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Title:
POLYMERS CONTAINING PHOSPHOR FOR OPTICAL SIGNAL TRANSDUCERS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2002/068481
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a polymer containing phosphor for coating dielectric materials, to a method for its production, to its use, to an optical signal transducer coated with said polymer and to the use thereof.

Inventors:
DORN INGMAR (DE)
KOEHLER BURKHARD (DE)
Application Number:
PCT/EP2002/001399
Publication Date:
September 06, 2002
Filing Date:
February 11, 2002
Export Citation:
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Assignee:
BAYER AG (DE)
DORN INGMAR (DE)
KOEHLER BURKHARD (DE)
International Classes:
G02B1/04; C08F8/40; C08F230/02; C08F251/02; C08F275/00; C08G69/48; C08G85/00; C08K3/22; C08L101/02; C09D151/00; C09D151/02; C09D153/00; G02B6/122; (IPC1-7): C08F8/40; C08F230/02; C09D201/02; G01N21/55; G01N21/77; G02B6/16
Domestic Patent References:
WO1995020151A21995-07-27
Foreign References:
EP0238853A21987-09-30
EP0304377A21989-02-22
DE4227019A11994-02-17
Other References:
DATABASE WPI Week 197846, Derwent World Patents Index; AN 1978-82858A, XP002203926
Attorney, Agent or Firm:
BAYER AKTIENGESELLSCHAFT (Leverkusen, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. l. Phosphorhaltiges Polymer, geeignet zur Beschichtung von dielektrische Oberflächen, der allgemeinen Formeln I oder II, P(A)m(F)n1(U)o.
2. (I) P(A)m(UFn2)o2 (II in denen P für eine lineare oder verzweigte, unvernetzte oder vernetzte, homo oder heteropolymere Polymerkomponente, A für gleiche oder verschiedene, an P gebundene phosphorhaltige Gruppen, m für eine Zahl von 3 bis etwa 1000, F für zusätzlich zu A vorhandene, gleiche oder verschiedene, direkt oder indirekt an P gebundene funktionelle Gruppen, nl für eine Zahl von.
3. bis etwa 1000, n2 für eine Zahl von.
4. bis etwa 100, U für gleiche oder verschiedene, an P gebundene, lineare oder verzweigte, unvernetzte oder vernetzte, aus gleichen oder verschiedenen Monomeren aufgebaute oligomere oder polymere Segmente, ol für eine Zahl von 0 bis etwa 1000 und o2 für eine Zahl von.
5. bis etwa 1000 steht.
6. 2 Polymer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es phosphorhaltige Gruppen A in einer Menge von 0,001 bis 1 mEq (Milliäquivalente), vorzugsweise 0,01 bis 5 mEq, insbesondere 0,1 bis 3 mEq, enthält.
7. Polymer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es funktionelle Gruppen F in einer Menge von 0,001 bis 20 mEq, vorzugsweise 0,01 bis 10 mEq, insbesondere 0,5 bis 10 mEq, enthält.
8. Polymer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es Segmente U in einer Menge von 0,001 bis 20 mEq, vorzugsweise 0,01 bis 10 mEq, insbesondere 0,5 bis 10 mEq, enthält.
9. Polymer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer eine mittlere Molmasse von 1.000 bis 10.000.000 g/mol, vorzugsweise 2.100 bis 1. 000.000 g/mol, besonders bevorzugt 5.000 bis 500.000g/mol, äußerst bevorzugt 5.000 bis 300.000 g/mol, insbesondere 10.000 bis 150.000 g/mol aufweist.
10. Polymer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerkomponente P ein statistisches Copolymer oder Block Copolymer ist.
11. Polymer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymerkomponente P hydrophil ist.
12. Polymer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es phosphorhaltige Gruppen A in Form eines ein bis sechs gleiche oder verschiedene phosphorhaltige Reste tragenden Spacer enthält.
13. Polymer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es funktionelle Gruppen F enthält, die kovalente Bindungen, koordinative Bindungen oder biochemische Erkennungsreaktionen eingehen können.
14. Polymer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es funktionelle Gruppen F mit Crosslinkern enthält.
15. Polymer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente U eine Molmasse bzw. mittlere Molmasse von 100 bis 10.000 aufweisen.
16. Polymer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gruppen bzw. Segmente U hydrophil sind.
17. Verfahren zur Herstellung eines Polymers nach einem Ansprüche 1 bis 12 durch Copolymersiation von (A) einem eine phosphorhaltige Gruppe A enthaltendem Monomer oder mehreren, gleichen oder verschiedenen, gleiche oder verschiedene phosphorhaltige Gruppen A enthaltenden Monomeren mit (B) einem eine funktionelle Gruppe F enthaltendem Monomer oder mehreren, gleichen oder verschiedenen, gleiche oder verschiedene funktionelle Gruppen F enthaltenden Monomeren und (C) optional einem ein Segment U enthaltenden Monomer oder mehreren, gleichen oder verschiedenen, gleiche oder verschiedene Segmente U enthaltenden Monomeren. zu einem Polymer der Formel 1 oder mit (B') einem eine Einheit (UFn2) o2 gemäß Formel II enthaltendem Monomer oder mehreren, gleichen oder verschiedenen, gleiche oder verschie dene Einheiten der Formel (urn2) o2 gemäß Formel II enthaltenden Monomeren zu einem Polymer der Formel II.
18. Verfahren zur Herstellung eines Polymers nach einem der Ansprüche 1 bis 12 durch (i) Herstellung eines Polymers, das die Polymerkomponente P bildet und gleiche oder verschiedene, als funktionelle Gruppen F geeignete funktionelle Gruppen trägt, bevorzugt HydroxyGruppen, Carboxy Gruppen, Derivate von CarboxyGruppen und/oder AminGruppen, (ii) Umsetzung eines Teils der funktionellen Gruppen zu gleichen oder verschiedenen phosphorhaltigen Gruppen A und (iii) optional Umsetzung eines Teils der funktionellen Gruppen zu gleichen oder verschiedenen Segmenten U, wobei Schritt (iii) nach, vor oder zusammen mit Schritt (ii) durchgeführt werden kann, und wobei in den Schritten (ii) und (iii) nicht alle funktionellen Gruppen umgesetzt werden und die nicht umgesetzten funktionellen Gruppen die funktionellen Gruppen F des Polymers bilden.
19. Verfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht in den Schritten (ii) und (iii) umgesetzten funktionellen Gruppen teilweise oder vollständig mit einem oder mehreren gleichen oder verschiedenen Crosslinkern zu funktionellen Gruppen F umgesetzt werden.
20. Verwendung eines Polymers nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Beschichtung von dielektrischen Materialien, insbesondere von dielektrischen Wellenleitern.
21. Verwendung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer zur Beschichtung von dielektrischen Materialien, insbesondere von dielektrischen Wellenleitern, aus TiO2, Ta2Os, ZrO2, HfO2 oder A1203, bevorzugt aus TiO2 oder Ta2Os, verwendet wird.
22. Optischer Signalwandler mit einem beschichteten dielektrischen Wellenleiter, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus einem Polymer nach einem der Ansprüche 1 bis 12 besteht.
23. Verwendung eines optischen Signalwandlers mit einem beschichteten dielektrischen Wellenleiter nach dem vorstehenden Anspruch zur Immobilisierung von chemischen und/oder biochemischen Erkennungselementen.
Description:
Phosphorhaltige Polymere für optischen Signalwandler Die Erfindung betrifft ein phosphorhaltiges Polymer zur Beschichtung von dielek- trischen Materialien, Verfahren zu dessen Herstellung und dessen Verwendung. sowie einen optischen Signalwandler mit einer Beschichtung aus dem Polymer und dessen Verwendung.

Dielektrische Materialien werden mit multifunktionellen Polymeren zur Bio-und Chemofunktionalisierung beschichtet, d. h. mit dem Ziel, chemische und/oder bio- chemische ((bio-) chemische) Erkennungselemente, wie z. B. Rezeptoren, Antikörper, DNA etc., an deren Oberfläche immobilisieren zu können. Solche beschichtete dielektrische Materialien, z. B. beschichtete optische Wellenleiter, finden Anwendung als Signalwandler (Transducer), wie sie in der Sensorik bei Bio-oder Chemosensoren eingesetzt werden.

Als Bio-oder Chemosensoren bezeichnet man Geräte, die mit Hilfe eines Signal- wandlers und einer Erkennungsreaktion einen Analyten qualitativ oder quantitativ nachweisen können. Als Erkennungsreaktion wird ganz allgemein die spezifische Bindung oder Reaktion eines sogenannten Analyten mit einem sogenannten Erkennungselement bezeichnet. Beispiele für Erkennungsreaktionen sind die Bindung von Liganden an Komplexe, die Komplexierung von Ionen, die Bindung von Liganden an (biologische) Rezeptoren, Membranrezeptoren oder Ionenkanäle, von Antigenen oder Haptenen an Antikörper, von Substraten an Enzyme, von DNA oder RNA an bestimmte Proteine, die Hybridisierung von DNA/RNA/PNA oder die Prozessierung von Substraten durch Enzyme. Analyten können sein : Ionen, Proteine, natürliche oder künstliche Antigene oder Haptene, Hormone, Cytokine, Mono-und Oligosaccharide, Soffwechselprodukte, oder andere biochemische Marker, die in der Diagnostik verwendet werden, Enzymsubstrate, DNA, RNA, PNA, potentielle Wirkstoffe, Medikamente, Zellen, Viren. Beispiele für Erkennungselemente sind : Komplexbildner für Metalle/Metallionen, Cyclodextrine, Kronenether, Antikörper,

Antikörperfragmente, Anticaline', Enzyme, DNA, RNA, PNA, DNA/RNA-bindende Proteine, Enzyme, Rezeptoren, Membranrezeptoren, lonenkanäle, Zelladhäsions- proteine, Ganglioside, Mono-oder Oligosaccharide.

Diese Bio-oder Chemosensoren können in der Umweltanalytik, dem Nahrungsmittelbereich, der Human-und Veterinärdiagnostik und dem Pflanzenschutz eingesetzt werden, um Analyten qualitativ und/oder quantitativ zu bestimmen. Die Spezifität der Erkennungsreaktion ermöglicht es, auch Analyten in komplexen Proben wie z. B. Umgebungsluft, verschmutztem Wasser oder Körperflüssigkeiten ohne oder nur mit geringer vorherige Aufreinigung qualitativ oder quantitativ zu bestimmen. Zusätzlich können Bio-oder Chemosensoren auch in der (bio-) chemischen Forschung und Wirkstoffsuche eingesetzt werden, um die Interaktion zwischen zwei unterschiedlichen Substanzen zu untersuchen (z. B. zwischen Proteinen, DNA, RNA, oder biologisch aktiven Substanzen und Proteinen, DNA, RNA etc.).

Die Integration der Erkennungsreaktion mit dem Signalwandler zu einem Bio-oder Chemosensor kann geschehen, indem man das Erkennungselement oder den Analyten auf der Oberfläche des Signalwandlers immobilisiert. Durch die Erkennungsreaktion, d. h. das Binden oder die Reaktion des Analyten mit dem Erkennungselement, ändern sich die optischen Eigenschaften des Mediums direkt an der Oberfläche des Signalwandlers (z. B. Änderung des optischen Brechungsindexes, der Absorption, der Fluoreszenz, der Phosphoreszenz, der Lumineszenz etc.), was vom Signalwandler in ein Messsignal übersetzt wird.

Optische Wellenleiter sind eine Klasse von Signalwandlern, mit denen man die Änderung der optischen Eigenschaften eines Mediums detektieren kann, das an eine wellenleitende Schicht, typischer Weise ein Dielektrikum, grenzt. Wird Licht als geführte Mode in der wellenleitenden Schicht transportiert, fällt das Lichtfeld an der Grenzfläche Medium/Wellenleiter nicht abrupt ab, sondern klingt in dem an den Wellenleiter angrenzenden sogenannten Detektionsmedium exponentiell ab. Dieses

exponentiell abfallende Lichtfeld wird als evaneszentes Feld bezeichnet. Werden sehr dünne Wellenleiter verwendet, deren Brechungsindex möglichst stark von dem des angrenzenden Mediums differiert, werden Abfalllängen des evaneszenten Feldes (Intensität fällt auf den Wert 1/e ab) von <200 nm erreicht. Ändern sich die optischen Eigenschaften des an den Wellenleiter grenzenden Mediums (z. B.

Änderung des optischen Brechungsindexes2 3, der Lumineszenz45°6 etc.) innerhalb des evaneszenten Feldes, kann dies über einen geeigneten Messaufbau detektiert werden.

Entscheidend für die Verwendung von Wellenleitern als Signalwandler in Bio-oder Chemosensoren ist dabei, dass die Änderung der optischen Eigenschaften des Mediums nur sehr nahe an der Oberfläche des Wellenleiters detektiert wird. Wird nämlich das Erkennungselement oder der Analyt an der Grenzfläche des Wellenleiters immobilisiert, kann das Binden an das Erkennungselement oder die Reaktion des Erkennungselementes oberflächensensitiv detektiert werden, wenn sich dabei die optischen Eigenschaften des Detektionsmediums (flüssig, fest, gasförmig) an der Grenzfläche zum Wellenleiter ändern.

Bei der Verwendung von optischen Wellenleitern als Bio-oder Chemosensoren werden an die Grenzfläche Wellenleiter zu Detektionsmedium hohe Anforderungen gestellt : 'Unter den Reaktionsbedingungen der Erkennungsreaktion muss die Grenzfläche Wellenleiter Detektionsmedium stabil sein.

Die Erkennungselemente müssen innerhalb der Reichweite des evaneszenten Feldes des Wellenleiters immobilisiert werden.

. Unter den Reaktionsbedingungen der Erkennungsreaktion muss die Immobilisierung der Erkennungselement stabil sein.

Die Funktionalität der Erkennungselemente muss auch nach der Immobilisierung noch vorhanden sein.

Damit nur die spezifische Erkennungsreaktion durch den Signalwandler detektiert wird, muss jede Art von unspezifischer Bindung an die Grenzfläche Wellenleiter Detektionsmedium unterdrückt werden.

An die Oberfläche von Wellenleitern können auf verschiedenste Weise Erkennungselemente immobilisiert werden. Dies kann z. B. durch Physisorption der Erkennungselemente auf die Signalwandleroberfläche geschehen. Clerc und Lukosz' beschreiben die Physisorption von Avidin auf SiOz-TiO2 Wellenleiteroberflächen. In einem zweiten Schritt können unter Ausnutzung der hochafRnen Avidin-Biotin Bindung biotinylierten Antikörpern an die so aufgebrachten Avidin Schichten immobilisiert werden. Ein Nachteil dieser Immobilisierungsmethode von Erkennungselementen auf Wellenleiteroberflächen ist die Instabilität der physisorbierten Avidinschicht. Eine Änderung der Reaktionsbedingungen, wie z. B.

Temperaturänderungen, ph-Änderungen, Zugabe von Detergenzien etc., kann zu einer Desorption der Avidinschicht und damit auch des Antikörpers führen.

Die Erkennungselemente können auch kovalent an die Oberfläche eines Wellenleiters gebunden werden. Eine Möglichkeit dazu stellen bifunktionelle Silane dar, die eine kovalente Bindung mit der Wellenleiteroberfläche eingehen8. Über eine zweite funktionelle Gruppe in diesem Silan können nun die Erkennungselemente, wie z. B. Proteine oder DNA9, kovalent gebunden werden. Diese bifunktionellen Silane sind sehr reaktiv und bei der kovalenten Bindung an die Wellenleiteroberfläche muss unter absolut trockenen Reaktionsbedingungen gearbeitet werden, um eine Hydrolyse des reaktiven Silans zu vermeiden. Die Bindung der Erkennungselemente über diese Silane an die Wellenleiteroberflächen ist bei sauren, neutralen und leicht basischen Bedingungen stabil. Bei pH-Werten über 9 kann aber eine Hydrolyse des Silans eintreten, was zu einer Desorption der Erkennungselemente von der Oberfläche führen kann. Ein weiterer Nachteil dieser Immobilisierungsmethode liegt in der relativ hohen unspezifischen Adsorption von Proteinen wie z. B. Albumin an die so funktionalisierten Wellenleiteroberflächen'o.

Die unspezifische Bindung an diese Wellenleiteroberflächen kann reduziert werden, indem nach der Bindung der Erkennungselemente in einem zweiten Schritt Blockierungsagenzien wie z. B. Polyethylenglycole"an die Oberfläche gebunden werden.

Alternativ wird die Bindung von hydrophilen Polymeren, wie z. B. Polyacrylamide, Dextrane, Polyethylenglycole etc. an zuvor silanisierte Wellenleiteroberflächen beschrieben". Diese Polymere haben die Aufgabe, die unspezifische Bindung von Proteinen etc. an die Oberfläche zu minimieren. Die Erkennungselemente werden dann in einem weiteren Schritt an diese Polymere kovalent gebunden. Problematisch bei dieser Oberflächenfunktionalisierung ist, dass mehrere Schritte zur Immobilisierung der Erkennungselemente an der Oberfläche durchgeflihrt werden müssen und die Instabilität der Silanbindung an die Wellenleiteroberflächen bei pH>9.

Die Erkennungselemente können auch an Polymere gebunden werden, die ohne vorangegangene Silanisierung direkt auf die Wellenleiterschichten aufgebracht werden. Geladene Copolymere basierend auf Polylysin und Polyethylenglycol adsorbieren elektrostatisch auf einige Metalloxid Oberflächen", wie TiO2, Sio4Tio6o2 und Nb20s. Mit Hilfe von optischen Wellenleitern konnte gezeigt werden, dass diese Polymere die unspezifische Bindung von Proteinen an Wellenleiteroberflächen minimiert. Eine Verwendung dieser Copolymere in der Biosensorik wird von den Autoren diskutiert. Ein Nachteil dieser Methode stellt die Instabilität dieser Schichten gegenüber pH-Werten von kleiner 3 und größer 9, sowie gegenüber hohen Salzkonzentrationen dar, da unter diesen Bedingungen das elektrostatisch gebundene Polymer von der Oberfläche desorbiert.

Polymere, die entweder mit photoaktivierbaren Gruppen derivatisiert sind'4 oder zusammen mit Photocrosslinkern inkubiert werden'5'6, können per Photoreaktion direkt auf die Wellenleiteroberfläche aufgebracht und miteinander vernetzt werden.

Diese Polymerschichten weisen eine geringe unspezifische Adsorption von Proteinen

auf und sind über einen weiten Bereich von Reaktionsbedingungen stabil. Die Erkennungselemente können entweder während der Photoreaktion gebunden werden oder nach der Photoreaktion. Für die zuletzt beschriebene Immobilisierung werden Polymere verwendet, die neben den photoreaktiven Gruppen auch funktionelle Gruppen tragen, die eine kovalente Immobilisierung der Erkennungselemente ermöglichen. Die photoreaktiven Verbindungen müssen entweder per Spotter oder Spincoating auf die Oberfläche aufgebracht und dort aufkonzentriert oder eingetrocknet werden. Dabei kann es zur partiellen Entnetzung der Wellenleiteroberfläche kommen, was in einer unvollständigen Bedeckung resultiert.

In der wissenschaftlichen Literatur wird das Beschichten von Ta. 0, Wellenleiteroberflächen mit langkettigen Alkylphosphaten der allgemeinen Formel H203P-O-(CH2) n-CH3 beschrieben17. Es konnte gezeigt werden, dass diese langkettigen Phosphate dicht gepackte Monoschichten (sogenannte self-assembled monolayers) auf der Oberfläche der Wellenleiter ausbilden. Ohne weitere Darstellung von Experimenten wurde vorgeschlagen co-funktionalisierte langkettige Alkylphosphate in der Biosensorik zu verwenden, wobei die fünktionelle Gruppe in -Position von der Wellenleiteroberfläche weg zeigen soll und über diese funktionelle Gruppe Erkennungselemente gebunden werden könnten.

Im US-Patent 4 904 634"wird ein aktives Material beschrieben, das als Adsorbens verwendet werden kann. Dieses Material besteht aus einer Metalloxid/-hydroxid Oberfläche und einer chemisch daran gebundenen Monolage eines phosphorhaltigen organischen Materials. Das phosphorhaltige organische Material wird dort wie folgt näher spezifiziert : 'das organische Material besitzt 1-2 phosphorhaltige Gruppen. die Phosphorhaltigen Gruppen haben die allgemeine Formel RR'PO (OH) oder RR'PO (OH), wobei R aus einer bis 30 kohlenstoffhaltigen Gruppen besteht und

R'entweder aus Wasserstoff oder aus einer bis 30 kohlenstoffhaltigen Gruppen besteht.

R oder R'kann auch ein organisches Radikal aus der Gruppe von lang-oder kurzkettigen aliphatischen Kohlenwasserstoffen, aromatischen Kohlenwasser- stoffen, Carbonsäuren, Aldehyden, Ketonen, Aminen, Amiden, Tioamiden, Imiden, Lactamen, Anilinen, Pyridinen, Piperidinen, Carbohydraten, Estern, Lactonen, Ethern, Alkenen, Alkinen, Alkoholen, Nitrilen, Oximen, Organosiliconen, Harnstoffen, Thioharnstoffen, Perfluoro-Verbindungen (organisch), Perchloro-Verbindungen, Perbromo-Verbindungen und Kombinationen dieser Gruppen.

R oder R'kann auch eine funktionelle Gruppe an einer Position im Molekül besitzen, die von der phosphorhaltigen Gruppe entfernt ist. Die iunktionelle Gruppe kann eine Carboxyl-, Glucose-, Cyano, Cyanat-, Isocyanat, Thiocyanat, Phenyl-, Diphenyl-, tertiäre Butyl-, Sulfonsäure-, Benzylsulfon-, Halogen-, Nitrat-, Phosphat-, Phosphinat-, Phosphinit-, Phosphonat, Hydroxymethylamid, Alkoxymethylamid, Benzophenon, Azid, Triazen, Acylphosphan-, quartäre Ammoniumgruppe oder Kombinationen aus diesen Gruppen sein. zur oder R'kann auch eine Kationaustauschgruppe Gruppe tragen, wie-HS03, -N (CH3) 3C1,-COONa,-NH2 und-CN.

R kann auch ein Oligomer sein, das aus 2-4 Monomeren aufgebaut ist und eine Molmasse von < 2.000 g/mol besitzt.

Als Anwendung wird von einem aktiven Material gesprochen, das als Adsorbent geeignet ist. Weitere erwähnte Anwendungen sind : Trägermaterial für die Chromatographie.

. Ionenaustauschermaterial.

Kopplungselement für biologisches Material wie Enzymen, Antikörper, Zellen, Hefen, Proteine, Mikroben, Pharmazeutika, Vakzine.

Beschichtung von Piezokristallen.

Beschichtungen zur Passivierung von biologischen Implantaten (Knochen etc.).

Additive von medizinischen Produkten.

In der Patentanmeldung GB 2 221 466'9 werden von dem selben Autor biologisch aktive Partikel beschrieben, die aus einem Metalloxid/-hydroxid Kern aufgebaut sind, an dessen Oberfläche funktionalisierte Organophosphorverbindungen gebunden sind, wie sie auch in US-Patent 4 904 634 beschrieben sind. Das Patent bezieht sich ausschließlich auf biologisch aktive Partikel.

Im US-Patent 4 308 0792'werden Korrosionsinhibitoren für Aluminiumoxidober- flächen beschrieben. Als Inhibitoren werden Aminophosphonate verwendet, die folgende allgemeine Struktur besitzen : NR3, NHR2, R'NR2, (CH2NR2) 2 und R2NCH2CHzNRCH2CH2NR2, wobei R CH2PO (OH) 2 ist und R'eine Alkylkette mit 1- 5 Kohlenstoffatomen. Alternative Anwendungen werden nicht beschrieben.

In der wissenschaftlichen Literatur werden Polyoxyalkylen-diphosphonate beschrieben, mit deren Hilfe Calciumcarbonat"und Magnetit-Nanopartikel22 besser dispergiert werden können. Dafür werden Polymere der Struktur H-(OCH2CH2)n-N(CH3)-CH2-PO3H2 und H-(OCH2CH2)n-N(CH2PO3H2)2 mit 20 < n < 70 verwendet, die an der Oberfläche der Nanopartikel eine Polymerschicht aufbauen. Werden diese Polymere bereits bei der Synthese der Nanopartikel zugesetzt beobachtet man eine enge Größenverteilung. Eine weitere chemische Modifizierung und eine Bindung biologisch aktiver Agenzien an diese polymerbeschichteten Nanopartikel wird diskutiert.

Abgesehen. von den im Stand der Technik beschriebenen zu vermeidenden Nachteilen werden bei der Verwendung von optischen Wellenleitern als Bio-oder Chemosensoren an die Grenzfläche Wellenleiter zu Detektionsmedium hohe Anforderungen gestellt :

w Unter den Reaktionsbedingungen der Erkennungsreaktion muss die Grenzfläche Wellenleiter Detektionsmedium stabil sein.

Erkennungselemente müssen innerhalb der Reichweite des evaneszenten Feldes des Wellenleiters immobilisiert werden.

Unter den Reaktionsbedingungen der Erkennungsreaktion muss die Immobili- sierung der Erkennungselemente stabil sein.

'Die Funktionalität der Erkennungselemente muss auch nach der Immobilisierung noch vorhanden sein.

Damit nur die spezifische Erkennungsreaktion durch den Signalwandler detektiert wird, muss jede Art von unspezifischer Bindung der zu erkennenden Elemente an die Grenzfläche Wellenleiter Detektionsmedium unterdrückt werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein phosphorhaltiges Polymer, geeignet zur Beschichtung von dielektrische Oberflalkylchen, der allgemeinen Formeln I oder II, <BR> <BR> <BR> <BR> <BR> P(A)m(F)n1(u)O1 (I)<BR> P(A)m(UFn2)o2 (II) in denen P für eine lineare oder verzweigte, unvernetzte oder vernetzte, homo-oder heteropolymere Polymerkomponente, A für gleiche oder verschiedene, an P gebundene phosphorhaltige Gruppen, m für eine Zahl von 3 bis etwa 1000,

F für zusätzlich zu A vorhandene, gleiche oder verschiedene, direkt oder indirekt an P gebundene funktionelle Gruppen, nl für eine Zahl von 1 bis etwa 1000, n2 für eine Zahl von 1 bis etwa 100, U für gleiche oder verschiedene, an P gebundene, lineare oder verzweigte, unvernetzte oder vernetzte, aus gleichen oder verschiedenen Monomeren aufgebaute oligomere oder polymere Segmente, ol für eine Zahl von 0 bis etwa 1000 und o2 für eine Zahl von 1 bis etwa 1000 steht.

Das erfindungsgemäße Polymer eignet sich zur Beschichtung von dielektrischen Materialien, insbesondere von dielektrischen Wellenleiteroberflächen. Die Dicke der Beschichtung beträgt üblicherweise zwischen 0, 5 und 700 nm, bevorzugt zwischen 0,5 und 200 nm, insbesondere zwischen 0,5 und 10 nm.

Zweiter Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Polymers durch Copolymersiation von (A) einem eine phosphorhaltige Gruppe A enthaltendem Monomer oder mehreren, gleichen oder verschiedenen, gleiche oder verschiedene phosphorhaltige Gruppen A enthaltenden Monomeren mit

(B) einem eine funktionelle Gruppe F enthaltendem Monomer oder mehreren, gleichen oder verschiedenen, gleiche oder verschiedene funktionelle Gruppen F enthaltenden Monomeren und (C) optional einem ein Segment U enthaltenden Monomer oder mehreren, gleichen oder verschiedenen, gleiche oder verschiedene Segmente U enthaltenden Monomeren. zu einem Polymer der Formel I oder mit (B') einem eine Einheit (ganz) o2 gemäß Formel II enthaltendem Monomer oder mehreren, gleichen oder verschiedenen, gleiche oder verschiedene Einheiten der Formel (UF, ) o2 gemäß Formel II enthaltenden Monomeren zu einem Polymer der Formel II.

Dritter Gegenstand der Erfindung ist ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Polymers durch (i) Herstellung eines Polymers, das die Polymerkomponente P bildet und gleiche oder verschiedene, als funktionelle Gruppen F geeignete funktionelle Gruppen trägt, bevorzugt Hydroxy-Gruppen, Carboxy-Gruppen, Derivate von Carboxy-Gruppen und/oder Amin-Gruppen, (ii) Umsetzung eines Teils der funktionellen Gruppen zu gleichen oder verschiedenen phosphorhaltigen Gruppen A und (iii) optional Umsetzung eines Teils der funktionellen Gruppen zu gleichen oder verschiedenen Segmenten U,

wobei Schritt (iii) nach, vor oder zusammen mit Schritt (ii) durchgeführt werden kann, und wobei in den Schritten (ii) und (iii) nicht alle funktionellen Gruppen umgesetzt werden und die nicht umgesetzten funktionellen Gruppen die funktionellen Gruppen F des Polymers bilden. Dabei können die nicht in den Schritten (ii) und (iii) umgesetzten funktionellen Gruppen teilweise oder vollständig mit einem oder mehreren gleichen oder verschiedenen Crosslinkern zu funktionellen Gruppen F umgesetzt werden.

Vierter Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Polymers zur Beschichtung von dielektrischen Materialien, insbesondere von dielektrischen Wellenleitern. Dabei kann das Polymer zur Beschichtung von dielektrischen Materialien, insbesondere von dielektrischen Wellenleitern, aus TiO2, Ta, O., Zr0"Hf0, oder A1203, bevorzugt aus Tio2oder Ta. O., verwendet werden.

Fünfter Gegenstand der Erfindung ist ein optischer Signalwandler mit einem beschichteten dielektrischen Wellenleiter, dessen Beschichtung aus einem erfindungsgemäßen Polymer besteht.

Sechster Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen optischen Signalwandlers zur Immobilisierung von chemischen und/oder biochemischen Erkennungselementen.

Das erfindungsgemäße phosphorhaltige Polymer enthält verschiedene funktionelle Gruppen oder Segmente, um die genannten Anforderungen an die Wellenleiter- beschichtung zu erfüllen : Die Polymerkomponente P.

Die phosphorhaltigen Gruppen A des Polymers, die eine stabile Bindung des Polymers an die Oberfläche des Wellenleiters gewährleisten. Dabei sind

vorzugsweise zwischen 0,001 und 10Milliäquivalente (mEq) phosphorhaltige Gruppen pro Gramm Polymer vorhanden, insbesondere 0,01 bis 5 mEq/g, besonders bevorzugt 0,1 bis 3 mEq/g.

Die funktionellen Gruppen F des Polymers, über die Erkennungselemente direkt oder mit Hilfe eines Crosslinkers kovalent, koordinativ oder über eine andere chemische Bindung an das Polymer und somit an die Oberfläche des Bio-oder Chemosensors immobilisiert werden können. Dabei sind vorzugsweise zwischen 0,001 und 20 Milliäquivalente (mEq) funktionelle Gruppen pro Gramm Polymer vorhanden, insbesondere 0,01 bis 10 mEq/g, besonders bevorzugt 0,5 bis 10 mEq/g.

. Die Segmente U, die die unspezifische Bindung von Proteinen etc. an das Polymer und damit an den Wellenleiter unterdrücken. U kann in dem Polymer fehlen, wenn die Unterdrückung der unspezifischen Bindung bereits durch die Polymerkomponente erreicht wird. Dabei sind vorzugsweise zwischen 0,001 und 20 Milliäquivalenten (mEq) Segmente U pro Gramm Polymer vorhanden, insbesondere 0,01 bis 10 mEq/g, besonders bevorzugt 0,5 bis 10 mEq/g.

Die erfindungsgemäßen Polymere können linear, verzweigt oder vernetzt sein und eine mittlere Molmasse von 1.000 bis 10.000.000 g/mol, vorzugsweise 2.100 bis 1. 000.000 g/mol, besonders bevorzugt 5.000 bis 500.000 g/mol, äußerst bevorzugt 5.000 bis 300.000 g/mol, insbesondere 10.000 bis 150. 000 g/mol aufweisen. Die Bestimmung der Molmasse kann z. B. durch Dampfdruckosmose oder Lichtstreuung erfolgen.

Polymerkomponente P Die Polymerkomponenten P können statistisch oder blockweise aufgebaut sein.

Typischerweise handelt es sich dabei um hydrophile Polymere, wobei im Rahmen der erfindungsgemäßen Lehre unter einem hydrophilen Polymer ein mit Wasser bzw. wässrigen Lösungen benetzbares oder quellbares Polymer verstanden wird. Beispiele dafür sind :

Polyvinylalkohole, Polyvinylamin, Polyallylamin, Polyethylenimin, Polyacrylate, Polyacrylamide, Imide von Polymaleinsäureanhydrid-alt-methylvinylether oder Derivate davon. w Lineare Polyethylenglycole, Polypropylenglycole oder Derivate davon.

Verzweigte oder sternförmige Polyethylenglycole, wie z. B. in US-Patent 5 171 264 beschrieben23, auf das in dieser Hinsicht Bezug genommen und dessen Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird, oder Derivate davon.

. Polyharnstoffe, Polyurethane, Polyester, Polycarbonate, Polyhydroxycarbon- säuren oder Derivate davon, die aus hydrophilen Diolen/Polyolen und/oder Diaminen/Polyaminen aufgebaut sind. Die hydrophilen Diole/Polyole können Polyethylenglycole, Polypropylenglycole etc. sein. Die Diamine/Polyamine können Jeffamine, Polyethylenimine, Polyvinylamin, Polyallylamin, Poly- ethylenimin etc. sein.

. Polysaccharide wie Cellulose, Stärke, Agarose, Dextran, Chitosan, Hyaloronsäure oder Derivate davon, insbesondere Hydroxyalkylderivate oder saure Halbester.

. Polypeptide oder Derivate davon, die aus einer oder mehreren verschiedenen Aminosäuren aufgebaut sind, wie z. B. Polylysin, Polyphenylalaninlysin, Poly- glutamat, Polymethylglutamatglutamat, Polyphenylalaninglutamat, Polyserin, Polyglycin, Polyseringlycerin etc. verzweigte Polyole auf Glycidolbasis, wie z. B. in der Patentanmeldung EP 0116 978 und WO 00/37532, auf die beide in dieser Hinsicht Bezug genommen und deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird, beschrieben, oder Derivate davon. Bevorzugt sind Polyole auf Glycidolbasis mit einem Polymerisationsgrad von 1 bis 300, einer Polydispersität kleiner 1,7, einem Gehalt an verzweigten Einheiten, bezogen auf die Gesamtheit aller Monomereinheiten und bestimmt durch 13C-NMR-Spektroskopie, von 10 bis 33 mol%.

Phosphorhaltige Gruppen A Eine stabile Verankerung des Polymers auf der Wellenleiteroberfläche wird durch mehrere phosphorhaltige Gruppen erreicht, die direkt oder über einen Spacer S an ein Kohlenstoffatom der Polymerkomponente gebunden sind.

Die Gruppen A genügen vorzugsweise der Formel A=sy in der p für die Zahl 1 und s für die Zahl 0 (d. h. A = Y) oder 1 (d. h. A = SY) steht oder p für die Zahl 2,3,4,5 oder 6 und s für die Zahl 1 steht (d. h. A = SYp) und in der die Gruppe bzw. Gruppen Y aus folgenden phosphorhaltigen Radikale ausgewählt ist bzw. sind : -O(R'O)PO2H, -P(R'O)O2H, -N(CH2-P(R'O)O2H)2, -N(R')-CH2-P(R'O)O2H, - CH (P (R'0) 02H) N (CH2-P (R'0) 02H) 2,-CH (CH2-P (R'0) 02H) 2, -CR'(CH2-P(R'O)O2H)2, -C(CH2-P(R'O)O2H)3, wobei R'für-H,-CH3 oder-C2Hs steht.

Vorzugsweise enthält das Polymer eine oder mehrere der folgenden Gruppen Y : -O (R O) PO2H,-P (R'O) O2H,-N (CH2-P (R'O) O2H) 2, insbesondere-N (CH2-P(R'O)O2H)2, wobei R'bevorzugt für-H steht.

Der Spacer S ist direkt an ein C-Atom des Polymers gekoppelt und trägt p gleiche oder unterschiedliche phosphorhaltige Radikale Y. Erfindungsgemäß bevorzugt sind folgende Spacer (Gruppe (n) Y sind mit angegeben) : -(CH2)q-(O-CH2-CH2)r-Y, -(CH2)q-(O-CH2-CH2-CH2)r-Y, -(CH2)q-(O-CH2-CH2)r-C6H4Y, -(CH2)q-(O-CH2-CH2)r-C6H3Y2, -(CH2) q-(o-cH2-cH2) r-c6H2y3n wobei q für Zahlen von 0 bis 20 und r für Zahlen 0 bis 100 steht.

In einer besonderen Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße Polymer phosphorhaltige Gruppen A in Form eines ein bis sechs gleiche oder verschiedene phosphorhaltige Reste tragenden Spacer S.

Bevorzugt sind folgende Gruppen A, die direkt an ein C-Atom des Polymers gekoppelt sind : -PO3H2, -NH-CH2-CH2-PO3H2, -CH2-N(CH2-PO3H2)2, -N(CH2-PO3H2)2, -(CH2) 4-N (CH2-PO3H2) 2,-OPO3H2- Funktionelle Gruppen F zur Immobilisierung von Erkennungselementen F steht für funktionelle Gruppen, die direkt an ein Kohlenstoffatom des Polymers gebunden sind, und über die Erkennungselemente direkt oder mit Hilfe eines Crosslinkers kovalent, koordinativ oder über eine andere chemische Bindung an das Polymer und somit an die Oberfläche des Bio-oder Chemosensors immobilisiert werden können. Die direkte Kopplung der Erkenungselemente kann vor der Beschichtung der Wellenleiter mit dem Polymer erfolgen oder danach. Typische funktionelle Gruppen, um Erkennungselemente kovalent zu immobilisieren, sind z. B. : Carbonsäure, Carbonsäureester, Carbonsäurechlorid, Carbonsäureanhydrid, Carbonsäurenitrophenylester, Carbonsäurenitrophenylester, Carbonsäure-N-hydroxy- succinimid, Carbonsäureimidazolid, Carbonsäure-pentafluorophenylester, Hydroxy, Toluolsulfonyl, Trifluoromethylsulfonyl, Epoxy, Aldehyd, Keton,-Dicarbonyl,

Isocyanat, Thioisocyanat, Nitril, Amin, Aziridin, Hydrazin, Hydrazid, Nitro, Thiol, Disulfid, Thiosulfit, Halogen, Jodacetamid, Bromacetamid, Chloracetamid, Borsäureester, Maleimid, a, ß-ungesättigte Carbonyle, Phosphat, Phosphonat, Hydroxymethylamid, Alkoxymethylamid, Benzophenon, Azid, Triazen, Acylphosphan.

Alternativ können die Erkennungselemente auch koordinativ an das Polymer immobilisiert werden. Typische Gruppen dafür sind zum Beispiel : Iminodiessigsäure, Nitrilotriessigsäure.

Alternativ können biochemische Erkennungsreaktionen genutzt werden, um Erkennungselemente an das Polymer zu immobilisieren. Dazu können folgende Gruppen an das Polymer gebunden werden : StrepTag24, Digoxin, Digoxigenin, Biotin, Thiobiotin, Fluorescein, Dinitrophenol, Streptavidin, Avidin, etc.

In einer besonderen Ausführungsform enthält das erfindungsgemäße Polymer funktionelle Gruppen F mit Crosslinkern, die vor oder nach der Beschichtung der Wellenleiter an das Polymer gebunden werden können. Diese Crosslinker können lineare, verzweigte oder vernetzte Moleküle, Oligomere oder Polymere mit einer Molmasse bzw. mittleren Molmasse von 50 bis 50.000 sein, die zwei oder mehr identische oder verschiedene funktionelle Gruppen tragen, oder andere kommerzielle Crosslinker sein. Bevorzugte Crosslinker lassen sich allgemein mit der Formel P (F1UF2), mit m, n = 0,1,2,... 100, bevorzugt mit m + n 2 2, bevorzugt mit m, n = 1, 2 oder 3 beschreiben.

P l kann sein : * Lineare oder verzweigte Alkyl-oder Arylreste mit 1-10 C-Atomen.

. Lineare Polyethylenglycole, Polypropylenglycole, Copolymerisate dieser Polymere oder Derivate davon.

Verzweigte oder sternförmige Polyethylenglycole wie z. B. in US-Patent 5 171 264 beschrieben25, auf das in dieser Hinsicht Bezug genommen und dessen Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird, oder Derivate davon.

. Polysaccharide wie Cellulose, Stärke, Agarose, Dextran, Chitosan, Hyaloronsäure oder Derivate davon.

* Polypeptide oder Derivate davon, die aus einer oder mehreren verschiedenen Aminosäuren aufgebaut sind, wie z. B. Polylysin, Polyphenylalaninlysin, Polyglutamat, Polymethylglutamatglutamat, Polyphenylalaninglutamat, Polyserin, Polyglycin, Polyseringlycerin etc.

Verzweigte Polyole oder Oligoole auf Glycidolbasis, wie z. B. in der Patentanmeldung EP 0116 978 und WO 00/37532, auf die beide in dieser Hinsicht Bezug genommen und deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird, beschrieben, oder Derivate davon. Bevorzugt sind Polyole auf Glycidolbasis mit einem Polymerisationsgrad von 1 bis 300, einer Poly- dispersität kleiner 1,7, einem Gehalt an verzweigten Einheiten, bezogen auf die Gesamtheit aller Monomereinheiten und bestimmt durch 13C-NMR- Spektroskopie, von 10 bis 33 mol%.

F1 sind funktionelle Gruppen, die eine Kopplung des Crosslinkers an die funktionellen Gruppen F des Polymers erlauben. F2 sind funktionelle Gruppen, an die Erkennungselemente über eine kovalente, koordinative oder über eine andere chemische Bindung gebunden werden können. F1 und F2 können gleiche oder unterschiedliche funktionelle Gruppen sein. Beispiele für die Gruppen F1 und F2 sind folgende funktionelle Gruppen : Carbonsäure, Carbonsäureester, Carbonsäurechlorid, Carbonsäureanhydrid, Carbon- säurenitrophenylester, Carbonsäure-N-hydroxysucinimid, Carbonsäureimidazolid, Carbonsäure-pentafluorophenylester, Hydroxy, Toluolsulfonyl, Trifluoromethylsul-

fonyl, Epoxy, Aldehyd, Keton, ß-Dicarbonyl, Isocyanat, Thioisocyanat, Nitril, Amin, Aziridin, Diazirin, Hydrazin, Hydrazid, Nitro, Thiol, Dithiol, Thiosulfit, Halogen, Jodacetamid, Bromacetamid, Chloracetamid, Borsäureester, Maleimid, a, ß-unge- sättigte Carbonyle, Phosphat, Phosphonat, Hydroxymethylamid, Alkoxymethylamid, Benzophenon, Azid, Triazen, Acylphosphan.

Ein bevorzugter Crosslinker der Formel P1 (F1) (F2) ist Ethylenglycolbissuccin- imidylsuccinat.

Segmente U zur Unterdrückung von unspezifischer Bindung Das Polymer kann Segmente U besitzen, die die unspezifische Bindung von Proteinen etc. an das Polymer und damit an den Wellenleiter unterdrücken. Diese Segmente sind kovalent an der Polymereinheit P angebunden und können vorzugsweise hydrophile lineare, verzweigte oder vernetzte Oligomere oder Polymere mit einer bevorzugten Molmasse bzw. mittleren Molmasse von 100 bis 10.000 sein. Beispiele für solche Segmente sind : . Lineare Oligo-oder Polyethylenglycole, Oligo-oder Polypropylenglycole, Copolymerisate dieser Oligomere bzw. Polymere oder Derivate davon.

Verzweigte oder sternförmige Oligo-oder Polyethylenglycole wie z. B. in US- Patent 5 171 264 beschrieben26, auf das in dieser Hinsicht Bezug genommen und dessen Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird, oder Derivate davon.

Oligo-oder Polysaccharide wie Cellulose, Stärke, Agarose, Dextran, Chitosan, Hyaloronsäure oder Derivate davon.

. Oligo-oder Polypeptide oder Derivate davon, die aus einer oder mehreren verschiedenen Aminosäuren aufgebaut sind, wie z. B. Polylysin, Polyphenylalaninlysin, Polyglutamat, Polymethylglutamatglutamat, Polyphenyl- alaninglutamat, Polyserin, Polyglycin, Polyseringlycerin etc.

Verzweigte Polyole oder Oligoole auf Glycidolbasis, wie z. B. in der Patentanmeldung EP 0 116 978 und WO 00/37532, auf die beide in dieser Hinsicht Bezug genommen und deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird, beschrieben, oder Derivate davon. Bevorzugt sind Polyole auf Glycidolbasis mit einem Polymerisationsgrad von 1 bis 300, einer Poly- dispersität kleiner 1,7, einem Gehalt an verzweigten Einheiten, bezogen auf die Gesamtheit aller Monomereinheiten und bestimmt durch'3C-NMR- Spektroskopie, von 10 bis 33 mol%.

Diese Segmente können in dem Polymer fehlen, wenn die Unterdrückung der unspezifischen Bindung bereits durch die Polymerkomponente erreicht wird.

Herstellung des Polymers Das erfindungsgemäße Polymer kann hergestellt werden, indem z. B. unterschied- liche Monomere, die die Gruppen A, F und U enthalten, nach Verfahren, die dem versierten synthetischen Chemiker bekannt sind, copolymerisiert werden. So kann das Polymer z. B. durch Copolymerisation von Vinylphosphonsäure, Polyethylen- glykolmethyletheracrylat und Acrylsäure hergestellt werden. Vor oder nach Aufbringen des Polymers auf die Wellenleiteroberfläche kann dann das Erkennungselement gebunden werden. Dazu werden die Carbonsäuregruppen durch Umsetzung z. B. mit Carbodiimiden aktiviert und dann mit nukleophilen funktionellen Gruppen des Erkennungselementes umgesetzt, was zu einer kovalenten Anbindung des Erkennungselementes an das Polymer führt.

Alternativ können aber auch nach bekannten Verfahren Polymere synthetisiert werden, die identische oder unterschiedliche funktionelle Gruppen F besitzen. In weiteren Schritten können dann die phosphorhaltigen Gruppen A und gegebenenfalls Segmente U eingeführt werden. Dabei wird darauf geachtet, dass nur ein bestimmter Teil der Gruppen F umgesetzt wird. Über die verbleibenden Gruppen F können dann die Erkennungselemente gebunden werden. Bei Polymeren, die z. B.

Hydroxygruppen als funktionelle Gruppen F tragen, können durch die Umsetzung mit Polyphosphorsäure die phosphorhaltigen Gruppen A erzeugt werden. Dabei wird nur ein Teil der Hydroxygruppen umgesetzt. Vor oder nach Aufbringen des Polymers auf die Wellenleiteroberfläche kann dann das Erkennungselement gebunden werden.

Dazu werden die Hydroxygruppen durch Umsetzung z. B. mit Toluolsulfonsäurechlorid aktiviert und dann mit nukleophilen funktionellen Gruppen des Erkennungselementes umgesetzt, was zu einer kovalenten Anbindung des Erkennungselementes an das Polymer führt Das Polymer kann z. B. auch aus Polymeren hergestellt werden, die Carbonsäure- gruppen oder Derivate davon tragen. Durch Umsetzung z. B. mit Aminoethyl- phosphonsäure oder H2N-(C6H4) 2-N (CH2PO3H2) 2 werden die phosphorhaltigen Gruppen A eingeführt. Dabei wird nur ein Teil der Carbonsäuregruppen umgesetzt.

Vor oder nach Aufbringen des Polymers auf die Wellenleiteroberfläche kann dann das Erkennungselement gebunden werden. Dazu werden die Carbonsäuregruppen durch Umsetzung z. B. mit Carbodiimiden aktiviert und dann mit nukleophilen funktionellen Gruppen des Erkennungselementes umgesetzt, was zu einer Kovalenten Anbindung des Erkennungselementes an das Polymer führt.

Werden aminhaltige Polymere wie z. B. Polyethylenimin, Polyvinylamin, Polyallylamin oder Polylysin nach Mannich-Mödritzer mit Formaldehyd und phosphoriger Säure umgesetzt, können so die phosphorhaltigen Gruppen A eingeführt werden. Dabei wird nur ein Teil der Amingruppen umgesetzt. Vor oder nach Aufbringen des Polymers auf die Wellenleiteroberfläche kann dann das Erkennungselement gebunden werden. Dazu werden die Amingruppen durch Umsetzung z. B. mit einem bifunktionellen Crosslinker wie Ethylenglycolbissuccin- imidylsuccinat umgesetzt. Dabei werden aktivierte Carbonsäuregruppen eingeführt, an die nukleophile Gruppen des Erkennungselementes binden können.

Aufbringung des Polymers auf die Wellenleiter Die phosphorhaltigen Gruppen A eignen sich bevorzugt für die Verankerung des Polymers auf Wellenleitern aus Materialien wie TiO2, Ta205, ZrO2, Hf02, A1203 SiO2 (Si (Ti) O2), In203/SnO2 (ITO), Alurninumsilicate, Nb2Os, Vanadiumoxide, oder Mischungen dieser Materialien. Die Wellenleitermaterialien können aber auch Oxide oder Hydroxide folgender Elemente sein, die Oxide oder Hydroxide bilden können : Sc, Y, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, Mn, Tc, Re, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ir, Ni, PD, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Hg, B, Al, Ga, In, Tl, Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, Lanthanide, Actinide und Mixturen davon ebenso wie Mixturen von Gruppe IIa (Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra) und VIb (Se, Te, Po)).

Das Polymer wird aus organischer oder wässriger Lösung auf die Wellenleiteroberflächen aufgebracht. Dies kann durch Inkubation in der Lösung, Tauchen, Sprühen, Spotten, Spincoating oder ähnliche übliche Verfahren geschehen.

Typischerweise werden Lösungen zwischen 0,001 und 1. 000 g/l, insbesondere zwischen 0,1 und 10 g/l, verwendet und die Wellenleiteroberflächen bei Temperaturen zwischen 0 und 200 °C, insbesondere zwischen 20 und 30 °C, beschichtet. Die Inkubationszeit der Wellenleitermaterialien mit den Polymer- Lösungen kann zwischen 10 s und 48 h liegen, typischerweise zwischen 10 min und 24 h. Nach der Inkubation werden die Wellenleiter mit organischen Lösungsmitteln oder wässrigen Lösungen gespült und gegebenenfalls weiter derivatisiert.

Immobilisierung der Erkennungselemente am Polymer Erkennungselemente können direkt oder mit Hilfe eines Crosslinkers kovalent, koordinativ oder über eine andere chemische Bindung an die funktionellen Gruppen F des Polymers und somit an die Oberfläche des Bio-oder Chemosensors immobilisiert werden. Die direkte Kopplung der Erkenungselemente kann vor der Beschichtung der Wellenleiter mit dem Polymer erfolgen oder danach. Die Erkennungselemente können über eigene funktionelle Gruppen wie Carbonsäure, Carbonsäureester, Carbonsäurechlorid, Carbonsäureanhydrid, Carbonsäurenitro- phenylester, Carbonsäure-N-hydroxysucinimid, Carbonsäureimidazolid, Carbon-

säure-pentafluorophenylester, Hydroxy, Toluolsulfonyl, Trifluoromethylsulfonyl, Epoxy, Aldehyd, Keton, ß-Dicarbonyl, Isocyanat, Thioisocyanat, Nitril, Amin, Aziridin, Hydrazin, Hydrazid, Nitro, Thiol, Disulfid, Thiosulfit, Halogen, Jodacetamid, Bromacetamid, Chloracetamid, Borsäureester, Maleimid, a, ß- ungesättigte Carbonyle, Phosphat, Phosphonat, Hydroxymethylamid, Alkoxymethylamid, Benzophenon, Azid, Triazen, Acylphosphan, an die funktionellen Gruppen F des Polymers kovalent gebunden werden. Die Kombination welche funktionelle Gruppe des Erkennungselementes mit welcher funktionellen Gruppe des Polymers reagiert ergibt sich aus den dem Chemiker bekannten Reaktionsmöglichkeiten zwischen den funktionellen Gruppen.

Proteine als Erkennungselemente können z. B. über ihre Aminosäureseitenketten an dem Polymer immobilisiert werden. Speziell Aminosäuren wie z. B. Lysine, Cysteine, Serine, Tyrosine, Histidine, Glutamate, Aspartate, die an der Oberfläche eines Proteins lokalisiert sind besitzen funktionelle Gruppen in ihren Seitenketten, die eine kovalente Bindung mit den funktionellen Gruppen des Polymers eingehen können. Funktionelle Gruppen können auch in den Erkennungselemente auch durch Derivatisierung (Phosphorylierung von Tyrosinen), Oxidation (z. B. Oxidation von Dioleinheiten glycosilierter Proteine zu Aldehydgruppen), Reduktion (z. B. von Disulfidbrücken zu Thiolen) oder Kopplung eines Crosslinkers erzeugt werden.

Neben der kovalenten Immobilisierung der Erkennungselemente an das Polymer können die Erkennungselemente auch koordinativ an das Polymer gebunden werden.

Mit Methoden der Molekularbiologie können z. B. Proteine wie Enzyme, Antikörperfragmente und Rezeptoren mit speziellen Affinitätssequenzen wie z. B. dem 6xHistidin-Tag"hergestellt werden. Diese Affinitätssequenzen besitzen eine hohe Affinität und Spezifität zu Metallionenkomplexen wie z. B. Nickel Nitrilotriessigsäure oder Kupfer Iminodiessigsäure, die als funktionelle Gruppe F in das Polymer eingebracht sein kann.

Alternativ können auch biochemische Erkennungsreaktionen genutzt werden, um Erkennungselemente an das Polymer zu immobilisieren. Die sehr spezifische und hochaffine Bindung von Biotin an Streptavidin28 kann zur Immobilisierung von Erkennungselementen an das Polymer genutzt werden. Dazu müssen die funktionellen Gruppen F des Polymer z. B. Streptavidin sein. Das Erkennungselement wird dann mit Biotin funktionalisiert und kann so an das Polymer gebunden werden. Alternativ kann das Erkennungselement molekularbiologisch oder chemisch mit einer kurzen Aminosäuresequenz versehen werden, dem sogenannten SkepTag24, der ebenfalls eine hohe Spezifität und Affinität für Streptavidin aufweist.

Vorteile Multifunktionelle Polymere zur Bio-und Chemofunktionalisierung chemisorbieren aus organischer oder wässriger Lösung auf Wellenleiteroberflächen. Sie bilden aufgrund der spezifischen Bindung der phosphorhaltigen Gruppen an Wellenleitermaterialien eine stabile Schicht auf dem Wellenleiter aus. Die Bindung ist über einen weiten pH-Bereich (ph =1 bis pH 14), Temperaturbereich (0 °C bis 100 °C) wie auch gegenüber hohen Salzkonzentrationen (1M) stabil. Auch die Anwesenheit von Detergenzien in der Reaktionslösung führt nicht zu einer Desorption des Polymers von der Wellenleiteroberfläche. Da das Polymer über die phosphorhaltigen Gruppen spezifisch auf die Wellenleiteroberfläche gebunden werden, kann ganz im Sinne einer Chemisorption nur eine Monolage an Polymer auf der Oberfläche aufgebracht werden. Die Dicke der Polymerschichten auf der Oberfläche ist somit selbstlimitierend und kann über die mittlere Molmasse und die chemische Struktur des Polymers gezielt eingestellt werden. Damit kann sichergestellt werden, dass die Erkennungselemente innerhalb des evaneszenten Lichtfeldes und somit im sensitiven Detektionsbereich des Signalwandlers immobilisiert werden.

Spezielle Segmente des Polymers bzw. die Polymerkomponente verhindern sehr effektiv die unspezifische Bindung von Proteinen und anderen organischen wie

anorganischen Verbindungen an die Wellenleiteroberflächen. Damit ist es möglich sehr spezifisch nur die gewünschte Erkennungsreaktion mit Hilfe des Signalwandlers zu detektieren. Somit wird sowohl die Spezifität des Sensors erhöht wie auch das Signal-Rausch-Verhältniss deutlich verbessert.

Die Erkennungselemente werden über kovalente, koordinative oder andere chemische Bindungen stabil an das Polymer gebunden. Eine Desorption der Erkennungselemente vom Polymer wird so vermieden. Ein weiterer Effekt der sehr geringen unspezifischen Wechselwirkung des Polymers mit Proteinen und anderen organischen Molekülen stellt die hohe Aktivität der immobilisierten Erkennungs- elemente dar. Die Erkennungselemente sind sehr spezifisch an das Polymer gebunden, weitere unspezifische Wechselwirkungen der Erkennungselemente mit dem Polymer, die zu einer Verringerung der Aktivität der Erkennungselemente führen könnten, treten nicht bzw. nur in sehr geringen Maße auf.

Verwendung Das Polymer kann auf verschiedenste Wellenleitermaterialien aufgebracht werden.

An das Polymer können dann Erkennungselemente unter Erhalt ihrer Aktivität immobilisiert werden. Das Polymer agiert somit als Interface, um Erkennungselementen auf Signalwandlern wie z. B. Wellenleitern zu immobilisieren.

Das Polymer ermöglicht somit die Integration von Erkennungsreaktion und Signalwandler zu einem Sensor. Aufgrund des flexiblen Konzepts des Polymers können die unterschiedlichsten Erkennungselemente immobilisiert werden, so dass der Sensor in der Umweltanalytik, dem Nahrungsmittelbereich, der Human-und Veterinärdiagnostik und dem Pflanzenschutz eingesetzt werden kann, um Analyten qualitativ und/oder quantitativ zu bestimmen. Da das Polymer die unspezifische Bindung von organischen, anorganischen Verbindungen und Makromolekülen an die Sensoroberfläche verhindern, können auch Analyten in komplexen Proben wie z. B.

Umgebungsluft, verschmutztem Wasser oder Körperflüssigkeiten ohne oder nur mit geringer vorherige Aufreinigung qualitativ oder quantitativ bestimmt werden.

Zusätzlich kann das Polymer auch in der (bio-) chemischen Forschung und Wirkstoffsuche eingesetzt werden, um mittels eines geeigneten Signalwandlers parallel oder sequentiell die Interaktion zwischen zwei unterschiedlichen Substanzen zu untersuchen. Damit kann z. B. die Interaktion von biologisch aktiven Substanzen, 5 wie z. B. potentiellen Wirkstoffen mit Biomolekülen wie Proteinen, Membran- rezeptoren, Ionenkanälen, DNA, RNA etc. untersucht werden.

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28 Buckland, R. M. ; Nature (1986) 320,557.

Beispiele Beispiel 1 : Polymer aus phosponatfunktionellen Copolymeren.

Eine Mischung aus 50 g N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), 5 g Vinylphosphonsäure, 10 g Triethylamin, 15 g Methacryloxyethylacetoacetat, 30 g Polyethylenglykol- methyletheracrylat (Molmasse 750 g/mol), 0,5 g Azobisisobutyronitril und 1,5 g Dodecylmercaptan wurde 6 h auf 65 °C erhitzt. Nach dem Abkühlen wurde die Lösung in Ethanol auf eine Konzentration von 0,1 mg Polymer pro ml Lösung eingestellt und die Wellenleiteroberflächen in dieser Lösung 18 h inkubiert. Danach wurden die Wellenleiter mit Ethanol und 10 mM (M = moUl) NaOH gespült. Es wurde eine Lösung von 2 mg/ml monoklonaler Maus-Antikörper gegen Myobglobin in 10 mM Natriumacetatpuffer, eingestellt auf pH = 5, hergestellt und die Wellenleiteroberflächen 2 h darin inkubiert. Es wurde eine Oberflächenkonzentration von Antikörper von 1,5 ng/mm2 erhalten.

Beispiel 2 : Polymer aus Phosphatestern von Polyvinylalkohol.

Eine Mischung aus 50 g einer 10 % igen Lösung von Polyvinylalkohol (Polyvinylacetat mit einem Verseifungsgrad von 88 % und einer Höppler-Viskosität der 4 % igen Lösung in Wasser von 18) in DMSO und 0,1 % Polyphosphorsäure wurde 15 min auf 100 °C erhitzt. Nach dem Abkühlen wurden 10 g Bernsteinsäureanhydrid zu der Lösung gegeben und bei 21'C für 3 h gerührt. Im nächsten Schritt wurde die Lösung in Ethanol auf eine Konzentration von 1 mg Polymer pro ml Lösung eingestellt und die Wellenleiteroberflächen in dieser Lösung 18 h inkubiert. Danach wurden die Wellenleiter mit Ethanol und 10 rnM NaOH gespült. Die Oberfläche wurde 10 min in einer Lösung von 1 M N- Hydroxysuccinimid und 1 M N-Dimethylaminopropyl-N'-ethyl-carbodiimid- hydrochlorid in Reinstwasser inkubiert und danach mit Reinstwasser gespült. Es wurde eine Lösung von 2 mg/ml monoklonaler Maus-Antikörper gegen Myobglobin in 10 mM Natriumacetatpuffer, eingestellt auf pH = 5, hergestellt und die

Wellenleiteroberflächen 2 h darin inkubiert. Es wurde eine Oberflächenkonzentration von Antikörper von 2,5 ng/nin erhalten.

Beispiel 3 : Polymer aus imidisierten MSA-Copolymeren.

Eine Mischung aus 9,5g 2-(2-Aminoethoxy)-ethanol, l, llg Aminomethanphos- phonsäure, 1 g Triethylamin und 100 ml Wasser wurde portionsweise bei 70 °C mit 15,6 g Polymaleinsäureanhydrid-alt-methylvinylether (MW (mittlere Molmasse) = 216.000 g/mol) versetzt. Nach dem Abkühlen wurde die Lösung in Ethanol auf eine Konzentration von 10 mg Polymer pro ml Lösung eingestellt und die Wellenleiteroberflächen in dieser Lösung 18 h inkubiert. Danach wurden die Wellenleiter mit Ethanol und 10 mM NaOH gespült. Die Oberflächen wurden in einer 10 mg/ml Lösung von Ethylenglycolbissuccinimidylsuccinat in DMSO 30 min inkubiert und danach mit DMSO und Reinstwasser gespült. Es wurde eine Lösung von 2 mg/ml monoklonaler Maus-Antikörper gegen human chorionic Gonadotropin in 10 mM Natriumacetatpuffer, eingestellt auf pH = 5, hergestellt und die Wellenleiteroberflächen 2 h darin inkubiert. Es wurde eine Oberflächenkonzentration von Antikörper von 2,0 ng/mm2 erhalten.

Beispiel 4 : Polymer aus phosphonatfunktionellen Copolymeren gepfropft mit Polyglycidol.

Herstellung der Pfropfgrundlage (fettsäuremodifiziertes Polyglycidol) : Eine Mischung aus 28 g Sojaölfettsäure und 74 g Epoxypropanol (Glycidol) wurde 1 h auf 140 °C erhitzt und dann innerhalb von 6 h eine Mischung aus 0,4 g Phosphorsäure und 333,5g Epoxypropanol hinzudosiert. Dann wurde 16 h bei 140 °C nachgerührt.

Eine Mischung aus 20 g des zuvor hergestellten fettsäuremodifizierten Polyglycidols, 20 g Methacryloyloxyethylacetoacetat, 2 g Vinylphosphonsäure, 2 g Triethylamin, 42 g NMP und 0,4 g Azobisisobutyronitril wurde 16 h auf 65'C-und 1 h auf 100 °C

erhitzt. Nach dem Abkühlen wurde die Lösung in Ethanol auf eine Konzentration von 3 mg Polymer pro ml Lösung eingestellt und die Wellenleiteroberflächen in dieser Lösung 10 h inkubiert. Danach wurden die Wellenleiter mit Ethanol und 10 mM NaOH gespült. Es wurde eine Lösung von 2 mg/ml monoklonaler Maus- Antikörper gegen Myobglobin in 10 mM Natriumacetatpuffer, eingestellt auf pH = 5, hergestellt und die Wellenleiteroberflächen 2 h darin inkubiert. Es wurde eine Oberflächenkonzentration von Antikörper von 3,5 ng/mm2 erhalten.

Beispiel 5 : Polyglycidol, derivatisiert mit Maleinsäureanhydrid und Imino- bis-methylenphosphonsäure.

Herstellung des thiolderivatisierten Imido-di-methylenphosphonsäure-Reagenz : 100 g Mercaptoethylamin-hydrochlorid, 150 g phosphorige Säure und 170 g Wasser wurden vorgelegt, auf 100°C erhitzt und innerhalb von 1 h 287 g Formalin (37 %) hinzugetropft. Es wurde 1 h nachgerührt und dann das Lösungsmittel im Vakuum abgezogen.

Herstellung des Polyglycidols : 1,88 g Hexadecylamin wurden in einem auf 100°C beheizten 250 ml Glasreaktor aufgeschmolzen und mit 1,2 g Glycidol zur Reaktion gebracht. Dann wurden 0,9 ml Kaliummethoxidlösung (25 % ig in Methanol) zugesetzt und überschüssiges Methanol im Vakuum entfernt. Bei 140°C wurde der Rückstand in 15 ml trockenem Diglyme gelöst. Mit einer Geschwindigkeit von 25 ml pro Stunde wurden 260 g Glycidol in 350 ml trockenem THF zudosiert. Nach beendeter Zugabe wurde die Reaktionsmischung in 1200 ml Methanol gelöst und durch Filtration über einen sauren Ionentauscher (Amberlite IR-120) neutralisiert. Das Filtrat wurde in 121 Aceton ausgefällt und das gewonnene Polymer bei 80°C für 12h im Vakuum getrocknet. Es wurden 254 g einer farblosen, hochviskosen Flüssigkeit mit einer Molmasse von 30.000 g/mol und einer Polydispersität von 1, 23 gewonnen. Alle Moleküle enthalten den Initiator als Kerneinheit und 27 % verzweigte Baueinheiten.

Anschließend wurden 1 g zuvor hergestellten Polyglycerin und 5 g DMSO vorgelegt und auf 50°C erwärmt. Dann wurden 0,2 g Maleinsäureanhydrid zugegeben. Nach 15 min wurde auf 80°C erwärmt und 0,2 g thiolderivatisiertes Imido-bis- methylenphosphonsäure-Reagenz und 0,3 g Triethylamin zugegen. Nach 15 min wurde 0,05 g Azoisobutyronitril zugegeben und 4 h bei 80°C und 1 h bei 100°C nachgerührt.

Nach dem Abkühlen wurde die Lösung in Ethanol auf eine Konzentration von 2 mg Polymer pro ml Lösung eingestellt und die Wellenleiteroberflächen in dieser Lösung 16 h inkubiert. Danach wurden die Wellenleiter mit Ethanol und Wasser gespült. Die Oberfläche wurde 10 min in einer Lösung von 1 M N-Hydroxysuccinimid und 1 M N-Dimethylaminopropyl-N'-ethyl-carbodiimid-hydrochlorid in Reinstwasser inku- biert und danach mit Reinstwasser gespült. Es wurde eine Lösung von 2 mg/ml monoklonalem Maus-Antikörper gegen Myoglobin in 10 MM Natriumacetatpuffer, eingestellt auf pH = 5, hergestellt und die Wellenleiteroberflächen 2 h darin inkubiert. Es wurde eine Oberflächenkonzentration von Antikörper von 2,8 ng/mm2 erhalten.

Beispiel 6 : Polymer aus acetoacetoxy-und phophatestermodifiziertem Dextran.

Eine Mischung aus 10 g Dextran (MW=40. 000g/mol), 7g Acetessigsäure-tert- butylester, 100 g DMSO und 0,5 g Polyphosphorsäure wurde 4 h auf 80 °C erhitzt.

Nach dem Abkühlen wurde die Lösung in Ethanol auf eine Konzentration von 1 mg Polymer pro ml Lösung eingestellt und die Wellenleiteroberflächen in dieser Lösung 8h inkubiert. Danach wurden die Wellenleiter mit Ethanol und 10mM NaOH gespült. Es wurde eine Lösung von 2 mg/ml Streptavidin in 10mM Natrium- acetatpuffer, eingestellt auf pH = 5, hergestellt und die Wellenleiteroberflächen 2 h darin inkubiert. Es wurde eine Oberflächenkonzentration von Streptavidin von 4,5 ng/mm2 erhalten.

Beispiel 7 : Polymer aus phosphonatfunktionellem Polylysin.

500 mg Poly-L-Lysin-hydrobromid (MW = 150. 000 bis 300.000 g/mol), 170 mg phosphorige Säure und 4 ml Wasser wurden auf 100 °C erhitzt und dann 324 mg Formalin (37 % ig) hinzugegeben. Es wurde 1 h bei 100 °C gerührt. Nach dem Abkühlen wurde die Lösung in Ethanol auf eine Konzentration von 1 mg Polymer pro ml Lösung eingestellt und die Wellenleiteroberflächen in dieser Lösung 2 h inkubiert. Danach wurden die Wellenleiter mit Ethanol und 10 mM NaOH gespült.

Die Oberflächen wurden mit einer Lösung von 10 mg/ml Carboxymethyldextran (MW = 15. 000 g/mol), 0,1 M N-Hydroxysuccinimid und 0,1 M N-Dimethylamino- propyl-N'-ethyl-carbodiimid-hydrochlorid in Reinstwasser 20 min inkubiert. Danach wurden die Oberflächen kurz mit Reinstwasser gespült und sofort mit 0,1 mg/ml einer aminfunktionalisierten DNA (20 Nucleotide) in 10 mM Natriumacetatpuffer (pH = 5) inkubiert. Es wurde eine Oberflächenkonzentration von DNA von 0,5 ng/mm2 erhalten.