically active substrates"; Zhang Lin, Langmuier 2002, 18, pp. 788- 796, "DNA Attachment and Hybridization at Silicon (100) Surface". The spacing and / or coupling structures used between the carrier, the nanostructures and the physical, chemical and / or biological structures thereon not only function as a connecting element, but also modulate the interactions between the excited nanostructure and the applied or synthesized physical, chemical and / or biological structures and the excitation properties of the structures.
Zur Erzeugung der Nanostrukturen auf der Träger-Oberfläche können alle aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren verwendet werden. Dabei können je nach Größe der Strukturen entweder konventionelle, aus der Halbleiterfertigung abgeleitete Techniken wie z.B. Elektronenstrahllithographie und reaktives oder physikalisches lonenätzen, oder neue selbstorganisierende chemische Oberflächenstrukturierungsmethoden verwendet werden. Auch ist es möglich, dass durch sog. Stempeltechniken spezifische Bindungsstellen für kolloidale Partikel entsprechender Größe, die die Funktion der beschriebenen Nanostrukturen übernehmen, erzeugt werden.All methods known from the prior art can be used to generate the nanostructures on the carrier surface. Depending on the size of the structures, either conventional techniques derived from semiconductor manufacturing, such as Electron beam lithography and reactive or physical ion etching, or new self-organizing chemical surface structuring methods can be used. It is also possible for so-called stamping techniques to generate specific binding sites for colloidal particles of corresponding size, which take over the function of the described nanostructures.
Der Energie- und / oder Elektronentransfer kann erfindungsgemäß nicht nur an den oben beschriebenen über die Träger-Oberfläche erhobenen Nanostrukturen erfolgen. Alternativ können zu diesem Zweck auch entsprechende Strukturen in einem Trägermaterial versenkt bzw. in Form von Vertiefungen bzw. Löchern auf der Träger-Oberfläche vorhanden sein. Auch in diesem Fall weisen diese Strukturen Dimensionen im Nanometer-Bereich auf, bevorzugt unterhalb der anregenden Wellenlänge. Zu Oberflächenplasmonen an eingesenkten Strukturen wird auf den folgenden Artikel verwiesen: L. Martin-Moreno et al., Phys. Rev. Lett. 2001 , Vol. 86, 6, S. 11 14-1117 „Theory of extraordinary optical transmission through subwavelength hole arrays". Als Träger können erfindungsgemäß unterschiedliche Materialien verwendet werden (Fig. 4). Im Falle einer optischen Anregung werden bevorzugt dielektrische Materialien wie Glas, Kunststoffe, Siliziumoxid und Keramik eingesetzt. Bei einer elektrischen Anregung muss der Träger zumindest zum Teil aus leitfähigen Strukturen bestehen. Schichten und Strukturen aus Metalloxiden können hierbei als Isolatoren benutzt werden. Beispiele aus der Halbleitertechnik sind hierfür hinlänglich bekannt.The energy and / or electron transfer can, according to the invention, not only take place on the above-described nanostructures raised over the carrier surface. As an alternative, corresponding structures can also be sunk in a carrier material for this purpose or be present in the form of depressions or holes on the carrier surface. In this case, too, these structures have dimensions in the nanometer range, preferably below the exciting wavelength. For surface plasmons on depressed structures, reference is made to the following article: L. Martin-Moreno et al., Phys. Rev. Lett. 2001, Vol. 86, 6, p. 11 14-1117 "Theory of extraordinary optical transmission through subwavelength hole arrays". According to the invention, different materials can be used as supports (FIG. 4). In the case of optical excitation, dielectric materials such as glass, plastics, silicon oxide and ceramic are preferably used. In the case of electrical excitation, the carrier must at least partially consist of conductive structures. Layers and structures made of metal oxides can be used as insulators. Examples from semiconductor technology are well known for this.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante verwendet man für den Träger ein für das Licht transparentes Material. Ein Beispiel eines solchen Trägers kann ein gewöhnlicher Objektträger aus Glas sein. Fig. 5 stellt ein Beispiel eines als Träger verwendbaren, in acht Bereiche (1 bis 8) unterteilten Objektträgers dar, wobei einzelne dieser Bereiche in vier unterschiedlichen Ebenen weiter unterteilt werden können (Fig. 6). Im Fall eines transparenten Trägermaterials können die Nanostrukturen auch von der unteren, von den Nanostrukturen weg gerichteten Seite angeregt werden. Der besondere Vorteil liegt hierbei in der Verwendung einer Anregung unter totalen Reflexionsbedingungen an der oberen Grenzfläche des Trägers, die nur Anregungen sehr nahe an dieser Oberfläche zulassen, wie sie z.B. von Stout A.L. und Axelrod D.: in „Evanescent field excitation of fluorescence by epi-illumination microscopy, Applied Optics Vol.28, pp. 5237-5242 (1989) beschrieben wurden, wodurch eine Durchstrahlung der weiteren Umgebung, z.B. der in Lösung befindlichen Reagenzien nicht stattfindet. Die Reflexionsbedingungen werden dafür durch das Gesetz von Snell beschrieben:
Figure imgf000014_0001
mit dem Brechungsindex n-iund ß: dem Winkel zur Oberflächennormalen im Medium n2.
In a preferred embodiment variant, a material that is transparent to the light is used for the carrier. An example of such a slide can be an ordinary glass slide. FIG. 5 shows an example of a slide which can be used as a carrier and is subdivided into eight regions (1 to 8), it being possible for individual of these regions to be subdivided further into four different levels (FIG. 6). In the case of a transparent carrier material, the nanostructures can also be excited from the lower side facing away from the nanostructures. The particular advantage here lies in the use of an excitation under total reflection conditions at the upper boundary surface of the support, which only allow excitations very close to this surface, such as those from Stout AL and Axelrod D .: in “Evanescent field excitation of fluorescence by epi -illumination microscopy, Applied Optics Vol.28, pp. 5237-5242 (1989) have been described, as a result of which there is no radiation of the wider environment, for example the reagents in solution. The conditions of reflection are described by Snell's law:
Figure imgf000014_0001
with the refractive index n-i and ß: the angle to the surface normal in the medium n 2 .
Erfindungsgemäß können über die zur Lokalisierung und als Antenne benutzten Nanostrukturen beliebige Reaktionen hervorgerufen werden, die durch einen Energie- und / oder Elektronentransfer induziert werden können. Besonders bevorzugt werden chemische und/oder biochemische Reaktionen wie Synthese, Spaltung, Ankopplung von Funktionsgruppen, Isomerisierung, Konformationsänderung, enzymatische oder Bindungsreaktionen u. a. durchgeführt. Die oben genannten auf den Nanostrukturen befindlichen physikalischen, chemischen oder biologischen Strukturen können beispielsweise Reaktanden bzw. molekulare Bestandteile sein, die an der gewünschten Reaktion teilnehmen sollen. Alternativ können an die Nanostrukturen als Katalysatoren wirkende Moleküle, wie beispielsweise Enzyme, angekoppelt sein, die mit den Reaktanden aus der Umgebung wechselwirken und chemische Reaktion katalysieren.According to the invention, any reactions can be produced via the nanostructures used for localization and as an antenna, which can be induced by an energy and / or electron transfer. Chemical and / or biochemical reactions such as synthesis, cleavage, coupling of functional groups, isomerization, conformational change, enzymatic or binding reactions, etc., are particularly preferably carried out. The physical, chemical or biological structures mentioned above on the nanostructures can be, for example, reactants or molecular constituents which are to take part in the desired reaction. Alternatively, molecules acting as catalysts, such as enzymes, can be coupled to the nanostructures, which interact with the reactants from the environment and catalyze the chemical reaction.
In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung werden an den Nanostrukturen Polymerverbindungen synthetisiert, im Speziellen handelt es sich dabei um eine ortsaufgelöste Synthese aus Monomeren wie z.B. Nukleotiden, Aminosäuren, Zuckereinheiten sowie aus anderen molekularen Bestandteilen zur Herstellung von Microarrays chemischer Verbindungen. Mit diesem Verfahren lassen sich polymere Verbindungen wie DNA, RNA, Aptamere und ihre Derivate wie PNA oder thioRNA, Peptide, Proteine, komplexe Kohlenhydrate, sowie weitere chemische Verbindungen ortsaufgelöst herstellen.In a particularly preferred embodiment of the invention, polymer compounds are synthesized on the nanostructures, in particular it is a spatially resolved synthesis from monomers such as e.g. Nucleotides, amino acids, sugar units and other molecular components for the production of microarrays of chemical compounds. With this method, polymeric compounds such as DNA, RNA, aptamers and their derivatives such as PNA or thioRNA, peptides, proteins, complex carbohydrates and other chemical compounds can be produced in a spatially resolved manner.
Als Beispiel sei an dieser Stelle auf die Synthese von Oligonukleotidsequenzen eingegangen (Fig. 7). Hierzu kann die Ankopplung der einzelnen Nukleotide nach dem klassischen Verfahren erfolgen, bei dem vor jedem Synthese-Schritt die Schutzgruppen entfernt werden müssen. Erfindungsgemäß wird jedoch die ortspezifische Abspaltung der Schutzgruppen durch den Energie- und / oder Elektronentransfer aus den Nanostrukturen an die Startsequenzen bzw. an die bereits synthetisierten Sequenzen induziert. Nach einer Anlagerung eines Nukleotids oder einer Nukleotidsequenz an die entschützten Sequenzen wiederholt sich die Abfolge.As an example, the synthesis of oligonucleotide sequences will be dealt with here (FIG. 7). For this purpose, the coupling of the individual nucleotides can take place according to the classic method, in which the protective groups have to be removed before each synthesis step. According to the invention, however, the site-specific cleavage of the protective groups is induced by the energy and / or electron transfer from the nanostructures to the start sequences or to the sequences already synthesized. After a The sequence repeats the attachment of a nucleotide or a nucleotide sequence to the deprotected sequences.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Molekül- Arrays können vorteilhaft für analytische Zwecke verwendet werden. Die Anwendungsgebiete für derart hergestellte Arrays umfassen eine Vielzahl von Untersuchungen in der medizinischen und/oder veterinärmedizinischen Diagnostik, Arzneimittel-Entwicklung,The molecular arrays produced by the method according to the invention can advantageously be used for analytical purposes. The fields of application for arrays produced in this way include a large number of investigations in medical and / or veterinary diagnostics, drug development,
Qualitätskontrolle biologischer Agenzien, Forensik, der Untersuchung von Pflanzenmetaboliten, Analytik im Rahmen des Umweltschutzes, Forschung und Entwicklung u. a..Quality control of biological agents, forensics, the investigation of plant metabolites, analysis in the context of environmental protection, research and development and the like. a ..
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auch im Bereich Sensorik einsetzen. Die in einer zu untersuchenden Probe vorhandenen Ausgangsstoffe beinflussen dabei die spektralen Eigenschaften der Nanostrukturen, das Emissionsspektrum, also die Farbe und/oder spektrale Bandbreite oder ihre Leuchtintensität. Eine induzierte Ankopplung von Probeelementen oder eine durch eine durch die Probeteilchen induzierte Reaktion - wie Abspaltung von Gruppen, Änderung der Oberflächenladung - kann hierfür ein Auslöser sein.The method according to the invention can also be used in the field of sensors. The starting materials present in a sample to be examined influence the spectral properties of the nanostructures, the emission spectrum, that is to say the color and / or spectral bandwidth or their luminous intensity. An induced coupling of sample elements or a reaction induced by the sample particles - such as splitting off groups, changing the surface charge - can be a trigger for this.
Auch Anwendungen in Bereichen außerhalb der Microarray-Technologie sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung. So können beispielsweise gezielt angeregte Plasmonen von Nanostrukturen dazu genutzt werden, angekoppelte Chromophore ortselektiv zu aktivieren. Durch die Auswahl des Chromophors kann der Emissionswellenlängenbereich und somit die Farbenvariation festgelegt werden. Dies kann eine Anwendung im Bereich der organischen Leuchtdioden (LED) finden, deren Einsatz in der modernen Display-Technologie, als optische Datenspeicher oder auch als Anzeiger einer Reaktion, eines Zustandes - z.B. pH-Wert einer Lösung oder eines Gefahren Stoffes liegt. Außer zur Durchführung chemischer oder biochemischer Reaktionen kann das beschriebene Verfahren dazu genutzt werden, um Elektronen von den Nanostrukturen mittels Elektroden in eine nachgeschaltete Elektronik abzuleiten. Damit können einzelne Nanostrukturen als eine Art Schalter bzw. ein Muster von Nanostrukturen als Schalterarray in der molekularen Elektronik verwendet werden. Die auf die Nanostrukturen aufgebrachten biochemischen, physikalischen oder chemischen Strukturen können als passive Verzögerungsglieder oder als Dämpf ungsterme oder aber auch als aktive Elemente, also als Elektronenquelle oder Leitung benutzt werden.Applications in areas outside of microarray technology are also the subject of the present invention. For example, specifically stimulated plasmons from nanostructures can be used to selectively activate coupled chromophores. By selecting the chromophore, the emission wavelength range and thus the color variation can be determined. This can be used in the field of organic light-emitting diodes (LED), which are used in modern display technology, as optical data storage or as an indicator of a reaction, a condition - e.g. pH value of a solution or a hazardous substance. In addition to carrying out chemical or biochemical reactions, the described method can be used to derive electrons from the nanostructures by means of electrodes into a downstream electronics. Individual nanostructures can thus be used as a type of switch or a pattern of nanostructures as a switch array in molecular electronics. The biochemical, physical or chemical structures applied to the nanostructures can be used as passive delay elements or as damping elements or else as active elements, that is to say as an electron source or line.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Abbildungen und Ausführungsbeispiele erläutert.The invention is explained below with reference to the figures and exemplary embodiments.
In den Zeichnungen zeigen:The drawings show:
Fig.1 : Schematische Darstellung von Metall- / Halbleiter-Fig. 1: Schematic representation of metal / semiconductor
Nanostrukturen. Die spezifischen Eigenschaften der Nanostrukturen sind durch das Material, ihre äußere Form und Größe sowie durch die Kopplung mit der Umgebung gegeben. Etwaige Materialunterschiede sind hier durch die unterschiedlichen Schraffierungen angedeutet.Nanostructures. The specific properties of the nanostructures are given by the material, their external shape and size as well as by the coupling with the environment. Any differences in material are indicated here by the different hatching.
Fig. 2: Schematische Darstellung von Metall- / Halbleiter- Nanostrukturen mit aufgebrachten molekularenFig. 2: Schematic representation of metal / semiconductor nanostructures with applied molecular
Abstandshaltern (Rechtecke) und darauf befindlichen physikalischen, chemischen oder biochemischen StrukturenSpacers (rectangles) and physical, chemical or biochemical structures on them
(Kreise).(Circles).
Fig. 3: Schematische Darstellung von verschiedenenFig. 3: Schematic representation of various
Kombinationen von Metall- / Halbleiter-Nanostrukturen mit aufgebrachten molekularen Abstandshaltern (Rechtecke) und darauf befindlichen physikalischen, chemischen oder biochemischen Strukturen (Kreise).Combinations of metal / semiconductor nanostructures with attached molecular spacers (rectangles) and physical, chemical or biochemical structures (circles) on it.
Fig. 4: Schematische Darstellung von verschiedenen Kombinationen von Metall- / Halbleiter-Nanostrukturen mit aufgebrachten molekularen Abstandshaltern (Rechtecke) und darauf befindlichen physikalischen, chemischen oder biochemischen Strukturen (Kreise), aufgebracht auf verschiedene Trägermaterialien, die durch die unterschiedlichen Schraffierungen angedeutet sind.Fig. 4: Schematic representation of various combinations of metal / semiconductor nanostructures with applied molecular spacers (rectangles) and physical, chemical or biochemical structures (circles) located thereon, applied to different carrier materials, which are indicated by the different hatching.
Fig. 5: Exemplarische schematische Darstellung einesFig. 5: Exemplary schematic representation of a
Objektträgers, der als Träger für eine Herstellung von Mustern von physikalischen, chemischen oder biochemischen Strukturen geeignet ist.Slide which is suitable as a support for the production of samples of physical, chemical or biochemical structures.
Fig. 6: Exemplarische Darstellung eines Trägers mit unterschiedlichen Auflösungsebenen mit einem schematischen Aufbau von Nanostrukturen.Fig. 6: Exemplary representation of a carrier with different resolution levels with a schematic structure of nanostructures.
Fig. 7: Exemplarisches Beispiel einer Oligonukleitid-Synthese auf einer Nanostruktur induziert anhand der spezifischen Anregung ihres Plasmonenspektrums.7: Exemplary example of an oligonucleotide synthesis on a nanostructure induced on the basis of the specific excitation of its plasmon spectrum.
AusführunqsbeispielWorking Example
Als spezielles Anwendungsbeispiel soll hier die Induktion eines lokalen photochromischen Schaltprozesses diskutiert werden. Photochrome Materialien verändern ihre optischen und / oder elektrischen Eigenschaften bei Lichteinstrahlung und bieten daher Möglichkeiten zur Nutzung als optische Datenspeicher. Dabei kann der Zustand des Datenspeichers z.B. durch die lichtinduzierte Konversion zwischen unterschiedlichen Isomeren eines Moleküls erreicht werden. Speziell optisch bistabile Fulgide (z.B. das Phenyl-Thiophen-Fulgid Ph-T-F, S. Rath et al., J. Lum. 94, 156 (2001 )) sind dabei interessante Kandidaten, da bei ihnen durch Lichteinstrahlung eine Umwandlung zwischen dem farbigen C-Isomer und dem farblosen E-Isomer ermöglicht wird. Während das C-Isomer um 600 nm eine starke Absorptionsbande mit einer Breite von etwa 100 nm und einer optischen Dichte von 0,04 aufweist, zeigt das E-Isomer keine Absorptionsresonanz im sichtbaren Spektralbereich und weist bei 600 nm eine um etwa einen Faktor 10 geringere optische Dichte auf. Das E-Isomer zeigt eine Absorptionsresonanz bei 350 nm. Bei Einstrahlung von UV-Licht wandelt sich das E-Isomer in das C-Isomer um, während die Einstrahlung vom sichtbaren Licht um 600 nm zu einer Photoisomerisierung von C nach E führt. Die Reaktionszeiten für Isomerisierungsreaktionen liegen im Pikosekunden-Bereich und sind im Detail untersucht worden (M. Handschuh et al., J. Phys. Chem. A 101 , 502 (1997). Durch geeignete Impulsfolgen von sichtbaren und UV-Impulsen kann optisch reversibel zwischen C- und E-Isomer geschaltet werden.As a special application example, the induction of a local photochromic switching process will be discussed. Photochromic materials change their optical and / or electrical properties when exposed to light and therefore offer options for use as optical data storage. The state of the data storage device can, for example, be due to the light-induced conversion between different isomers of a molecule can be achieved. Particularly optically bistable fulgides (eg the phenyl-thiophene fulgide Ph-TF, S. Rath et al., J. Lum. 94, 156 (2001)) are interesting candidates because they convert the colored C Isomer and the colorless E isomer is made possible. While the C-isomer around 600 nm has a strong absorption band with a width of about 100 nm and an optical density of 0.04, the E-isomer shows no absorption resonance in the visible spectral range and has a factor of 10 less at 600 nm optical density. The E isomer shows an absorption resonance at 350 nm. Upon exposure to UV light, the E isomer converts to the C isomer, while the irradiation from visible light around 600 nm leads to photoisomerization from C to E. The reaction times for isomerization reactions are in the picosecond range and have been investigated in detail (M. Handschuh et al., J. Phys. Chem. A 101, 502 (1997). By suitable pulse sequences of visible and UV pulses, optically reversible between C and E isomer are switched.
Werden Fulgid-Beschichtungen nun auf einem Träger mit plasmonischen Nanostrukturen aufgebracht, so ermöglicht dies ein räumlich lokales optisches Schalten zwischen C- und E-Isomer. Im vorliegenden Beispiel wurden dabei die plasmonischen Nanostrukturen so gewählt, dass ihre Plasmonresonanzen mit der Absorptionsbande des C-Isomers übereinstimmen. Dieses konnte im vorliegenden Beispiel durch Wahl sphärischer Goldnanopartikel mit einer Größe von etwa 50 nm gewährleistet werden (T. Klar et al., Phys. Rev. Lett. 80, 4249 (1998)). Durch Wahl des Linkermaterials gelingt eine selektive Ankopplung der Moleküle an das Nanopartikel. Gleichzeitig können unerwünschte Sekundärreaktionen, z.B. Fluoreszenzunterdrückung durch Ladungstransfer, vermindert werden. Durch Einstrahlung von UV- Licht werden alle Moleküle im C-Zustand präpariert. Einstrahlung von sichtbaren Lichtimpulsen mit einer Zentralwellenlänge von 600 nm erlaubt eine selektive Anregung der Plasmonresonanz des Nanopartikels. Diese wird in dem vorliegenden Beispiel durch Nahfeld- Strahlungskopplung (Förster-Transfer) an das Molekül übertragen. Damit ergibt sich ein selektives, lokales Schalten der Moleküle, die sich im Nahfeld der resonant angeregten Nanopartikel befinden. Auf Basis dieses Prinzips lassen sich in hoher Dichte vorliegende Einzelmolekülschalter optisch adressieren.If Fulgid coatings are now applied to a carrier with plasmonic nanostructures, this enables spatially local optical switching between the C and E isomers. In the present example, the plasmonic nanostructures were chosen so that their plasmon resonances match the absorption band of the C isomer. This could be ensured in the present example by choosing spherical gold nanoparticles with a size of approximately 50 nm (T. Klar et al., Phys. Rev. Lett. 80, 4249 (1998)). By selecting the linker material, the molecules can be selectively coupled to the nanoparticle. At the same time, undesired secondary reactions, for example fluorescence suppression by charge transfer, can be reduced. All molecules in the C state are prepared by exposure to UV light. Irradiation of visible light pulses with a central wavelength of 600 nm allow selective excitation of the plasmon resonance of the nanoparticle. In the present example, this is transferred to the molecule by near-field radiation coupling (Förster transfer). This results in a selective, local switching of the molecules that are located in the near field of the resonantly excited nanoparticles. Based on this principle, single-molecule switches in high density can be optically addressed.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Anwendungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind viele Abwandlungen möglich, die durch Fachleute erzielbar sind, und damit ebenfalls von der Erfindung umfasst werden. The present invention is not limited to the application examples described above. Rather, many modifications are possible that can be achieved by experts and are therefore also encompassed by the invention.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Erzeugung von Mustern von physikalischen, chemischen und/oder biochemischen Strukturen auf einem Träger mittels eines ortsaufgelösten Transfers von Elektronen und / oder Energie aus den auf dem Träger befindlichen Nanostrukturen, dadurch gekennzeichnet, dass dieser Transfer durch eine selektive Anregung der Plasmonen in den Nanostrukturen induziert wird.1. A method for generating patterns of physical, chemical and / or biochemical structures on a carrier by means of a spatially resolved transfer of electrons and / or energy from the nanostructures located on the carrier, characterized in that this transfer by selective excitation of the plasmons in the nanostructures is induced.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung der Plasmonen elektrisch oder / und mittels einer elektromagnetischen Bestrahlung oder / und mittels einer Elektronenbestrahlung erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the excitation of the plasmons takes place electrically or / and by means of electromagnetic radiation or / and by means of electron radiation.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ortsaufgelöste Transfer von Elektronen und / oder Energie aus den Nanostrukturen durch eine räumlich gezielte Anregung der Plasmonen an den jeweiligen3. The method according to any one of claims 1 to 2, characterized in that the spatially resolved transfer of electrons and / or energy from the nanostructures by spatially targeted excitation of the plasmons at the respective
Nanostrukturen zustande kommt.Nanostructures.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine räumlich gezielte Anregung der Plasmonen der Nanostrukturen durch die Bestrahlung des durch eine Maske teilabgedeckten4. The method according to claim 3, characterized in that a spatially targeted excitation of the plasmons of the nanostructures by irradiation of the partially covered by a mask
Trägers zustande kommt.Carrier comes about.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine räumlich gezielte Anregung der Plasmonen der Nanostrukturen durch die lokalisierte elektrische5. The method according to claim 3 or claim 4, characterized in that a spatially targeted excitation of the plasmons of the nanostructures by the localized electrical
Anregung mittels einer geeigneten Schaltungselektronik erfolgt. Excitation takes place using suitable circuit electronics.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5. dadurch gekennzeichnet, dass eine räumlich gezielte Anregung der Plasmonen der Nanostrukturen durch eine serielle Bestrahlung der Nanosrtukturen zustande kommt.6. The method according to any one of claims 3 to 5, characterized in that a spatially targeted excitation of the plasmons of the nanostructures is achieved by serial irradiation of the nanostructures.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Träger-Oberfläche gleichzeitig bestrahlt wird.7. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the entire carrier surface is irradiated simultaneously.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Position der Nanostruktur auf dem Träger, an der der Transfer von8. The method according to claim 7, characterized in that the position of the nanostructure on the carrier at which the transfer of
Elektronen und / oder Energie erfolgt, durch die spektralen Eigenschaften der jeweiligen Nanostrukturen definiert wird.Electrons and / or energy takes place through which the spectral properties of the respective nanostructures are defined.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die spektralen Eigenschaften der Nanostrukturen durch eine9. The method according to claim 8, characterized in that the spectral properties of the nanostructures by a
Kombination von Materialien, Größe, Form, Anordnung, Ankopplungsart und Umgebung definiert werden.Combination of materials, size, shape, arrangement, coupling type and environment can be defined.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine selektive Anregung der Plasmonen in den Nanostrukturen durch eine geeignete Kombination der Wellenlänge, des Einfallwinkels, der Polarisation, der Anregungsdauer und der Intensität der einfallenden Bestrahlung zustande kommt.10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a selective excitation of the plasmons in the nanostructures is achieved by a suitable combination of the wavelength, the angle of incidence, the polarization, the duration of excitation and the intensity of the incident radiation.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostrukturen zumindest zum Teil aus Metallen, Legierungen oder / und Halbleitermaterial, insbesondere aus Gold, Silber oder / und GaAs bestehen.11. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the nanostructures consist at least in part of metals, alloys and / or semiconductor material, in particular gold, silver or / and GaAs.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanostrukturen Dimensionen kleiner als 1 μm aufweisen, bevorzugt kleiner als 200 nm, insbesondere zwischen 2 nm und 100 nm.12. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the nanostructures have dimensions smaller than 1 μm, preferably less than 200 nm, in particular between 2 nm and 100 nm.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger aus einem für das Licht transparenten Material besteht.13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the carrier consists of a material transparent to the light.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Muster auf einem Träger durch eine Veränderung der physikalischen, chemischen oder biochemischen14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a pattern on a carrier by changing the physical, chemical or biochemical
Strukturen an mindestens einer der Nanostrukturen entsteht und / oder induziert wird.Structures on at least one of the nanostructures are created and / or induced.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Nanostrukturen stattfindenden Veränderung der physikalischen, chemischen und/oder biochemischen Strukturen eine chemische und/oder biochemische Reaktion, insbesondere Synthese, Spaltung, Ankopplung von Funktionsgruppen, Isomerisierung, Konformationsänderung, enzymatische und/oder Bindungsreaktionen, ist.15. The method according to claim 14, characterized in that the change in the physical, chemical and / or biochemical structures taking place on the nanostructures involves a chemical and / or biochemical reaction, in particular synthesis, cleavage, coupling of functional groups, isomerization, conformational change, enzymatic and / or binding reactions.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die chemischen und/oder biochemischen Reaktionen Polymerisationsreaktionen, insbesondere zur Synthese von DNA, RNA, Aptameren und ihren Derivaten wie PNA oder thioRNA,16. The method according to claim 15, characterized in that the chemical and / or biochemical reactions, polymerization reactions, in particular for the synthesis of DNA, RNA, aptamers and their derivatives such as PNA or thioRNA,
Peptiden, Proteinen, komplexen Kohlenhydraten oder weiteren chemischen Verbindungen sind.Peptides, proteins, complex carbohydrates or other chemical compounds.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerisationsreaktionen durch eine Ankopplung einzelner17. The method according to claim 16, characterized in that the polymerization reactions by coupling individual
Bestandteile nach einer durch einen ortsaufgelösten Transfer von Elektronen und / oder Energie induzierten Entfernung von Schutzgruppen stattfindet.Ingredients after a spatially resolved transfer of Electron and / or energy induced removal of protecting groups takes place.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Träger synthetisierte Muster ein18. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the pattern synthesized on the carrier
Array von unterschiedlichen chemischen und / oder biochemischen Verbindungen mit bekannter Zusammensetzung und Lokalisierung bilden.Form an array of different chemical and / or biochemical compounds with known composition and localization.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf dem Träger synthetisierten Muster durch orts- und/oder zeitaufgelösten Plasmonenanregung der Nanostrukturen als aktivierbare Sensoren eingesetzt werden können.19. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the patterns synthesized on the carrier can be used as activatable sensors by means of spatially and / or time-resolved plasmon excitation of the nanostructures.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedliche Emissionsspektren eines Musters physikalischer, chemischer und/oder biochemischer Strukturen durch ortsspezifische Anregung der Plasmonen der unterliegenden Nanostrukturen induziert werden.20. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that different emission spectra of a pattern of physical, chemical and / or biochemical structures are induced by site-specific excitation of the plasmons of the underlying nanostructures.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anregung eines Musters unterschiedlicher physikalischer, chemischer und/oder biochemischer Strukturen als farblich durchstimmbares organisches LED und / oder zum Bau eines Bildschirms eingesetzt werden kann.21. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the excitation of a pattern of different physical, chemical and / or biochemical structures can be used as a color-tunable organic LED and / or for the construction of a screen.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach der selektiven Anregung der22. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that after the selective excitation of the
Plasmonen Elektronen von den Nanostrukturen mittels Elektroden in eine nachgeschaltete Elektronik abgeleitet werden können. Plasmons electrons can be derived from the nanostructures by means of electrodes in a downstream electronics.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Nanostrukturen als Schalter bzw. ein Muster von Nanostrukturen als Schalterarray in der molekularen Elektronik verwendet werden können.23. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that individual nanostructures can be used as switches or a pattern of nanostructures as switch arrays in molecular electronics.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Nanostrukturen aufgebrachten biochemischen, physikalischen und/oder chemischen Strukturen als Elekronenquelle oder Leitung zum Bau von aktiven Elementen, als passive Verzögerungsglieder und/oder als Dämpfungsterme in der molekularen Elektronik verwendet werden können. 24. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the biochemical, physical and / or chemical structures applied to the nanostructures are used as an electron source or line for the construction of active elements, as passive delay elements and / or as attenuation terms in molecular electronics can.
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