Zur Herstellung komplexer chemischer Verbindungen für analytische Zwecke wird standardmäßig die Festphasen-Synthese von DNA- Oligonukleotiden, Peptiden oder anderen Makromolekülen eingesetzt, die meistens an Polystyrol-Kügelchen oder anderen Polymer-Trägern stattfindet.

So gelangt beispielsweise bei der Festphasen-Synthese von Peptiden und Proteinen standardmäßig das Verfahren nach Merrifield zur Anwendung (Merrifield, Science 10 232 : 341-347 (1986)). Bei dieser Methode werden Polypeptide durch schrittweise kovalente Verknüpfung von Aminosäuren, deren Aminogruppen geschützt sind, an das Ende einer wachsenden Polypeptidkette synthetisiert. Nachdem die neue Aminosäure an die Kette angekoppelt wird, wird die Schutzgruppe an der endständigen a-Aminogruppe entfernt und der nächste Synthese- Zyklus findet statt.

Das klassische Verfahren zur Herstellung von DNA auf festen Trägern bedient sich der Phosphoamidit-Chemie auf Polystyrol-Kügelchen. Dazu wird in jedem Zyklus ein geschütztes Nukleotid an das wachsende Ende einer Oligonukleotid-Kette angekoppelt, die Schutzgruppen werden

entfernt und ein neuer Ankopplungs-Zyklus wird eingeleitet. Die Reaktions-Bedingungen und die Prozeßabläufe sind bei dieser Methode so optimiert, daß Ausbeuten von 98% bis 99,5% pro Reaktions-Zyklus erreicht werden können. Zu einzelnen Schritten dieses Verfahrens wird auf folgendes Review verwiesen : Beaucage, lyer, Tetrahedron 48 : 2223- 2311 (1992).

Die klassischen Methoden erweisen sich bei der Herstellung einer großen Anzahl komplexer chemischer Verbindung als zu langsam und uneffektiv. Mit diesen Methoden lassen sich nur wenige Polymere pro Tag herstellen.

Für die Herstellung einer größeren Anzahl von Substanzen ist ein Verfahren zur Synthese auf Mikrotiter-Platten des ELISA-Formates bekannt. Die klassischen Verfahren der Festphasen-Synthese im Mikrotiter-Platten-Format haben den Nachteil, daß viele Pipettier-und Absaugschritte notwendig sind, weil Reagenzien durch Kompartimentierung der Lochplatte oder durch Lochmaskenaufsätze (WO 98/36827) räumlich getrennt sind. Bei einer Synthese von z. B. einem 20er Oligonukleotid sind bei diesem Verfahren bis zu 80 Einzelschritte notwendig. Außerdem findet die Reaktion an der Oberfläche unter Massentransport-Limitierung statt, was eine langsame Reaktions-Kinetik zur Folge hat.

Bei vielen Anwendungen wie Drug Screening, Genexpressions-Analyse oder genetischer Diagnostik ist die Zahl der zu untersuchenden Moleküle so hoch, daß das Mikrotiter-Platten-Format für eine effektive und wirtschaftliche Synthese nicht mehr ausreicht. Für solche Fragestellungen verwendet man ortsaufgelöste lochfreie Träger, sogenannte Arrays, die Molekül-Bibliotheken auf einem festen Träger darstellen. Für eine Massenproduktion von Molekül-Arrays ist das vielfach reproduzierbare Aufbringen von Molekülen auf Metall-, Glas-,

Membran-oder Kunststoff-Oberflächen der limitierende Kosten-und Zeitfaktor. Bei diesem Verfahren sind prinzipiell die folgenden zwei Techniken bekannt : 1) eine in situ-Synthese von Array-Molekülen aus Monomeren mittels photochemisch-oder elektrostatisch-vermittelter Reaktionen am Ort direkt auf einem Träger (US 5,405,783) ; 2) ein Auftragen von fertigen Makromolekülen entweder in Tropfenform (spotting) mittels Drucknadel (US 6,101,946), Mikropipetten (US 5,601,980) oder Tintenstrahldruckern (US 5,927,547). Zum gegenwärtigen Stand der Technik, insbesondere zur Verwendung von Microarrays bei der DNA-und Protein-Analyse, wird auf folgenden einschlägigen Übersichtsartikel verwiesen : Nature Genetics, Vol. 21, No. 1 supplement (1999).

Die bekannten Verfahren zur Herstellung von Molekül-Arrays besitzen den Nachteil, daß sie mit einem hohen apparativen Aufwand verbunden und daher teuer sind. Ferner wird bei optisch-lithographischen Methoden eine spezielle lichtreaktive Schutzgruppen-Chemie verwendet, die niedrige chemische Produktausbeuten und unerwünschte Nebenreaktionen mit sich zieht.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur einfachen und kostengünstigen Herstellung von Molekül-Bibliotheken im Microarray- Format mit höherer Präzision und Reproduzierbarkeit zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung in erster Linie ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen vor.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen abhängigen und unabhängigen Ansprüche 2 bis 28, deren Wortlaut ebenso wie der Wortlaut der Zusammenfassung durch Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren umgeht gleich mehrere der oben genannten Einschränkungen und beseitigt die Mängel der herkömmlichen Methoden mit einfachen und effektiven Mitteln. Dies wird dadurch erreicht, daß die hochoptimierten und einfachen Standardmethoden und-chemikalien der klassischen Festphasen- Synthese auf das Microarray-Format übertragen werden, wobei die Ortsselektivität sowie die Reihenfolge der chemischen Reaktionen durch den Einsatz kombinatorischer Abdichtmatrizen erzielt wird.

Die Erfindung beschreibt eine Methode zur ortsaufgelösten und selektiven Synthese komplexer chemischer Verbindungen an vordefinierten Stellen auf einer Substrat-Oberfläche, deren Gesamtheit eine Punktmatrix, eine kreisförmige, spiralförmige, streifenförmige, lineare oder sonstige geometrische Anordnung von Reaktions-Stellen bildet.

Vor jedem Reaktions-Zyklus werden alle Bereiche auf der Substrat- Oberfläche, die vor der jeweiligen chemischen Reaktion geschützt werden sollen, mittels einer topologisch strukturierten Abdichtmatrize abgedeckt und somit von der anschließenden Reaktion ausgeschlossen.

Alle anderen nicht abgedeckten Stellen des Substrats bleiben für die Reaktions-Chemikalien frei zugänglich.

Die Synthese von komplexen chemischen Verbindungen erfolgt erfindungsgemäß an vordefinierten Stellen auf der Substrat-Oberfläche, die vor dem Reaktions-Beginn aktiviert werden können. Die Ortsselektivität bei der Aktivierung bzw. Passivierung wird durch unterschiedliche, dem Fachmann bekannte Verfahren wie beispielsweise Mikrokontaktdruck, Photolithographie oder lichtselektive Chemie ermöglicht. Alternativ kann die Ortsselektivität durch die Verwendung erfindungsgemäßer Abdichtmatrizen gewährleistet werden.

Dazu werden die Bereiche, an denen die Synthese stattfinden soll, mit

einer Abdichtmatrize abgedeckt und die restliche Fläche mit passivierenden Substanzen in Kontakt gebracht. Das Abdecken der Bereiche, an denen keine Synthese stattfinden soll, und eine anschließende Aktivierung komplementärer Bereiche ist ebenfalls möglich.

Eine Aktivierung der für die Synthese von Makromolekülen vorgesehenen Bereiche kann zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, durch ortsselektive Silanisierung mit co-30 funktionalisierten Ethoxy-, Methoxy-oder Chlorosilanen geschehen. Auf gold-oder silberbeschichteten Substraten können auch selbstassoziierende Monolagen (self assembling monolayer) von Thiolen oder Disulfiden verwendet werden.

Alternativ kann eine flächig aktivierte Oberfläche ortsselektiv passiviert werden. Dazu werden die Bereiche, an denen keine Synthese stattfinden soll, beispielsweise durch Mikrokontaktdruck mit dafür geeigneten Polymeren, Quenchern oder Proteinen beschichtet. So kann beispielsweise die Gesamtfläche zuerst durch Aminosilanisierung und anschließende Beschichtung mit N-Hydroxysuccinimidyl-Ester aktiviert werden. Nach dem Abdecken der für die Synthese von Makromolekülen vorgesehenden Felder mit einer Abdichtmatrize wird die restliche Oberfläche beispielsweise durch Ethanolamin oder Polyethylenglykol mit endständigen Aminen passiviert.

Die auf der Abdichtmatrize angebrachten Strukturen und Abstände zwischen den benachbarten Strukturen können sehr kleine Dimensionen von bis zu weniger als 1, um aufweisen. Die topologischen Strukturen können z. B. Erhebungen sein und bilden ein Relief auf der Matrizen- Oberfläche. Die Erhebungen können vorzugsweise vollflächig ausgebildet sein und dementsprechend dann bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vollständig auf der Substrat-Oberfläche

aufliegen. Andere Ausbildungen sind möglich, wobei die Erhebung beispielsweise von einem umlaufenden Rand gebildet sein kann. Hier erfolgt die Abdichtung beim Aufsetzen auf die Substrat-Oberfläche über diese Randbereiche der Erhebungen.

Ein konformaler Kontakt zur Substrat-Oberfläche ist die Grundvoraussetzung für die Verwendung dieses Verfahrens. Zusätzlich dürfen die Strukturelemente beim Kontakt zur Substrat-Oberfläche nicht durchhängen und sich nicht zu stark verformen. Zur Charakterisierung der Strukturen dienen hier der Formfaktor (aspect ratio : Verhältnis der Strukturenhöhe zu ihren lateralen Dimensionen bei periodischen Strukturen) und der Füllfaktor (filling factor Verhältnis der Kontaktfläche der Strukturen zur Gesamtfläche) (s. auch : Delamarche et al., Advanced Materials 9 : 741-746 (1997) ; Bietsch and Michel, J. Appl. Phys. 88 : 4310-4318 (2000)). Ein Formfaktor von 1 : 5 bis 5 : 1, in einigen Fällen bei Verwendung geeigneter Materialien von 1 : 20 bis 20 : 1, ist besonders empfehlenswert. Der Füllfaktor soll mindestens 5 %-10 % betragen.

Der kleinste Abstand zwischen Erhebungen auf der Abdichtmatrize ist gleich dem Abstand zwischen einzelnen benachbarten Bereichen auf der Substrat-Oberfläche, an denen die Synthese erfolgen soll. Diese Bereiche sind vorzugsweise in der Dimension etwas kleiner als die Querschnittsfläche der Erhebungen auf den kombinatorischen Abdichtmatrizen, so daß bei einem Kontakt zwischen einer Matrize und der Substrat-Oberfläche die Matrizen-Strukturen um wenige um über die Grenzen der abzudichtenden Bereiche reichen.

Die aktivierte und zum Teil durch die Matrizen-Strukturen hermetisch abgedeckte Substrat-Oberfläche wird mit der ersten Lösung beinhaltend die ersten Reaktions-Chemikalien in Kontakt gebracht und die Reaktion wird eingeleitet. Es können beispielsweise eine kovalente Verknüpfung, eine chemische oder enzymatische Modifikation, eine Ankopplung, eine

Abspaltung, eine Hydrolyse, eine nichtkovalente Bindung und andere Reaktionen sein. Die erste eingeleitete Reaktion findet an den aktivierten und nicht von Matrizen-Strukturen abgedeckten Bereichen auf der Substrat-Oberfläche statt. Nach dem ersten Reaktions-Schritt und und gegebenenfalls einem anschließenden Waschen wird die erste Abdichtmatrize von der Substrat-Oberfläche getrennt und eine zweite Abdichtmatrize aufgesetzt. Dadurch werden wieder einzelne Bereiche auf der Substrat-Oberfläche abgedeckt und die dazu komplementären Stellen für die zweite chemische Reaktion freigelassen. Die auf diese Weise zum Teil abgedichtete Substrat-Oberfläche wird mit einer zweiten Reaktions-Lösung in Kontakt gebracht und der zweite Reaktions-Schritt wird eingeleitet. Für den dritten Reaktions-Schritt wird eine weitere Abdichtmatrize und eine weitere Reaktions-Lösung eingesetzt. Die Zahl der Reaktions-Schritte, die Reaktanden und die Form der topologischen Abdichtmatrizen kann beliebig variieren. Mit diesem Verfahren lassen sich beliebige chemische Verbindungen in kombinatorischen Schritten auf einer Substrat-Oberfläche synthetisieren.

Die Synthese von Makromolekülen mit Hilfe topologischer Abdichtmatrizen kann durch die Gestaltung des zu synthetisierenden Arrays wie auch durch die Festlegung der Reaktions-Abfolge vorteilhaft optimiert werden. Die Reihenfolge der Reaktions-Schritte kann beispielsweise so gewählt werden, daß in einem einzelnen Schritt eine chemische Reaktion an möglichst vielen Bereichen der Substrat- Oberfläche erfolgt. Auf diese Weise kann die Anzahl der für die Synthese aller gewünschten Moleküle notwendigen Schritte auf ein Minimum reduziert werden. Außerdem kann die Anordnung der zu synthetisierenden chemischen Verbindungen auf der Substrat- Oberfläche so festgelegt werden, daß mehrere benachbarte Bereiche auf der Substrat-Oberfläche in einer Reaktion mit der gleichen Reaktions-Lösung in Kontakt gebracht werden können. In diesem Fall

können Abdichtmatrizen verwendet werden, deren topologische Strukturen gleich mehrere Bereiche abdecken bzw. freilassen. Auf diese Weise können auf der Abdichtmatrize größere Strukturen generiert werden, die einfacher in der Herstellung und verschleißfester sind. Die Berechnung einer für die Synthese optimalen Anordnung der Moleküle auf dem Substrat und die Gestaltung der Abdichtmatrizen, sowie die Berechnung einer optimalen Reihenfolge der Reaktions-Schritte können mit bekannten Methoden computer-gestützter Kombinatorik ausgeführt werden.

An Materialien für die Herstellung kombinatorischer Abdichtmatrizen werden folgende Anforderungen gestellt : präzise Strukturierbarkeit, abdichtender Kontakt zu einem geeigneten Substrat (conformal contact), chemische und physikalische Resistenz gegenüber Reaktions- Bedingungen. Ferner muß bei kleinen Strukturen die geometrische Aufsetzgenauigkeit (alignment) gewährleistet sein, die durch eine exakte Positionierbarkeit und einen relativen Positionsabgleich charakterisiert ist. Vorzugsweise, aber nicht einschränkend, wird als Material für die Matrizen-Herstellung ein Elastomer, z. B. Polydimethylsiloxan (PDMS), verwendet. PDMS ist ein Kunststoff, der in beliebige Formen gegossen und gehärtet werden kann (Delamarche et al., Advanced Materials 9 : 741-746 (1997)). Es eignet sich als Material für die Herstellung von Abdichtmatrizen besonders gut, da es aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften in der Lage ist, sich der Substrat-Oberfläche höchst genau anzupassen, und somit einen gleichmäßigen Kontakt und eine ausreichende Abdichtung zu gewährleisten.

Wenn starke Basen oder halogenisierte Kohlenwasserstoffe wie z. B. chlorierte Lösungsmittel in der Reaktion eingesetzt werden, ist es möglich, härtere, aber dafür chemisch inerte Materialien für die Matrizen-Herstellung zu verwenden. Um die Abdichtung zur Substrat- Oberfläche zu gewährleisen, kann in diesem Fall eine Hybridstruktur aus

einem harten und chemisch resistenten Kern und weichen Kontaktflächen aus elastischem Material konstruiert werden. Als hartes Material kann z. B. Glas, Silizium, Gold, Silber, Nickel oder andere Metalle sowie verschiedene Kunststoffe verwendet werden. Die Kontaktflächen der topologischen Strukturen können aus einem Elastomer wie PDMS oder anderen Siloxane, Silikonen, gummiartigen Polymeren, Polyurethanen und weiteren formbaren elastischen Thermoplasten bestehen. Zusätzlich können chemische Modifikationen die chemische Resistenz der Abdichtmatrize erhöhen. Diese können z. B. eine Erhöhung des Quervernetzungsgrads des Polymers, eine Verglasung der äußeren Schicht der Abdichtmatrize, eine Oberflächenveredelung durch Aufbringen einer dünnen Schutzschicht aus einem Schutzpolymer oder einem Metall, oder sonstige geeignete chemische Modifikationen sein.

Zur Herstellung von strukturierten Abdichtmatrizen werden Masterstrukturen z. B. in Form einer Siliziumscheibe (silicon wafer) oder als strukturiertes Glas mittels klassischer Photolithographie definiert und als Abgußform für das flüssige Prepolymer verwendet. Nach dem Aushärten läßt sich das elastische Polymer in der gewünschten dreidimensionalen Form abziehen. Zur Herstellung von Strukturen aus PDMS wird auf folgenden Übersichtsartikel verwiesen : Xia and Whitesides, Angew. Chem. Int. Ed. 37 : 550-575 (1998).

PDMS ist für die Wellenlängen bis in den tieferen UV-Bereich transparent. Dies kann erfindungsgemäß dazu genutzt werden, um beispielsweise eine optische Kontrolle der Matrizen-Positionierung relativ zum Substrat (alignment) zu gewährleisten. Ferner können bestimmte lichtsensitive Reaktionen (light-sensitive reactions) z. B. zur Ankopplung von molekularen Bestandteilen durch Licht gesteuert werden.

Mit dem beschriebenen Verfahren können aus Monomeren wie z. B.

Nukleotiden, Aminosäuren, Zuckereinheiten sowie aus anderen molekularen Bestandteilen Oligound Polymere wie DNA, RNA, Aptamere und ihre Derivate wie PNA oder thioRNA, Peptide, Proteine, komplexe Kohlenhydrate, sowie weitere chemische Verbindungen hergestellt werden.

Die beschriebene Methode der Festphasen-Synthese von Molekül- Bibliotheken im Array-Format eignet sich sowohl für die Herstellung von Microarrays von Molekülen mit definierten gewünschten Zusammensetzungen als auch für eine kontrollierte kombinatorische Synthese von allen möglichen Makromolekülen aus einer vorgegebenen Anzahl von Bestandteilen. Das erste findet Anwendung zur parallelen Analyse biologischer Proben. So können die nach dem beschriebenen Verfahren hergestellten Arrays z. B. bei der Analyse der Genexpression, bei der genetischen Diagnostik, in der biologischen und pharmazeutischen Forschung, bei der Bestimmung genmanipulierter Organismen in der Lebensmittelindustrie usw. verwendet werden.

Bei der kontrollierten kombinatorischen Synthese kann die komplette molekulare Diversität ausgehend von vordefinierten Reaktanden generiert werden. Die Berechnung der Reaktions-Reihenfolge sowie der jeweiligen Matrizen-Topologien für die Herstellung aller möglichen Moleküle können beispielsweise mit bekannten Methoden computer- gestützter Kombinatorik ausgeführt werden. Die auf diese Weise generierten kombinatorischen Molekül-Bibliotheken können von der Substrat-Oberfläche abgetrennt und in einer Lösung auf bestimmte Aktivitäten in einem Assay getestet werden. Alternativ kann das Screenen mit den auf dem festen Substrat gekoppelten Molekülen erfolgen. In diesem Fall kann die Zusammensetzung einzelner in Frage kommender Moleküle leicht ermittelt werden, da Positions-Informationen zu allen synthetisierten Molekülen durch die festgelegte Reaktions-

Reihenfolge und Matrizen-Topologien bekannt sind. Die nach der beschriebenen Methode generierten kombinatorischen Molekül- Bibliotheken können beispielsweise bei der Suche nach neuen potentiellen Wirkstoffen in der Pharmaforschung (drug discovery) oder bei der Suche nach neuen Agrochemikalien für die Landwirtschaft verwendet werden.

Durch die Kombination der klassischen Festphasen-Synthese mit dem hochparallelen Microarray-Format besitzt das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber bekannten Methoden eine Reihe von Vorteilen.

Erstens können einfache und erprobte Standardtechniken und bereits optimierte Protokolle der klassischen Methoden übernommen werden.

Zweitens sind Reaktions-Geschwindigkeiten gegenüber dem klassischen Verfahren erheblich erhöht, da die chemischen Reaktionen in einem mikrofluidischen Durchflußsystem, gebildet von topologischen Mikrostrukturen der Abdichtmatrizen, stattfinden. Drittens können die Volumina der eingesetzten Reagenzien bis in die Nanoliter-Bereiche minimiert werden. Viertens ermöglicht die Verwendung von Standardmethoden eine wesentlich einfachere Handhabung ohne großen apparativen Aufwand im Vergleich zu bekannten Verfahren der Microarray-Herstellung. Fünftens werden durch die Verwendung des Microarray-Formats sehr viele Pipettier-und Waschschritte der klassischen Festphasen-Synthese vermieden, so daß eine Vielzahl unterschiedlicher chemischer Verbindungen parallel synthetisiert werden. Die Erfindung ermöglicht somit eine hohe Parallelisierung des Prozesses mit relativ einfachen und kostengünstigen Mitteln. Mit dem beschriebenen Verfahren kann eine große Anzahl von unterschiedlichen Makromolekülen in relativ wenigen Schritten hergestellt werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden nachstehend anhand der Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen :

Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer Abdichtmatrize für die Synthese eines 2 x 3 Molekül-Arrays in drei Ansichten, Fig. 2 : eine Kassette zur Durchführung der Festphasen-Synthese mit Hilfe kombinatorischer Abdichtmatrizen, Fig. 3 : ein Anwendungsbeispiel für die Synthese eines 2 x 3 Molekül-Arrays auf einer Substrat-Oberfläche, Fig. 4 : eine alternative Gestaltung einer Abdichtmatrize in Form einer Hybridstruktur, Fig. 5 : Lichtmikroskopische Aufnahme von beispielhaften kombinatorischen Abdichtmatrizen.

Beispiele Figur 1 zeigt schematisch und vereinfacht eine beispielhafte Abdichtmatrize für die Herstellung eines 2 x 3 Arrays in drei Ansichten (Fig. 1A bis 1C). Auf der gezeigten Abdichtmatrize 1 sind Erhebungen 2 an drei Stellen angebracht. Beim Einsatz der gezeigten Abdichtmatrize in einer Festphasen-Synthese werden die chemischen Reaktionen nur an den aktivierten Stellen auf dem Substrat ablaufen, die bei einem Kontakt mit einer Substrat-Oberfläche den drei freien Bereichen gegenüberliegen. An den Stellen des Substrats 3, die mit den Erhebungen in Kontakt kommen (Fig. 1 D), erfolgt keine chemische Umwandlung, weil an diesen Stellen das Benetzen der abgedeckten Fläche mit den Reaktions-Lösungen verhindert wird.

In Figur 2 ist eine Kassette 4 dargestellt, in der die Festphasen- Synthese mittels kombinatorischer Abdichtmatrizen erfolgen kann. In der gezeigten Abbildung enthält die Kassette als Beispiel eine Abdichtmatrize 1 mit Erhebungen 2 (mit gestrichelten Linien angedeutet) zur Herstellung eines 5 x 7 Arrays. Die Kassette dient zur exakten Positionierung der Abdichtmatrizen auf dem Substrat, das ebenfalls in

der Kassette plaziert wird. Ferner weist die Kassette zwei Füllstutzen für den Ein-und Auslaß von Reaktions-Lösungen auf. Die Gesamtheit aus Kassette, Abdichtmatrize und Substrat bildet ein Durchflußsystem für Reaktions-Lösungen sowie für Waschreagenzien. Bei der Verwendung von Abdichtmatrizen mit sehr vielen und sehr kleinen Strukturen von kleiner als 50, um können die Reibungskräfte in den engen Kanälen zwischen den Erhebungen so groß werden, daß eine aktive Pumpkraft benötigt wird. Dies kann z. B durch einen hydrodynamisch oder peristaltisch erzeugten Überdruck, oder durch Unterdruck erreicht werden. Flüssigkeitstransport durch Kapillarkräfte kann ebenfalls vorteilhaft genutzt werden. Dazu müssen die Seitenwände, die das Durchflusssystem bilden, beim Einsatz hydrophiler Reaktions-Lösungen zum großen Teil eine hydrophile Beschichtung aufweisen. Wenn PDMS als Matrizen-Material verwendet wird, kann die Matrizen-Oberfläche z. B. mittels Sauerstoffplasma oder mittels einer chemischen Behandlung hydrophilisiert werden.

Figur 3 zeigt als ein Anwendungsbeispiel die Synthese eines 2 x 3 Arrays von Makromolekülen aus Monomeren durch einfache Ankopplungs-Reaktionen auf einer Substrat-Oberfläche. Als Beispiel ist eine Abfolge von zwei Reaktions-Schritten dargestellt. A) Die Substrat- Oberfläche 3 enthält sechs aktivierte Felder 5a bis 5f (in der Abbildung durch Schraffierung hervorgehoben), auf denen die Ankopplungs- Reaktionen stattfinden können. Diese Felder sind etwas kleiner als die Querschnittsfläche der Erhebungen auf den kombinatorischen Abdichtmatrizen und dienen zur Ankopplung der Monomere. Es empfiehlt sich, die aktivierten Felder soviel kleiner als die abdeckenden Erhebungsflächen zu gestalten, daß beim Aufsetzen von Matrizen die entstehende Positionierungs-Ungenauigkeit noch klein genug ist, damit der aktivierte Bereich durch die Matrizen-Strukturen komplett abgedeckt wird. Wenn z. B. die aktivierten Felder eine Kantenlänge von 50 um haben, so könnte für die abdeckende Erhebungsfläche beispielsweise

eine Kantenlänge von 80 um gewählt werden, wobei die halbe Differenz von 15 um die Fehler-Toleranz für eine Positionierungs-Ungenauigkeit darstellt. Bereiche zwischen den aktivierten Feldern werden z. B. durch die Verwendung von inerten Oberflächen-Gruppen passiviert, um die unerwünschte Ankopplung der Moleküle zu vermeiden. B) Die Ankopplung des ersten Monomers soll an den Feldern 5b, 5c und 5d des Substrats 3 erfolgen. Dazu wird in der ersten Ankopplungs-Reaktion eine Abdichtmatrize 1a verwendet, die mit ihren Erhebungen 2a, 2e und 2f drei komplementäre Felder 5a, 5e und 5f abdichtet und sie somit einem Kontakt mit der Reaktions-Lösung entzieht. Die Reaktion erfolgt in einer Kassette, wie in Figur 2 dargestellt. Nachdem die erste Abdichtmatrize die entsprechenden Felder abgedeckt hat, wird die Substrat-Oberfläche mit den flüssigen oder gasförmigen Reaktions- Chemikalien, die das erste Monomer enthalten, über den Einfüllstutzen geflutet (Pfeil). Durch die kleinen Dimensionen der Matrizen Strukturen ist der Fluß laminar und die Weglänge für die Diffusion der Reaktanden minimal, was eine beschleunigte Reaktions-Kinetik zur Folge hat. C) Die Ankopplung der Monomere erfolgt an den nicht abgedichteten freien Feldern 5b, 5c und 5d (durch karierte Vie unverändert. D) Im nächsten Schritt soll das zweite Monomer an den Feldern 5c, 5d, 5e und 5f angekoppelt werden. Dazu verwendet man eine zweite Abdichtmatrize 1b mit zwei Erhebungen 2a und 2b an den komplementären Bereichen, die bei der zweiten Ankopplungs-Reaktion die Felder 5a und 5b abdecken. Die Substrat-Oberfläche 3 wird nun mit einer anderen Lösung beinhaltend das zweite Monomer in Kontakt gebracht (Pfeil). E) Nach dem Durchfluß der zweiten Reaktions-Lösung bleibt das zweite Monomer an den Feldern 5c, 5d, 5e und 5f gekoppelt (durch dunkelgraue Vierecke dargestellt). Dabei erfolgt die Ankopplung des zweiten Monomers auf den Feldern 5e und 5f direkt an die aktivierte Substrat-Oberfläche, und auf den Feldern 5c und 5d an das zuletzt angebrachte erste Monomer. Bereits nach diesen zwei Reaktions- Schritten entstehen drei Arten von Molekülen : bestehend nur aus dem

ersten Monomer (Feld 5b), bestehend nur aus dem zweiten Monomer (Felder 5e und 5f) und ein Oligomer bestehend aus dem ersten und dem zweiten Monomer (Felder 5c und 5d). Das Feld 5a bleibt nach diesen beiden Reaktions-Zyklen unverändert. In den nächsten Reaktions- Schritten können unter Verwendung weiterer in der Form unterschiedlicher oder auch gleicher topologischer Abdichtmatrizen beliebig viele weitere Monomere angekoppelt werden, so daß an den vordefinierten Stellen die gewünschten Oligomere synthetisiert werden.

Figur 4 zeigt eine alternative Gestaltung einer Abdichtmatrize, die bei extremen chemischen Reaktions-Bedingungen während der Synthese wie z. B. sehr hohe Temperaturen oder Einsatz von starken Basen oder halogenisierten Kohlenwasserstoffen verwendet werden kann. In diesem Fall kann eine Hybridstruktur aus einem harten und chemisch inerten Kern und einer weichen elastischen Kontaktfläche konstruiert werden.

Als hartes Material kann z. B. Glas, Silizium, Gold, Silber, Nickel oder andere Metalle sowie verschiedene Kunststoffe verwendet werden. Die Kontaktflächen der topologischen Strukturen können aus Elastomer wie PDMS oder anderen Siloxane, Silikonen, gummiartigen Polymeren, Polyurethanen und weiteren formbaren elastischen Thermoplasten bestehen. Dabei wird der Hauptteil der Abdichtmatrize 6 aus dem härteren Material gebaut und das Elastomer bildet eine dünne Schicht 7 an den proximalen Flächen der Erhebungen 2 und vermittelt somit den Kontakt zum Substrat 3. Das abdichtende Elastomer bleibt auf diese Weise von den aggressiven Lösungen und Reaktions-Bedingungen weitgehend ausgeschlossen.

Figur 5 zeigt eine lichtmikroskopische Aufnahme von beispielhaften kombinatorischen Abdichtmatrizen. Die Vorderansicht von vier unterschiedlichen Abdichtmatrizen ist dargestellt. Auf der Oberfläche der Matrizen sind Erhebungen 2 angebracht, von denen in der Abbildung die proximalen Flächen zu sehen sind. Die Konstruktion der dargestellten

Abdichtmatrizen beinhaltet außer unterschiedlich angeordneten Erhebungen eine Durchflußküvette 8, über die der Durchfluß der Reaktions-Lösungen stattfindet, und Justierhilfen 9, mit denen eine präzise Positionierung der Matrizen auf dem Substrat ermöglicht wird.

Die in Figur 5A gezeigte Abdichtmatrize mit sechzehn in Form einer Punktmatrix angeordneten Erhebungen kann beispielsweise dazu verwendet werden, um die Substrat-Oberfläche für die nachfolgenden Synthese-Schritte z. B. durch eine Aktivierung aller für die Ankopplung von molekularen Bestandteilen vorgesehenen Felder und eine Passivierung der komplementären Bereiche vorzubereiten. Die Kontaktfläche der Erhebungen dieser vorbereitenden Abdichtmatrize entspricht der Fläche von aktivierten Feldern auf der Substrat- Oberfläche. Die in den anschließenden Synthese-Schritten verwendeten Abdichtmatrizen 5B bis 5D weisen zur Deckung der Positionierungs- Ungenauigkeit Erhebungen mit größeren Flächen als die erste vorbereitende Abdichtmatrize 5A auf.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind viele Abwandlungen möglich, die durch Fachleute erzielbar sind, und damit im Bereich dieser Erfindung eingeschlossen sind.