DE102005041061A1

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

Info

Publication number: DE102005041061A1
Application number: DE200510041061
Authority: DE
Inventors: Ferdinand Kuehner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2007-03-08

Abstract

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

Description

Hintergrund der Erfindungbackground the invention

Die Erfindung betrifft die Handhabung und Manipulation einzelner, auf einer Oberfläche absorbierter Polymere wie etwa Einzelstrang-DNA, Polysaccharide oder auch synthetisch hergestellte Polymere wie Kunststoff.The Invention relates to the handling and manipulation of individual, on a surface absorbed polymers such as single-stranded DNA, polysaccharides or synthetically produced polymers such as plastic.

Verwandter Stand der Technikrelated State of the art

Die Entwicklung des Rasterkraftmikroskops (AFM, atomic force microscope) hat die Untersuchung und Manipulation auch von elektrisch nichtleitenden Objekten wie beispielsweise Polymeren auf mikroskopischer und nanoskopischer Ebene, d. h. die Untersuchung und Manipulation einzelner Moleküle möglich gemacht. Im Folgenden werden einige zum Verständnis der vorliegenden Erfindung erforderliche Begriffe erläutert.The Development of Atomic Force Microscope (AFM) also has the investigation and manipulation of electrically non-conductive Objects such as polymers on microscopic and nanoscopic Level, d. H. the investigation and manipulation of individual molecules made possible. The following are some to understand the present invention necessary terms explained.

Polymere: Makromoleküle, die aus vielen gleichen oder ähnlichen Bausteinen (Monomeren) aufgebaut sind. Natürlich vorkommende Polymere (Biopolymere) sind z. B. die Proteine und Polysaccharide. Synthetisch hergestellte Polymere sind z. B. viele Kunststoffe. Beispiele für Biopolymere sind insbeondere Einzelstrang-DNA, Polyvinylamin und Polyacrylsäure. Dabei ist entscheidend, dass die Makromoleküle keinen dreidimensionalen Knoll (Tertiärstruktur) ausbilden. Wenn im folgenden von Polymeren die Rede ist, sind jeweils die einzelnen Makromoleküle gemeint.polymers: Macromolecules those of many the same or similar Building blocks (monomers) are constructed. Naturally occurring polymers (biopolymers) are z. The proteins and polysaccharides. Synthetically produced Polymers are z. B. many plastics. Examples of biopolymers are in particular single-stranded DNA, polyvinylamine and polyacrylic acid. there It is crucial that the macromolecules are not three-dimensional Knoll (tertiary structure) form. If in the following of polymers is mentioned, respectively the individual macromolecules meant.

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

Kraftspektroskopie: Für kraftspektroskopische Messungen mittels AFM verwendet man nur einen z-Piezo, dessen Bewegungsrichtung senkrecht zur Probe ist. Die Tastfeder wird zur Probe heruntergefahren und nach einer kurzen Verweildauer wieder entfernt. Besteht eine Wechselwirkung zwischen Spitze und Oberfläche, so wird die Tastfeder ausgelenkt, bis die Kraft, die benötigt wird, die Tastfeder zu verbiegen, die Wechselwirkungskraft übersteigt. Aus dieser Auslenkung kann man nach einer Eichung des Cantilevers die Kraft der Wechselwirkung, beispielsweise eine Absorptionskraft, berechnen.Force spectroscopy: For force spectroscopic Measurements using AFM use only a z-piezo whose direction of motion perpendicular to the sample. The feeler spring shuts down to the sample and removed after a short stay. There is one Interaction between tip and surface, so is the feeler spring deflected until the force needed to bend the feeler spring exceeds the interaction force. From this deflection, one can after a calibration of the cantilever the force of interaction, for example an absorption force, to calculate.

Absorptionskraft: Die Absorptionskraft ist die Kraft, die benötigt wird, um ein Molekül – beispielsweise ein Polymer – von der Probenoberfläche zu trennen und somit in freie Lösung zu überführen.Absorption power: The absorption force is the force needed to make a molecule - for example a polymer - from the sample surface to separate and thus in free solution to convict.

Kovalente Anbindung: Eine kovalente Anbindung durch chemische Molekülbindung ist die stabilste Möglichkeit, ein Polymer an eine Probenoberfläche anzubinden. Die zur Trennung benötigte Kraft liegt bei über 1 nN und ist somit um einen Faktor 10 größer als bei spezifischen Wechselwirkungen wie z. B. der oben genannten Absorptionskraft.covalent Attachment: A covalent attachment through chemical molecular bonding is the most stable way a polymer to a sample surface to tie. The needed for separation Power is above 1 nN and is therefore a factor of 10 larger than for specific interactions such as B. the above absorption force.

Mit Hilfe von Kraftmikroskopen wurden vielfach kraftspektroskopische Messungen an einzelnen Polymeren durchgeführt. Dabei konnten die Absorptionskräfte von verschiedenen Polymeren zu verschiedenen Oberflächen gemessen werden. Es konnte dabei gezeigt werden, dass die Absorptionskraft an der Oberfläche durch chemische Veränderung der Lösungsflüssigkeit oder durch elektrische Potentialveränderung kontrolliert werden kann.With Help from force microscopes were often force-spectroscopic Measurements were carried out on individual polymers. The absorption forces of different polymers are measured to different surfaces. It could be shown that the absorption force at the surface by chemical change the dissolving liquid or controlled by electrical potential change can.

In jüngerer Zeit konnte gezeigt werden, dass es mit kraftmikroskopischen Techniken möglich ist, einzelne Polymere an Grenzflächen zu manipulieren. Insbesondere ist es gelungen, die Adhäsionskraft einzelner Polymere auf Oberflächen zu bestimmen (siehe Dissertation von Claudia Friedsam, eingereicht am 20. November 2003 bei der Ludwig-Maximilians-Universität in München). Durch diese Arbeit konnte auch ein An- und Abkoppelungszyklus eines einzelnen Polyacrylsäure-Polymers auf einer Platinoberfläche reproduzierbar experimentell ausgeführt werden.In younger Time has been shown to work with force microscopy techniques possible is to manipulate individual polymers at interfaces. Especially succeeded, the Adhäsionskraft individual Polymers on surfaces to determine (see thesis by Claudia Friedsam, submitted on November 20, 2003 at the Ludwig-Maximilians-University in Munich). Through this work could also be a coupling and decoupling cycle of a single Polyacrylic acid polymer on a platinum surface reproducibly performed experimentally.

Zusammenfassung der ErfindungSummary the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bestehenden Möglichkeiten zur Handhabung einzelner Polymere (Polymer-Makromoleküle) zu erweitern und insbesondere ein Verfahren vorzuschlagen, das eine laterale Bewegung einzelner, an einer Oberfläche absorbierter Polymere vorzuschlagen.Of the present invention is based on the object, the existing options to handle individual polymers (polymer macromolecules) to expand and in particular to propose a method which is a lateral To propose movement of individual polymers absorbed on a surface.

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

Der vorliegenden Erfindung liegt die neue, überraschende Erkenntnis zugrunde, dass, obwohl die Absorptionskraft einzelner Polymere auf einer Oberfläche sehr groß und daher der Kraftaufwand zum Ablösen des Makromoleküls von der Oberfläche erheblich ist, die Polymere auf den Oberflächen unter bestimmten Bedingungen praktisch reibungsfrei gleiten können. Die laterale Reibungskraft des Polymers in sauberer Lösung ist hierbei wesentlich kleiner als die thermische Energie k_bT. Dadurch wird es möglich, die Polymer-Makromoleküle mit sehr geringem Energieaufwand, der wesentlich kleiner als die zur Desorption benötigte Energie ist, gesteuert zu bewegen, indem wenigstens zwei Oberflächen bereitgestellt werden, deren Absorptionskraft für das Polymer unterschiedlich ist. Das Polymer bewegt sich dann im Überlappungsbereich beider Oberflächen von der ersten Oberfläche mit geringerer Absorptionskraft zu der zweiten Oberfläche mit größerer Absorptionskraft, um dort ein niedrigeres Energieniveau einzunehmen. Ist das Polymer nicht im Übergangsbereich der beiden Oberflächen absorbiert, so führt es eine thermische Bewegung auf der Oberfläche aus und wird dann, wenn es den Übergangsbereich erreicht, zur Oberfläche mit der höheren Absorptionskraft bewegt.The present invention is based on the new, surprising discovery that, although the absorption force of individual polymers on a surface is very large and therefore the force required to detach the macromolecule from the surface is considerable, the polymers can slide on the surfaces under certain conditions with practically no friction. The lateral frictional force of the polymer in clean solution is in this case much smaller than the thermal energy k _b T. This makes it possible, the polymer macromolecules with very little energy input, which is much smaller than the energy required for desorption to move controlled by at least two surfaces are provided whose absorption force is different for the polymer. The polymer then moves in the overlap area of both surfaces from the first lower absorbance surface to the second higher absorbance surface to occupy a lower energy level there. If the polymer is not absorbed in the transitional area of the two surfaces, it will thermally move on the surface and, when it reaches the transition region, will be moved to the higher absorption force surface.

Die Absorptionskraft kann dabei durch Anlegen einer Spannung zwischen der Oberfläche und der elektrolytischen Flüssigkeit oder durch Wahl geeigneter oder geeignet funktionalisierter Oberflächen mit definierten Absorptionskräften für das zu bewegende Polymer eingestellt werden.The Absorption force can be achieved by applying a voltage between the surface and the electrolytic liquid or by choosing suitable or suitably functionalized surfaces with defined absorption forces for the be set to moving polymer.

Erste und zweite Oberfläche können parallel zueinander angeordnet sein oder auch senkrecht oder schräg zueinander stehen. Bei den Oberflächen kann es sich auch um eine kegelförmig sich verjüngende Oberfläche, beispielsweise eine Spitze oder dergleichen, handeln. Die Oberflächen können kamm- oder mäanderförmig ineinandergreifende Grenzflächen aufweisen.First and second surface can be arranged parallel to each other or perpendicular or oblique to each other stand. At the surfaces can It is also a cone-shaped rejuvenating Surface, For example, a tip or the like, act. The surfaces can be combed or have meandering interlocking interfaces.

Um die Polymere über längere Strecken zu bewegen, kann man mehrere Stufen mit zunehmenden Absorptionskräften hintereinander anordnen. Durch Anlegen einer geeigneten Spannung kann die Absorptionskraft auch zeitlich verändert werden.Around the polymers over longer To move distances, one can take several stages with increasing absorption forces one behind the other Arrange. By applying a suitable voltage, the absorption force also changed over time become.

Bei dem Polymer kann es sich dabei beispielsweise um Einzelstrang-DNA, um Polyvinylamin oder um Polyacrylsäure handeln. Andere langgestreckte Makromoleküle sind jedoch ebenso möglich.at the polymer may be, for example, single-stranded DNA, to polyvinylamine or polyacrylic acid act. Other elongated macromolecules are however also possible.

Die Oberfläche ist vorzugsweise glatt und sauber und besteht aus Metall wie beispielsweise Gold, Kupfer, Platin oder Silber oder beispielsweise aus Mica und kann auch geeignet strukturiert sein.The surface is preferably smooth and clean and made of metal such as gold, Copper, platinum or silver or, for example, mica and can also be suitably structured.

Erfindungsgemäß wird ferner ein Verfahren zur steuerbaren Positionsfixierung eines miniaturisierten Sondenkörpers in einer elektrolytischen Flüssigkeit vorgeschlagen, welches die Schritte des kovalenten Bindens eines Endes des Polymers an die Oberfläche des Sondenkörpers bzw. an eine mit der elektrolytischen Flüssigkeit benetzten Referenzoberfläche und des Schattens des Polymers durch Anlegen einer Spannung zwischen der elektrolytischen Flüssigkeit und der Referenzoberfläche zwischen einem Haltezustand und einem Freigabezustand umfasst, wobei in dem Haltezustand die Absorptionskraft des Polymers an der Oberfläche des Sondenkörpers größer bzw. kleiner ist als an der Referenzoberfläche und das Polymer daher den Sondenkörper festhält, und in dem Freigabezustand die Absorptionskraft des Polymers an der Oberfläche des Sondenkörpers kleiner bzw. größer ist als an der Referenzoberfläche und das Polymer daher an der Oberfläche absorbiert und der Sondenkörper durch das Polymer freigegeben wird.According to the invention is further a method for the controllable position fixation of a miniaturized probe body in an electrolytic liquid proposed the steps of covalently bonding a End of the polymer to the surface of the probe body or to a wetted with the electrolytic liquid reference surface and the shadow of the polymer by applying a voltage between the electrolytic liquid and the reference surface between a hold state and a release state, wherein in the holding state, the absorption force of the polymer on the surface of the probe body larger or smaller than at the reference surface and therefore the polymer Holding the probe body, and in the release state, the absorption force of the polymer at the surface of the probe body is smaller or larger as at the reference surface and the polymer is therefore absorbed on the surface and the probe body by the polymer is released.

Der Sondenkörper kann dabei aus einem Metall wie beispielsweise Gold, Silber, Platin oder Kupfer oder aus Polysaccharid oder Latex bestehen oder beschichtet sein und einen Durchmesser von beispielsweise 1 bis 100, vorzugsweise 1 bis 10 μm aufweisen.Of the probe body can be made of a metal such as gold, silver, platinum or copper or made of polysaccharide or latex or coated and a diameter of, for example, 1 to 100, preferably 1 to 10 microns have.

Der Sondenkörper kann dabei eine chemisch funktionalisierte Oberfläche und außerdem eine die Funktionalisierung kennzeichnende farbige Fluoreszenz-Markierung aufweisen.Of the probe body can be a chemically functionalized surface and also one have the functionalization characteristic colored fluorescent label.

Der elektrolytischen Flüssigkeit können Testmoleküle zugegeben werden, welche die Absorptionskraft des Polymers an der Oberfläche des Sondenkörpers oder der Referenzoberfläche beeinflussen, um so eine Oberflächenanalyse des Sondenkörpers bzw. der Referenzoberfläche durchführen zu können.Of the electrolytic liquid can test molecules be added, which the absorption force of the polymer at the surface of the probe body or the reference surface affect, so a surface analysis of the probe body or the reference surface carry out to be able to.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description the drawings

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

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

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

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

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

6a und 6b zeigen schematisch alternative Ausführungsbeispiele von Anordnungen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 6a and 6b schematically show alternative embodiments of arrangements for carrying out the method according to the invention.

6c zeigt die Anordnung aus 6a oder 6b in Ansicht von oben. 6c shows the arrangement 6a or 6b in top view.

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

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

7c zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit mehreren kammartig ineinandergreifenden Oberflächen. 7c shows a further embodiment of an arrangement for carrying out the method according to the invention with a plurality of comb-like interlocking surfaces.

8a und 8b sind schematische Darstellungen zur Erläuterung der Funktionsweise eines Ausführungsbeispiels eines weiteren Aspekts des erfindungsgemäßen Verfahrens. 8a and 8b are schematic representations for explaining the operation of an embodiment of another aspect of the method according to the invention.

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

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

Detaillierte Beschreibung der Erfindungdetailed Description of the invention

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

2 zeigt den schematischen Aufbau einer Versuchsanordnung zur Messung der Kraft, die benötigt wird, um ein Polymer 30 von einer Oberfläche 10 zu lösen (zu desorbieren). Das Polymer 30 wird kovalent an eine geeignet präparierte Spitze 22 eines Rasterkraftmikroskops 50 (siehe 1) gebunden, welche Spitze wiederum am vorderen Ende einer Tastfeder 21 angeordnet ist. Durch Messung der Auslenkung der Tastfeder 21 läßt sich die zur Desorption eines an der Oberfläche 10 absorbierten Polymers 30 erforderliche Kraft messen. 2 shows the schematic structure of a test arrangement for measuring the force required to a polymer 30 from a surface 10 to solve (to desorb). The polymer 30 is covalently attached to a suitably prepared tip 22 an atomic force microscope 50 (please refer 1 ), which tip in turn at the front end of a feeler spring 21 is arranged. By measuring the deflection of the feeler spring 21 can be the desorption of a surface 10 absorbed polymer 30 measure required force.

3 zeigt den gleichen Versuchsaufbau wie 2, wobei die Bewegungsrichtungen der Spitze 22 relativ zur Oberfläche 10 bezeichnet sind. In einem ersten Schritt wird das an der Spitze 22 kovalent gebundene Polymer 30, beispielsweise Einzelstrang-DNA, durch Anheben der Spitze senkrecht nach oben (in z-Richtung) in Schritt 1 von der Oberfläche 10 zum Teil entfernt. Dann wird das Polymer in den Schritten 2 und 3 parallel vor- und zurück- und nach rechts und links bewegt und im abschließenden Schritt 4 vollständig von der Oberfläche entfernt. In den Schritten 1 und 4 wird die Absorptionskraft gemessen und dabei dem System Energie hinzugefügt, um die Absorptionskraft des Polymers an der Oberfläche zu überwinden. In den Schritten 2 und 3 wird die laterale Reibungskraft in zwei senkrechten Richtungen gemessen. 3 shows the same experimental setup as 2 , where the directions of movement of the tip 22 relative to the surface 10 are designated. In a first step, that will be at the top 22 covalently bound polymer 30 For example, single-stranded DNA by raising the tip vertically upwards (in the z-direction) in step 1 from the surface 10 partly removed. Then the polymer is in the steps 2 and 3 moving forwards and backwards and to the right and left and in the final step 4 completely removed from the surface. In the steps 1 and 4 The absorption force is measured while adding energy to the system to overcome the absorption force of the polymer at the surface. In the steps 2 and 3 the lateral frictional force is measured in two perpendicular directions.

Das Ergebnis der Messungen in Schritten 1 und 4 ist in 4 dargestellt. Im Falle des Ablösens eines Einzelstrang-DNA-Moleküls von einer Goldoberfläche beträgt die Kraft ca. 50 pN.The result of measurements in steps 1 and 4 is in 4 shown. In the case of detaching a single-stranded DNA molecule from a gold surface, the force is about 50 pN.

5 hingegen zeigt die Meßergebnisse für die laterale Reibungskraft beim Ziehen des Polymers parallel zur Oberfläche in den Schritten 2 und 3. Die laterale Reibungskraft liegt unterhalb der Kraftauflösungsgrenze von ca. 5 pN, dh. ist nahezu null. Dies bedeutet, dass Polymere lateral auf der Oberfläche mit Reibungskräften gleiten können, die sehr klein im Verhältnis zur Absorptionskraft sind. 5 whereas, the measurement results for the lateral frictional force when pulling the polymer are parallel to the surface in the steps 2 and 3 , The lateral frictional force is below the force resolution limit of about 5 pN, ie. is almost zero. This means that polymers can slide laterally on the surface with frictional forces that are very small in relation to the absorption force.

Polymere können daher auf Oberflächen gleiten und ihr maximales Energieminimum finden, welches einer maximalen Absorptionskraft entspricht. Hierbei muß das Polymer nicht den sehr energieaufwändigen Weg über eine Desorption von der Oberfläche gehen, sondern kann sich entlang der Oberfläche bewegen.polymers can therefore slide on surfaces and find their maximum energy minimum, which is a maximum Absorptive force corresponds. Here, the polymer does not have the very energy-intensive Way over a desorption from the surface but can move along the surface.

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

Mögliche Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens sind in 6 schematisch dargestellt. Am Boden eines mit einer elektrolytischen Flüssigkeit (beispielsweise biokompatibler Kochsalzlösung) 15 gefülltes Probengefäß enthält an seinem Boden zwei unterschiedliche Oberflächenabschnitte 10a und 10b, wobei die Oberfläche 10b bezüglich des gewählten Polymer-Makromoleküls 30 eine größere Absorptionskraft aufweist. Ein Molekül, das sich gerade im Übergangsbereich zwischen den unterschiedlichen Oberflächen 10a, 10b befindet, wird so in Pfeilrichtung nach rechts gezogen, da auf der Oberfläche 10b die Absorptionskraft größer ist. Da die laterale Reibungskraft der Polymere 30 auf den Oberflächen 10a, 10b verschwindend gering ist, führen die Polymere eine zufällige thermische Bewegung auf der Oberfläche aus. Sobald sie zu dem Übergangsbereich gelangen, werden sie sich zu der Oberfläche 10b mit der größeren Absorptionskraft bewegen. Nach Ablauf einer gewissen Zeitspanne werden sich somit praktisch alle Polymere 30 im Bereich der rechten Oberfläche 10b befinden.Possible arrangements for carrying out the method are in 6 shown schematically. At the bottom of one with an electrolytic liquid (for example biocompatible saline solution) 15 filled sample vessel contains at its bottom two different surface sections 10a and 10b , where the surface 10b with respect to the chosen polymer macromolecule 30 has a greater absorption force. A molecule located in the transition area between the different surfaces 10a . 10b is pulled in the direction of the arrow to the right, because on the surface 10b the absorption force is greater. Because the lateral frictional force of the polymers 30 on the surfaces 10a . 10b is negligible, the polymers cause a random thermal movement on the surface. As soon as they reach the transition area, they become the surface 10b move with the greater absorption force. After a certain period of time, virtually all polymers 30 will thus be in the area of the right-hand surface 10b are located.

6b zeigt eine alternative Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Dabei sind wiederum zwei Oberflächen 10a, 10b vorgesehen, die jedoch aus dem gleichen Material gebildet sind. Jedoch kann mittels einer Elektrode 18 eine Spannung zwischen der rechten Oberfläche 18b und der elektrolytischen Flüssigkeit 15 angelegt werden, wodurch die Absorptionskraft eingestellt wird. Ist dadurch die Absorptionskraft der Oberfläche 10b wiederum größer als diejenige der Oberfläche 10a wird wiederum eine Migrationsbewegung der Polymere in Pfeilrichtung von links nach rechts erzeugt. 6b shows an alternative arrangement for carrying out the method according to the invention. Again, there are two surfaces 10a . 10b provided, but which are formed of the same material. However, by means of an electrode 18 a tension between the right surface 18b and the electrolytic liquid 15 are applied, whereby the absorption force is adjusted. Is this the absorption force of the surface 10b again larger than that of the surface 10a In turn, a migration movement of the polymers in the direction of the arrow is generated from left to right.

6c zeigt die Anordnung der 6a oder 6b in Aufsicht. 6c shows the arrangement of 6a or 6b in supervision.

Als Oberflächenmaterial wird vorzugsweise ein glattes Material gewählt, beispielsweise Metalle wie Gold, Silber, Platin, Kupfer etc. Andere Oberflächenmaterialien wie Mica, Silicium, Graphit usw. sind im Rahmen der Erfindung jedoch ebenfalls möglich. Die Oberflächen können auch geeignet chemisch funktionalisiert sein.When surface material Preferably, a smooth material is selected, for example, metals such as Gold, silver, platinum, copper, etc. Other surface materials such as mica, silicon, However, graphite, etc. are also possible within the scope of the invention. The surfaces can also be suitably chemically functionalized.

7a zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der mehrere Oberflächenabschnitte 10a bis 10e hintereinander angeordnet sind, an die unterschiedliche Spannungen V₀ bis V₄ angelegt werden. Dadurch kann eine gezielte Bewegung der Polymere 30 in eine bestimmte Richtung erzeugt werden. Es ist auch möglich, die Spannungen V₀ bis V₄ zeitlich zu variieren, um eine bestimmte zeitlich gesteuerte Molekülbewegung zu veranlassen. 7a shows a variant of the arrangement according to the invention, in which a plurality of surface sections 10a to 10e are arranged one behind the other, to which different voltages V ₀ to V _{4 are} applied. This allows a targeted movement of the polymers 30 be generated in a certain direction. It is also possible to vary the voltages V ₀ to V _{4 in} time to cause a certain time-controlled molecular motion.

7b zeigt eine weitere Variante einer Anordnung zur Ausführung der Erfindung. Dabei sind die beiden Oberflächen 10a, 10b senkrecht zueinander angeordnet. Die Oberflächen können beispielsweise auch die Form einer kegelförmigen Spitze oder dergleichen haben. Auch bei solchen Anordnungen ist es möglich, die Polymermoleküle 30 gesteuert von einer Oberfläche zu einer anderen Oberfläche zu bewegen. 7b shows a further variant of an arrangement for carrying out the invention. Here are the two surfaces 10a . 10b arranged perpendicular to each other. For example, the surfaces may also be in the form of a conical tip or the like. Even with such arrangements, it is possible to use the polymer molecules 30 controlled by a surface to move to another surface.

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

Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist in den 8 bis 10 illustriert.Another aspect of the invention is in the 8th to 10 illustrated.

Bei der in 8 gezeigten erfindungsgemäßen Anordnung wird ein Polymer 30 wird mittels einer kovalenten Bindung 31 an eine Referenzoberfläche 10 angebunden. Das Polymer 30 befindet sich in einer elektrolytischen Flüssigkeit (Lösung), in der sich eine Vielzahl von Sondenkörpern (beats) 40 mit einer ebenfalls glatten Oberfläche befinden. Der Durchmesser der Sondenkörper 40 ist mit ca. 1 bis 10 μm so bemessen, dass das längliche Polymermolekül 30 an der Oberfläche des Sondenkörpers 40 absorbiert wird, diesen „umschlingt" und dadurch festhalten kann. In 8a ist ein Zustand gezeigt, in dem die Absorptionskraft des Polymers 30 an der Oberfläche des Sondenkörpers 40 größer ist als an der Oberfläche 10.At the in 8th The inventive arrangement shown is a polymer 30 is by means of a covalent bond 31 to a reference surface 10 tethered. The polymer 30 is located in an electrolytic liquid (solution), in which a plurality of probe bodies (beats) 40 with a smooth surface as well. The diameter of the probe body 40 is about 1 to 10 microns sized so that the elongated polymer molecule 30 on the surface of the probe body 40 is absorbed, "wraps around" and thereby can hold 8a a state is shown in which the absorption force of the polymer 30 on the surface of the probe body 40 is greater than at the surface 10 ,

Dieser Zustand kann durch Anlegen einer Spannung zwischen Lösung und Referenzoberfläche 10 geändert werden. Ist, wie in 8b gezeigt, die Absorptionskraft des Moleküls 30 an der Referenzoberfläche 10 größer als an der Oberfläche des Sondenkörpers 40, so absorbiert das Molekül 30 an die Referenzoberfläche 10 und läßt den Sondenkörper 40 frei.This condition can be achieved by applying a voltage between solution and reference surface 10 be changed. Is, as in 8b shown the absorption power of the molecule 30 at the reference surface 10 larger than at the surface of the probe body 40 So the molecule absorbs 30 to the reference surface 10 and leaves the probe body 40 free.

Der Sondenkörper hat dabei eine zur Absorption des Polymermoleküls geeignete glatte Oberfläche, beispielsweise aus Metall. In die Lösung können auch Sondenkörper mit verschiedenen Absorptionseigenschaften eingebracht werden. Dadurch wird es möglich, je nach angelegtem Potential verschiedene Sorten von beats einzufangen oder freizugeben.Of the probe body has a suitable for absorption of the polymer molecule smooth surface, for example made of metal. Into the solution can also probe body be introduced with different absorption properties. Thereby will it be possible Depending on the applied potential different types of beats capture or release.

Eine weitere Anwendung der Erfindung ist der Test, ob verschiedene chemische Bindungen effektiv sind. Dafür werden wie in 9a gezeigt beats mit chemisch verschieden funktionalisierten Oberflächen verwendet, die durch verschiedene Farben gekennzeichnet sind. Jede chemische Oberfläche besitzt eine gewisse Absorptionskraft. Dadurch besteht ein bestimmtes Verhältnis von verschiedenfarbigen festgehaltenen beats 40a, 40b, 40c bei verschiedenen Potentialen.Another application of the invention is the test of whether different chemical bonds are effective. For this, as in 9a shown beats used with chemically different functionalized surfaces, which are characterized by different colors. Every chemical surface has a certain absorption power. This exists a certain ratio of differently colored captured beats 40a . 40b . 40c at different potentials.

Wird nun ein Testmolekül in die Lösung gegeben, welches an verschiedene beats verschieden stark anbinden kann, verändern sich folglich auch die Absorptionskräfte an das Polymer und somit das Farbverhältnis der festgehaltenen Sondenkörper. Dies läßt auf die Bindungsaktivität des Moleküls zu verschiedenen Oberflächen der Sondenkörper schließen. In 9b sind zwei charakteristische Diagramme der relativen Anzahl festgehaltener beats zweier verschiedener Farben (und damit Oberflächenbeschaffenheiten) in Abhängigkeit von der angelegten Spannung dargestellt. Dadurch wird eine charakteristische Oberflächenanalyse der Sondenkörper in hochparallelem Format möglich. Zusätzlich können auch unterschiedliche Polymere auf lokal getrennten Oberflächen verwendet werden, um den „Fingerabdruck" des Experiments zusätzlich zu verfeinern.If a test molecule is added to the solution, which can bind differently to different beats, the absorption forces on the polymer and thus the color ratio of the retained probe bodies also change. This suggests the binding activity of the molecule to different surfaces of the probe body. In 9b Two characteristic diagrams of the relative number of recorded beats of two different colors (and thus surface qualities) are shown as a function of the applied voltage. Characterized a characteristic surface analysis of the probe body in highly parallel format is possible. In addition, different polymers can be used on locally separated surfaces to further refine the "fingerprint" of the experiment.

Bei der in 10 gezeigten alternativen erfindungsgemäßen Anordnung wird das Polymer 30 wird mittels einer kovalenten Bindung 31 an die Oberfläche des Sondenkörpers 40 selbst angebunden. In 10a ist der Freigabezustand gezeigt, in dem die Absorptionskraft des Polymers 30 an der Oberfläche des Sondenkörpers 40 größer ist als an der Referenzoberfläche 10. Dieser Zustand kann durch Anlegen einer Spannung zwischen Lösung und Referenzoberfläche 10 geändert werden. In dem in 10b gezeigten Haltezustand ist die Absorptionskraft des Moleküls 30 an der Referenzoberfläche 10 größer als an der Oberfläche des Sondenkörpers 40, so dass das Molekül 30 an die Referenzoberfläche 10 absorbiert und den Sondenkörper an die Referenzoberfläche 10 bindet.At the in 10 shown alternative arrangement of the invention is the polymer 30 is by means of a covalent bond 31 to the surface of the probe body 40 self-connected. In 10a the release state is shown in which the absorption force of the polymer 30 on the surface of the probe body 40 is greater than at the reference surface 10 , This condition can be achieved by applying a voltage between solution and reference surface 10 be changed. In the in 10b shown holding state is the absorption force of the molecule 30 at the reference surface 10 larger than at the surface of the probe body 40 so that the molecule 30 to the reference surface 10 absorbed and the probe body to the reference surface 10 binds.

Claims

A method of controlled movement of a polymer soluble in an electrolytic liquid comprising the steps of: • providing a first surface ( 10a ) to which the polymer is absorbable, • providing a second surface ( 10b ) to which the polymer is absorbable, wherein the first and second surfaces are at least at a distance from each other that is smaller than the length of the polymer, • absorption of the polymer ( 30 ) on the first surface ( 10a ) Adjusting the absorption force of the first and / or the second surface such that the absorption force of the polymer at the second surface is greater than at the first surface and the polymer moves from the first to the second surface, wherein the polymer during the movement process remains absorbed at the first and / or second surface.

The method of claim 1, wherein the absorption force the first and / or second surface by applying a voltage between surface and one the surface wetting electrolytic liquid is set.

The method of claim 1, wherein the absorption force the first and / or second surface by choosing different Materials and / or functionalizations of the surfaces is set.

Method according to one of claims 1 to 3, wherein the first and second surface are arranged parallel to each other.

Method according to one of claims 1 to 3, wherein the first and second surface are arranged perpendicular or inclined to each other.

Method according to one of claims 1 to 5, wherein first and second surface a comb or meandering interface to each other form.

Method according to one of claims 1 to 6, wherein the method multi-level with several surfaces is performed with different absorption forces.

Method according to one of claims 1 to 7, wherein the polymer a single-stranded DNA, polyvinylamine or polyacrylic acid.

Method according to one of claims 1 to 7, wherein the surface of a smooth surface made of metal or mica.

A method of controllably position fixing a probe body (beats) in an electrolytic liquid, comprising the steps of: covalently bonding one end of a polymer ( 30 ) to the surface of the probe body ( 40 ) or a wetted with the electrolytic liquid reference surface, by applying a voltage between the electrolytic liquid and the Referebzoberfläche ( 10 ), Switching of the polymer between a holding state in which the absorption force of the polymer at the surface of the probe body is greater or smaller than at the reference surface and the polymer therefore the probe body ( 40 ), and a release state in which the absorption force of the polymer at the surface of the probe body is smaller than that at the reference surface and the polymer is therefore absorbed at the surface and releases the probe body.

The method of claim 10, wherein the probe body ( 40 ) consists of a metal, for example Au, Ag or Cu or of polysaccharide or latex.

The method of claim 10 or 11, wherein the probe body a Diameter of 1 to 100, preferably 1 to 10 microns.

Method according to one of claims 10 to 12, wherein the polymer ( 30 ) is a single-stranded DNA, polyvinylamine or polyacrylic acid.

Method according to one of claims 10 to 13, wherein the probe body ( 40 ) or the reference surface ( 10 ) has a chemically functionalized surface.

The method of claim 14, wherein the probe body ( 40 ) is marked in color according to the chemically functionalized surface by fluorescence.

The method of claim 14 or 15, comprising the step of adding test molecules to the electrolytic liquid, which test molecules have the absorption force of the polymer on the surface of the probe body ( 40 ) or the reference surface ( 10 ) to perform a surface analysis of the probe body or the reference surface.

Apparatus for switchably position fixing a plurality of miniaturized probe bodies (beats) in an electrolytic liquid, comprising: a plurality of polymers ( 30 ) covalently attached to the surface of the probe body ( 40 ) or a wetted with the electrolytic liquid reference surface ( 10 ), which polymers ( 30 by applying a voltage between the electrolytic liquid and the reference surface between a holding state in which the absorption force of the polymer at the surface of the probe body is smaller than at the reference surface and the polymer therefore holds the probe body, and a release state in which the absorption force of the polymer at the surface of the probe body is smaller or larger than at the reference surface and therefore the polymer is absorbed at the surface and releases the probe body.

Apparatus according to claim 17, comprising a plurality Areas with differently functionalized reference surfaces.

Apparatus according to claim 17 or 18, comprising a plurality of regions of the reference surface ( 10 ), whose electrical potential can be controlled individually.