23.07.2010
Charakterisierung von Microarrays durch Anwendung physikalischer Methoden der chemischen Oberflächenanalytik
Paul M. Dietrich , Wolfgang E. S. Unger, BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung
Microarrays haben in den letzten Jahren einen enormen wissenschaftlichen Fortschritt ermöglicht, zum Beispiel in der Genomforschung, der klinischen Diagnostik und der Pharmakogolgie. Daher zählen sie mit zu den am schnellsten wachsenden Bereichen der biomedizinischen Forschung. Für zukünftige Anwendungen in der Diagnostik muss diese Technologieplattform jedoch ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Reproduzierbarkeit aufweisen, um die geforderten Standards erfüllen zu können, die für eine klinische Zulassung notwendig sind.
Trotz der vielen Bemühungen, die Qualität und Leistung von Microarrays zu verbessern, ist eine ausführliche chemische Charakterisierung der modifizierten Trägermaterialien, die den Ausgangspunkt eines jeden Microarrays bilden, bislang nur sehr selten in Betracht gezogen worden. Jedoch ist die Kontrolle bestimmter Parameter, wie Art, Dichte und Verteilung der jeweiligen Funktionalgruppen bzw. Sondenmoleküle an der Oberfläche der Microarrays von grundlegender Bedeutung für die Immobilisierung der zu untersuchenden Zielanalyten, wie zum Beispiel DNA, Proteine, Antikörper und Zucker.
Die chemische Oberflächenanalytik an Microarray-Substraten mit bildgebenden Methoden wie der Photoelektronenspektroskopie (XPS, ESCA) kann direkte Informationen zur atomaren Zusammensetzung sowie der chemischen Bindungssituation an der Oberfläche und inneren Grenzflächen liefern. Die Sekundärionen-Flugzeitmassenspektrometrie (ToF-SIMS) liefert spezifische molekulare Fragmentmuster, die analytisch mit den gleichen Zielen ausgewertet werden.
Aufgrund der komplementären Natur dieser Analysemethoden sind durch den kombinierten Einsatz von ESCA und ToF-SIMS Aussagen zur elementaren Zusammensetzung sowie zur chemischen Struktur, relativen Dichte und örtlichen Verteilung von relevanten Funktionalgruppen in den Spots oder Patches auf den Arrays möglich. Ortsaufgelöste, das heißt bildgebende Untersuchungen von Microarrays mit XPS und ToF-SIMS, erlauben grundsätzlich auch die markerfreie, chemische Einzelspotabbildung vor und nach Immobilisierungen von Analyten mit hoher Empfindlichkeit und einem oft deutlich besseren Signal-Rausch-Verhältnis als bei der Standarddetektion mit Fluoreszenzverfahren.