Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen eignen sich als Basis für "BioChip-Grundmodule"in Verfahren zum Nachweis biochemischer (Bindungs) Reaktionen sowie hierfür insbesondere zur Untersuchung von enzymatischen Reaktionen, Nukleinsäure- Hybridisierungen, Protein-Protein-Wechselwirkungen und anderer Bindungsreaktionen im Bereich der Genom-, Proteom- oder Wirkstoff-Forschung in Biologie und Medizin.

In der Molekularbiologie finden heute in zunehmendem Maße Biochips Verwendung, mit denen auf schnelle Art und Weise Erkenntnisse über Organismen und Gewebe gewonnen werden. Für die Biowissenschaften und die medizinische Diagnostik ist die Detektion (bio) chemischer Reaktionen, d. h. die Detektion biologisch relevanter Moleküle in definiertem Untersuchungsmaterial von herausragender Bedeutung. In diesem Rahmen wird die Entwicklung von sogenannten BioChips stetig vorangetrieben. Bei derartigen BioChips handelt es sich üblicherweise um miniaturisierte hybride Funktionselemente mit biologischen und technischen Komponenten, insbesondere auf einer Oberfläche eines BioChip-Grundmoduls immobilisierten Biomolekülen, die als spezifische

WO03/089931 PCT/EP03/03997 2 Interaktionspartner dienen. Häufig weist die Struktur dieser Funktionselemente Reihen und Spalten auf. Man spricht dann von sogenannten"Mikroarrays". Da tausende von biologischen bzw. biochemischen Funktionselementen auf einem Chip angeordnet sein können, werden diese in der Regel mit mikrotechnischen Methoden angefertigt.

Als biologische und biochemische Funktionselemente kommen insbesondere DNA, RNA, PNA, (bei Nukleinsäuren und ihren chemischen Derivaten können z. B. Einzelstränge wie Oligonukleotide, Triplex-Strukturen oder Kombinationen hiervon vorliegen), Saccharide, Peptide, Proteine (z. B.

Antikörper, Antigene, Rezeptoren), Derivate der kombinatorischen Chemie (z. B. organische Moleküle), Zellbestandteile (z. B. Organellen), einzelne Zellen, mehrzellige Organismen sowie Zellverbände in Frage.

Die am weitesten verbreitete Variante von Biochips sind die sogenannten Microarrays. Dies sind kleine Plättchen ("Chips") aus beispielsweise Glas, Gold, Kunststoff oder Silizium. Zum Nachweis entsprechender biologischer oder biochemischer (Bindungs) Reaktionen werden beispielsweise kleine Mengen an solubilisierten unterschiedlichen Fängermolekülen, z. B. eine bekannte Nukleinsäuresequenz, in Form von kleinsten Tröpfchen punktförmig und matrizenartig, sogenannte Dots, auf der Oberfläche des BioChip-Grundmoduls fixiert.

In der Praxis werden einige hundert bis einige tausend Tröpfchen pro Chip verwendet. Anschließend wird ein zu untersuchender Analyt, der beispielsweise fluoreszenzmarkierte Zielmoleküle enthalten kann, über diese Oberfläche gepumpt. Dabei kommt es im allgemeinen zu unterschiedlichen chemischen (Bindungs) Reaktionen zwischen den im Analyt enthaltenen Zielmolekülen und den fixierten bzw. immobilisierten Fängermolekülen. Wie bereits angeführt,

werden zur Beobachtung dieser Reaktionen oder Bindungen die Zielmoleküle mit Farbstoffmolekülbausteinen, üblicherweise Fluorochromen markiert. Das Vorhandensein und die Intensität von Licht, das von den Fluorochromen emittiert wird, gibt Aufschluß über den Verlauf der Reaktion oder Bindung in den einzelnen Tröpfchen auf dem Substrat, so daß Rückschlüsse auf das Vorhandensein und/oder die Eigenschaft der Zielmoleküle und/oder Fängermoleküle gezogen werden können. Wenn sich die entsprechenden fluoreszenzmarkierten Zielmoleküle des Analyten mit bzw. an den an der Oberfläche des Trägersubstrats immobilisierten Fängermolekülen umsetzen bzw. binden, kann durch optische Anregung mit einem Laser und Messung des entsprechenden Fluoreszenzsignals diese Reaktion bzw. Bindung nachgewiesen werden.

Substrate mit hoher, aber definierter Porosität weisen als Basis für derartige BioChips mehrere Vorteile gegenüber planaren Substraten auf. Auf der stark vergrößerten Oberfläche können mehr Nachweisreaktionen stattfinden.

Dadurch steigt die Nachweisempfindlichkeit für biologische Assays. Durch Pumpen der im Analyt gelösten Zielmoleküle durch die Kanäle zwischen Vorder-und Rückseite des porösen Substrates werden diese in nahen räumlichen Kontakt mit der Oberfläche des Substrates gebracht (< 10 um). Auf dieser Größenskala ist die Diffusion ein sehr effektiver Transportprozeß, der innerhalb kurzer Zeit die Distanzen zwischen nachzuweisendem Zielmolekül und dem auf der Oberfläche immobilisierten Fängermolekül überbrückt. Die Geschwindigkeit der Bindungsreaktion kann dadurch erhöht und damit die Dauer des Nachweisverfahrens deutlich verkürzt werden.

Ein Beispiel für ein Substrat mit derartiger definierter Porösität ist elektrochemisch hergestelltes poröses Silizium (vgl. DE 42 02 454, EP 0 553 465 oder DE 198 20 756).

Ein großer Teil der heute verwendeten analytischen Methoden in der Wirkstoff-Forschung und klinischen Diagnostik setzt optische Verfahren zum Nachweis von Bindungsereignissen zwischen nachzuweisender Substanz und Fängermolekülen ein (z. B. DNA-Hybridisierungen, Antikörper-Antigen- Wechselwirkungen und Protein-Wechselwirkungen). Die nachzuweisende Substanz wird hierbei mit einem Marker versehen, der nach Anregung mit Licht geeigneter Wellenlänge fluoresziert (Fluoreszenzverfahren) oder der eine chemische Reaktion auslöst, die wiederum Licht erzeugt (Chemilumineszenzverfahren). Bindet die nachzuweisende Substanz, d. h. das Zielmolekül, mit dem immobilisierten Fängermolekül auf der Oberfläche, so kann dies optisch, z. B. über Lumineszenz, nachgewiesen werden. Unter dem Begriff : "Lumineszenz"wird hierbei die spontane Emission von Photonen im ultravioletten bis infraroten Spektralbereich bezeichnet.

Anregungsmechanismen der Lumineszenz können optischer oder nicht-optischer Natur sein, beispielsweise elektrische, chemische, biochemische und/oder thermische Anregungsprozesse. Somit sollen insbesondere Chemi-, Bio-und Elektrolumineszenz sowie Fluoreszenz und Phosphoreszenz unter den Begriff"Lumineszenz"im Sinne dieser Erfindung fallen.

Poröse Substrate mit hoher optischer Dichte und geringer Reflektivität, wie beispielsweise poröses Silizium, dessen Reflektivität im sichtbaren Bereich des Spektrums 50 bis 70 % beträgt, liefern in Verbindung mit Fluoreszenz-oder Chemilumineszenzverfahren jedoch nicht die erwarteten Ergebnisse, insofern die experimentell beobachtete Lichtsignalausbeute bei weitem nicht an die theoretisch erreichbaren Werte heranreicht. Der Grund für die gegenüber den theoretischen Werten verringerte, experimentell beobachtete Lichtsignalausbeute beim Einsatz derartiger poröser Substrate liegt zum einen in Problemen bei der

Emission der Fluoreszenz der zu untersuchenden Substanz bzw.

Bindung und zum anderen-wenn ein Fluoreszenzverfahren vorliegt-in Problemen bei der optischen Anregung der Fluoreszenz begründet.

Wird im gesamten Volumen der Poren (Luminenszenz-) Licht erzeugt, spielt die Reflektivität der Porenwände eine entscheidende Rolle für die effektive Herausleitung des optischen Signals zur Oberfläche. Im Falle der Chemilumineszenz wird das Lichtsignal isotrop in alle Raumrichtungen abgestrahlt. Infolgedessen strahlt nur ein sehr geringer Anteil des erzeugten Lichts direkt im Öffnungswinkel der einzelnen Pore ab. Alle anderen Strahlengänge werden an den Wänden der Poren mehrfach reflektiert, bis sie die Öffnung der jeweiligen Pore erreichen. Schon bei Reflektivitäten,-die nur wenig unterhalb von 100 % liegen, ist jedoch die Intensität eines Signals nach mehreren Reflexionen stark vermindert. Dieser Effekt hat zur Folge, daß dieser Anteil des erzeugten Signals auf dem Weg aus der Pore stark abgeschwächt wird und kaum noch zum Gesamtsignal beitragen kann.

Ferner stellt auch die Abschwächung durch Vielfachreflektionen an den Porenwänden, welche bereits im Zusammenhang mit den Problemen bei der Anregung der Fluoreszenz beschrieben worden ist, bei der Emission der Lumineszenz ein ernstzunehmendes Problem dar. Nur Fluorophore (fluoreszierende Substanzen im Analyten), welche direkt in Richtung der Porenöffnung abstrahlen, stehen unabgeschwächt für ein Fluoreszenzsignal zur Verfügung. Alle übrigen Strahlengänge werden an den Wänden der Poren mindestens einmal reflektiert bis sie die Öffnung der Pore erreichen.

Schon bei Reflektivitäten, welche nur wenig unterhalb von 100% liegen, führen diese Vielfachreflektionen zu einer

empfindlichen Abschwächung des zu detektierenden optischen Signals.

Um die oben genannten Probleme der Intensitätsabschwächung durch Vielfachreflektionen zu lösen, wurde vorgeschlagen, Reflexschichten zu einer Verringerung der Reflektionsverluste an den Porenwänden anzuordnen, um dadurch das Anregungs-und Emissionslicht besser aus der Poren herausleiten zu können.

Jedoch konnte dieser Lösungsansatz keine signifikante Verbesserung der Signalausbeute bewirken.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bzw. ein"BioChip-Grundmodul"zum Nachweis biochemischer Reaktionen und/oder Bindungen bereitzustellen, die bzw. das im Rahmen von Analyseverfahren auf Fluoreszenz- oder Chemilumineszenzbasis eine höhere absolute Signalausbeute bei gleichzeitig niedrigem Hintergrundsignal liefern soll, um so die Nachweisempfindlichkeit von mit dem fertigen Biochip durchzuführenden Tests zu steigern. Ferner ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Nachweis biochemischer Reaktion und/oder Bindungen anzugeben, welches eine höhere absolute Signalausbeute bei verbessertem Signal- Rausch-Verhältnis gestattet. Schließlich ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für eine bevorzugte erfindungsgemäße Vorrichtung anzugeben.

Die Aufgaben werden entsprechend durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1, Nachweisverfahren nach den Ansprüchen 20,22 und 24 sowie durch ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 23 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Gemäß der Erfindung umfaßt eine Vorrichtung ein flächig ausgebildetes Trägermaterial, welches über zumindest einen Oberflächenbereich verteilt eine Vielzahl von Poren aufweist,

welche sich von einer Oberfläche des Trägermaterials zu der gegenüberliegenden Oberfläche durchgängig erstrecken, wobei die Poren jeweils durch eine Porenbegrenzungsfläche der in dem Trägermaterial ausgebildeten Porenwände entlang der jeweiligen Porenlängsachsen begrenzt sind, zumindest ein Teil der Porenwände zumindest bereichsweise einen Schichtaufbau mit einer die Porenbegrenzungsfläche bildenden ersten Schicht und einer an die erste Schicht angrenzenden von der Porenbegrenzungsfläche beabstandeten zweiten Schicht aufweist und der Brechungsindex nwellenleiter der ersten Schicht größer als der Brechungsindex n2 der zweiten Schicht ist.

Das Trägermaterial ist somit von einer Vielzahl von Poren durchsetzt, welche sich in dem Trägermaterial erstrecken und den Durchtritt von beispielsweise einem flüssigen Analyten von einer der Oberflächen des Trägermaterials zu der gegenüberliegenden Oberfläche gestatten. Die Poren sind entlang ihrer Porenlängsachsen von Porenbegrenzungsflächen begrenzt, welche in den Porenwänden im Trägermaterial ausgebildet sind. Die Porenbegrenzungsflächen stellen somit die Außenflächen der Porenwände dar, d. h. die Grenzflächen zwischen dem Trägermaterial und den Poren. Die Porenwände sind derjenige Volumenanteil des Trägermaterials, welcher sich zwischen den Poren erstreckt, so daß die Poren durch die Porenwände voneinander getrennt werden.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, zumindest einen Teil der Porenwände zumindest bereichsweise als Schichtaufbau auszubilden. Eine erste Schicht, welche die Porenbegrenzungsfläche (Grenzfläche Pore-Trägermaterial) bildet, grenzt hierbei an eine zweite von der Porenbegrenzungsfläche beabstandete Schicht an. Die zweite Schicht ist weiter von der Mittelachse der Pore als die erste

WO 03/089931<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 8 Schicht entfernt. Weisen die Poren beispielsweise einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt in einer Schnittebene auf, welche parallel zu der Flächenebene des Trägermaterials verläuft, hat die erste Schicht im Querschnitt gesehen vorzugsweise im wesentlichen eine rahmenförmige Gestalt. Die zweite Schicht kann beispielsweise konzentrisch zu der ersten Schicht ausgebildet sein. Haben die Poren eine rechteckig- oder kreisförmig zylindrische Gestalt, so ist die erste Schicht vorzugsweise als Hohlzylinder gestaltet, dessen Innendurchmesser dem Porendurchmesser entspricht.

Vorzugsweise liegt die Schichtdicke der ersten Schicht in einem Bereich von 50nm bis 1000nm, vorzugsweise 50nm bis 500nm. Die zweite Schicht kann beispielsweise Teil des Trägermaterials selbst sein oder zwischen einem Kern des Trägermaterials und der ersten Schicht angeordnet sein. Im letztgenannten Fall beträgt die Schichtdicke der zweiten Schicht vorzugsweise zumindest lym. Vorzugsweise weisen sämtliche Poren des Trägermaterials einen derartigen Schichtaufbau der Porenwände im Bereich der Porenbegrenzungsflächen auf. Vorzugsweise erstreckt sich der Schichtaufbau über die gesamte Länge der Poren.

Durch den beschriebenen Schichtaufbau mit einer ersten Schicht, welche einen Brechungsindex nwellenleiter aufweist, der größer als der Brechungsindex n2 der zweiten Schicht ist, läßt sich ein Wellenleiter in den Porenwänden nahe den Porenbegrenzungsflächen definieren. Wird nämlich ein Analyt (flüssig oder gasförmig) in die Poren eingeführt, dessen Brechungsindex npore ebenfalls kleiner als der Brechungsindex nwellenleiter der ersten Schicht ist, so kann in der ersten Schicht ein optisches Signal in Form einer Wellenleitermode geführt werden. Beispielsweise kann ausgehend von einer der Oberflächen des Trägermaterials Anregungslicht in die erste, den Wellenleiterkern bildende Schicht mit Brechungsindex

nwellenleiter eingekoppelt werden, welches dann aufgrund der Begrenzung durch Schichten mit kleinerem Brechungsindex (n2, npore < nwellenleiter) in Form einer Wellenleitermode in der ersten Schicht geführt wird.

Zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht kann gegebenenfalls bereichsweise eine für den interessierenden wellenlängenbereich transparente Haftvermittlerschicht, die vorzugsweise eine Dicke von < 20 nm aufweist, angeordnet sein, welche insbesondere die mechanische Verbindung zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht verbessert.

Die optischen Eigenschaften des Schichtmaterials der ersten Schicht werden vorzugsweise an die Wellenlänge des einzukoppelnden Anregungslichts angepaßt. Vorzugsweise ist die erste Schicht in einem vorbestimmten bzw. dem interessierenden Spektralbereich transparent. Der Spektralbereich kann insbesondere der sichtbare, ultraviolette oder infrarote Spektralbereich sein. Die so in der ersten Schicht geführte Wellenleitermode weist ein von den Brechungsindexunterschieden und der Wellenleitergeometrie abhängiges Evaneszenzfeld auf, welches sich insbesondere in einen Bereich, welcher nahe zu den Porenbegrenzungsflächen angeordnet ist, in die Poren hinein erstreckt. Dieses Evaneszenzfeld klingt exponentiell mit dem Abstand zur Porenbegrenzungsfläche ab und kann dazu genutzt werden, fluoreszierende Substanzen, welche an der Porenbegrenzungsfläche bzw. in deren unmittelbarer Umgebung angeordnet sind, optisch anzuregen (Eindringtiefe des Evaneszenzfeldes bis etwa 1 pm).

Dadurch, daß das Anregungslicht beispielsweise für die Anregung von Fluorochromen nicht verlustreich über Vielfachreflexionen an den Porenwänden in die Pore

eingeleitet wird, sondern verlustarm über eine effiziente Wellenleitermodenführung, können die eingangs beschriebenen Probleme bei der Anregung der Fluoreszenz wirksam vermieden werden. Gleichermaßen ist das Wellenleiterkonzept auch bei der Emission von Lumineszenz (sowohl beim Fluoreszenz-als auch beim Chemilumineszenzverfahren) von Nutzen. Emittiert beispielsweise die nachzuweisende Substanz mit dem immobilisierten Fängermolekül auf der Porenbegrenzungsfläche, d. h. im Evaneszenzfeldbereich der Wellenleitermode ein Photon, so kann dieses verlustarm aus der Vorrichtung ausgekoppelt und einem Detektor zugeführt werden. Die eingangs beschriebene Abschwächung durch Vielfachreflektionen an unvollkommen reflektierenden Porenwänden tritt nicht auf.

Somit läßt sich eine deutliche Erhöhung der absoluten Signalausbeute sowie eine nachhaltige Verbesserung des Signal-Rauschverhältnisses erzielen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schichtaufbau eine an die zweite Schicht angrenzende und von der ersten Schicht beabstandete dritte Schicht auf.

Bevorzugt umfaßt die erste Schicht Ta205, HfOz, Y203, Al203, Nb205, Si3N4, Ti02, Ta02 und/oder Nitrid oder Oxynitrid von Al, Si oder Hf, und die zweite Schicht Glas, Kunststoff, insbesondere organische oder anorganische Polymere, transparente Dielektrika und/oder Si02. Die Materialien der ersten und zweiten Schicht werden dabei derart ausgewählt, daß der Brechungsindex nwellenleiter der ersten Schicht stets größer als der Brechungsindex n2 der zweiten Schicht ist.

Ferner wird der Analyt, welcher betriebsmäßig in die Poren eingeleitet wird, hinsichtlich seines Brechungsindexes npore derart ausgewählt, daß nwellenleiter > npore gilt.

Vorzugsweise umfaßt die dritte Schicht Metalle, Halbleiter und/oder Kunststoff, insbesondere organische oder

anorganische Polymere. Die dritte Schicht kann insbesondere reflektierend und/oder nicht transparent ausgestaltet sein, um beispielsweise eine Vielzahl von Poren durch Ausbildung von Bereichen bzw. Kompartments in Gruppen aufzuteilen, zwischen welchen"optisches Übersprechen"aufgrund der reflektierenden Wände vermieden wird. Vorzugsweise umfaßt die dritte Schicht Silizium, welches n-oder p-dotiert sein kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vergrößert sich der Porendurchmesser in einem oberflächennahen Bereich des Trägermaterials in Richtung zu der Oberfläche des Trägermaterials. Vorzugsweise sind die Poren in ihrem oberflächennahen Bereich trichterförmig bzw. konisch ausgebildet, wobei es vorteilhaft ist, wenn sich der Porendurchmesser kontinuierlich in Richtung zur Oberfläche des Trägermaterials hin vergrößert. Die erste Schicht wird vorzugsweise in dem konischen Bereich der Poren bis zur Oberfläche des Trägermaterials geführt. Diese Anordnung gestattet eine besonders effiziente Einkopplung von Anregungslicht in die den Wellenleiterkern darstellende erste Schicht. Gleichermaßen verbessert eine derartige Anordnung der Poren bzw. Porenwände im Bereich der Oberfläche des Trägermaterials auch die Auskopplung von zu detektierendem Lumineszenzlicht, welches in der ersten Schicht zur Oberfläche des Trägermaterials geführt wurde.

Vorzugsweise sind die Poren im wesentlichen zylinderförmig, insbesondere rechteckig, kreis-, schlitz-oder ellipsenförmig.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die erste Schicht Streuzentren und/oder Fehlstellen auf. Ein derartiger gezielter Einbau von Streuzentren/Fehlstellen an der Grenzfläche der ersten Schicht und/oder in der ersten Schicht selbst, was beispielsweise durch Aufrauhen oder Dotieren

WO 03/089931<BR> <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> 12 erfolgen kann, kann das Ein-und Auskoppeln von Anregungslicht bzw. emittiertem Licht verbessern.

Vorzugsweise weisen die Poren einen Porendurchmesser im Bereich von 500 nm bis 100 gm auf. Vorzugsweise weist das Trägermaterial eine Dicke zwischen 100 bis 5000 gm auf.

Vorzugsweise liegt die Porendichte im Bereich von 104 bis 1 08/cm2- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Trägermaterial eine Überstruktur aus einem in dem vorbestimmten Spektralbereich reflektierenden und/oder nicht transparenten Material auf. Die Überstruktur kann beliebig ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Überstruktur ein im wesentlichen zylinderförmiger Rahmen, welcher sich von der einen Oberfläche zu der gegenüberliegenden Oberfläche des Trägermaterials erstreckt und welcher zumindest eine der Poren enthält. Der Rahmen unterteilt das Trägermaterial in Bereiche bzw. Kompartments. Vorzugsweise ist der Rahmen aus einem reflektierenden oder nicht transparenten Material hergestellt, so daß ein"optisches Übersprechen"zwischen den einzelnen Bereichen vermieden wird. Der Rahmen kann auch als Teilrahmen ausgebildet sein, bei welchem eine oder mehrere Seiten geöffnet sind. Vorzugsweise ist die Zylinderachse des zylinderförmigen Rahmens parallel zu den Porenlängsachsen der Poren angeordnet. Vorzugsweise stehen die Zylinderachse des Rahmens sowie die Porenlängsachsen senkrecht auf den sich gegenüberliegenden Oberflächen des Trägermaterials. Bevorzugt weist des Rahmen einen Kern aus Silizium auf.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind an der Porenbegrenzungsfläche zumindest einer der Poren zumindest bereichsweise kovalent Fängermoleküle bzw. Sonden, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus DNA, Proteinen und Liganden, gebunden. Vorzugsweise sind die Fängermoleküle

Oligonukleotidsonden, die über endständige Amino-oder Thiolgruppen an Linkermoleküle gebunden sind, die wiederum über kovalente und/oder ionische Gruppen an die Porenbegrenzungsfläche gebunden sind. Die Linkermoleküle sind üblicherweise auf der Basis einer bifunktionellen Silicium- organischen Verbindung. Derartige bifunktionelle Silicium- organische Verbindungen können beispielsweise Alkoxysilan- Verbindungen mit einer oder mehreren terminalen funktionalen Gruppen, ausgewählt aus Epoxy, Glycidyl, Chlor, Mercapto oder Amino, sein. Vorzugsweise ist die Alkoxysilan-Verbindung ein Glycidoxyalkylalkoxysilan, wie z. B. 3- Glycidoxypropyltrimethoxysilan, ein Mercaptoalkylalkoxysilan, wie z. B. y-Mercaptopropyltrimethoxysilan, oder ein Aminoalkylalkoxysilan, wie z. B. N-ß- (aminoethyl) y- aminopropyltrimethoxysilan. Die Länge der als Spacer zwischen der funktionellen Gruppe, wie z. B. Epoxy bzw. Glycidoxy, welche mit dem eigentlichen Fängermolekül bzw. der Sonde bindet, und der Trialkoxysilangruppe wirkenden Alkylenreste unterliegt dabei keiner Beschränkung. Derartige Spacer können auch Polyethylenglykolreste sein. Die als Fängermoleküle beispielsweise verwendbaren Oligonukleotide können unter Verwendung der Synthesestrategie, wie in Tet. Let. 22,1981, Seiten 1859 bis 1862, beschrieben, hergestellt werden. Die Oligonukleotide können dabei während des Herstellungsverfahrens entweder an der 5-oder der 3- Endstellung mit terminalen Aminogruppen derivatisiert werden.

Eine weitere Möglichkeit der Anbindung solcher Fängermoleküle kann durchgeführt werden, indem zunächst die Porenbegrenzungsflächen bzw. die erste Schicht mit einer Chlorquelle, wie C12, SOC12, COC12 oder (COCl) 2, gegebenenfalls unter Verwendung eines Radikalinitiators wie Peroxide, Azoverbindungen oder Bu3SnH, behandelt wird und anschließend eine Umsetzung mit einer entsprechenden nucleophilen Verbindung, wie insbesondere mit

Oligonukleotiden bzw. DNA-Molekülen, die terminale primäre Aminogruppen oder Thiolgruppen aufweisen, erfolgt (siehe WO 00/33976). Wird eine Si3N4-Schicht als erste Schicht im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtungen eingesetzt, so kann diese beispielsweise an deren Oberflächenschicht in eine Oxynitrid-Schicht überführt werden, um entsprechende Fängermoleküle über Linkermoleküle kovalent anzubinden.

Durch das Anbinden von Fängermolekülen, ausgewählt aus DNA, Proteinen und Liganden, vorzugsweise endständige Amino-oder Thiolgruppen aufweisende Oligonukleotide, über derartige Linkermoleküle wird ein einsatzfähiger, fertiger BioChip erhalten. Eine derartige erfindungsgemäße Vorrichtung kann die Funktion eines 96-Probenträgers mit der Dichte eines Mikroarrays aufweisen. Weiterhin können auf Basis derartiger erfindungsgemäßer Vorrichtungen im Stand der Technik verfügbare Mikrochip-Technologien parallelisiert werden.

Erfindungsgemäß wird die Verwendung einer der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen als Basis für einen Probenträger in Verfahren zum Nachweis biochemischer Reaktionen und/oder Bindungen sowie hierfür insbesondere zur Untersuchung von enzymatischen Reaktionen, Nukleinsäure- Hybridisierungen, Protein-Protein-Wechselwirkungen und Protein-Liganden-Wechselwirkungen verwendet.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Nachweis chemischer bzw. biochemischer Reaktionen und/oder Bindungen vorgeschlagen, mit den Schritten : Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw.

BioChips ; Einleiten einer zu untersuchenden Substanz in zumindest eine der Poren des Trägermaterials, wobei der Brechungsindex npOre der zu untersuchenden Substanz

kleiner als der Brechungsindex nwellenleiter der ersten Schicht ist ; Auskoppeln von Lumineszenzlicht der zu untersuchenden Substanz ; und Untersuchen des Lumineszenzlichts des zu untersuchenden Material.

Das zu untersuchende Material kann hierbei gas-oder flüssigförmig sein. Da der Brechungsindex nwellenleiter der ersten Schicht größer als die Brechungsindizes n2 der zweiten Schicht und npore der mit dem Analyten gefüllten Pore ist, kann Anregungslicht bzw. zu detektierendes Emissionslicht aus dem Evaneszenzfeldbereich als Wellenleitermoden in der ersten Schicht geführt werden. Dies gestattet eine effiziente Ein- bzw. Auskopplung des optischen Signals, da keine verlustreiche Dämpfung durch Vielfachreflektionen an den unvollkommen reflektierenden Porenwänden auftritt. Auf diese Weise kann eine nachhaltige Verbesserung der absoluten Signalausbeute sowie eine Verbesserung des erzielbaren Signal-Rauschverhältnisses erreicht werden.

Vorzugsweise umfaßt das Verfahren zusätzlich den Schritt eines Einkoppelns von Anregungslicht als Wellenleitermoden in die erste Schicht des Schichtaufbaus zum Anregen des zu untersuchenden Materials an der Porenbegrenzungsfläche in einem Evaneszenzfeld der Wellenleitermoden. Wie oben bereits eingehend dargelegt wurde, können beispielsweise Fluorophore an der Porenbegrenzungsfläche über das evaneszente Feld der im Wellenleiter (wave guide) geführten Moden angeregt werden, ohne daß eine Volumenanregung erfolgt. Mit diesem Ansatz kann die Fluorophorenanregung auf der Porenbegrenzungsfläche des Wellenleiters um ein Vielfaches gegenüber den Volumenanregungen, wie sie herkömmlich verwendet werden, verbessert werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Nachweis chemischer bzw. biochemischer Reaktionen und/oder Bindungen die Schritte : - Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw.

BioChips ; - Einleiten einer zu untersuchenden Substanz in zumindest eine der Poren des Trägermaterials, wobei der Brechungsindex npOre der zu untersuchenden Substanz kleiner als der Brechungsindex nwellenleiter der ersten Schicht ist ; - Einkoppeln von Anregungslicht als Wellenleitermoden in die erste Schicht des Schichtaufbaus zum Anregen des zu untersuchenden Materials an der Porenbegrenzungsfläche in einem Evaneszenzfeld der Wellenleitermoden ; und - Untersuchen des aus der ersten Schicht nach Wechselwirkung mit dem zu untersuchenden Material ausgekoppelten Anregungslichts.

Somit erfolgt der Nachweis der chemischen bzw. biochemischen Reaktionen und/oder Bindungen nicht über eine Untersuchung einer eventuell emittierten Lumineszenz des zu untersuchenden Materials (zu untersuchender Analyt). Statt dessen werden die Reaktionen und/oder Bindungsereignisse des zu untersuchenden Materials über deren Einfluß auf die im Wellenleiter geführten Moden nachgewiesen. Somit kann das zu untersuchende Material bzw. chemische Vorgänge"labelfrei"detektiert werden.

Dies kann gemäß einer bevorzugten Variante dadurch erfolgen, daß sich durch Anlagerung bzw. Bindung von Molekülen aus dem Analyten an die Fängermoleküle auf der Porenbegrenzungsfläche der ersten Schicht der Brechungsindex in unmittelbarer Nähe zur Porenbegrenzungsfläche ändert. Diese Änderung des Brechungsindexes verstimmt die Parameter der im Wellenleiter geführten Moden, wobei eine Kopplung über das evaneszente

WO 03/089931-PCT/EP03/03997 17 Feld der Wellenleitermoden erfolgt. Diese Verstimmung kann beispielsweise über eine Vergleichsmessung der Wellenleitermoden vor und nach Anlagerung bzw. Bindung der Moleküle nachgewiesen werden.

Der Nachweis kann beispielsweise wie folgt durchgeführt werden : (a) Bei gleichbleibender Geometrie der Lichteinkopplung kann eine Minderung oder Erhöhung der Dämpfung der angeregten Moden im Wellenleiter beobachtet werden. Die Dämpfung der Moden kann über die Änderung der Lichtintensität beispielsweise am Ausgang der Wellenleiter gemessen werden.

(b) Die Geometrie der Lichteinkopplung wird kontinuierlich verändert und die Dämpfung der Wellenleitermoden aufgezeichnet. Aus diesem Verlauf kann die Brechungsindexänderung (vorzugsweise wieder über eine Vergleichsmessung vor und nach der Anlagerung der Moleküle) an der Wellenleiteroberfläche bzw. Porenbegrenzungsfläche mit daran immobilisierten Fängermolekülen (und damit das Bindungsereignis) nachgewiesen werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante kann durch Anlagerung von in einem spezifischen Wellenlängenbereich absorbierenden Molekülen über die immobilisierten Fängermoleküle an die Oberfläche des Wellenleiters den im Wellenleiter geführten Moden über das evaneszente Feld Energie entzogen werden (durch die Adsorption der angelagerten Moleküle). Die Moleküle werden an der mit den Fängermolekülen versehenen Porenbegrenzungsfläche adsorbiert.

Beispielsweise gelingt der Nachweis, bei gleichbleibender Geometrie der Lichteinkopplung über die Minderung oder Erhöhung der Dämpfung der angeregten Moden im Wellenleiter.

WO 03/089931 PCT/EP03/03997 18 Die Dämpfung der Moden kann über die Änderung der Lichtintensität im Wellenleiter beispielsweise am Ausgang gemessen werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfaßt ein Verfahren zum Steuern chemischer bzw. biochemischer Reaktionen bzw. Synthesen die Schritte : - Bereitstellen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw.

BioChips ; - Einleiten einer Synthesesubstanz in zumindest eine der Poren des Trägermaterials, wobei der Brechungsindex npore der Synthesesubstanz kleiner als der Brechungsindex nwellenleiter der ersten Schicht ist ; - Einkoppeln von Licht als Wellenleitermoden in die erste Schicht des Schichtaufbaus zum optischen Anregen zumindest- der Synthesesubstanz an der Porenbegrenzungsfläche in einem Evaneszenzfeld der Wellenleitermoden.

Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen eignen sich besonders für die örtlich begrenzte, lichtgesteuerte Synthese von Molekülen an den Porenbegrenzungsflächen der Porenwände. Für planare Substrate ist das Verfahren der lichtgesteuerten Synthese beispielsweise in EP 0 619 321 und EP 0 476 014 beschrieben.

Auf den Offenbarungsgehalt dieser Druckschriften wird hinsichtlich des Aufbaus und des lichtgesteuerten Syntheseverfahren in vollem Umfang bezug genommen, so daß diese Druckschriften insoweit zum Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung gehören. Durch die effiziente Ausbreitung des Lichts in die Poren hinein (über die Wellenleiter) können an den Porenbegrenzungsflächen der Porenwände über das evaneszente Feld photochemische Reaktionen getrieben bzw. gesteuert werden. Insbesondere können auf diese Weise komplexe sequentielle lichtgesteuerte chemische Reaktionen an den Porenbegrenzungsflächen ausgeführt werden.

Optisches Übersprechen zwischen den einzelnen Poren oder Bereichen/Kompartments wird durch reflektierende/adsorbierende Wände unterbunden. Damit wird ein Hauptproblem bei der lichtgesteuerten Synthese auf planaren Substraten gelöst.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen, welche folgende Schritte enthält : (a) Bereitstellen eines flächigen Trägermaterials aus Silizium mit zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen ; (b) Erzeugen von Sacklöchern, deren Tiefe geringer als die Dicke des Trägermaterials ist, durch elektrochemisches Ätzen von einer der Oberflächen des Trägermaterials ; (c) Abtragen des Trägermaterials von der gegenüberliegenden Oberfläche mindestens bis zum Boden der Sacklöcher zum Erhalten von Poren, welche sich von der einen Oberfläche zu der gegenüberliegenden Oberfläche des Trägermaterials durchgängig erstrecken ; (d) Unterwerfen des in Schritt (c) erhaltenen Trägermaterials einer Oxidation, so daß die Porenwände des Trägermaterials zumindest im porennahen Bereich aus Si02 zur Bildung einer zweiten Schicht bestehen ; und (e) Beschichten zumindest der Porenwände zur Ausbildung der ersten Schicht.

Mit diesem bevorzugten Herstellungsverfahren läßt sich eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung herstellen. Ausgangspunkt ist hierbei vorzugsweise ein einkristallines Siliziumsubstrat, welches beispielsweise n-dotiert sein kann.

Vorzugsweise erfolgt vor dem Ätzen des Trägermaterials ein mindestens bereichsweises Anordnen einer Maskenschicht auf

der einen Oberfläche des Trägermaterials und auf den Innenflächen der in Schritt (b) erzeugten Sacklöcher, wobei nach dem Ätzschritt die Maskenschicht entfernt wird.

Vorzugsweise werden die Sacklöcher dergestalt erzeugt, daß der Abstand der in einer ansonsten, im wesentlichen regelmäßigen Anordnung vorgesehenen Sacklöcher unter Ausbildung von Bereichsübergängen mit erhöhter Siliziumwanddicke bereichsweise geändert wird, wobei die Dicke der Siliziumwände zwischen den Bereichsübergängen um den Betrag des erhöhten Sacklöcherabstandes größer als die Dicke der Siliziumwände innerhalb der Bereiche ist.

Vorzugsweise wird das in Schritt (c) geätzte Trägermaterial einer thermischen Oxidation derart unterworfen, daß in Abhängigkeit von der Siliziumwanddicke die Bereiche mit dünneren Siliziumwänden vollständig oxidiert werden, während bei den Bereichsübergängen mit erhöhter Wanddicke die Siliziumwände nicht vollständig oxidiert werden, so daß ein Siliziumkern in den Wänden bestehen bleibt.

In Schritt (b) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt ein elektrochemischen Ätzen in das Silizium. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus EP 0 296 348, EP 0 645 621, WO 99/25026, DE 42 02 454, EP 0 553 465 oder DE 198 20 756 bekannt, auf die in vollem Umfang Bezug genommen wird und deren Offenbarungsgehalt insoweit Teil der vorliegenden Anmeldung sein soll. Im Rahmen eines derartigen elektrochemischen Ätzens können Sacklöcher bzw. Poren mit Aspektverhältnissen von beispielsweise 1 zu 300 und mehr in einer im wesentlichen regelmäßigen Anordnung in Silizium geätzt werden. Da das elektrochemische Porenätzverfahren bei geeignet gewählten Parametern eine Änderung des Porenabstandes (Pitch) in bestimmten Grenzen zuläßt, kann durch Änderung des Porenabstandes oder das Weglassen einer

ganzen Reihe von Poren in der ansonsten regelmäßigen Anordnung von Sacklöchern bzw. Poren die Dicke der resultierenden Siliziumwände lokal verändert werden.

Um Poren zu erhalten, die durch das Trägermaterial bzw.

Substrat (Si-Wafer) gehen und auf den beiden Oberflächen des Trägermaterials geöffnet sind, wird nach der Ätzung der Sacklöcher auf der Rückseite des Si-Wafers, z. B. durch eine KOH-Ätzung, Silizium abgetragen, während die Vorderseite des Wafers und die Innenseite der Sacklöcher bzw. Poren durch eine Maskenschicht, wie. z. B. eine durch CVD-Abscheidung erzeugte Siliziumnitridschicht in einer Dicke von beispielsweise 100 nm, geschützt werden. Die Maskenschicht kann beispielsweise mittels HF-Behandlung entfernt werden.

Zum rückseitigen Abtragen des Si-Wafers eigenen sich gleichermaßen Sputter-, Laserablations und/oder Polierprozesse, beispielsweise ein CMP-Prozeß.

Dadurch wird ein Silizium-Wafer bzw. Silizium-Trägermaterial erzeugt, das matrixartig mit regelmäßigen Poren versehen ist, wobei die Poren durchgehende Röhren darstellen, welche die Vorder-und die Rückseite des Wafers miteinander verbinden.

Der Durchmesser dieser Poren kann nach deren Herstellung z. B. durch Ätzen in KOH vergrößert bzw. aufgeweitet werden. Wird Si (100) als Ausgangsmaterial verwendet, so entstehen bei einer solchen Ätzung auf Grund der Kristallstruktur im wesentlichen quadratische Poren. Geht man beispielsweise von einem Porendurchmesser von ca. 5 jj. m mit einem Abstand zwischen den Mittelpunkten zweier Poren (Pitch) von 12 pm aus, so kann dadurch der Porendurchmesser z. B. von 5 im auf 10 bis 11 tm vergrößert werden. Die Dicke der Siliziumwände zwischen den Poren nimmt dabei gleichzeitig auf 2 bis 1 im ab. Auf diese Weise wird quasi ein quadratisches Gitter aus

dünnen Siliziumwänden erhalten. Die Tiefe der Poren bzw. die Länge der Siliziumwände entspricht dabei der ursprünglichen Dicke des Silizium-Wafers, vermindert um die Dicke der beim Öffnen der Poren auf der Rückseite abgetragenen Si-Schicht.

In dem Oxidationsschritt (d) wird das derart erhaltene Gitter in einem thermischen Oxidationsprozeß, z. B. bei einer Temperatur von 1100°C und einer Dauer von 6 Stunden, durch Oxidation in Abhängigkeit von der jeweiligen Porenwanddicke in Si02 überführt. Die Struktur des Substrates wird dabei bis auf eine Volumenzunahme. der Wandbereiche durch die Oxidation von Si zu Si02 im wesentlichen nicht verändert.

Wird in Schritt (b) der Abstand der Sacklöcher bzw. Poren voneinander periodisch, beispielsweise alle 5, 10 oder 20 Poren, geringfügig, z. B. um 1 m, erhöht, so entsteht dadurch eine Überstruktur, die sich aus Bereichen mit Arrays aus Poren (beispielsweise 5 x 5, 10 x 10, 20 x 20) zusammensetzt.

Die Dicke der Siliziumwände ist zwischen diesen Bereichen um den Betrag des erhöhten Porenabstandes größer als die Dicke der Siliziumwände innerhalb der Bereiche. Bei anschließender Oxidation werden die Bereiche mit dünnen Siliziumwänden vollständig zu Si02 oxidiert. Bei den Übergängen zwischen den Bereichen, die eine erhöhte Wanddicke aufweisen, werden die Siliziumwände jedoch nicht vollständig oxidiert, so daß ein Siliziumkern in den Wänden bestehen bleibt, wobei der Kern aus Silizium über den Querschnitt zur Außenseite der den Rahmen bildenden Wände hin jeweils in Siliziumdioxid übergeht. Es entstehen dadurch lokal vollständig transparente Bereiche aus Si02, die durch nicht-transparente Wände mit Siliziumkern voneinander getrennt sind.

Für die Herstellung des Wellenleiters, d. h. der ersten Schicht, wird bevorzugt ein CVD-Prozeß verwendet. Jedoch können auch Sputter-, Bedampfungs-oder naßchemische

Anlagerungsschritte herangezogen werden. Im Gegensatz zu Sputter-oder Bedampfungsprozessen kann mit Hilfe eines CVD- Verfahrens trotz des großen Aspektverhältnisses eine homogene Abscheidung des Wellenleitermaterials (des Schichtaufbaus) über die gesamte Länge der Poren erzielt werden. Wird Si3N4 als Wellenleitermaterial verwendet, so kann es beispielsweise aus DCS (Dichlorsilan) und NH3 als Precursoren in einem Reaktor bei einer Temperatur von 65. 0°C und einem Druck von beispielsweise 400 mTorr abgeschieden werden.

Da das Wellenleitermater. ial ganzflächig abgeschieden wird, kann es-falls nötig-von den. planaren Oberflächen des Siliziumsubstrats anschließend wieder entfernt werden. Dies ist beispielsweise mit einem CMP-, Sputter-oder Ätzprozeß möglich. Beispielsweise eignet sich auch eine Plasma-Ätzung, mit der es insbesondere möglich ist, die bevorzugte trichterförmige Struktur des Wellenleiters in den Porenöffnungen zu erzeugen.

Gemäß einem weiteren Aspekt schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Nachweis chemischer bzw. biochemischer Reaktion und/oder Bindungen vor, mit den Schritten : Bereitstellen einer Vorrichtung mit einem flächig ausgebildeten Trägermaterial, welches über zumindest einen Oberflächenbereich verteilt eine Vielzahl von Poren aufweist, welche sich von einer Oberfläche des Trägermaterials zu der gegenüberliegenden Oberfläche durchgängig erstrecken, wobei die Poren durch eine Porenbegrenzungsfläche der in dem Trägermaterial ausgebildeten Porenwände entlang der Porenlängsachsen begrenzt sind und Fängermoleküle, gegebenenfalls über Linkermoleküle, daran immobilisiert sind ; Einleiten einer zu untersuchenden Substanz in zumindest eine der Poren des Trägermaterials, wobei der Brechungsindex npore der zu untersuchenden Substanz

größer als der Brechungsindex nporenwand der Porenwand im Bereich der Porenbegrenzungsfläche ist ; Auskoppeln von Lumineszenzlicht der zu untersuchenden Substanz als Wellenleitermoden der einen Wellenleiter bildenden Pore ; und Untersuchen des Lumineszenzlichts des zu untersuchenden Materials.

Bei dieser Ausführungsform ist der Brechungsindex npOre des in die Pore eingeleiteten Analyten (gas-oder flüssigförmig) größer als der Brechungsindex nporenwand der die Poren begrenzenden Porenwände. Somit stellen die mit dem Analyten gefüllten Poren selbst Wellenleiter (kerne) dar, so daß die Poren als sogenannte'liquid core waveguides'bezeichnet werden.

Für diese Ausführung eines Wellenleiters, dessen Kern die mit dem Analyten gefüllte Pore selbst darstellt, gelten analoge Überlegungen zu Varianten und Geometrien der Struktur, wie sie für abgeschiedene Wellenleiter bereits oben beschrieben wurden. Beispielsweise kann das Trägermaterial mit einer weiteren Überstruktur beispielsweise zur Ausbildung von Bereichen/Kompartments versehen werden. Um ein möglichst effektives Einkoppeln von Licht in die Wellenleiter zu gewährleisten, sollten-wie auch bei den oben beschriebenen Ausführungsformen-scharfe Kanten an den Öffnungen der Poren vermieden werden. Vorzugsweise weist der Öffnungsbereich der Poren eine trichterartige Struktur auf, wobei die optimale Geometrie von der Winkelverteilung des Anregungslichts abhängt.

Vorzugsweise umfaßt das Verfahren zusätzlich den Schritt eines Einkoppeln von Anregungslicht als Wellenleitermoden in die Pore zum Anregen des zu untersuchenden Materials.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigt : Fig. l (A) bis (C) Schematische Querschnittsansichten bevorzugter Ausführungsformen erfindungsgemäßer Vorrichtungen, wobei die Querschnittsfläche entlang den Porenlängsachsen verläuft ; Fig. 2 (A) eine schematische Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ; Fig. 2 (B) eine schematische Querschnittsansicht der- in Fig. 2 (A) gezeigten Ausführungsform, wobei die Schnittfläche parallel zu den Porenlängsachsen verläuft ; Fig. 3 (A) bis (E) eine schematische Schnittansicht möglicher Porenausgestaltungen ; Fig. 4 (A) eine schematische Draufsicht auf eine bevorzugte Ausführungsform eines'liquid core waveguides' ; Fig. 4 (B) eine schematische Querschnittsansicht der in Fig. 4 (A) gezeigten Ausführungsformen, wobei die Querschnittsebene parallel zu den Porenlängsachsen verläuft ; und Fig. 5 (A) bis (C) bevorzugte Ausgestaltungen von Porengeometrien für einen'liquid core waveguide'.

In Fig. 1 (A) ist in einer schematischen Schnittansicht eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Schnittebene der stark schematisierten Schnittansicht verläuft entlang den Längsachsen von vier beispielhaft dargestellten Poren 10, welches sich von einer Oberfläche 12 des flächig ausgebildeten Trägermaterials 16 zu der gegenüberliegenden Oberfläche 14 durchgehend erstrecken. Die Poren 10 haben in dieser Ausführungsform eine zylinderförmige Gestalt, wobei die Zylinderachsen der Poren 10 mit der Oberflächennormalen des flächigen Trägermaterials 16 zusammenfallen.

Betriebsgemäß kann von der einen Oberfläche 12 des Trägermaterials 16 zu der gegenüberliegenden Oberfläche 14 ein Analyt durch die Poren 10 geleitet werden, um beispielsweise biochemische Reaktionen und/oder Bindungen zu untersuchen.

Die Form einer Pore 10 wird jeweils definiert durch eine Porenbegrenzungsfläche 18, welche in diesem Fall den Poren 10 jeweils eine zylinderförmige Gestalt gibt. Die Stirnflächen der Zylinder, welche die Poren 10 definieren, sind offen, so daß ein Analyt beispielsweise von der Oberfläche 12 eingeleitet und bei der Oberfläche 14 die Poren 10 verlassen kann. Die Porenbegrenzungsfläche 18, welche die Pore 10 entlang deren Porenlängsachse begrenzt, stellt die Außenfläche einer ersten Schicht 20 dar, welche ein Teil der Porenwand 22 ist. Die Porenwände 22 sind derjenige Volumenanteil des Trägermaterials, welcher sich zwischen den Poren 10 erstreckt. Somit trennen die Porenwände 22 die Poren 10 voneinander. Die Porenbegrenzungsflächen 18 stellen somit die jeweiligen Grenzflächen zwischen den Porenwänden 22 und dem Inneren der Poren 10 dar.

In der in Fig. 1 (A) dargestellten Ausführungsform weisen sämtliche Porenwände 22 über ihre gesamte Länge einen Schichtaufbau auf, dessen äußerste Schicht die erste Schicht 20 ist. Die erste Schicht 20 ist an einer zweiten Schicht 24 angeordnet, welche von der zugeordneten Pore 10 beabstandet ist. Die zweite Schicht 24 ist von der jeweiligen Pore 10 durch die erste Schicht 20 in der vorliegenden Ausführungsform getrennt.

Während in der in Fig. 1 (B) dargestellten Ausführungsform die Porenwände 22 aus der ersten Schicht 20 und der zweiten Schicht 24 bestehen, wobei die zweite Schicht 24 den gesamten Kern der Porenwände 22 bzw. des Trägermaterials 16 ausfüllt, ist in der in Fig. 1 (A) gezeigten Ausführungsform eine dritte Schicht 26 vorgesehen, welche vorzugsweise den Kernbereich- der Porenwände 22 darstellt.

Der Brechungsindex nwellenleiter der ersten Schicht 20 ist größer als der Brechungsindex n2 der zweiten Schicht 24.

Betriebsmäßig wird ein Analyt in die Poren 10 eingeleitet, dessen Brechungsindex npore ebenfalls kleiner als der Brechungsindex nwellenleiter der ersten Schicht 20 ist. Die erste Schicht 20 des Schichtaufbaus der Porenwände 22 ist somit von der zweiten Schicht 24 sowie dem Analyten in den Poren 10 umgeben, welche jeweils einen kleineren Brechungsindex aufweisen. Diese Ausgestaltung der Schichten mit geeignet gewählten Brechungsindizes ermöglicht es, daß sich in der ersten Schicht 20 eine elektromagnetische Welle in Form von Wellenleitermoden ausbreiten, wobei'die'Ausbreitungsrichtung parallel zu den Porenlängsachsen verläuft. Die Wellenleitermoden (Hauptmode und Moden höherer Ordnung) werden somit im porennahen Bereich der Poren 10 in der ersten Schicht 20 geführt. Zwar ist bei einer derartigen Anordnung die Intensität der elektromagnetischen Welle innerhalb der ersten Schicht 20 größer als in den angrenzenden Schichten,

jedoch dringt insbesondere in den an die Porenbegrenzungsfläche 18 angrenzenden Raum innerhalb der Pore 10 ein evaneszentes elektromagnetisches Feld der elektromagnetischen Welle ein. Dieses evaneszente Feld klingt in einer Richtung, welche senkrecht auf der Längsachse des Wellenleiters steht, exponentiell ab.

Wird ein optisches Anregungssignal in die erste Schicht 20 eingeleitet, so können durch das evaneszente Feld der im Wellenleiter 20 geführten Moden zu untersuchende Substanzen, welche sich an oder in unmittelbarer Umgebung der zugeordneten Porenbegrenzungsfläche 18 befinden, optisch angeregt werden. Umgekehrt können Photonen, welche von dem zu untersuchenden Material im Evaneszenzfeldbereich emittiert werden, das Trägermaterial 16 als geführte Wellenleitermoden- über die erste Schicht 20 verlassen.

Folglich unterliegen die in Fig. 1 (A) und (B) dargestellten Ausführungsformen nicht dem aus dem Stand der Technik bekannten Dämpfungsprinzip aufgrund von Mehrfachreflexionen an nicht perfekt reflektierenden Porenwänden. Statt dessen kann Anregungslicht verlustarm als Wellenleitermoden in der ersten Schicht 20 eingeführt und geleitet werden. Das zu detektierende optische Signal kann als Wellenleitermode in der ersten Schicht 20 aus dem Trägermaterial 16 ausgekoppelt und einem Detektor zugeleitet werden.

Zur Einkopplung von Anregungslicht in die erste Schicht 20 kann eine oder mehrere beliebig-angeordnete Anregungslichtquellen gegebenenfalls in Verbindung mit diffraktiven optischen Elementen verwendet werden. Das Anregungslicht kann gleichzeitig oder sequentiell aus verschiendenen Richtungen mit gleichen oder verschiedenen Wellenlängen eingestrahlt werden. Die Lichtquellen können kohärente oder nicht-kohärente Lichtquellen sein, welche

W003/089931 _ PCT/EP03/03997 29 kohärent oder nicht-kohärent überlagert werden.

Beispielsweise kann die Anregung hologrammartig erfolgen.

Zur Detektion der Lumineszenz wird zumindest ein Detektor verwendet, beispielsweise CCD-Kameras, Photodioden-Arrays, Avalanche-Photodioden-Arrays, Multichannelplates und/oder Vielkanal-Photomultiplier.

Die Schichten, der in Fig. 1 (A) dargestellten Ausführungsform (Vierkomponentenausführungform) können beispielsweise wie folgt gewählt werden : Hauptbestandteil des in den Poren 10 befindlichen Analyten (Brechungsindex npore) : Luft, H20 einschließlich wässrige Pufferlösungen, die gegebenenfalls geringe Anteile an organischen Lösungsmitteln enthalten können, Glyzerin Erste Schicht 20 (Brechungsindex nwellenleiter) : Ta205, HfO2, Y203, A1203, Nb205, Si3N4, TiO2, TaO2 und/oder Nitrid oder Oxynitrid von Al, Si oder Hf Zweite Schicht 24 (Brechungsindex n2) : Glas, Kunststoff, transparente Dielektrika und/oder Si02 Dritte Schicht 26 (Brechungsindex n3) : Metalle, Halbleiter, insbesondere Silizium (undotiert, p oder n dotiert), Kunststoff, insbesondere anorganische oder organische Polymere Für die in Fig. 1 (B) dargestellte Ausführungsform (Dreikomponentenausführungsform) können die Materialien der Schichten beispielsweise wie folgt gewählt werden : Hauptbestandteil des in den Poren 10 befindlichen Analyten (Brechungsindex npore) : Luft, H20 einschließlich wässrige

Pufferlösungen, die gegebenenfalls geringe Anteile an organischen Lösungsmitteln enthalten können, Glyzerin Erste Schicht 20 (Brechungsindex nwellenleiter) : Ta205, HfO2, Y203, A1203, Nb205, Si3N4, TiO2, TaO2 und/oder Nitrid oder Oxynitrid von Al, Si oder Hf Zweite Schicht 24 (Brechungsindex n2) : Glas, Kunststoff, transparente Dielektrika und/oder Si02 Vorteilhaft kann ein gezielter Einbau von Streuzentren bzw.

Fehlstellen an den Porenbegrenzungsflächen 18 und/oder in den Wellenleitern, d. h. in der ersten Schicht 20, selbst sein.

Diese Streuzentren bzw. Fehlstellen können beispielsweise durch Aufrauhen der Porenbegrenzungsflächen 18 bzw. durch gezieltes Dotieren der ersten Schicht 20 erfolgen. Durch eine- derartige Maßnahme kann das Ein-und Auskoppeln von Anregungslicht verbessert werden.

In Fig. 1 (C) ist eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform gezeigt. Bei der in Fig. 1 (C) dargestellten Ausführungsform werden die Poren 10 selbst als optischer Wellenleiter genutzt. Die Poren 10 stellen somit einen sogenannten'liquid core waveguide'dar. Dies ist dadurch möglich, daß für die Brechungsindizes der Porenwände 22 sowie des betriebsmäßig in den Poren 10 enthaltenden Analyten gilt : npore > nporenwand, wobei porenwand der Brechungsindex der Porenwände 22 des Trägermaterials 16 ist.

Im Unterschied zu den im Zusammenhang mit Figs. 1 (A) und (B) dargestellten Ausführungsformen, bei welchen der Wellenleiter in den Porenwänden gebildet wird, stellt bei der in Fig. 1 (C) dargestellten Ausführungsform die Pore 10 selbst den Wellenleiter dar. Anregungslicht bzw. emittierte Photonen des zu untersuchenden Materials können das Trägermaterial 16 in

Form von verlustarm propagierenden Wellenleitermoden verlassen, ohne daß der eingangs beschriebene Dämpfungsmechanismus aufgrund von Mehrfachreflexionen zu empfindlichen Signalverlusten führt.

In Fig. 2 (A) ist in Draufsicht eine besonders bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt.

Bei dieser Ausführungsform ist das regelmäßig mit Poren 10 durchsetzte Trägermaterial 16 zusätzlich einer Überstrukturierung zur Erzeugung einer weiteren Überstruktur unterworfen worden. Das Trägermaterial 16 ist in kleine Bereiche bzw. Kompartments 28 unterteilt, welche jeweils zumindest eine der Poren 10 umfassen. Die Bereiche 28, von welchen in Fig. 2 (A) beispielhaft vier dargestellt sind, sind vorzugsweise mit Hilfe von rahmenförmigen Wänden aus einem vorzugsweise reflektierenden Material von angrenzenden Bereichen 28 abgetrennt.

Wie in Zusammenhang mit Fig. 1 (A) beschrieben wurde, können die Porenwände 22 eine dritte Schicht 26 aufweisen, die zur Ausbildung der reflektierenden Wände herangezogen werden kann. Beispielsweise können die reflektierenden rahmenförmigen Wände aus Metall oder Halbleitern ausgebildet sein. Innerhalb der Bereiche 28 bestehen die Porenwände 22 zwischen den Poren 10 vorzugsweise aus einem Material, welches für Wellenlängen in dem vorbestimmten bzw. interessierenden Spektralbereich transparent ist. Durch diese Geometrie wird wirkungsvoll die Ausbreitung von Streulicht und das Übersprechen eines optischen Signals von einem Bereich 28 zu einem angrenzenden Bereich 28 unterdrückt.

In Fig. 2 (B) ist die in Fig. 2 (A) dargestellte Ausführungsform in einer stark schematisierten Schnittansicht gezeigt, wobei die Schnittebene parallel zu den Porenlängsachsen der Poren 10 verläuft. Im vorliegenden Fall

ist das flächige Trägermaterial 16 von matrixförmig regelmäßig angeordneten Poren 10 durchsetzt, wobei die Poren 10 jeweils rechteckig zylinderförmig ausgebildet sind. Die Überstruktur bildet eine rechteckförmige Rahmenstruktur, wobei die Rahmen ebenfalls rechteckig zylindrisch ausgebildet sind. Die Längsachsen der zylinderförmigen Rahmen, welche die Bereiche 28 definieren, sind parallel zu den Porenlängsachsen der Poren 10. Im vorliegenden Fall weist beispielsweise jede sechste Porenwand 22 zwischen den Poren 10 einen Kernbereich bzw. eine dritte Schicht 26 auf, welche aus einem reflektierenden. Material. besteht. Die übrigen Porenwände 22 innerhalb des Bereichs 28 sind für Wellenlängen im vorbestimmten Spektralbereich transparent.

In Fig. 3 (A) bis (E) sind stark schematisiert Schnittansichten von bevorzugten Porenwandgeometrien gezeigt.

Um ein möglichst effektives Ein-sowie Auskoppeln von Licht in bzw. aus den Wellenleitern 20 zu gewährleisten, ist eine besondere Ausgestaltung der Porenwandgeometrie nahe den Oberflächen 12 bzw. 14 des Trägermaterials 16 vorteilhaft.

Als besonders vorteilhaft hat sich sich insbesondere die in Fig. 3 (C) gezeigte Variante erwiesen, bei welcher der Durchmesser dpore der Poren 10 sich nahe den Oberflächen 12 und 14 des Trägermaterials 16 in Richtung dieser Oberflächen 12 und 14 kontinuierlich vergrößert. Die Poren 10 weisen somit in dem oberflächennahen Bereich des Trägermaterials 16 eine konische bzw. tricherartige Struktur auf.

Um eine möglichst effiziente Einkopplung von Licht in die erste Schicht 20 zu erzielen, sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden : (1) Je größer der Anteil der Wellenleiterstruktur auf den Oberflächen 12 bzw. 14 des Trägermaterials 16 gegenüber den nicht mit der Wellenleiterstruktur bzw. dem Schichtaufbau

versehenen Oberfläche 12,14 des Trägermaterials 16 ist, desto höher ist der zu erwartende Einkopplungsanteil des auftreffenden Lichts. Diesem Faktor genügen insbesondere die in Fig. 3 (A) und (C) dargestellten Ausführungsformen in besonderen Maße.

(2) Scharfe Kanten innerhalb der Schichtstruktur bzw. der ersten Schicht 20 im inneren Bereich der Poren 10 sollten vermieden werden.

Besonders bevorzugt ist die Ausbildung einer trichterartigen Struktur im Öffnungsbereich der Poren 10, wie sie in Fig.

3 (C) dargestellt ist. Die genaue Geometrie im Öffnungsbereich der Poren 10, d. h. der Öffnungswinkel, die Schichtdicken sowie der Krümmung der Oberfläche, hängt auch von der Winkelverteilung des Anregungslichts ab. Jedoch sind auch die in Figs. 3 (B) und (E) gezeigten Ausgestaltungen möglich. Die in Fig. 3 (E) gezeigte Variante zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß die pyramidenartigen Porenwandbereiche im Bereich der Oberflächen 12 und 14 definierte, gegenüber der Ebene der Oberflächen 12,14 geneigte Einkoppelflächen aufweisen. So kann unter einem einstellbaren Winkel zu dieser Einkoppelfläche Anregungslicht eingekoppelt werden.

Insbesondere ist es auf diese Weise möglich, lediglich eine einzige Wellenleitermode selektiv anzuregen. Die Oberseite 12 und Unterseite 14 des Trägermaterials können verschiedene Porenöffnungsgeometrien aufweisen.

In Fig. 4 (A) ist in Draufsicht und in Fig. 4 (B) in Schnittansicht eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform dargestellt. Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um eine Ausgestaltung des bereits beschriebenen Konzepts, bei welchem die Poren 10 selbst die Wellenleiter bilden, so daß die Pore als sogenannter'liquid core waveguide'genutzt wird. Auch in diesem Fall kann das

Trägermaterial 16, welches von einer regelmäßigen Anordnung von Poren 10 durchsetzt ist, einer weiteren beliebigen Überstrukturierung unterworfen werden. Wie bereits ausführlich in Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben, kann diese Überstrukturierung beispielsweise in Form einer Einteilung von einer Vielzahl der Poren 10 in abgegrenzte Bereiche bzw. Kompartments erfolgen, welche voneinander durch reflektierende und/oder nicht-transparente Wände 26 getrennt sind. Die rahmenförmigen Wände 26, welche die Bereiche 28 abgrenzen, können auch auf zumindest einer Seite offen gestaltet werden. Die Zylinderachsen der vorzugsweise zylinderförmig gestalteten Wände 26 der Bereiche 28 sind derart angeordnet, daß sie zu den Porenlängsachsen der Poren 10 parallel verlaufen.

In Fig. 5 (A) bis (C) sind vorteilhafte Ausgestaltungen von Porengeometrien für einen'liquid core waveguide'in einer stark schematisierten Schnittansicht dargestellt. Ähnlich wie bei der in Zusammenhang mit Fig. 3 (C) dargestellten Ausführungsform, ist auch bei der Nutzung der Poren 10 als Wellenleiter selbst eine trog-bzw. trichterartige Aufweitung der Poren 10 im oberflächennahen Bereich des Trägermaterials 16 zwecks besserer Ein-und Auskopplung des Lichts vorteilhaft. Fig. 5 (C) entspricht der bereits in Zusammenhang mit Fig. 3 (E) dargestellten Variante mit definierten Einkoppelflächen.

Bezugszeichenliste 10 Pore 12 Oberfläche des flächigen Trägermaterials 14 der Oberfläche 12 gegenüberliegende Oberfläche des Trägermaterials 16 flächiges Trägermaterial 18 Porenbegrenzungsfläche 20 erste Schicht des Schichtaufbaus der Porenwände 22 Porenwand 24 zweite Schicht des Schichtaufbaus der Porenwände 26 dritte Schicht des Schichtaufbaus der Porenwände 28 Bereiche bzw. Kompartments