EP1747065A1

EP1747065A1 - Funktionalisierter poröser träger für mikroarrays

Info

Publication number: EP1747065A1
Application number: EP05730747A
Authority: EP
Inventors: Thomas Schiestel; Steffen Rupp
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2004-04-23
Filing date: 2005-04-09
Publication date: 2007-01-31
Also published as: WO2005105308A1; CA2568960A1; DE102004021351A1; JP2007533983A; US20090156426A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft funktionalisierte poröse Träger (1), die ein Material (2) mit mindestens einer porösen Oberfläche (3, 4) umfassen, wobei in den Poren (5) der Material-Oberfläche Nanopartikel (6) mit molekülspezifischen Erkennungsstellen enthalten sind, und ein Verfahren zur Herstellung funktionalisierter poröser Träger. Die Erfindung betrifft ferner unter Verwendung der funktionalisierten Träger hergestellte Funktionselemente wie Mikrotiterplatten, Mikroarrays und Durchflussvorrichtungen sowie Verwendungen der funktionalisierten Träger und Funktionselemente.

Description

Funktionalisierter poröser Träger für ikroarravs

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft funktionalisierte poröse Träger, die ein Material mit mindestens einer porösen Oberfläche umfassen, wobei in den Poren der Material-Oberfläche Nanopartikel mit molekülspezifischen Erkennungsstellen enthalten sind, und ein Verfahren zur Herstellung funktionalisierter poröser Träger. Die Erfindung betrifft ferner unter Verwendung der funktionalisierten Träger hergestellte Funktionselemente wie Mikrotiterplatten, Mikroarrays und Durchflussvorrichtungen sowie Verwendungen der funktionalisierten Träger und Funktionselemente.

In den letzten Jahren wurden zunehmend hochparallele miniaturisierte Verfahren an festen Phasen zur Synthese von medizinischen Wirkstoffen und zur Analyse von Nucleinsäuren und Proteinen ent- wickelt. Dieser Trend zur immer stärker werdenden Miniaturisierung wird vor allem durch die kombinatorische Chemie und das Hoch- durchsatz-Screening, auch HTS (High Throughput-Screening) genannt, forciert. Beide Bereiche gehören heute zu den Grundpfeilern der modernen pharmazeutischen Wirkstoffsuche. Mittels HTS wird beispielsweise untersucht, ob sich in einer Substanzbibliothek ein Wirkstoff befindet, der als Basis für neue Medikamente eingesetzt werden kann. Die Komponenten der Substanzbibliothek werden dabei in einem Testverfahren bezüglich ihrer Reaktivität mit einem Target (Zielmolekül) untersucht. Die aufgefundenen Substanzen sind mögliche Kandidaten für einen Wirkstoff, der die Funktion des betreffenden Zielmoleküls beeinflussen kann. Die Detektion der Wirkstoffe erfolgt dabei entweder über optische Verfahren wie Absorption, Fluoreszenz, Lumineszenz oder über den Nachweis von Radioaktivität über Szintillation. Die Vielzahl der zu untersuchenden Wechselwirkungen bedingt eine große Varianz bei den Testsystemen und den damit verknüpften Detektionsarten.

Die Wirkstoffsuche erfordert, dass zunächst die Targets gefunden werden müssen, die für das Entstehen von Krankheiten verantwortlich sind. Durch das wachsende Verständnis der modernen Molekularbiologie konnten so in letzter Zeit immer mehr krankheitsverursa- chende beziehungsweise krankheitsbeeinflussende Gene identifiziert werden, auf die dann mit geeigneten Medikamenten eingewirkt wer- den kann. Einen Meilenstein bei der Analyse biologisch aktiver Molekülen, insbesondere zur Identifizierung der für das Entstehen von Krankheiten verantwortlichen Gene, stellen als Biochips oder Mikro- arrays bezeichnete miniaturisierte Trägersysteme dar. Solche Mikro- arrays oder Biochips sind dadurch gekennzeichnet, dass an ihrer Oberfläche eine Vielzahl biologisch aktiver Moleküle vorzugsweise in einem geordneten Raster immobilisiert oder synthetisiert werden. Bei den immobilisierten biologischen Molekülen kann es sich beispielsweise um Nucleinsäuren, Oligonucleotide, Proteine oder Peptide handeln. Biochips oder Mikroarrays werden unter anderem in der klinischen Diagnostik von Infektions-, Krebs- und Erbkrankheiten eingesetzt. Mit Hilfe solcher Biochips oder Mikroarrays kann die Nuc- leinsäure- oder Proteinbestimmung in zu untersuchenden Proben wesentlich vereinfacht, beschleunigt, parallelisiert, automatisiert und präzisiert werden. Durch die Verwendung von Mikroarrays ist es möglich, beispielsweise in einem Experiment Tausende von Genen beziehungsweise Proteinen gleichzeitig zu untersuchen. Die Effizienz von Biochips oder Mikroarrays bei der Analyse von Proben beruht insbesondere darauf, dass nur noch geringe Probenvolumina benötigt werden und die Auswertung mittels hochempfindlicher Messverfahren erfolgen kann.

Aufgrund der immer stärkeren Miniaturisierung der Mikroarrays müssen auch die unter Verwendung dieser Arrays durchzuführenden Testsysteme immer stärker miniaturisiert werden. Dadurch bedingt werden auch an die Detektions-Vorrichtungen mit zunehmend kleineren Volumina erhöhte Anforderungen gestellt. So ist bekannt, dass bei den einzelnen Detektionsarten in extrem kleinen Volumina spezielle Probleme auftreten. Beispielsweise bedeutet bei der Lumi- neszenzmessung ein geringeres Probenvolumen auch ein geringeres Signal für die optische Detektion, wodurch die Sensitivität der Messung stark beeinträchtigt wird. Die Absorptionsmessung bei Mikroarrays wird vor allem durch den Meniskuseffekt der Flüssigkeitsoberfläche gestört, da der Meniskus in extrem kleinen Probenräu- men sehr variabel verläuft. Die Fluoreszenzmessung bei Mikroarrays unterliegt zwar keiner Volumeneinschränkung, allerdings ist hier die erreichbare Empfindlichkeit durch die Eigenfluoreszenz der häufig als Mikroarray-Träger verwendeten Kunststoffmaterialien begrenzt, die von den meisten Verfahren miterfasst wird.

Herkömmliche Mikroarrays werden meist unter Verwendung planarer Festkörperoberflächen wie Glas, Metallen oder Kunststoffen hergestellt (Ramsey, Nature Biotechn., 16 (1998), 40-44). Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die derzeit zur Mikroarray-Herstellung eingesetzten Materialien eine Reihe von Unzulänglichkeiten aufweisen, insbesondere hinsichtlich der Sensitivität, der Qualität und damit der Reproduzierbarkeit der unter Verwendung herkömmlicher planaren Festkörperoberflächen erhaltenen Ergebnisse und der Lagerfähigkeit (Collins, Sonderheft, Nat. Genetics, (1999) 21). So ist es beispiels- weise unter Verwendung herkömmlicher Festkörperoberflächen kaum möglich, die zu immobilisierenden Moleküle auf der Oberfläche so aufzutragen, dass die Moleküle innerhalb des erhaltenen Spots gleichmäßig verteilt werden. Für die Größe der Spots auf der Ober- fläche ist insbesondere die Oberflächenspannung der auf die Oberfläche aufgetragenen, die Moleküle enthaltenden Lösungströpfchen von entscheidender Bedeutung. Wenn die Lösung beispielsweise eine niedrige Oberflächenspannung aufweist, werden im Falle hydrophiler Oberflächen selbst beim Auftragen kleiner Volumina nur Spots mit einem Durchmesser im Mikrometerbereich erhalten, wobei sich die Moleküle während des Trocknens der Lösungströpfchen insbesondere am äußeren Rand ansammeln. Da sich die abgeschiedenen Moleküle hauptsächlich am Rand des Spots, nicht jedoch in dessen Mitte befinden, führt dies später zu Sensitivitätsprob- lernen,. Aus diesem Grund wird die Oberfläche insbesondere bei Glas häufig silanisiert. Allerdings kommt es auch in diesem Falle häufig dazu, dass einzelne auf die Oberfläche aufgetragene Lösungströpfchen zusammenlaufen, so dass eine Reproduzierbarkeit der unter Verwendung solcher Mikroaarrays erhaltenen Ergebnisse nicht gewährleistet ist.

Im Stand der Technik sind auch Ansätze bekannt, die Sensitivität von Mikrochips durch die Verwendung nicht-planarer Oberflächen zu steigern. Beispielsweise sind Polymergel-modifizierte Objektträger als dreidimensionale DNA-Mikroarrays beschrieben worden (Zlata- nova und Mirzabekov, Methods Mol. Biol., 170 (2001), 17-38). Durch das Gel wird eine dreidimensionale wässrige Umgebung bereitgestellt, die aufgrund der erreichten Oberflächenvergrößerung insbesondere für enzymatische Reaktionen Vorteile mit sich bringt. Weitere Verfahren zur Oberflächenvergrößerung umfassen die Verwen- dung komplexer Polymerstrukturen wie Dendrimere. Die Verwendung solcher Polymerstrukturen ist allerdings sehr teuer. Darüber hinaus sind sogenannte "flow through"-Chips bekannt, die Mikroka- näle in porösen Substraten zum Ablegen von DNA enthalten. Ähnli- ehe Systeme auf der Basis von Hohlfasern sind beispielsweise aus der WO 02/05945 und der DE 100 15 391 A1 bekannt.

Auch die Verwendung von Membranen als Träger von Biochips ist beschrieben worden, beispielsweise in der WO 01/61042 und in der WO 03/049851. Membranen sind allerdings mit einigen Nachteilen behaftet. So ist es beispielsweise bei Verwendung von Membranen nicht möglich, Mikroarrays mit einem Spot-Abstand von weniger als 200 μm herzustellen. Poröse Membranen besitzen die Eigenschaften, Flüssigkeiten aufzusaugen, so dass eine enge flächenmäßige Abgrenzung der einzelnen Spots nicht möglich ist.

In der forschenden pharmazeutischen Industrie beziehungsweise in der Grundlagenforschung können die vorstehenden Probleme nur dann toleriert werden, wenn lediglich eine qualitative Aussage erhalten werden soll, das heißt wenn beim Screening vieler Proben in parallelen Ansätzen nur der Unterschied der Signalintensität zwischen einzelnen Spots erfasst werden soll. In der klinischen Diagnostik ist die Situation jedoch vollkommen anders. Hier müssen beispielsweise sehr häufig Proben eines Patienten einer Vielzahl unterschiedlicher Testverfahren unter Verwendung unterschiedlicher Reaktanten unterzogen werden, wobei jeder Test relativ wenig Parallel-Ansätze umfasst. Ebenfalls ist es häufig erforderlich, sehr viele Proben verschiedener Patienten auf einen einzigen Parameter hin zu testen. Im Gegensatz zum High Throughput-Screening müssen die einzelnen klinischen Tests häufig sehr aussagekräftige quantitative Aussagen ermöglichen, um beispielsweise den Ausbruch oder Verlauf einer Krankheit bei Einzelpatienten nachweisen zu können. Die im Zusammenhang mit herkömmlichen Festkörperoberflächen stehenden Probleme können daher in der klinischen Diagnostik zu gravierenden Fehlern der erhaltenen Messwerte führen. Die Genauigkeit der erhaltenen Ergebnisse spielt daher in der klinischen Diagnostik eine erheblich größere Rolle als beispielsweise beim High Throughput- Screening von Wirkstoffen.

Das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Prob- lern besteht daher darin, Trägermaterialien insbesondere für Mikroar- ray-Systemen und Verfahren für deren Herstellung bereitzustellen, mit denen die Nachteile der üblicherweise zur Herstellung der Mikroarrays eingesetzten Materialien überwunden werden können, wobei die Materialien insbesondere pro Spot eine gegenüber herkömmli- chen Systemen erheblich vergrößerte aktive Oberfläche zur Durchführung chemischer Reaktionen bereitstellen sollen, ohne allerdings die Dichte der Spots auf den Mikrochips zu verringern, und die dadurch bedingt eine Steigerung der Sensitivität von Detektionsverfah- ren bei einem verbesserten Signal/Rausch-Verhältnis ermöglichen.

Die vorliegende Erfindung löst das ihr zugrundeliegende technische Problem durch die Bereitstellung eines funktionalisierten porösen Trägers, umfassend ein Material mit einer an der Oberseite des Materials angeordneten Oberfläche und einer an der Unterseite des Materials angeordneten Oberfläche, wobei mindestens eine Material- Oberfläche planar ist und Poren aufweist uηd wobei in den Poren, vorzugsweise allein und ausschließlich in den Poren, mindestens eines Bereiches der porösen Oberfläche Nanopartikel, insbesondere molekülspezifische Erkennungsstellen aufweisende Nanopartikel angeordnet sind.

Die vorliegende Erfindung stellt also einen funktionalisierten porösen Träger mit mindestens zwei Oberflächen, die sich gegenüberliegen, bereit, wobei allein oder nur in den Poren mindestens einer Oberfläche, nicht jedoch auf dieser Oberfläche selbst, Nanopartikel angeordnet sind, wobei die Nanopartikel in bevorzugter Ausführungsform mit molekülspezifischen Erkennungsstellen versehen sind. Sofern die in den Poren enthaltenen Nanopartikel keine molekülspezifischen Erkennungsstellen aufweisen, können sie nachträglich damit versehen werden. Die molekülspezifischen Erkennungsstellen der Nanopartikel können entsprechende Moleküle, insbesondere organische Moleküle mit einer biologischen Funktion oder Aktivität, beispielsweise Proteine oder Nucleinsäuren, binden. An diese Moleküle können dann andere Moleküle gebunden werden, beispielsweise zu analysierende Moleküle einer Probe. In vorteilhafter Weise können die an den Nanopartikeln immobilisierten Moleküle bei Anwendung geeigneter Bedingungen wieder von den Nanopartikeln abgetrennt werden. Auch die an immobilisierten Molekülen gebundenen Moleküle können unter geeigneten Bedingungen wieder von den immobilisierten Molekülen abgetrennt werden. Im Unterschied zu herkömmlichen planaren Oberflächen ist also bei dem erfindungsgemäßen Träger vorgesehen, die an der Oberfläche des Trägers zu immobilisierenden Moleküle nicht direkt an der Oberfläche des Trägers zu immobi- lisieren, sondern an Nanopartikeln mit molekülspezifischen Erkennungsstellen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Nanopartikel nicht auf der Trägeroberfläche anzuordnen, sondern allein in den Poren, das heißt innerhalb der Poren der Trägeroberfläche. Erfindungsgemäß wird also ein Träger bereitgestellt, der durch das Vorhandensein der Nanopartikel funktionalisiert und damit adressierbar ist. Die erfindungsgemäß verwendeten Nanopartikel besitzen einen Durchmesser von 5 nm bis 1000 nm, wobei sie ein ver- gleichsweise sehr großes Oberflächen-Volumen-Verhältnis besitzen. Die sehr große Nanopartikel-Oberfläche erlaubt, dass darauf eine Vielzahl molekülspezifischer Erkennungsstellen angeordnet werden kann, sodass pro Masse dementsprechend eine große Menge eines biologischen Moleküls gebunden werden kann. In Abhängigkeit von der Größe der Poren kann in einer einzelnen Pore des erfindungsgemäßen Trägers eine Vielzahl von Nanopartikeln enthalten sein, sodass pro Pore erfindungsgemäß eine sehr große aktive Oberfläche für die Bindung von Analyten pro Träger-Flächeneinheit bereitgestellt wird. Der erfindungsgemäße funktionalisierte Träger weist also den Vorteil einer sehr großen aktiven Oberfläche auf, die aus der Anzahl der Poren pro Träger-Flächeneinheit, der Größe der Poren und der verfügbaren Oberfläche der Nanopartikel resultiert.

Im Vergleich zu herkömmlichen Mikroarray-Systemen, bei denen Moleküle direkt an einem planaren Träger gebunden sind, ist die er- findungsgemäß bereitgestellte aktive Oberfläche für die Analyt- Bindung pro Träger-Flächeneinheit erheblich vergrößert. Bedingt durch die erfindungsgemäß drastisch vergrößerte aktive Oberfläche kann somit erfindungsgemäß pro Träger-Flächeneinheit auch eine erheblich größere Analyt-Menge effizient gebunden werden, wobei der Analyt innerhalb einer Flächeneinheit gleichzeitig auch sehr gleichmäßig verteilt ist. Die pro Träger-Flächeneinheit gebundene Analyt-Menge, das heißt die Packungsdichte, kann erfindungsgemäß sogar noch gesteigert werden, indem beispielsweise poröse Trägermaterialien verwendet werden, die durchgehende Poren aufweisen, sodass innerhalb der Poren mehr Nanopartikel angeordnet werden können als in Trägern mit Poren, die nicht durch das Trägermaterial hindurchgehen. Im Vergleich zu herkömmlichen Mikroarray- Trägeroberflächen erlaubt der erfindungsgemäße funktionalisierte poröse Träger daher in vorteilhafter Weise bei sehr gleichmäßiger Verteilung eine stärkere Anreicherung des Analyten. Im Gegensatz zu den im Stand der Technik bekannten Mikroarray- Trägeroberflächen ist die erfindungsgemäß vergrößerte aktive Oberfläche allerdings nicht auf der Trägeroberfläche, sondern im Inneren des porösen Trägers, nämlich in dessen Poren, angeordnet.

Die erfindungsgemäß im Inneren des Trägers erreichte drastische Vergrößerung der aktiven Oberfläche bietet gegenüber herkömmlichen Materialien eine Reihe weiterer Vorteile. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers besteht bei- spielsweise darin, dass unter Verwendung des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers eine äußerst hohe Spot-Dichte, wie dies bei Mikroarrays erforderlich ist, erreicht werden kann. Erfindungsgemäß ist beispielsweise vorgesehen, dass die übliche, aus einzelnen Spots bestehende Rasterstruktur von Mikroarrays auf dem erfin- dungsgemäßen funktionalisierten Träger dadurch erreicht wird, indem vor Einfüllen der Nanopartikel in die Poren die Porenstruktur der porösen Oberfläche in vorgegebenen Bereichen, d.h. entsprechend einem vorgegebenen Muster, gezielt zerstört wird. Die Spots, die durch das Einfüllen der Nanopartikel in die verbleibenden Poren er- halten werden, lassen sich dadurch sehr gut voneinander abgrenzen, wobei die Abstände zwischen den einzelnen Spots deutlich weniger als 200 μm, vorzugsweise höchstens einige wenige Mikrometer betragen können. Bei Verwendung von Nanopartikeln mit einem Kern-Durchmesser von wenigen Nanometer kann der Abstand der einzelnen Spots aufgrund der im Inneren des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers drastisch erhöhten aktiven Oberfläche sogar im Nanometerbereich liegen. Unter Verwendung des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers kann also auch eine äußerst hohe Spot-Dichte erreicht werden, die die bei herkömmlichen Mikro- array-Trägermaterialien erzielte Spot-Dichte deutlich übertrifft.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei dem erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger die einzelnen Spots im Gegensatz zu herkömmlichen Mikroarray-Trägermateriälien. nicht miteinander in Wechselwirkung treten können. Zum einen ist das dadurch bedingt, dass der Analyt nicht am Träger selbst, sondern an Nanopartikeln gebunden ist und zum anderen, dass die innerhalb unterschiedlicher Poren angeordneten Nanopartikel räumlich durch die Porenwand beziehungsweise Porenwände voneinander getrennt sind, so dass eine Wechselwirkung zwischen einzelnen Spots verhindert wird.

Aufgrund der erheblich vergrößerten aktiven Oberfläche und der damit einhergehenden viel stärkeren Analyt-Anreicherung, ohne dass es dabei zu Wechselwirkungen zwischen einzelnen Spots kommt, wird bei Verwendung der erfindungsgemäßen funktionalisier- ten Träger auch die Sensitivität der üblicherweise eingesetzten De- tektionsverfahren erheblich verbessert, wobei insbesondere auch das Signal/Rausch-Verhältnis deutlich verbessert wird. Die Detektion von Proben kann beispielsweise über fluoreszenz- oder enzymmarkierte Antikörper beziehungsweise DNA-Sonden oder auch markie- rungsfrei über MALDI-MS-Verfahren erfolgen, wobei in vorteilhafter Weise auch herkömmliche Auslesegeräten eingesetzt werden können. Unter Verwendung der erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger können somit sehr aussagekräftige, reproduzierbare Ergebnisse erhalten werden.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger besteht auch darin, dass die Poren poröser Materialien stabi- le Träger für Nanopartikel sind, da die Nanopartikel in den Poren beziehungsweise an den Porenwänden sehr gut haften. Darüber hinaus können die innerhalb der Poren angeordneten Nanopartikel auch kovalent untereinander und/oder mit den Porenwänden vernetzt sein. Beispielsweise können keramische Partikel mit den Poren keramischer Membranen durch Sintern verbunden werden. Bei län- gerfristiger Lagerung des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers bieten die Poren darüber hinaus als feuchte Kammern optimale Bedingungen für Nanopartikel, insbesondere mit molekülspezifischen Erkennungsstellen versehene Nanopartikel. Feuchte Kam- mern sind insbesondere für an Nanopartikeln immobilisierte Proteine wichtig. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers besteht darin, dass aufgrund seiner porösen Struktur eine hervorragende Konvektion gewährleistet ist, die zu einer erheblichen Umsatzsteigerung führt.

Der erfindungsgemäße funktionalisierte poröse Träger ermöglicht des weiteren eine effiziente Zuleitung von Analyten und Reagenzien und ebenfalls eine effiziente Ableitung von Abfallprodukten. Die Zuleitung von Analyten und Reagenzien kann erfindungsgemäß noch dadurch verbessert werden, indem auf der Oberfläche des porösen Trägers ein oder mehrere zusätzliche Trennschichten aufgebracht werden können, die die Zuleitung größerer unerwünschter Partikel, beispielsweise Matrixpartikel, verhindern. Auf diese Weise kann bei- spielsweise verhindert werden, dass solche unerwünschten größeren Partikel in die Poren gelangen und diese verstopfen.

Die in dem erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger eingesetzten Nanopartikel können mit sehr unterschiedliche molekülspezifi- sehe Erkennungsstellen versehen werden und bieten daher die Möglichkeit, sehr unterschiedliche organische Moleküle für die unterschiedlichsten Zwecke zu immobilisieren, wobei die immobilisierten Moleküle bei Anwendung geeigneter Bedingungen in vorteilhafter Weise auch wieder von den Nanopartikeln abgetrennt werden kön- nen. Nanopartikel stellen äußerst flexible und inerte Systeme dar. Sie können beispielsweise aus den verschiedensten Kernen bestehen, zum Beispiel organischen Polymeren oder anorganischen Materialien. Dabei bieten anorganische Nanopartikel wie Silica-Partikel den Vorteil, dass sie chemisch ausgesprochen inert und mechanisch stabil sind. Während Surfmere und molekulargeprägte Polymere weiche Kerne besitzen, zeigen Nanopartikel mit Silica- oder Eisenkernen in Lösungsmitteln keine Quellung. Nicht-quellbare Partikel verändern ihre Morphologie nicht, auch wenn sie mehrmals über längere Zeit in Lösungsmitteln suspendiert werden. Erfindungsge- maß funktionalisierte poröse Träger, in deren Poren nicht-quellbare Nanopartikel enthalten sind, können daher problemlos in Analyse-, Diagnose- oder Syntheseverfahren eingesetzt werden, die die Verwendung von Lösungsmitteln erfordern, ohne dass der Zustand der Nanopartikel oder der immobilisierten biologischen Moleküle nachtei- lig beeinflusst wird. Erfindungsgemäße funktionalisierte poröse Träger, die solche Nanopartikel enthalten, lassen sich daher auch zur Aufreinigung der zu immobilisierenden biologischen Moleküle aus komplexen Substanzgemischen, die nicht-erwünschte Substanzen wie Detergenzien oder Salze enthalten, verwenden, wobei die zu immobilisierenden Moleküle über beliebig lange Waschprozesse hinweg optimal aus solchen Substanzgemischen abgetrennt werden können. Andererseits können sich superparamagnetische oder fer- romagnetische Nanopartikel mit einem Eisenoxid-Kern in einem Magnetfeld entlang der Feldlinien anordnen. Diese Eigenschaft von Eisenoxid-Nanopartikeln lässt sich benutzen, um innerhalb des funktionalisierten porösen Trägers beispielsweise nanoskopische Leiterbahnen aufzubauen.

Die erfindungsgemäßen funktionalisierten porösen Träger lassen sich zur Immobilisierung unterschiedlichster organischer, insbesondere biologisch aktiver Moleküle verwenden, wobei im Falle biologisch aktiver Moleküle sogar deren biologische Aktivität erhalten bleiben kann. Die zur Bildung der erfindungsgemäßen funktionalisierten porösen Träger verwendeten Nanopartikel können mit mole- külspezifischen Erkennungsstellen, insbesondere funktionellen chemischen Gruppen versehen werden, die das zu immobilisierende Molekül so binden können, dass die für die biologische Aktivität erforderlichen Molekülbereiche in einem dem nativen Molekülzustand entsprechenden Zustand vorliegen können. In Abhängigkeit von den auf der Nanopartikel-Oberfläche vorhandenen funktionellen Gruppen können die organischen Moleküle je nach Bedarf kovalent und/oder nicht-kovalent an den Nanopartikeln gebunden werden. Die Nanopartikel können unterschiedliche funktioneile Gruppen aufweisen, sodass sich entweder unterschiedliche organische Moleküle oder Moleküle mit unterschiedlichen funktionellen Gruppen mit bevorzugter Ausrichtung immobilisieren lassen. Die Moleküle können sowohl ungerichtet als auch gerichtet an den Nanopartikeln immobilisiert werden, wobei nahezu jede gewünschte Ausrichtung der Moleküle möglich ist. Durch die Immobilisierung der organischen Moleküle an den in den Träger-Poren vorhandenen Nanopartikeln wird auch eine Stabilisierung der Moleküle erreicht. In vorteilhafter Weise können die an den Nanopartikeln immobilisierten Moleküle auch wieder von den Nanopartikeln abgetrennt werden.

Die erfindungsgemäßen funktionalisierten porösen Träger können daher in ihren Poren sehr unterschiedliche Nanopartikel, insbesondere Nanopartikel mit unterschiedlichen molekülspezifischen Erkennungsstellen enthalten. Dementsprechend kann ein erfindungsgemäßer funktionalisierter poröser Träger auch mit unterschiedlichsten Molekül-Funktionen, insbesondere Biofunktionen belegt werden. Ein erfindungsgemäßer funktionalisierter poröser Träger kann also in seinen Poren unterschiedliche Nanopartikel enthalten, die aufgrund der unterschiedlichen molekülspezifischen Erkennungsstellen, die auf die Nanopartikel-Oberfläche aufgebracht werden können bezie- hungsweise aufgebracht wurden, auch unterschiedliche organische Moleküle enthalten beziehungsweise damit versehen werden können. Ein erfindungsgemäßer funktionalisierter poröser Träger kann daher beispielsweise mehrere unterschiedliche Proteine oder mehrere unterschiedliche Nucleinsäuren oder gleichzeitig Proteine und Nucleinsäuren enthalten.

Die erfindungsgemäßen funktionalisierten porösen Träger lassen sich auf einfache Weise unter Verwendung bekannter Verfahren herstellen. Beispielsweise lassen sich unter Verwendung geeigneter Suspendiermittel aus Nanopartikeln sehr einfach stabile Suspensio- nen erzeugen, die sich wie Lösungen verhalten und daher einfach auf poröse Trägermaterialien aufgetragen werden können. In vorteilhafter Weise ist es auch möglich, unterschiedliche Nanopartikel- Suspensionen strukturiert auf geeigneten porösen Trägermaterialien abzuscheiden, wobei herkömmliche Spotter-Vorrichtungen verwendet werden können.

Erfindungsgemäß besteht auch die Möglichkeit, die Nanopartikel in den Poren zusätzlich unter Verwendung eines Verbindungsmittels zu verankern. Bei Verwendung eines geeigneten Verbindungsmittels besteht dann beispielsweise die Möglichkeit, Nanopartikel so in den Poren zu fixieren, dass sie zu einem späteren Zeitpunkt teilweise oder vollständig aus den Poren des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers, insbesondere durch Änderungen des oder der Temperatur, herausgelöst werden können.

Die erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger können für eine Vielzahl unterschiedlichster Anwendungen eingesetzt werden, insbesondere bei automatisierbaren Reaktions- und Waschschritten. Unter Verwendung des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers lassen sich beispielsweise Vorrichtungen wie Gen-Arrays, Protein- Arrays oder Mikrotiterplatten herstellen, die in der medizinischen A- nalyse oder Diagnostik eingesetzt werden können. Die erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger beziehungsweise die daraus hergestellten Funktionselemente lassen sich aber auch als Elektronik- baustein, beispielsweise als molekularer Schaltkreis, in der medizinischen Mess- und Überwachungstechnik oder in einem Biocomputer verwenden. Die erfindungsgemäßen funktionalisierten porösen Träger oder daraus hergestellte Funktionselemente können aber auch zur Abtrennung von Molekülen aus einem Flüssigmedium, verwen- den.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem "funktionalisierten porösen Träger" ein Material verstanden, das vor- zugsweise plattenförmig ist und vorzugsweise zwei gegenüberliegende Oberflächen aufweist, das heißt eine Oberfläche an der Unterseite des Materials und eine Oberfläche an der Oberseite des Materials. Mindestens eine der beiden Oberflächen ist planar ausgebil- det und weist Poren auf, wobei zumindest in einem Teil der Poren Nanopartikel mit einer Größe von etwa 5 nm bis 1000 nm, vorzugsweise Nanopartikel mit molekülspezifischen Erkennungsstellen, enthalten sind, wobei die Nanopartikel gegebenenfalls innerhalb der Poren immobilisiert und/oder fixiert vorliegen. Beispielsweise können die Nanopartikel untereinander und/oder mit den Porenwänden vernetzt sein. In einigen Ausführungen kann das poröse Material auch eine geometrische Form aufweisen, die mehr als zwei Oberflächen besitzt.

Das Material mit der mindestens einen porösen Oberfläche dient daher insbesondere als Halterung für die funktionalisierten Nanopartikel. Der erfindungsgemäße funktionalisierte Träger erlaubt den Nachweis von Molekülen einer Probe. Unter Verwendung des funktionalisierten Trägers können selbst kleinere Mengen eines Moleküls in einer sehr kleinen Probe nachgewiesen werden, wenn das Mole- kül unter geeigneten Bedingungen an die molekülspezifischen Erkennungsstellen der Nanopartikel beziehungsweise daran gebundene Moleküle binden kann. Ein poröser funktionalisierter Träger kann daher beispielsweise zur Herstellung eines Biochips verwendet werden, indem an der Nanopartikel-Oberfläche fixierte beziehungsweise immobilisierte biologisch aktive Moleküle zusammen mit den Nanopartikeln in die Poren des Trägers eingeführt werden.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet „funktionalisierter Träger" einen Träger, der mit einer Funktion, insbeson- dere adressierbaren Funktion versehen ist. Da Nanopartikel Binde- matrices sind, weist ein erfindungsgemäßer funktionalisierter Träger, der Nanopartikel enthält, die Funktion einer Bindematrix, insbesondere für molekülspezifische Erkennungsstellen, die auf die Nanopar- tikel-Oberfläche aufgebracht werden können, und organische Moleküle, die über die molekülspezifischen Erkennungsstellen an den Nanopartikeln immobilisiert werden können, auf. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet "adressierbare Funktion", dass die in den Poren des funktionalisierten porösen Trägers ange- ordneten Nanopartikel wieder auffindbar und/oder nachweisbar sind:'^J Werden die Nanopartikel beispielsweise unter Verwendung einer Maske oder eines Stempels strukturiert auf die Oberfläche des porösen Materials aufgetragen, sodass sie in die Poren des porösen Materials eindringen können, resultiert die Adresse der strukturiert auf- gebrachten Nanopartikel aus den Koordinaten x und y des von der Maske oder dem Stempel vorgegebenen Bereiches der Trägeroberfläche, auf die die Nanopartikel aufgetragen wurden und in denen die Poren Nanopartikel enthalten. Wenn die Nanopartikel beispielsweise mit Detektionsmarkern wie Fluorophoren, Spin-Labeln, Gold- partikeln, radioaktiven Markern etc., markiert sind, kann der Nachweis der strukturiert aufgetragenen Nanopartikel unter Verwendung entsprechend geeigneter Nachweisverfahren erfolgen.

Im Falle von Nanopartikeln mit molekülspezifischen Erkennungsstellen resultiert die Adresse der strukturiert aufgetragenen Nanopartikel auch aus den molekülspezifischeri Erkennungsstellen auf der Oberfläche der Nanopartikel, die ein Wiederauffinden beziehungsweise einen Nachweis der strukturiert aufgetragenen Nanopartikel erlauben. Wenn die strukturiert aufgetragenen Nanopartikel Partikel mit molekülspezifischen Erkennungsstellen sind, an die keine organi- sehen Moleküle gebunden sind, kann die in bestimmten porösen Bereichen der Trägeroberfläche gebildete Struktur von Nanopartikeln dadurch wieder aufgefunden und/oder nachgewiesen werden, dass ein oder mehrere organische Moleküle spezifisch an die molekülspe- zifischen Erkennungsstellen der in bestimmten porösen Bereichen enthaltenen Nanopartikel binden. Eine spezifische Bindung der Moleküle erfolgt jedoch nicht in den Flächenabschnitten oder Zonen der Oberfläche des funktionalisierten Trägers, in denen die Poren keine Nanopartikel enthalten. Falls das immobilisierte organische Molekül beispielsweise mit Detektionsmarkern wie Fluorophoren, Spin- Labeln, Goldpartikeln, radioaktiven Markern etc., markiert ist, kann der Nachweis der strukturiert aufgetragenen Nanopartikel unter Verwendung entsprechend geeigneter Nachweisverfahren erfolgen.

Wenn die durch die aufgetragenen Nanopartikel gebildete Struktur Nanopartikel umfasst, an deren molekülspezifische Erkennungsstellen bereits ein oder mehrere organische Moleküle gebunden sind, bedeutet "adressierbar", dass diese Biomoleküle durch Wechselwirkung mit komplementären Strukturen weiterer Moleküle und/oder mittels messtechnischer Verfahren aufgefunden und/oder nachge- wiesen werden können. Dabei zeigen nur die Bereiche, in denen die Poren Nanopartikel enthalten, Signale, nicht jedoch die Flächenabschnitte der Oberfläche des porösen Trägers, in denen die Poren keine Nanopartikel enthalten. Als Nachweisverfahren kann beispielsweise die Matrix-unterstützte Laser-Desorptions-Ionisations- Flugzeit-Massenspektrom^'etrie (MALDI-TOF-MS) eingesetzt werden, die sich zu einem wichtigen Verfahren zur Analyse von unterschiedlichsten Substanzen, beispielsweise Proteinen, entwickelt hat. Weitere Nachweisverfahren sind unter anderem Wellenleiterspektroskopie, Fluoreszenz, Impedanzspektroskopie, radiometrische und elektrische Verfahren.

Zur Herstellung des erfindungsgemäßen funktionalisierten porösen Trägers kann ein beliebiges Material verwendet werden, sofern an mindestens einer seiner Oberflächen Poren ausgebildet sind, in die Nanopartikel beziehungsweise Nanopartikel mit molekülspezifischen Erkennungsstellen eingeführt werden können und somit eine Funkti- onalisierung des porösen Materials ermöglichen. Erfindungsgemäß ist ebenfalls vorgesehen, dass beide gegenüberliegende Oberflä- chen des Materials Poren aufweisen. Die Poren des erfindungsgemäß verwendeten porösen Materials können sich beispielsweise von einer Oberfläche durch das Material hindurch bis zur anderen Oberfläche erstrecken. Die Poren der Oberseite und die Poren der Unterseite können auch durch Verbindungskanäle miteinander verbunden sein. Die Poren des erfindungsgemäß verwendeten porösen Materi- als können sich aber auch nur von einer oder beiden Oberflächen bis in eine bestimmte Tiefe des Materials hinein erstrecken, ohne die gegenüberliegende Oberfläche zu erreichen beziehungsweise ohne Verbindungskanäle miteinander verbunden zu sein. In einer bevor- zugten Ausgestaltung sind die Poren beziehungsweise die Porenwände des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers ebenfalls mit molekülspezifischen Erkennungsstellen versehen.

Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, die Porenstruktur des zur Herstellung des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers ein- gesetzten porösen Materials vor Befüllen der Poren mit Nanopartikeln zu ändern oder zu modifizieren. Die Porenstruktur des porösen Materials kann beispielsweise an vorbestimmten Stellen, dass heißt nach einem vorbestimmten Muster, durch Anbringen von feinen Schnittlinien, durch Fräsen, Gravieren oder Stanzen, durch Zerstören der Porenstruktur durch Anwendung von Prägung oder Druck etc. geändert werden. Zur Ausbildung sehr feiner und exakter Strukturen kann auch ein Laser eingesetzt werden. Mit Hilfe eines Laser- Strahls können auf der Oberfläche des porösen Materials feinste nicht-poröse Linien oder Bereiche durch Schmelzen oder Wegbrennen erzeugt werden. Auf diese Weise ist es möglich, auf der Oberfläche des porösen Materials ein vorbestimmtes Muster zu erzeugen, wobei die Porenstruktur in den durch den Laserstrahl getroffenen Bereichen zerstört wird.

Das zur Herstellung des erfindungsgemäßen funktionalisierten eingesetzte poröse Material kann selbsttragend oder nichtselbsttragend sein. Falls das eingesetzte poröse Material nicht selbsttragend ist, kann es auf einem zusätzlichen Trägermaterial, beispielsweise einem nicht-porösen Trägermaterial oder Träger verminderter Porosität aufgebracht sein. „Verminderte Porosität" bedeutet, dass diese Oberfläche dieses Materials im Vergleich zu der O- berfläche des porösen Material, in dessen Poren erfindungsgemäß Nanopartikel enthalten sind, signifikant weniger Poren pro Flächen- einheit und/oder deutlich kleinere Poren enthält. Beispielsweise kann die zur Herstellung des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers verwendete nicht-selbsttragende Membran auf eine Kunststofffolie oder -platte oder auf einen anorganischen Träger, wie einer Glas- oder Keramikplatte aufgebracht werden. Ein Beispiel für eine selbsttragende poröse Membran ist eine asymmetrische polymere Membran mit einer Porenstruktur, bei der sich die Poren von einer Oberfläche durch die Membran hindurch bis zur anderen Oberfläche erstrecken, wobei sich der Durchmesser der Poren von der einen Oberfläche zur gegenüberliegenden Oberfläche verringert, sodass auf dieser gegenüberliegenden Oberfläche nur noch Poren mit einem wesentlich kleineren Durchmesser oder überhaupt keine Poren mehr vorhanden sind. Dabei fungiert der Teil der Membran, der keine beziehungsweise nur wenig Poren aufweist, als Träger für die porösen Membranbereiche.

In bevorzugter Ausführungsform handelt es sich bei dem zur Herstellung des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers verwendeten porösen Material um eine Membran, insbesondere eine mikroporöse Membran. Unter "mikroporöses Material" oder "mikroporöse Memb- ran" wird ein Material beziehungsweise eine Membran verstanden, bei dem/der die auf der Oberfläche enthaltenen Poren einen mittleren Durchmesser von etwa 0,001 bis etwa 100 μm, bevorzugt etwa 0,01 bis etwa 30 μm aufweisen.

In besonders bevorzugter Ausführungsform umfasst der erfindungs- gemäße funktionalisierte Träger eine poröse, insbesondere mikroporöse anorganische oder organische Membran. Die erfindungsgemäß eingesetzte mikroporöse anorganische Membran besteht vorzugsweise aus Keramik, Glas, Silicium, Metall, Metalloxid oder einem Gemisch davon oder enthält diese(s). In besonders bevorzugter Aus- führungsform besteht die anorganische mikroporöse Membran aus Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder einem Gemisch davon oder enthält diese(s). Anorganische Membranen können in vorteilhafter Weise mit Temperaturen bis 400°C, teilweise sogar bis 900°C belastet werden. Erfindungsgemäße funktionalisierte Träger auf der Basis einer mikroporösen anorganischen Membran lassen daher insbesondere für solche Anwendungen einsetzen, bei denen hohe Temperaturen verwendet werden. Die erfindungsgemäß eingesetzte mikroporöse organische Membran besteht vorzugsweise aus einem Polyamid, Polyvinylidenfluorid, einem Polyethersulfon, einem Polysulfon, einem Polycarbonat, Polypropylen, Celluloseacetat, Cellulosenitrit, einer Cellulose mit che- misch modifizierter Oberfläche oder einem Gemisch davon oder enthält diese(s).

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers ist vorgesehen, dass auf mindestens einer porösen Oberfläche des Trägers zusätzlich mindestens eine Trenn- schicht aufgebracht ist, die die Zuleitung größerer unerwünschter Partikel, beispielsweise Matrixpartikel, in die Nanopartikel enthaltenden Poren verhindert. In bevorzugter Ausgestaltung kann auf beiden porösen Oberflächen jeweils mehr als eine Trennschicht enthalten sein.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der funktionalisierte Träger sowohl unstrukturiert als auch strukturiert ausgebildet sein kann. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft einen unstrukturierten funktionalisierten Träger, wobei alle oder nahezu alle Poren der porösen Oberfläche des erfmdungsgemäßen funktionalisierten Trägers gleichmäßig mit molekülspezifische Erkennungsstellen aufweisenden Nanopartikeln befüllt sind. Vorzugsweise weist das poröse Material durchgehende Poren auf, das heißt Poren, die sich von einer Oberfläche durch das poröse Material hindurch bis zur gegenüberliegenden Oberfläche erstrecken. Ein solcher unstrukturierter funktionalisierter Träger ist insbesondere als Durchflussvorrichtung, insbesondere zur Abtrennung und/oder Isolierung spezifischer Moleküle aus einem Flüssigmedium geeignet. Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft einen strukturierten funktionalisierten Träger, der dadurch charakterisiert ist, dass die poröse Oberfläche des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers mehrere nach einem vorbestimmten Muster angeordnete definierte Bereiche aufweist, in denen die Poren Nanopartikel, insbesondere Nanopartikeln mit molekülspezifischen Erkennungsstellen enthalten. Diese definierten Bereiche weisen insbesondere eine definierte Form und eine definierte Größe auf. Solche Bereiche können beispielsweise punktförmig oder linienförmig ausgebildet sein.

In besonders bevorzugter Ausführungsform ist vorgesehen, dass diese einzelnen Bereiche, die Nanopartikel, beispielsweise Nanopartikel mit molekülspezifischen Erkennungsstellen enthalten, durch nicht-poröse Zonen oder Zonen zumindest geringerer Porosität von- einander getrennt sind, also Zonen, die keine Poren mit Nanopartikeln enthalten. Auch diese Zonen, die keine Nanopartikel enthaltenden Bereiche beziehungsweise überhaupt keine Poren aufweisen, weisen eine definierte Form und Größe auf. Eine solche vorgegebene Struktur, die definierte Bereiche mit Poren aufweist, in denen bei- spielsweise molekülspezifische Erkennungsstellen aufweisende Nanopartikel enthalten sind, wobei diese Bereiche durch definierte Zonen voneinander getrennt sind, die keine Poren oder keine Nanopartikel enthalten, kann beispielsweise erhalten werden, wenn zur Herstellung des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers ein porö- ses Material verwendet wird, dessen Porenstruktur auf der Oberfläche nach einem vorbestimmten Muster geändert wurde, sodass Bereiche mit Poren und porenfreie Zonen generiert werden. Die Nanopartikel, insbesondere die mit molekülspezifischen Erkennungsstel- len versehenen Nanopartikel werden dann anschließend auf das vorbehandelte poröse Material aufgebracht.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass diese einzelnen Bereiche, die Nanopartikel, beispielsweise Nanopar- tikel mit molekülspezifischen Erkennungsstellen enthalten, durch Zonen voneinander getrennt sind, die mit einer, vorzugsweise nichtporösen, Folie bedeckt sind.

In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass diese einzelnen Bereiche vorzugsweise Nanopartikel mit molekülspezifischen Erkennungsstellen enthalten und durch poröse Zonen, in deren Poren Nanopartikel ohne molekülspezifische Erkennungsstellen enthalten sind, voneinander getrennt sind. In diesem Fall sind die Nanopartikel ohne molekülspezifische Erkennungsstellen zur Vermeidung unspezifischer Bindung vorzugsweise mit einem Polyethylenglykol modifiziert.

In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass diese einzelnen Bereiche, die Nanopartikel, beispielsweise Nanopartikel mit molekülspezifischen Erkennungsstellen enthalten, durch poröse Zonen voneinander getrennt sind, wobei die Zonen zur Vermeidung unspezifischer Bindung chemisch modifiziert sind, beispielsweise mit einem Polyethylenglykol oder mit einer hydrophoben Perfluoralkyl-Verbindung wie einem Silan. Zur Minimierung des Kontaktes einer Probenflüssigkeit mit diesen Zonen können die Oberflächen dieser Zonen auch als superhydrophobe Oberflächen ausge- führt sein.

Erfindungsgemäß besteht die Möglichkeit, in die Poren aller definierten Bereiche, in denen Nanopartikel, insbesondere Nanopartikel mit molekülspezifischen Erkennungsstellen enthalten sein sollen, die gleichen Nanopartikel, beispielsweise Nanopartikel mit gleichen molekülspezifischen Erkennungsstellen und/oder dem gleichen immobilisierten organischen Molekül, einzubringen. Erfindungsgemäß be- steht aber auch die Möglichkeit, in die Poren der einzelnen definierten Bereichen unterschiedliche Nanopartikel, beispielsweise Nanopartikel mit unterschiedlichen molekülspezifischen Erkennungsstellen und/oder unterschiedlichen immobilisierten organischen Molekülen einzufüllen.

Die vorliegende Erfindung betrifft daher strukturierte funktionalisierte poröse Träger mit mehreren definierten Bereichen, wobei in den Poren aller Bereiche die gleichen Nanopartikel enthalten sind, wobei die Nanopartikel enthaltenden Bereiche vorzugsweise durch Zonen, die keine Poren beziehungsweise keine Nanopartikel enthaltenden Poren aufweisen, voneinander getrennt sind. Die vorliegende Erfindung betrifft auch strukturierte funktionalisierte poröse Träger mit mehreren definierten Bereichen, wobei die einzelnen Bereiche unterschiedliche Nanopartikel aufweisen und wobei die Nanopartikel enthaltenden Bereiche vorzugsweise durch Zonen, die keine Poren beziehungsweise keine Nanopartikel enthaltenden Poren aufweisen, voneinander getrennt sind. Solche strukturierten funktionalisierten Träger sind insbesondere zur Verwendung als Mikroarray geeignet.

Erfindungsgemäß ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die in den Poren enthaltenen Nanopartikel zusätzlich durch ein Verbindungsmittel innerhalb der Poren fixiert sind. Vorzugsweise handelt es sich bei dem verwendeten Verbindungsmittel um eine Substanz, die geladene oder ungeladene chemisch reaktive Gruppen aufweist. Das Verbindungsmittel dient insbesondere zur festen Bindung der Nanopartikel an die Porenwände des porösen Materials. Die Auswahl des Verbindungsmittels richtet sich nach dem verwendeten porösen Trägermaterial und den zu bindenden Nanopartikeln. Selbstverständlich können auch mehrere unterschiedliche Verbin- dungsmittel verwendet werden, zum Beispiel, wenn in einzelnen porösen Bereichen des Trägers unterschiedliche Nanopartikel fixiert werden sollen, das heißt, wenn in einzelnen Bereichen des Trägers eine unterschiedliche Funktionalisierung erfolgen soll. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können Verbin- dungsmittel eingesetzt werden, deren Eigenschaften, beispielsweise Kohäsionseigenschaften, durch einen äußeren Stimulus verändert werden können und die daher von außen schaltbar sind. Beispielsweise können die Kohäsionseigenschaften des Verbindungsmittels durch eine Änderung des pH-Wertes, der lonenkonzentration und/oder der Temperatur so weit vermindert werden, dass die unter Verwendung des Verbindungsmittels in den Poren gebundenen Nanopartikel abgelöst und gegebenenfalls in die Poren eines anderen porösen Materials übertragen werden können.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem "Nanopartikel" eine partikuläre Bindematrix verstanden, die in einer bevorzugten Ausführungsform erste funktioneile chemische Gruppen umfassende molekülspezifische Erkennungsstellen aufweist. Die erfindungsgemäß verwendeten Nanopartikel umfassen einen Kern mit einer Oberfläche. Die erste funktionelle Gruppen umfassenden molekülspezifischen Erkennungsstellen sind auf der Oberfläche angeordnet oder können darauf angeordnet werden. Die ersten funktionellen Gruppen sind in der Lage, komplementäre zweite funktioneile Gruppen, beispielsweise eines organischen Moleküls, kovalent oder nicht-kovalent zu binden. Durch Wechselwirkung zwischen den ersten und zweiten funktionellen Gruppen ist das organische Molekül an dem Nanopartikel und damit innerhalb der Poren des porösen Trägers immobilisiert beziehungsweise kann daran immobilisiert werden. Die erfindungsgemäß zur Herstellung des funktionalisierten porösen Trägers verwendeten Nanopartikel weisen eine Größe von etwa 5 nm bis 1000, vorzugsweise weniger als 500 nm auf.

Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, dass das organische Molekül, vorzugsweise biologisch aktive Molekül gegebenenfalls unter Erhalt seiner biologischen Aktivität an der Oberfläche der Nanoparti- kel gebunden oder immobilisiert ist oder gebunden oder immobilisiert werden kann. In bevorzugter Ausführungsform kann das organische Molekül, insbesondere biologisch aktive Molekül gerichtet gebunden sein oder werden. Eine gerichtete Immobilisierung ist für eine Reihe von Verwendungen des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trä- gers von Vorteil, ist aber keine notwendige Bedingung. Selbst wenn ein großer Prozentsatz der am Nanopartikel immobilisierten Moleküle ungerichtet immobilisiert ist, so dass die Moleküle beispielsweise keine Aktivität zeigen, wird dies durch die erfindungsgemäß bereitgestellte sehr große Oberfläche und die dadurch ermöglichte starke Anreicherung der Moleküle kompensiert.

Unter der biologischen Aktivität eines Moleküls werden alle Funktionen verstanden, die dieses in einem Organismus in seiner natürlichen zellulären Umgebung ausübt. Wenn es sich bei dem Molekül beispielsweise um ein Protein handelt, kann es sich beispielsweise um spezifische katalytische oder enzymatische Funktionen, Funktionen in der Immunabwehr, Regulationsfunktionen, und ähnliche handeln. Handelt es sich bei dem Molekül um eine Nucleinsäure, kann die biologische Funktion beispielsweise in der Codierung eines Gen- Produktes bestehen oder darin, dass die Nucleinsäure als Bindungsmotiv für regulatorische Proteine verwendbar ist. "Beibehaltung der biologischen Aktivität" bedeutet, dass ein biologisches Molekül nach Immobilisierung an der Oberfläche eines Nanopartikels die gleichen oder nahezu gleichen biologischen Funktionen in zumindest ähnlichem Ausmaß ausüben kann wie das gleiche Molekül in nicht-immobilisiertem Zustand unter geeigneten in vitro- Bedingungen beziehungsweise das gleiche Molekül in seiner natürlichen zellulären Umgebung.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet der Begriff "gerichtet immobilisiert" oder "gerichtete Immobilisierung", dass ein Molekül an definierten Positionen innerhalb des Moleküls so an den molekülspezifischen Erkennungsstellen eines Nanopartikels gebunden wird beziehungsweise ist, dass beispielsweise die dreidi- mensionale Struktur der für die biologische Aktivität erforderlichen Domäne(n) gegenüber dem nicht-immobilisierten Zustand nicht verändert ist und dass diese Domäne(n), beispielsweise Bindungstaschen für zelluläre Reaktionspartner, bei Kontakt mit anderen nati- ven zellulären Reaktionspartnern für diese frei zugänglich ist/sind.

Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, dass das an Nanopartikeln des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers immobilisierte oder immobilisierbare biologische Molekül ein Protein, eine Nucleinsäure oder ein Fragment davon ist. Bei Nucleinsäuren kann es sich insbesondere um einzel- oder doppelsträngige DNA-, RNA-, PNA- oder LNA-Moleküle handeln.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer "Nucleinsäure" ein Molekül verstanden, das aus mindestens zwei über eine Phosphodiesterbindung verbundenen Nucleotiden besteht. Bei Nucleinsäuren kann es sich um Desoxyribonucleinsäure- Moleküle, Ribonucleinsäure-Moleküle, PNA-Moleküle und LNA- Moleküle handeln. Die Nucleinsäure kann sowohl einzelsträngig als auch doppelsträngig vorliegen. Im Kontext der vorliegenden Erfindung kann eine Nucleinsäure also auch ein Oligonucleotid sein. Erfindungsgemäß kann die gebundene oder zu bindende Nucleinsäure natürlichen oder synthetischen Ursprungs sein. Die Nucleinsäure kann erfindüngsgemäß auch durch gentechnische Verfahren gegen- über der Wildtyp-Nucleinsäure modifiziert sein und/oder unnatürliche und/oder ungewöhnliche Nucleinsäure-Bausteine enthalten. Die Nucleinsäure kann mit Molekülen anderer Art, beispielsweise mit Proteinen, verbunden sein.

Bei PNA (Peptide Nucleic Acid oder Polyamide Nucleic Acid)- Molekülen handelt es sich um Moleküle, die nicht negativ geladen sind und in gleicher Weise wie DNA wirken (Nielsen et al., Science, 254 (1991), 1497-1500; Nielsen et al., Biochemistry, 36 (1997), 5072-5077; Weiler et al., Nuc. Acids Res., 25 (1997), 2792-2799). PNA-Sequenzen umfassen ein Polyamid-Grundgerüst aus N-(2- Aminoethyl)-glycin-Einheiten und besitzen keine Desoxyribose- oder Ribose-Einheiten und keine Phosphat-Gruppen. Die unterschiedlichen Basen sind über Methylen-Carbonyl-Bindungen an das Grundgerüst gebunden. LNA (Locked Nucleic Acid)-Moleküle sind dadurch gekennzeichnet, dass die Furanose-Ring-Konformation durch einen Methylen-Linker beschränkt ist, der die 2'-O-Position mit der 4'-C- Position verbindet. LNAs werden als einzelne Nucleotide in Nucleinsäuren, beispielsweise DNA- oder RNA, eingebaut. LNA- Oligonucleotide unterliegen ebenfalls wie PNA-Moleküle den Wat- son-Crick-Basenpaarungs-Regeln und hybridisieren an komplemen- täre Oligonucleotide. LNA DNA- oder LNA RNA-Dublexmoleküle zeigen gegenüber ähnlichen Duplexmolekülen, die ausschließlich aus DNA oder RNA gebildet werden, erhöhte thermische Stabilität.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem "Protein" ein Molekül verstanden, das mindestens zwei über eine Amid-Bindung miteinander verbundene Aminosäuren umfasst. Im Kontext der vorliegenden Erfindung kann ein Protein also auch ein Peptid, zum Beispiel ein Oligopeptid, ein Polypeptid oder zum Beispiel eine isolierte Protein-Domäne sein. Ein derartiges Protein kann natürlichen oder synthetischen Ursprungs sein. Das Protein kann durch gentechnische Verfahren gegenüber dem Wildtyp-Protein modifiziert sein und/oder unnatürliche und/oder ungewöhnliche Aminosäuren enthalten. Das Protein kann gegenüber der Wildtyp-Form derivatisiert sein, beispielsweise Glykosylierungen aufweisen, es kann verkürzt sein, es kann mit anderen Proteinen fusioniert oder mit Molekülen anderer Art, beispielsweise mit Kohlenhydraten, verbunden sein. Erfindungsgemäß kann ein Protein insbesondere ein Enzym, ein Rezeptor, ein Cytokin, ein Antigen oder ein Antikörper sein.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bedeutet "Anti- körper" ein Polypeptid, das im Wesentlichen von einem oder mehreren Immunglobulin-Genen codiert wird, oder Fragmente davon, das/die einen Analyten (Antigen) spezifisch erkennt/erkennen und daran bindet/binden. Antikörper kommen beispielsweise als intakte Immunglobuline oder als eine Reihe von Fragmenten vor, die mittels Spaltung mit verschiedenen Peptidasen erzeugt werden. "Antikörper" bedeutet auch modifizierter Antikörper, beispielsweise öligome- re, reduzierte, oxidierte und markierte Antikörper. "Antikörper" umfasst auch Antikörper-Fragmente, die entweder mittels Modifikation ganzer Antikörper oder mittels de novo-Synthese unter Verwendung von DNA-Rekombinationstechniken erzeugt wurden. Der Begriff "Antikörper" umfasst sowohl intakte Moleküle als auch Fragmente davon, wie Fab, F(ab)')₂ und Fv, die Epitop-Determinanten binden kön- nen.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung werden unter "molekülspezifischen Erkennungsstellen" Bereiche des Nanopartikels verstanden, die eine spezifische Wechselwirkung zwischen dem Nanopartikel und organischen, insbesondere biologisch aktiven Mo- lekülen als Zielmolekülen ermöglichen. Die Wechselwirkung kann auf gerichteter attraktiver Wechselwirkung zwischen einem oder mehreren Paaren aus ersten funktionellen Gruppen des Nanopartikels und die ersten funktionellen Gruppen bindenden, komplementären zweiten funktionellen Gruppen der Zielmoleküle, also der organi- sehen Moleküle, beruhen. Einzelne interagierende Paare funktionel- ler Gruppen zwischen Nanopartikel und organischem Molekül sind jeweils räumlich fixiert an dem Nanopartikel und dem organischen Molekül angeordnet. Diese Fixierung braucht keine starre Anordnung zu sein, sondern kann vielmehr durchaus flexibel ausgeführt sein. Die attraktive Wechselwirkung zwischen den funktionellen Gruppen der Nanopartikel und der organischen Moleküle kann in Form von nicht-kovalenten Bindungen, wie van-der-Waals-Bindungen, Wasserstoffbrücken-Bindungen, π-π-Bindungen, elektrostatischen Wechselwirkungen oder hydrophoben Wechselwirkungen ausgeführt sein. Denkbar sind auch reversible kovalente Bindungen ebenso wie Mechanismen, die auf Komplementarität der Gestalt oder Form beruhen. Die erfindungsgemäß vorgesehenen Wechselwirkungen zwischen den molekülspezifischen Erkennungsstellen der Nanopartikel und dem Zielmolekül beruhen also auf gerichteten Wechselwirkun- gen zwischen den Paaren der funktionellen Gruppen und auf der räumlichen Anordnung dieser die Paarbildung eingehenden Gruppen zueinander an dem Nanopartikel sowie dem Zielmolekül. Diese Wechselwirkung führt zur Immobilisierung des Moleküls an der Ober- fläche der Nanopartikel. Im Stand der Technik sind noch weitere Möglichkeiten bekannt, organische Moleküle an einer Oberfläche zu binden. Erfindungsgemäß können organische Moleküle auch in anderer Weise an den Nanopartikel-Oberflächen gebunden werden.

Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, dass die molekülspezifischen Erkennungsstellen ein oder mehrere erste funktioneile Gruppen und die gebundenen beziehungsweise zu bindenden organischen, vorzugsweise biologisch aktiven Moleküle die ersten funktionellen Gruppen bindende, komplementäre zweite funktionelle Gruppen umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Er- findung sind die ersten funktionellen Gruppen, die Bestandteil der molekülspezifischen Erkennungsstellen auf der Oberfläche des Nanopartikels sind oder diese bilden, und die die ersten funktionellen Gruppen bindenden, komplementären zweiten funktionellen Gruppen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aktivester, Alkylke- tongruppe, Aldehydgruppe, Aminogruppe, Carboxygruppe, Epo- xygruppe, Maleinimidogruppe, Hydrazingruppe, Hydrazidgruppe, Thiolgruppe, Thioestergruppe, Oligohistidingruppe, Strep-Tag I, Strep-Tag II, Desthiobiotin, Biotin, Chitin, Chitinderivate, Chitinbindedomäne, Metallchelatkomplex, Streptavidin, Streptactin, Avidin und Neutravidin.

Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, dass die molekülspezifische Erkennungsstelle ein größeres Molekül wie ein Protein, einen Antikörper etc. umfasst, das die ersten funktionellen Gruppen enthält. Die molekülspezifische Erkennungsstelle kann auch ein Molekülkomplex sein, der beispielsweise aus mehreren Proteinen und/oder Antikörpern und/oder Nucleinsäuren besteht, wobei mindestens eines dieser Moleküle die ersten funktionellen Gruppen enthält. Ein Protein kann als molekülspezifische Erkennungssequenz beispielsweise einen Antikörper und ein damit verbundenes Protein umfassen. Der Antikörper kann dabei auch eine Streptavidin-Gruppe oder eine Biotin-Gruppe umfassen. Bei dem mit dem Antikörper verbundenen Protein kann es sich um einen Rezeptor handeln, beispiels- weise ein MHC-Protein, Cytokin, einen T-Zell-Rezeptoren wie das CD8-Protein oder Rezeptoren, die einen Liganden binden können. Ein Molekülkomplex kann beispielsweise auch mehrere Proteine und/oder Peptide umfassen, beispielsweise ein biotinyliertes Protein, das in einem Komplex ein weiteres Protein und zusätzlich ein Peptid bindet. Die ersten und zweiten funktionellen Gruppen können beispielsweise durch molekulares Prägen erzeugt sein.

Ein erfindungsgemäß in den Poren eines funktionalisierten porösen Trägers enthaltenes Nanopartikel weist also an seiner Oberfläche eine erste funktionelle Gruppe auf, die kovalent oder nicht-kovalent mit einer zweiten funktionellen Gruppe eines zu immobilisierenden Moleküls verknüpft wird, wobei die erste funktionelle Gruppe eine andere Gruppe als die zweite funktionelle Gruppe ist. Die beiden miteinander in Bindung tretenden Gruppen müssen komplementär zueinander sein, das heißt in der Lage sein, eine kovalente oder nicht-kovalente Bindung miteinander einzugehen.

Wird beispielsweise erfindungsgemäß als erste funktionelle Gruppe eine Alkylketongruppe, insbesondere Methylketon- oder Aldehydgruppe verwendet, ist die zweite funktionelle Gruppe eine Hydra- zin- oder Hydrazid-Gruppe. Wird umgekehrt eine Hydrazin- oder Hydrazid-Gruppe als erste funktionelle Gruppe verwendet, ist erfindungsgemäß die zweite funktionelle Gruppe eine Alkylketon-, insbesondere Methylketon- oder Aldehydgruppe. Wird erfindungsgemäß eine Thiolgruppe als erste funktionelle Gruppe verwendet, ist die zweite komplementäre funktionelle Gruppe eine Thioestergruppe. Wird als erste funktionelle Gruppe eine Thioestergruppe verwendet, ist erfindungsgemäß die zweite funktionelle Gruppe eine Thiolgruppe. Wird erfindungsgemäß als erste funktionelle Gruppe ein Metalli- onerichelat-Komplex verwendet, ist die zweite funktionelle komplementäre Gruppe eine Oligohistidin-Gruppe. Wird als erste funktionelle Gruppe eine Oligohistidin-Gruppe verwendet, ist die zweite funktionelle komplementäre Gruppe ein Metallionenchelat-Komplex.

Wird als erste funktionelle Gruppe Strep-Tag I, Strep-Tag II, Biotin oder Desthiobiotin verwendet, wird als zweite komplementäre funktionelle Gruppe Streptavidin, Streptactin, Avidin oder Neutravidin eingesetzt. Wird als erste funktionelle Gruppe Streptavidin, Streptactin, Avidin oder Neutravidin eingesetzt, wird als zweite komplementäre funktionelle Gruppe Strep-Tag I, Strep-Tag II, Biotin oder Desthiobio- tin eingesetzt.

Wird in einer weiteren Ausführungsform Chitin oder ein Chitinderivat als erste funktionelle Gruppe eingesetzt, wird als zweite funktionelle komplementäre Gruppe eine Chitinbinduήgsdomäne eingesetzt. Wird als erste funktionelle Gruppe eine Chitinbindungsdomäne ein- gesetzt, wird als zweite funktionelle komplementäre Gruppe Chitin oder ein Chitinderivat eingesetzt. Die vorgenannten ersten und/oder zweiten funktionellen Gruppen können erfindungsgemäß mit Hilfe eines Spacers mit dem zu immobilisierenden Molekül beziehungsweise dem Nanopartikel-Kem verbunden beziehungsweise mittels eines Spacers an den Nanoparti- kel-Kern oder in das Molekül eingeführt werden. Der Spacer dient also einerseits als Abstandshalter der funktionellen Gruppe zum Kern beziehungsweise zu immobilisierenden Molekül, andererseits als Träger für die funktionelle Gruppe. Ein derartiger Spacer kann beispielsweise Alkylen-Gruppen oder Ethylenoxid-Oligomere mit 2 bis 50 C-Atomen umfassen, die beispielsweise substituiert sind und" Heteroatome aufweist.

In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweiten funktionellen Gruppen ein natürlicher Bestandteil des immobilisierten oder zu immobilisierenden Moleküls sind. Handelt es sich bei dem Molekül beispielsweise um ein Protein mittlerer Größe, das heißt einer Größe von etwa 50 kDA mit etwa 500 Aminosäuren, enthält dieses etwa 20 bis 30 reaktive Amino-Gruppen, die prinzipiell als zweite funktionelle Gruppe zur Immobilisierung in Frage kommen. Insbesondere handelt es sich dabei um die Amino-Gruppe am N- terminalen Ende eines Proteins. Auch alle anderen freien Amino- Gruppen, insbesondere die der Lysin-Reste, in Proteinen kommen für die Immobilisierung in Frage. Ebenso kann Arginin mit seiner Guanidium-Gruppe oder Cystein als funktionelle Gruppe eingesetzt werden.

Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, die zweiten funktionellen Gruppen mittels gentechnischer Verfahren, biochemischer, enzyma- tischer und/oder chemischer Derivatisierung oder chemischer Syntheseverfahren in das zu immobilisierende Molekül einzuführen. Die Derivatisierung sollte dabei so erfolgen, dass die eventuell vorhandene biologische Aktivität des Moleküls nach der Immobilisierung erhalten bleibt.

Ist das zu immobilisierende Molekül ein Protein, können beispiels- weise unnatürliche Aminosäuren durch gentechnische Verfahren oder während einer chemischen Proteinsynthese in das Proteinmolekül eingeführt werden, beispielsweise zusammen mit Spacem oder Linkern. Derartige unnatürliche Aminosäuren sind Verbindungen, die eine Aminosäurefunktion und einen Rest R aufweisen und nicht über einen natürlich vorkommenden genetischen Code definiert sind, wobei diese Aminosäuren in besonders bevorzugter Weise eine Thi- olgruppe aufweisen.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können funktionelle Gruppen durch Modifikation in das zu immobilisierende Molekül, insbesondere Protein, in dieses eingeführt werden, wobei dem Protein Tags, also Markierungen hinzugefügt werden, vorzugsweise an den C-Terminus oder den N-Terminus. Diese Tags können jedoch auch intramolekular angeordnet sein. Insbesondere ist vorgesehen, dass ein Protein dadurch, modifiziert wird, dass mindestens ein Strep-Tag, beispielsweise ein Strep-Tag I oder Strep-Tag II oder Biotin hinzugefügt wird. Erfindungsgemäß werden unter einem Strep-Tag auch funktionelle und/oder strukturelle Äquivalente verstanden, sofern sie Streptavidin-Gruppen und/oder deren Äquivalente binden können. Der Begriff "Streptavidin" erfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung also auch dessen funktionelle und/oder strukturelle Äquivalente. Erfindungsgemäß ist es auch möglich, ein Protein durch Hinzufügen von einem His-Tag, das mindestens 3 Histidin-Reste, vorzugsweise jedoch eine Oligohistidin- Gruppe umfasst, zu modifizieren. Der in das Protein eingeführte His- Tag kann dann an eine molekülspezifische Erkennungsstelle, die einen Metallchelatkomplex umfasst, binden.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist also vorge- sehen, Proteine, die beispielsweise mit unnatürlichen Aminosäuren, natürlichen, aber unnatürlich derivatisierten Aminosäuren oder spezifischen Strep-Tags modifiziert sind, oder Antikörper-gebundene Proteine mit dazu komplementär reaktiven Nanopartikel-Oberflächen derart zur Bindung zu bringen, dass eine geeignete spezifische, ins- besondere nicht-kovalente Anbindung der Proteine und damit eine gerichtete Immobilisierung der Proteine an die Oberfläche erfolgt. Nach der Ausrichtung der biologisch aktiven Moleküle über Tag- Bindestellen können diese Moleküle zusätzlich kovalent gebunden werden, beispielsweise auch mit einem Crosslinker wie Glutardialde- hyd. Dadurch werden die Protein-Oberflächen stabiler.

Die zur Herstellung der erfindungsgemäßen funktionalisierten porösen Träger verwendeten Nanopartikel besitzen einen Kern, auf dem die Oberfläche mit den molekülspezifischen Erkennungsstellen angeordnet ist. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem "Kern" eines Nanopartikels ein chemisch inerter Stoff verstanden, der als Träger für das zu immobilisierende Molekül dient. Erfindungsgemäß ist der Kern ein kompaktes oder hohles Partikel mit einer Größe von 5 nm bis 1000 nm.

In bevorzugter Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht der Kern der erfindungsgemäß verwendeten Nanopartikel aus einem anorganischen Material wie einem Metall, beispielsweise Au, Ag o- der Ni, Silicium, SiO₂, SiO, einem Silikat, AI₂O₃, SiO₂'Al2θ₃, Fe₂O₃, Ag₂O, TiO₂, ZrO₂, Zr₂O₃, Ta₂O₅, Zeolith, Glas, Indiumzinnoxid, Hydroxilapatit, einem Q-Dot oder einem Gemisch davon oder enthält dieses.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung be- steht der Kern der erfindungsgemäß eingesetzten Nanopartikel aus einem organischen Material oder enthält dieses. Vorzugsweise ist das organische Material ein Polymer, beispielsweise Polypropylen, Polystyrol, Polyacrylat, ein Polyester von Milchsäure oder ein Gemisch davon.

Die Herstellung der Kerne der erfindungsgemäß verwendeten Nanopartikel kann unter Verwendung üblicher auf dem Fachgebiet bekannter Verfahren, beispielsweise Sol-Gel-Synthese-Verfahren, E- mulsionspolymerisation, Suspensionspolymerisation usw. erfolgen. Nach Herstellung der Kerne werden die Oberflächen der Kerne durch chemische Modifizierungsreaktion mit den spezifischen ersten funktionellen Gruppen versehen, beispielsweise unter Verwendung üblicher Verfahren wie Pfropf-Polymerisation, Silanisierung, chemischer Derivatisierung etc.. Eine Möglichkeit, oberflächenmodifizierte Nanopartikel in einem Schritt zu erzeugen, besteht im Einsatz von Surfmeren in der Emulsionspolymerisation. Eine weitere Möglichkeit ist das molekulare Prägen.

Unter "molekularem Prägen" wird die Polymerisation von Monomeren in Gegenwart von Templaten verstanden, die mit dem Monomer einen während der Polymerisation relativ stabilen Komplex bilden können. Nach dem Auswaschen der Template können die so hergestellten Materialien Templatmoleküle, den Templatmolekülen strukturverwandte Molekülspezies oder Moleküle, die den Templatmole- külen oder Teilen davon strukturverwandte oder identische Gruppen aufweisen, wieder spezifisch binden. Ein Templat ist daher eine in der Monomermischung während der Polymerisation vorhandene Substanz, zu der das gebildete Polymer eine Affinität aufweist. Erfindungsgemäß besonders bevorzugt erfolgt die Herstellung oberflächenmodifizierter Nanopartikel mittels Emulsionspolymerisation unter Einsatz von Surfmeren. Surfmere sind amphiphile Monomere (Surfmer = Surfactant + Monomer), die auf der Oberfläche von Latexpartikeln einpolymerisiert werden können und diese stabilisieren. Reaktive Surfmere verfügen zusätzlich über funktionalisierbare Endgruppen, die unter milden Bedingungen mit Nucleophilen, wie primären Aminen (Aminosäuren, Peptiden, Proteinen), Thiolen oder Alkoholen umgesetzt werden können. Auf diese Weise ist eine Vielzahl biologisch aktiver polymerer Nanopartikel zugänglich. Druckschriften, die den Stand der Technik sowie Möglichkeiten und Grenzen der Anwendung von Surfmeren wiedergeben, sind beispielsweise US 5,177,165, US 5,525,691, US 5,162,475, US 5,827,927 und JP 4018 929.

Die Dichte der ersten funktionellen Gruppen und der Abstand dieser Gruppen zueinander können erfindungsgemäß für jedes zu immobilisierende Molekül optimiert werden. Auch die Umgebung der ersten funktionellen Gruppen auf der Oberfläche kann im Hinblick auf eine möglichst spezifische Immobilisierung eines biologisch aktiven Moleküls in entsprechender Weise vorbereitet werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Nanopartikel-Kern zusätzliche Funktionen verankert sind, die unter Verwendung geeigneter Nachweisverfahren eine einfache Detektion der Nanopartikel-Kerne und damit der durch die Nanopartikel in den Poren des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers gebildeten Strukturen ermöglichen. Bei diesen zusätzlichen Funktionen kann es sich beispielsweise um Fluoreszenzmarkierungen, UV VIS-Markierungen, superparamagnetische Funktionen, ferro- magnetische Funktionen und/oder radioaktive Markierungen handeln. Geeignete Verfahren zum Nachweis von Nanopartikeln umfassen beispielsweise Fluoreszenz- oder UV-VIS-Spektroskopie-, Fluoreszenz- oder Licht-Mikroskopie-, MALDI-Massenspektroskopie-, Wellenleiterspektroskopie-, Impedanzspektroskopie-, elektrische und radiometrische Verfahren.

In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Oberflächen der Kerne durch Aufbringen zusätzlicher Funktionen wie Fluoreszenzmarkierungen, UVΛ/IS-Markierungen, superparamagnetische Funktionen, ferromagnetischer Funktionen und/oder radioaktiver Markierungen modifiziert sein kann. In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kern der Nanopartikel mit einer organischen oder anorganischen Schicht oberflächenmodifiziert sein kann, die die ersten funktionellen Gruppen und die vorstehend beschriebenen zusätzlichen Funktionen aufweist.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Oberfläche der Kerne chemische Verbindungen aufweist, die zur sterischen Stabilisierung und/oder zur Verhinderung einer Konformationsänderung der immobilisierten Moleküle und/oder zur Verhinderung der Anlagerung weiterer organischer Verbindungen an die Kern-Oberfläche dient. Vorzugsweise handelt es sich bei diesen chemischen Verbindungen um ein Hydrogel, ein Polyethylenglykol, ein Oligoethylenglykol, Dextran oder ein Gemisch davon. Erfindungsgemäß besteht auch die Möglichkeit, dass auf der Oberfläche der Nanopartikel-Keme separat oder zusätzlich lonenaus- tausch-Funktionen verankert sind. Nanopartikel mit lonenaustausch- Funktionen sind insbesondere zur Optimierung der MALDI-Analyse geeignet, da dadurch störende Ionen gebunden werden können.

In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das an der Oberfläche der erfindungsgemäß verwendeten Nanopartikel immobilisierte organische Molekül selbst Markierungen aufweist, die eine einfache Detektion der immobilisierten Moleküle unter Verwendung geeigneter Nachweisverfahren ermöglichen. Bei diesen Markierungen kann es sich beispielsweise um eine Fluoreszenzmarkierung, eine UV VIS-Markierung, eine superparamagnetische Funktion, eine ferromagnetische Funktion und/oder eine radioaktive Markierung handeln. Wie vorstehend ausgeführt, kommen als Nachweisverfahren für diese im immobilisierten biologischen Molekül vorhandenen Markierungen beispielsweise Fluoreszenz- oder UV- VlS-Spektroskopie, MALDI-Massenspektroskopie-, Wellenleiterspektroskopie-, Impedanzspektroskopie-, elektrische und radiometrische Verfahren in Betracht.

Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen funktionalisierten porösen Trägers, wobei eine Suspension von Nanopartikeln auf die Oberfläche eines porösen Trägermaterials aufgebracht wird. Unter Verwendung geeigneter Suspendiermittel können aus Nanopartikeln sehr einfach stabile Suspensionen erzeugt werden, die sich wie Lösungen verhalten. Aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung von vorzugsweise Materialien mit Poren, deren Größe im Mikrometerbereich liegt, beispielsweise mikroporösen Membranen, dringen die Nanopartikel re- lativ leicht in die Poren des Materials ein. Nach dem Eindringen der Nanopartikel in die Poren des Materials werden anschließend die nicht in die Poren eingedrungenen Nanopartikel sowie die restliche Suspension entfernt, beispielsweise durch Spülen und anschließen- des Trocknen des nunmehr funktionalisierten Trägermaterials.

Die Nanopartikel der auf die Oberfläche des porösen Trägermaterials aufgebrachten Suspension können molekülspezifische Erkennungsstellen oder bereits daran gebundene organische Moleküle aufweisen. Dementsprechend können unter Verwendung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens funktionalisierte Träger hergestellt werden, die Nanopartikel ohne molekülspezifische Erkennungsstellen aufweisen, oder funktionalisierte Träger, die Nanopartikel mit molekülspezifische Erkennungsstellen aufweisen, oder funktionalisierte Träger, die Nanopartikel mit daran gebundenen organischen Molekü- len. Sofern ein funktionalisierter Träger hergestellt wird, der Nanopartikel ohne molekülspezifische Erkennungsstellen umfasst, können die in den Poren des Trägers enthaltenen Nanopartikel nachträglich mit molekülspezifischen Erkennungsstellen versehen werden. Sofern ein funktionalisierter Träger hergestellt wird, der Nanopartikel mit molekülspezifischen Erkennungsstellen umfasst, können an den erkennungsspezifischen Erkennungsstellen der Nanopartikel nachträglich organische Moleküle gebunden werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, funktionalisierte Träger mit unterschiedlich funktionalisierten Nanopartikeln herzustellen, beispielsweise Träger, die Berei- ehe mit Nanopartikeln ohne molekülspezifische Erkennungsstellen und/oder Bereiche mit molekülspezifische Erkennungsstellen aufweisenden Nanopartikeln und/oder Bereiche mit Nanopartikel, an die organische Moleküle gebunden sind, aufweisen. Sofern ein nicht-strukturierter funktionalisierter Träger hergestellt werden soll, bei dem beispielsweise alle Poren der Oberfläche die gleichen Nanopartikel enthalten sollen, kann das Auftragen der Na- nopartikel-Suspension beispielsweise durch Eintauchen des porösen Materials in die Nanopartikel-Suspension erfolgen oder indem die Nanopartikel-Suspension auf dem porösen Träger vergossen und dann gleichmäßig verteilt wird. Das poröse Material kann auch mit der Nanopartikel-Suspension imprägniert werden.

Falls ein strukturierter funktionalisierter Träger hergestellt werden soll, d.h. ein Träger, auf dessen Oberfläche Bereiche mit Nanopartikel enthaltenden Poren angeordnet sind, die durch Zonen ohne Nanopartikel enthaltende Poren voneinander getrennt sind, kann zum Aufbringen der Nanopartikel-Suspension auch eine herkömmliche Spotter-Vorrichtung unter Verwendung einer Maske oder eines Stempels eingesetzt werden. Unter Verwendung von Spotter- Vorrichtungen können auch unterschiedliche Nanopartikel- Suspensionen aufgetragen werden, um so funktionalisierte Träger herzustellen, die definierte Bereiche mit unterschiedlichen Nanopartikeln umfassen, beispielsweise Bereiche mit Nanopartikeln, an de- nen eine Nucleinsäure immobilisiert werden kann, und Bereiche, an denen ein Protein immobilisiert werden kann.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das poröse Material vor Aufbringen der Nanopartikel-Suspension einer Behandlung zur Änderung der Po- renstruktur an vorbestimmten Stellen unterzogen wird. Dies kann beispielsweise durch Anbringen von feinen Schnittlinien, durch Fräsen, Gravieren, Stanzen, durch Zerstören der Porenstruktur, durch Anwendung von Prägungs- oder Druck-Schritten etc. erfolgen. Erfin- dungsgemäß ist es ebenfalls möglich, die Porenstruktur des porösen Trägermaterials an vorbestimmten Stellen unter Anwendung eines Lasers zu zerstören, wobei mit Hilfe des Laserstrahls feinste nichtporöse Linien und Bereiche durch Schmelzen, beispielsweise bei thermoplastischen Materialien, oder Wegbrennen, beispielsweise bei thermoplastischen oder nicht-schmelzbaren Materialien, auf der porösen Material-Oberfläche erzeugt werden können. Durch eine derartige Vorbehandlung der porösen Materialoberfläche kann ein vorbestimmtes Muster in das poröse Material eingebrannt werden, sodass die Porenstruktur in den durch den Läserstrahl getroffenen Bereichen zerstört wird.

In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers ist auch vorgesehen, die poröse Oberfläche des Trägermaterials vor dem Aufbringen der Nanopartikel-Suspension mit einer Lösung, Suspension oder Dispersion eines Verbindungsmittels so zu behandeln, dass dieses in die Poren des Materials eindringen kann. Das auf der Oberfläche des Trägermaterials, nicht jedoch in den Poren enthaltene vorhandene Verbindungsmittel wird unter Verwendung geeigneter Behand- lungsschritte anschließend entfernt. Das in den -Poren enthaltene Verbindungsmittel dient zur Verbesserung der Haftung der Nanopartikel innerhalb der Porenwände.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch Funktionselemente, die mindestens einen erfindungsgemäßen funktionalisierten porösen Träger umfassen. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem "Funktionselement" ein Element oder eine Vorrichtung verstanden, das/die entweder allein oder als Bestandteil einer komplexeren Vorrichtung, das heißt im Zusammenhang mit weiteren ähnlichen oder aber anders gearteten Funktionselementen, mindestens eine definierte Funktion ausübt. Erfindungsgemäß umfasst ein Funktionselement mindestens einen porösen Träger mit einer Trägeroberfläche, in deren Poren zumindest teilweise definierte Nano- partikel strukturiert oder unstrukturiert angeordnet sind, wobei die Nanopartikel mit organischen Molekülen, insbesondere Molekülen mit biologischen Funktionen, beispielsweise biologisch aktiven Molekülen wie Nucleinsäuren, Proteinen, PNA-Molekülen und/oder LNA- Molekülen versehen sind und/oder versehen werden können.

In seiner einfachsten Ausführungsform ist das erfindungsgemäß hergestellte Funktionselement daher ein erfindungsgemäßer funktionalisierter poröser Träger, insbesondere ein funktionalisierter Träger, der eine selbsttragende mikroporöse Membran umfasst.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Funktionsele- ment neben dem erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger mindestens einen weiteren Bestandteil, bei dem es sich beispielsweise um einen zweiten erfϊndungsgemäßen funktionalisierten Träger oder einen Träger aus einem nicht-porösen Material beziehungsweise einem Material mit einer verminderten Porosität handeln kann. Im Kontext der vorliegenden Erfindung ist ein Material mit verminderter Porosität ein Material, dessen Oberfläche im Vergleich zu der Oberfläche des porösen Materials des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers signifikant weniger Poren pro Flächeneinheit und/oder deutlich kleinere Poren enthält.

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein Funktionselement, wobei der mindestens eine erfindungsgemäße funktionalisierte Träger auf der Oberfläche eines nicht-porösen Materials oder eines Materials mit verminderter Porosität angeordnet ist. Bei einem Träger aus einem nicht-poröses Material oder einem Material mit verminderter Porosität handelt es sich um eine feste Matrix, die dem erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger beispielsweise als Hal- terung dient und ihm zusätzliche mechanische Stabilität verleiht. Der Träger aus dem nicht-porösen Material oder Material mit verminderter Porosität, auf dessen Oberfläche der mindestens eine funktionalisierte Träger angeordnet ist, kann eine beliebige Größe und eine beliebige Form aufweisen, beispielsweise die einer Kugel, eines Zy- linders, einer Stange, eines Drahtes, einer Platte oder einer Folie. Der Träger aus dem nicht-porösen Material oder Material mit verminderter Porosität kann sowohl ein Hohlkörper als auch ein Vollkörper sein. Mit einem Vollkörper ist insbesondere ein Körper gemeint, der im Wesentlichen keine Hohlräume aufweist und vollständig aus einem Material, beispielsweise einem nicht-porösen Material oder einem Material verminderter Porosität, oder einer Kombination solcher Materialien bestehen kann. Der Vollkörper kann auch aus einer Schichtabfolge gleicher oder unterschiedlicher nicht-poröser Materialien oder Materialien geringerer Porosität bestehen.

In besonders bevorzugter Ausführungsform handelt es sich bei dem nicht-porösen Material oder dem Material geringerer Porosität um ein Metall, ein Metalloxid, ein Polymer, Glas, ein Halbleitermaterial, Keramik und/oder ein Gemisch davon. Im Zusammenhang mit der Erfindung bedeutet dies, dass der aus dem nicht-porösen Material oder dem Material mit geringer Porosität gebildete Träger vollständig aus einem der vorstehend genannten Materialien besteht oder diese im Wesentlichen enthält oder vollständig aus einer Kombination dieser Materialien besteht oder diese im Wesentlichen enthält oder das zumindest die Oberfläche eines solchen Trägers vollständig aus ei- nem der vorstehend genannten Materialien besteht oder diese im Wesentlichen enthält oder vollständig aus einer Kombination dieser Materialien besteht oder diese im Wesentlichen enthält. Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, dass die Oberfläche des Trägers aus dem nicht-porösen Material beziehungsweise dem Material mit geringerer Porosität planar oder auch vorstrukturiert ist, beispielsweise Zu- und Ableitungen enthält.

In bevorzugter Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funktionselementes ist vorgesehen, dass der mindestens eine funktionalisier- te Träger die gesamte Oberfläche des Trägers aus dem nichtporösen Material oder dem Material mit geringer Porosität abdeckt.

In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funktionselementes ist vorgesehen, dass der mindestens eine funktionalisierte Träger mehrere nach einem vorbestimmten Muster angeord- nete Flächenabschnitte oder Bereiche der Oberfläche des Trägers aus dem nicht-porösen Material oder dem Material mit geringer Porosität abdeckt. In dieser Ausführungsform sind also auf der Oberfläche des aus einem nicht-porösen Material beziehungsweise Material mit verminderter Porosität gebildeten Trägers mehrere Bereiche an- geordnet, die einen erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger umfassen. Diese Bereiche sind von Zonen umgeben, die aus dem nicht-porösen Trägermaterial beziehungsweise Trägermaterial mit verminderter Porosität bestehen, und werden vorzugsweise auch durch diese nicht-porösen Zonen beziehungsweise Zonen vermin- derter Porosität voneinander abgegrenzt.

In einer Ausgestaltung können die einzelnen Flächenabschnitte der Oberfläche des nicht-porösen Materials beziehungsweise Materials mit verminderter Porosität mit dem gleichen erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger abgedeckt sein. In einer weiteren Ausgestaltung können die einzelnen Flächenabschnitte der Oberfläche des nicht-porösen Materials beziehungsweise Materials mit verminderter Porosität mit unterschiedlichen funktionalisierten Trägern abgedeckt sein. Die unterschiedlichen funktionalisierten Trägern können beispielsweise Nanopartikel mit unterschiedlichen molekülspezifischen Erkennungsstellen und/oder Nanopartikel mit unterschiedlichen gebunden organischen, insbesondere biologisch aktiven Molekülen enthalten.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Funktionselement, wobei der mindestens eine funktionalisierte Träger in oder auf einem Rahmen aus einem nicht-porösen Material oder einem Material mit verminderter Porosität angeordnet ist. Der Rahmen aus dem nicht-porösen Material oder Material geringerer Porosität kann also beispielsweise auf den erfindungsgemäßen funktionalisierten porösen Träger aufgesetzt und mit diesem beispielsweise verklebt oder in anderer Weise verbunden sein. Der erfindungsgemäße funktionalisierte Träger kann aber auch in den Rah- men eingespannt sein. Der Rahmen kann zusätzlich Stege, beispielsweise in Form eines Gitternetzes, aufweisen, sodass die vom Rahmen umschlossene Oberfläche des funktionalisierten Trägers durch die mit dem Rahmen verbundenen Stege aus einem nichtporösen Material oder einem Material mit verminderter Porosität un- terbrochen ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Funktionselement um eine Mikrotiterplatte oder Testplatte mit mindestens einer Vertiefung, Kavität oder Reaktions- kammer, vorzugsweise jedoch mit mehreren Vertiefungen, die für eine Vielzahl von unterschiedlichen analytischen oder diagnostischen Zwecke eingesetzt werden kann.

In bevorzugter Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Mikro- titerplatte mindestens 1 bis 96 Reaktionskammern auf. Noch bevorzugter weist die erfindungsgemäße Mikrotiterplatte noch mehr Reaktionskammern auf, beispielsweise 1536 Reaktionskammern. Die erfindungsgemäßen Mikrotiterplatten können für eine Vielzahl analytischer oder diagnostischer Testsysteme unter Verwendung chemi- scher, biologischer oder biochemischer Materialien eingesetzt werden, wozu beispielsweise die chemische Analyse von Proben, die Durchführung chemischer Reaktionen, die Herstellung von Proben für spektroskopische Untersuchungen, die Kultivierung von Zellen, der Nachweis und/oder die Quantifizierung biologisch aktiver Mole- küle wie Proteine oder Nucleinsäuren, die Durchführung diagnostischer Tests zum Nachweis von Mikroorganismen oder zum Nachweis von Antikörpern, die Durchführung von Untersuchungen an Flüssigproben, insbesondere immunologischen, virologischen oder serologischen Reihenuntersuchungen, die Durchführung von Radio- Immuno-Assays, die Durchführung von Testreihen hinsichtlich der Wirksamkeit medizinisch aktiver Wirkstoffe etc. gehören, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Die erfindungsgemäßen Mikrotiterplatten können auch zur Durchführung von Verfahren der kombinatorischen Chemie eingesetzt werden, beispielsweise zur Synthese von organischen Verbindungen, zum Beispiel Peptiden oder Proteinen.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die gesamte Oberfläche der Mikrotiterplatte aus mindestens einem er- findungsgemäßen funktionalisierten Träger besteht oder diesen umfasst. In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikrotiterplatte ist vorgesehen, dass die Reaktionskammern oder zumindest Teile der Reaktionskammern, beispielsweise der Boden, die Seitenwände oder der Boden und die Seitenwände der Reaktionskammern, aus mindestens einem erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger bestehen oder diesen umfassen.

Sofern nur der Boden der Reaktionskammern der erfindungsgemäßen Mikrotierplatte aus dem funktionalisierten Träger besteht und der funktionalisierte Träger ein poröses Material mit durchgehenden Poren aufweist, kann die Mikrotiterplatte erfindungsgemäß auch als Durchflussvorrichtung eingesetzt werden. Beispielsweise kann an den in den Poren enthaltenen Nanopartikeln die Synthese eines organischen Moleküls, zum Beispiel Peptids, aus einzelnen Aminosäu- re-Bausteinen durchgeführt werden. Dabei wird zunächst der erste Aminosäure-Baustein in einer Lösung in die Reaktionskammern gegeben. Nachdem der erste Baustein in die Poren gelangt ist, kann er durch Bindung an die molekülspezifischen Erkennungsstellen der in den Poren des funktionalisierten Trägers enthaltenen Nanopartikeln an den Nanopartikeln immobilisiert werden. Überschüssige Mengen des ersten Aminosäure-Bausteins können dann, gegebenenfalls zusammen mit anderen Reagenzien wie Salzen etc., über die Poren, die sich durch den funktionalisierten Träger hindurch bis zur gegenüberliegenden Oberfläche erstrecken, abgeleitet und daraus ent- fernt werden. Die Entfernung des ersten Aminosäure-Bausteins aus dem funktionalisierten Träger kann beispielsweise durch geeignete Waschschritte unter Verwendung geeigneter Waschlösungen erfolgen. Zur effizienten Entfernung des überschüssigen ersten Bausteins und/oder bestimmter Reagenzien kann auch ein Vakuum an- gelegt werden. Anschließend wird der zweite Aminosäure-Baustein in die Reaktionskammern gegeben, der nach Eindringen in die Poren unter geeigneten Reaktionsbedingungen an den ersten immobilisierten Aminosäure-Baustein gekoppelt wird. Der überschüssige zweite Baustein wird dann, gegebenenfalls zusammen mit anderen Reagenzien, ebenfalls aus dem funktionalisierten Träger entfernt. Auf diese Weise kann das vollständige gewünschte organische Molekül, beispielsweise das Peptid, synthetisiert werden, wobei gleichzeitig überschüssige Reaktanten oder Abfallprodukte aus den Poren des funktionalisierten Trägers entfernt werden können.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße Funktionselement eine Mikroarray-Vorrichtung. Im Kontext der vorliegenden Erfindung wird unter "Mikroarray-Vorrichtung" eine Vorrichtung verstanden, die immobilisierte Zellen, Zellfragmente, Gewebe-Teile oder Moleküle in Form von Spots, die vorzugsweise in einem geordneten Raster angeordnet sind, auf einer festen Matrix umfasst. Bei den immobilisierten Molekülen handelt es sich insbesondere um Moleküle wie Nucleinsäuren, Oligonucleotide, Proteine, Peptide, Antikörper oder Fragmente davon. Eine solche Mikroarray- Vorrichtung wird auch als Biochip bezeichnet. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Mikroarray-Vorrichtung ein Nucleinsäure-Chip oder ein Protein-Chip.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der erfindungsgemäße Mik- roarray pro 1 cm² Fläche etwa 5 bis etwa 1.000.000, vorzugsweise etwa 20 bis etwa 100 000 Spots, d.h. separate, voneinander getrennte Bereiche, an denen Nucleinsäuren. Oligonucleotide, Proteine, Peptide, Antikörper etc. immobilisiert sind, aufweist. In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die gesamte Oberfläche der erfindungsgemäßen Mikroarray-Vorrichtung aus mindestens einem erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger besteht oder diesen umfasst. In diesem Fall wird vorzugsweise ein erfindungsgemäßer funktionalisierter Trägers verwendet, dessen Porenstruktur vor seiner Herstellung unter Verwendung geeigneter Verfahren, beispielsweise eines Lasers, nach einem vorbestimmten Muster, modifiziert oder zerstört wurde, so dass auf der Oberfläche des funktionalisierten Trägers nicht-poröse Linien oder Bereiche vor- handen sind, die die Nanopartikel enthaltenden porösen Bereiche voneinander abgrenzen.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikroarray-Vorrichtung ist vorgesehen, dass auf der Oberfläche der erfindungsgemäßen Mikroarray-Vorrichtung nur bestimmte, voneinander abgegrenzte Bereiche, die in einem vorgegebenen Muster auf der Oberfläche der erfindungsgemäßen Mikroarray-Vorrichtung angeordnet sind, aus mindestens einem erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger bestehen oder diesen umfassen.

Die erfindungsgemäße Mikroarray-Vorrichtung kann beispielsweise zur Untersuchung von ESTs (expressed sequence tags), zur Identifizierung und Charakterisierung von Genen oder anderen funktionellen Nucleinsäuren beziehungsweise von Proteinen eingesetzt werden, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Funktionselement um einen Elektronikbaustein in einem Biocomputer. Ein solcher Elektronikbaustein kann beispielsweise als molekularer Schaltkreis etc. in der Medizintechnik oder in einem Biocomputer Verwendung finden. Besonders bevorzugt liegt das erfindungsgemäße Funktionselement als optischer Speicher in der optischen Informationsverarbeitung vor, wobei das erfindungsgemäße Funktionselement insbesondere immobilisierte 5 Photorezeptor-Proteine umfasst, die Licht direkt in ein Signal umwandeln können.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Funktionselement um eine Durchflussvorrichtung, die beispielsweise zur gezielten Abtrennung und/oder Iso-

10. lierung von Verbindungen aus einer Flüssigkeit, beispielsweise einer biologischen Probe, aber auch zur Aufreinigung der Flüssigkeit eingesetzt werden kann. Die erfindungsgemäße Durchflussvorrichtung umfasst mindestens einen erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger, wobei sich die Poren des mindestens einen Trägers von ei-

15 ner Oberfläche durch den Träger hindurch bis zur gegenüberliegenden Oberfläche erstrecken und somit durchgehend sind.

Die erfindungsgemäße Durchflussvorrichtung kann entweder zur Reinigung einer Lösung, wobei bestimmte in der Lösung enthaltene Bestandteile gezielt entfernt werden, oder aber zur Isolierung 0 und/oder Aufreinigung bestimmter, in der Lösung enthaltener Verbindungen eingesetzt werden. Dabei wird die erfindungsgemäße Durchflussvorrichtung von einer Flüssigkeit oder Lösung, die mindestens eine Substanz enthält, aber auch ein komplexes Gemisch unterschiedlicher Substanzen enthalten kann, durchströmt. Beim 5 Durchströmen der Durchflussvorrichtung gelangt die Lösung in die Poren des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers. Die zu isolierende, in der Lösung enthaltene Verbindung wird gezielt an die in den Poren des Trägers enthaltenen Nanopartikel immobilisiert und damit aus der Lösung entfernt, während die Lösung, d.h. das Flüssigmedium, zusammen übrigen Bestandteile der Lösung die Poren ungehindert passiert. Auf diese Weise kann gezielt mindestens ein Bestandteil der zugeführten Lösung aus dieser entfernt werden. In einer bevorzugter Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der mindestens eine erfindungsgemäße funktionalisierte Träger auf einem Rahmen aus einem nicht-porösen Material beziehungsweise einem Material mit verminderter Porosität angeordnet. Der mindestens eine funktionalisierte Träger kann in einer Ausges- taltung unstrukturiert sein, das heißt, alle oder nahezu alle Poren der porösen Oberfläche des funktionalisierten Trägers sind gleichmäßig mit molekülspezifische Erkennungsstellen aufweisenden Nanopartikeln befüllt. Im Falle, das die erfindungsgemäße Durchflussvorrichtung zur Reinigung einer Lösung verwendet werden soll, d.h. zur Ab- trennung mehrer Substanzen aus der Lösung mit dem Ziel, eine von bestimmten Substanzen befreite Lösung zu erhalten, können in jeder Pore des unstrukturierten funktionalisierten Trägers unterschiedliche Nanopartikel enthalten sein, die beispielsweise unterschiedliche molekülspezifische Erkennungsstellen aufweisen, so dass beim Durch- strömen der Lösung durch den funktionalisierten Träger in einem Schritt mehrere Substanzen aus der Lösung abgetrennt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass die Poren des unstrukturierten funktionalisierten Trägers gleichmäßig mit identischen Nanopartikeln befüllt sind, beispielsweise um nur eine Substanz oder eine Substanzklasse aus der Lösung abzutrennen und gegebenenfalls auch anzureichern. Erfindungsgemäß besteht auch die Möglichkeit, dass die erfindungsgemäße Durchflussvorrichtung auch einen strukturierten funktionalisierten Träger mit durchgehenden Poren umfasst. In einigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Durchflussvorrichtung ist ferner vorgesehen, dass auf der Oberfläche des funktionalisierten Trägers mindestens eine Trennschicht aufgebracht ist, die verhindert, dass in der Lösung enthaltene größere unerwünschte Partikel, beispielsweise Matrixpartikel, in die Poren eintreten und diese eventuell verstopfen.

In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Durchflussvorrichtung ist vorgesehen, dass mehrere gleiche und/oder unterschiedliche funktionalisierte Träger hintereinander geschaltet sind, um beispielsweise. mehrere unterschiedliche Substanzen aus einer Lösung abzutrennen oder um die Effizienz der Abtrennung und/oder Anreicherung einer Substanz zu erhöhen.

Die erfindungsgemäße Durchflussvorrichtung umfasst in bevorzugter Weise eine Einheit zur Erzeugung eines Vakuums. Bei Erzeugung eines Vakuums kann die Lösung den erfindungsgemäßen funktiona- lisierten Träger schneller und effizienter durchströmen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung eines erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers zur Herstellung eines Funktionselementes, beispielsweise einer Durchflussvorrichtung, einer Mikrotiterplatte, eines Mikroarrays oder eines Elektronikbau- steines.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung der erfindungsgemäßen porösen Träger beziehungsweise der unter Verwendung der erfindungsgemäßen Träger hergestellten Funktionselemente zur Untersuchung eines Analyten in einer Probe und/oder zu dessen Isolierung und/oder Aufreinigung aus einer Probe. Vorzugsweise handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Funktionselement in diesem Fall um einen Nucleinsäure-Array, Protein-Array oder eine Mikrotiterplatte. im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einem "Analyten" eine Substanz verstanden, bei der Art und Menge ihrer Einzelbestandteile bestimmt und/oder die aus Gemischen abgetrennt werden soll. Insbesondere handelt es sich bei dem Analyten um Proteine, Kohlenhydrate und ähnliche. In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung ist der Analyt ein Protein, Peptid, Wirkstoff, Schadstoff, Toxin, Pestizid, Antigen oder eine Nucleinsäure. Unter einer "Probe" wird eine wässrige oder organische Lösung, Emulsion, Dispersion oder Suspension verstanden, die ei- nen vorstehend definierten Analyten in isolierter und aufgereinigter Form oder als Bestandteil eines komplexen Gemisches unterschiedlicher Substanzen enthält. Bei einer Probe kann es sich beispielsweise um eine biologische Flüssigkeit wie Blut, Lymphe, Gewebeflüssigkeit etc. handeln, also eine Flüssigkeit, die einem lebenden oder toten Organismus, Organ oder Gewebe entnommen wurde. Eine Probe kann jedoch auch ein Kulturmedium, beispielsweise ein Fermentationsmedium sein, in dem Organismen, beispielsweise Mikroorganismen, oder menschliche, tierische oder pflanzliche Zellen kultiviert wurden. Bei einer Probe im Sinne der Erfindung kann es sich jedoch auch um eine wässrige Lösung, Emulsion, Dispersion oder Suspension eines isolierten und aufgereinigten Analyten handeln. Eine Probe kann bereits Aufreinigungsschritten unterworfen worden sein, kann aber auch in ungereinigter Form vorliegen.

Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch die Verwendung des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers oder eines unter Verwendung des erfindungsgemäßen Trägers hergestellten Funktionselementes zur Durchführung von Analyse- und/oder Detektionsver- fahren, wobei es sich bei diesen Verfahren beispielsweise um MALDI-Massenspektroskopie, Fluoreszenz- oder UV-VIS- Spektroskopie, Fluoreszenz- oder Lichtmikroskopie, Wellenleiterspektroskopie oder ein elektrisches Verfahren wie Impedanzspektroskopie handelt. Bei dem Analyse- oder Detektionsverfahren kann es sich auch um ein enzymatisches Verfahren, beispielsweise unter Verwendung einer Peroxidase, Galactosidase oder einer alkalischen Phosphatase handeln.

Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers oder eines unter Verwendung dieses erfindungsgemäßen Trägers hergestellten Funkti- onselementes zur Kultivierung von Zellen beziehungsweise zur Steuerung der Zelladhäsion oder des Zellwachstums.

Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung des erfindungsgemäßen funktionalisierten porösen Trägers oder eines unter Verwendung des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers hergestellten Funktionselementes zum Nachweis und/oder zur Isolierung organischer, insbesondere biologisch aktiver Moleküle. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßer funktionalisierter Träger, in dessen Poren Nanopartikel mit immobilisierten einzelsträngigen Nucleinsäuren enthalten sind, zum Nachweis einer komplementären Nucleinsäure in einer Probe und/oder zur Isolierung dieser komplementären Nucleinsäure aus einer Probe eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein erfindungsgemäßer funktionalisierter Träger, der ein an Nanopartikeln immobilisiertes Protein umfasst, beziehungsweise ein unter Verwendung dieses Trägers hergestelltes Funktionselement zum Nachweis und/oder zur Isolierung eines mit dem immobilisierten Protein in Wechselwirkung tretenden Proteins aus einer Probe eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers beziehungsweise eines daraus hergestellten Funktionselementes zur Entwicklung von pharmazeutischen Präparaten. Die Erfindung betrifft ebenfalls die Ver- wendung der erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger beziehungsweise der daraus hergestellten Funktionselemente zur Untersuchung der Wirkungen und/oder Nebenwirkungen von pharmazeutischen Präparaten.

Die erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger beziehungsweise daraus hergestellten Funktionselemente lassen sich ebenfalls zur Diagnose von Krankheiten, beispielsweise zur Identifizierung von Krankheitserregern und/oder zur Identifizierung von mutierten Genen, die zur Entstehung von Krankheiten führen, verwenden. Die erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger beziehungsweise die daraus hergestellten Funktionselemente könne auch zur Identifizierung diagnostisch relevanter Metabolite eingesetzt werden, beispielsweise von Glucose im Urin.

Die erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger beziehungsweise daraus hergestellten Funktionselemente lassen sich ebenfalls zur online- oder offline-Überwachung von Fermentationsprozessen einsetzen.

Eine weitere Verwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger beziehungsweise der daraus hergestellten Funktionselemente besteht in der Untersuchung von mikrobiologi- sehen Kontaminationen von Oberflächengewässem, Grundwasser und Böden. Ebenso lassen sich die erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger beziehungsweise die daraus hergestellten Funktions- elemente zur Untersuchung der mikrobiologischen Kontamination von Nahrungsmitteln beziehungsweise Tierfutter einsetzen.

Eine weitere bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger beziehungsweise der daraus hergestellten Funktionselemente besteht in ihrer Verwendung als Elektronikbaustein, beispielsweise als molekularer Schaltkreis in der Medizintechnik oder in einem Biocomputer. Besonders bevorzugt ist die Verwendung des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers beziehungsweise eines daraus hergestellten Funktionselementes als opti- scher Speicher in der optischen Informationsverarbeitung, wobei der erfindungsgemäße funktionalisierte Träger an Nanopartikeln immobilisierte Photorezeptor-Protein umfasst, die Licht direkt in ein Signal umwandeln können.

Unter Verwendung der erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger beziehungsweise der daraus hergestellten erfindungsgemäßen Funktionselemente lassen sich auch ganze Substanzbibliotheken aus verfügbaren Ausgangsstoffen herstellen, das heißt die erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger beziehungsweise die daraus hergestellten Funktionselemente lassen sich auch bei den als kombinatorische Chemie bezeichneten Verfahren der synthetischen Chemie einsetzen. Die so hergestellten neuen Verbindungen mit ihren unterschiedlichen, aber miteinander verwandten Molekülstrukturen können dann auf ihre Verwendbarkeit als Arzneimittel, Katalysatoren oder Werkstoffe untersucht werden. Dabei werden die zu synthetisierenden Verbindung an den erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägern beziehungsweise den daraus hergestellten Funktionselementen synthetisiert. Dabei werden die Substanzen in mehreren Schritten unter Verwendung von beispielsweise des "Split-and- Combine"-Verfahren aufgebaut. Wenn bei diesem Verfahren beispielsweise mehr als 20 Ausgangssubstanzen, beispielsweise Aminosäuren, eingesetzt werden, können innerhalb von nur 30 Reaktionsschritten alle 8000 möglichen Tripeptide erhalten werden, die aus 20 Aminosäuren entstehen können. Die unter Verwendung von solchen Verfahren hergestellten kombinatorischen Bibliotheken können dann hinsichtlich ihrer biologischen Eigenschaften, wie sie etwa im Bereich der Arzneimittelforschung von Interesse sind, aber auch hinsichtlich physikalischer Eigenschaften wie Lichtemission etc. unter- sucht werden. Unter Verwendung der erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger beziehungsweise der daraus hergestellten Funktionselemente können nahezu alle Reaktionen durchgeführt werden, die sich in flüssiger Phase durchführen lassen. Durch das Anbinden beziehungsweise Immobilisieren eines Reaktionspartners ist die Möglichkeit gegeben, weitere Substrate frei zu wählen beziehungsweise diese in Lösung zuzugeben. Die erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger beziehungsweise die daraus hergestellten Funktionselemente sind insbesondere für die Synthese von Naturstoffen geeignet, das heißt insbesondere für die Synthese von komplexen Verbindungen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung des erfindungsgemäßen funktionalisierten Trägers beziehungsweise der unter Verwendung solcher Träger hergestellten Funktionselemente als Katalysator für chemische oder enzymatische Reaktionen, wobei der Katalysator an den Nanopartikeln immobilisiert wird.

Erfindungsgemäß ist auch die Verwendung des funktionalisierten Trägers beziehungsweise des unter Verwendung des Trägers hergestellter Funktionselemente zur Abtrennung von Verbindungen aus Flüssigkeiten vorgesehen, das heißt die Verwendung als Durchflusseinrichtung. Unter Verwendung des erfindungsgemäßen funkti- onalisierbaren Trägers beziehungsweise eines daraus hergestellten Funktionselementes, insbesondere einer Durchflusseinrichtung, lässt sich beispielsweise die Synthese von Molekülbibliotheken automatisieren. Erfindungsgemäß ist auch die Verwendung des funktionalisierten Trägers beziehungsweise des unter Verwendung des Trägers hergestellter Funktionselemente zur Reinigung von Flüssigkeiten einsetzen.

Die Erfindung wird durch Figur 1 näher erläutert.

Figur 1 zeigt in schematischer Form einen erfindungsgemäßen funktionalisierten Träger. Der funktionalisierte Träger (1) umfasst ein poröses Material (2) mit der auf der Unterseite des Materials (2) angeordneten Oberfläche (3) und der auf der Oberseite des Materials (2) angeordneten Oberfläche (4), wobei die beiden gegenüberliegenden Oberflächen (3) und (4) planar ausgebildet sind und Poren (5) aufweisen. Die Poren (5) sind als durchgehende Poren ausgeführt, das heißt, sie erstrecken sich von der Oberfläche (3) durch das poröse Material (2) hindurch bis zur gegenüberliegenden Oberfläche (4). In den Poren (5) sind Nanopartikel (6), die beispielsweise hier nicht dargestellten molekülspezifischen Erkennungsstellen aufweisen können. Auf der Oberfläche (4) ist darüber hinaus eine Trennschicht (7) angeordnet. Die Pfeile stellen die Zuleitungsrichtung einer nicht- dargestellten Lösung, die beispielsweise Analyten, Reagenzien etc. enthalten kann, in die Poren (5) des funktionalisierten Trägers (1) beziehungsweise die Ableitungsrichtung der Lösung nach Passage der Nanopartikel (6) enthaltenden Poren (5) aus dem funktionalisierten Träger (1) dar.

Claims

Ansprüche

1. Funktionalisierter poröser Träger, umfassend ein Material mit einer an der Oberseite des Materials angeordneten Oberfläche und einer an der Unterseite des Materials angeordneten Oberfläche, wobei mindestens eine Oberfläche planar ist und Poren aufweist und wobei in den Poren, vorzugsweise allein und ausschließlich in den Poren, mindestens eines Bereiches der porösen Oberfläche Nanopartikel, insbesondere molekülspezifische Erkennungsstellen aufweisende Nanopartikel an- geordnet sind.

2. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 1 , wobei beide Oberflächen des Materials planar sind und Poren aufweisen.

3. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 2, wobei die Poren der beiden Oberflächen nicht miteinander verbunden sind.

4. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 2, wobei die Poren der beiden Oberflächen durch Verbindungskanäle miteinander verbunden sind.

5. Funktionalisierter Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Material mit der mindestens einen porösen Ober- fläche eine Membran ist.

6. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 5, wobei die Membran eine mikroporöse Membran ist.

7. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 6, wobei die mikroporöse Membran eine anorganische mikroporöse Membran ist.

8. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 7, wobei die anorganische Membran aus Keramik, Glas, Silicium, Metall, Metalloxid oder einem Gemisch davon besteht oder diese(s) enthält.

9. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Membran eine mikroporöse Polymermembran ist.

10. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 9, wobei die Polymermembran aus einem Polyamid, Polyvinylidenfluorid, einem Polyethersulfon, einem Polysulfon, einem Polycarbonat, Polypropylen, Celluloseacetat, Cellulosenitrit, einer Cellulose mit chemisch modifizierter Oberfläche oder einem Gemisch davon besteht oder diese(s) enthält.

11. Funktionalisierter Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Poren, insbesondere Porenwände molekülspezifische Erkennungsstellen aufweisen.

12. Funktionalisierter Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die mindestens eine poröse Oberfläche mehrere nach einem vorbestimmten Muster angeordnete Bereiche aufweist, in deren Poren Nanopartikel enthalten sind.

13. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 12, wobei die Nano- partikel enthaltenden Bereiche durch Zonen abgetrennt sind, die mit einer nicht-porösen Folie bedeckt sind.

14. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 12, wobei die Nanopartikel enthaltenden Bereiche durch Zonen verminderter Porosität oder nicht-poröse Zonen voneinander getrennt sind.

15. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 12, wobei die Nanopartikel enthaltenden Bereiche durch Zonen voneinander getrennt sind, die zur Vermeidung unspezifischer Bindung und/oder zur Minimierung des Kontaktes einer Probenflüssig- keit mit den Zonen mittels einer chemischer Verbindung modifiziert sind.

16. Funktionalisierter Träger nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Poren der einzelnen Bereiche gleiche oder unterschiedliche Nanopartikel enthalten.

17. Funktionalisierter Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Nanopartikel in den Poren fixiert sind.

18. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 17, wobei die Nanopartikel durch ein Verbindungsmittel in den Poren fixiert sind.

19. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 18, wobei das Ver- bindungsmittel geladene oder ungeladene chemisch reaktive Gruppen aufweist.

20. Funktionalisierter Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Nanopartikel einen Kern und eine die molekülspezifischen Erkennungsstellen aufweisende Oberfläche umfas- sen.

21. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 20, wobei an den molekülspezifischen Erkennungsstellen ein oder mehrere biologisch aktive Moleküle gebunden sind.

22. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 21 , wobei die biologisch aktiven Moleküle kovalent und/oder nicht-kovalent gebunden sind.

23. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 21 oder 22, wobei die Moleküle unter Erhalt ihrer biologischen Aktivität gebunden sind.

24. Funktionalisierter Träger nach einem der Ansprüche 21 bis 23, wobei es sich bei den gebundenen Molekülen um Proteine, Nucleinsäuren oder Fragmente davon handelt.

25. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 24, wobei die Nucleinsäuren einzel- oder doppelsträngige DNA-, RNA-, PNA- oder LNA-Moleküle sind.

26. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 24, wobei die Proteine Antikörper, Antigene, Enzyme, Cytokine oder Rezeptoren sind.

27. Funktionalisierter Träger nach einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei die molekülspezifischen Erkennungsstellen ein oder mehrere erste funktionelle Gruppen und die gebundenen Moleküle die ersten funktionellen Gruppen bindende, komple- mentäre zweite funktionelle Gruppen umfassen.

28. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 27, wobei die ersten funktionellen Gruppen und die die ersten funktionellen Gruppen bindenden komplementären zweiten funktionellen Gruppen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Aktives- ter, Alkylketongruppe, Aldehydgruppe, Aminogruppe, Carbo- xygruppe, Epoxygruppe, Maleinimidogruppe, Hydrazingruppe, Hydrazidgruppe, Thiolgruppe, Thioestergruppe, Oligohisti- dingruppe, Strep-Tag I, Strep-Tag II, Desthiobiotin, Biotin, Chitin, Chitinderivate, Chitinbindedomäne, Metallchelat- komplex, Streptavidin, Streptactin, Avidin und Neutravidin.

29. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 27 oder 28, wobei die ersten und die zweiten funktionellen Gruppen durch molekulares Prägen erzeugt sind.

30. Funktionalisierter Träger nach einem der Ansprüche 27 bis 29, wobei die ersten funktionellen Gruppen Bestandteil eines Spacers sind oder über Spacer mit der Oberfläche der Nanopartikel verbunden sind.

31. Funktionalisierter Träger nach einem der Ansprüche 27 bis 29, wobei die komplementären zweiten funktionellen Gruppen Bestandteil eines Spacers sind oder über Spacer mit den Molekülen verbunden sind.

32. Funktionalisierter Träger nach einem der Ansprüche 20 bis 31, wobei der Kern der Nanopartikel aus einem organischen Material besteht oder dieses enthält.

33. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 32, wobei das organische Material ein organisches Polymer ist.

34. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 32 oder 33, wobei das organische Polymer Polypropylen, Polystyrol, Polyacrylat oder ein Gemisch davon ist.

35. Funktionalisierter Träger nach einem der Ansprüche 20 bis 31 , wobei der Kern aus einem anorganischen Material besteht oder dieses enthält.

36. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 35, wobei das anor- ganische Material ein Metall wie Au, Ag, Ni oder ein kataly- tisch aktives Metall, insbesondere ein Edelmetall, Silicium, SiO₂₎ SiO, ein Silikat, AI₂O₃, SiO₂ΑI₂O₃, Fe₂O₃, Ag₂O, TiO₂, ZrO₂, Zr₂O₃, Ta₂O₅, Zeolith Glas, Indiumzinnoxid, Hydroxyla- patit, ein Q-Dot oder ein Gemisch davon ist.

37. Funktionalisierter Träger nach einem der Ansprüche 32 bis 36, wobei der Kern eine Größe von 5 nm bis 1000 nm aufweist.

38. Funktionalisierter Träger nach einem der Ansprüche 32 bis 37, wobei der Kern mindestens eine zusätzliche Funktion auf- weist.

39. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 38, wobei die zusätzliche Funktion im Kern verankert ist und eine Fluoreszenzmarkierung, eine UVΛ/IS-Markierung, eine superparamagnetische Funktion, eine ferromagnetische Funktion und/oder eine radioaktive Markierung ist.

40. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 38, wobei die Oberfläche des Kerns mit einer die ersten funktionellen Gruppen enthaltenden organischen oder anorganischen Schicht modifiziert ist, die eine Fluoreszenzmarkierung, eine UVΛ/IS- Markierung, eine superparamagnetische Funktion, eine fer- romagnetische Funktion und/oder eine radioaktive Markierung aufweist.

41. Funktionalisierter Träger nach einem der Ansprüche 38 bis 40, wobei die Oberfläche des Kerns eine chemische Verbin- düng aufweist, die zur sterischen Stabilisierung und/oder zur Verhinderung einer Konformationsänderung der immobilisierten Moleküle und/oder zur Verhinderung der Anlagerung einer weiteren biologisch aktiven Verbindung an den Kern dient.

42. Funktionalisierter Träger nach Anspruch 41 , wobei die chemi- sehe Verbindung ein Hydrogel, ein Polyethylenglykol, ein OH- goethylenglykol, Dextran oder ein Gemisch davon ist.

43. Funktionalisierter Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gebundenen Moleküle einen Marker aufweisen.

44. Funktionalisierter Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei an die gebundenen Moleküle weitere Moleküle gebunden sind.

45. Funktionalisierter Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei auf mindestens einer der porösen Oberflä- chen mindestens eine zusätzliche Trennschicht angeordnet ist.

46. Funktionselement, umfassend mindestens einen funktionalisierten Träger nach einem der Ansprüche 1 bis 45.

47. Funktionselement nach Anspruch 46, wobei der mindestens eine funktionalisierte Träger auf der Oberfläche eines nichtporösen Materials angeordnet ist.

48. Funktionselement nach Anspruch 47, wobei der mindestens eine funktionalisierte Träger die gesamte Oberfläche des nicht-porösen Materials abdeckt.

49. Funktionselement nach Anspruch 47, wobei der mindestens eine funktionalisierte Träger mehrere nach einem vorbestimm-, ten Muster angeordnete Flächenabschnitte der Oberfläche des nicht-porösen Materials abdeckt.

50. Funktionselement nach Anspruch 49, wobei die einzelnen Flächenabschnitte der Oberfläche des nicht-porösen Materials mit unterschiedlichen funktionalisierten Trägern abgedeckt sind.

51. Funktionselement nach Anspruch 50, wobei die unterschiedlichen funktionalisierten Träger Nanopartikel mit unterschiedlichen molekülspezifischen Erkennungssequenzen und/oder mit unterschiedlichen gebundenen biologisch aktiven Molekülen umfassen.

52. Funktionselement nach einem der Ansprüche 49 bis 51 , wobei die mit dem funktionalisierten Träger abgedeckten Flächenabschnitte der Oberfläche des nicht-porösen Materials durch nicht-poröse Zonen oder Zonen mit verminderter Porosität getrennt sind.

53. Funktionselement nach Anspruch 46, wobei der mindestens eine funktionalisierte Träger in oder auf einem Rahmen aus einem nicht-porösen Material oder einem Material mit verminderter Porosität angeordnet ist.

54. Funktionselement nach Anspruch 53, wobei die vom Rahmen umschlossene Oberfläche des funktionalisierten Trägers durch mit dem Rahmen verbundene Stege aus einem nichtporösen Material oder einem Material mit verminderter Porosität unterbrochen ist.

55. Funktionselement nach einem der Ansprüche 47 bis 54, wobei das nicht-poröse Material und/oder die Oberfläche des nicht-porösen Materials aus einem Metall, Metalloxid, Polymer, Halbleitermaterial, Glas, Keramik und/oder einem Gemisch besteht oder dieses enthält.

56. Funktionselement nach einem der Ansprüche 46 bis 55, wobei es sich um eine Mikrotiterplatte mit mindestens einer Vertiefung handelt und wobei die mindestens eine Vertiefung vollständig oder teilweise mit einem funktionalisiertem Träger abgedeckt ist oder daraus besteht.

57. Funktionselement nach einem der Ansprüche 46 bis 55, wobei es sich um eine Mikroarray-Vorrichtung handelt.

58. Funktionselement nach Anspruch 57, wobei die Mikroarray- Vorrichtung ein Nucleinsäure-Chip oder ein Protein-Chip ist.

59. Funktionselement nach einem der Ansprüche 46 bis 55, wo- bei es sich um eine Durchflussvorrichtung handelt.

60. Funktionselement nach Anspruch 59, wobei die Durchflussvorrichtung zur Abtrennung, Anreicherung und/oder Aufkonzentrierung einer Verbindung aus einer Flüssigkeit eingesetzt wird.

61. Funktionselement nach Anspruch 59, wobei die Durchflussvorrichtung zur Reinigung einer Flüssigkeit eingesetzt wird.

62. Funktionselement nach einem der Ansprüche 46 bis 55, wobei es sich um einen Elektronikbaustein in einem Biocomputer handelt.

63. Verfahren zur Herstellung eines funktionalisierten Trägers nach einem der Ansprüche 1 bis 45, wobei eine Suspension von molekülspezifische Erkennungssequenzen aufweisenden Nanopartikeln auf die poröse Oberfläche eines Materials aufgebracht und nach Eindringen der Nanopartikel in die Poren des Materials die restliche Suspension entfernt wird.

64. Verfahren nach Anspruch 63, wobei die poröse Material- Oberfläche vor Aufbringen der Nanopartikel-Suspension einer Behandlung zur Zerstörung der Porenstruktur in vorgegebenen Bereichen der Oberfläche unterworfen wird.

65. Verfahren nach Anspruch 64, wobei die poröse Material- Oberfläche mittels eines Lasers behandelt wird.

66. Verfahren nach einem der Ansprüche 63 bis 65, wobei nicht in die Poren eingedrungenen Nanopartikel und die restlichen Bestandteile der Suspension durch Spülen mit einem Flüs- sigmedium entfernt werden.

67. Verwendung eines funktionalisierten Trägers nach einem der Ansprüche 1 bis 45 zur Herstellung eines Funktionselementes nach einem der Ansprüche 46 bis 62.

68. Verwendung eines funktionalisierten Trägers nach einem der Ansprüche 1 bis 45 oder eines Funktionselementes nach einem der Ansprüche 46 bis 62 zur Durchführung eines Detek- tionsverfahrens.

69. Verwendung nach Anspruch 68, wobei das Detektionsverfah- ren MALDI-Massenspektroskopie, Fluoreszenz- oder UV-Vis- Spektroskopie, Fluoreszenz- oder Lichtmikroskopie, Wellenleiterspektroskopie, Impedanzspektroskopie oder ein anderes elektrisches Verfahren oder ein enzymatisches Verfahren, insbesondere unter Verwendung einer Peroxidase, Galactosi- dase oder alkalischen Phosphatase ist.

70. Verwendung eines funktionalisierten Trägers nach einem der Ansprüche 1 bis 45 oder eines Funktionselementes nach einem der Ansprüche 46 bis 61 zur Entwicklung von pharmazeutischen Präparaten.

71. Verwendung eines funktionalisierten Trägers nach einem der Ansprüche 1 bis 45 oder eines Funktionselementes nach einem der Ansprüche 46 bis 61 zur Analyse der Wirkungen und/oder Nebenwirkungen von pharmazeutischen Präparaten.

72. Verwendung eines funktionalisierten Trägers nach einem der Ansprüche 1 bis 45 oder eines Funktionselementes nach ei- nem der Ansprüche 46 bis 61 zur Diagnose von Krankheiten.

73. Verwendung nach Anspruch 72, wobei der funktionalisierte Träger oder das Funktionselement zur Identifizierung von Krankheitserregern eingesetzt wird.

74. Verwendung nach Anspruch 72, wobei der funktionalisierte Träger oder das Funktionselement zur Identifizierung von mutierten Genen bei einem Menschen oder einem Tier eingesetzt wird.

75. Verwendung nach Anspruch 72, wobei der funktionalisierte Träger oder das Funktionselement zur Identifizierung diagnos- tisch relevanter Metabolite eingesetzt wird.

76. Verwendung eines funktionalisierten Trägers nach einem der Ansprüche 1 bis 45 oder eines Funktionselementes nach einem der Ansprüche 46 bis 61 zur online- oder offline- Überwachung von Fermentationsprozessen.

77. Verwendung eines funktionalisierten Trägers nach einem der Ansprüche 1 bis 45 oder eines Funktionselementes nach einem der Ansprüche 46 bis 61 zur Analyse der mikrobiologischen Kontamination von Proben.

78. Verwendung nach Anspruch 77, wobei die Probe eine Was- ser- oder Bodenprobe ist.

79. Verwendung nach Anspruch 77, wobei die Probe aus einem Nahrungsmittel oder Tierfutter stammt.

80. Verwendung eines funktionalisierten Trägers nach einem der Ansprüche 1 bis 45 oder eines Funktionselementes nach ei- nem der Ansprüche 46 bis 61 als Katalysator für chemische Reaktionen.

81. Verwendung eines funktionalisierten Trägers nach einem der Ansprüche 1 bis 45 oder eines Funktionselementes nach ei- nem der Ansprüche 46 bis 61 zur Synthese organischer Verbindungen.

82. Verwendung nach Anspruch 81, wobei die organischen Verbindungen Nucleinsäuren, Proteine oder Polymere sind.

83. Verwendung eines funktionalisierten Trägers nach einem der Ansprüche 1 bis 45 oder eines Funktionselementes nach Anspruch 62 als Elektronikbaustein in einem Biocomputer.

84. Verwendung eines funktionalisierten Trägers nach einem der Ansprüche 1 bis 45 oder eines Funktionselementes nach einem der Ansprüche 59 bis 61 zur Abtrennung von Verbindun- gen aus Flüssigkeiten und/oder zur Reinigung von Flüssigkeiten.