Hart und weich: biofunktionalisierter Diamant

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    06-Jun-2016

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  • Funktionalisierung von DiamantDOI: 10.1002/ange.200602509

    Hart und weich: biofunktionalisierter Diamant**Anke Krger*

    Professor Henning Hopfzum 65. Geburtstag gewidmet

    Stichwrter:Diamant DNA Dnne Filme Nanostrukturen Oberfl!chenchemie

    Die Funktionalisierung von Halblei-ter- und Kohlenstoffmaterialien hat sichin den letzten Jahren zu einem aktivenForschungsgebiet im Grenzbereich zwi-schen organischer Chemie und Materi-alwissenschaften entwickelt. So wurdenauch zahlreiche Arbeiten zur Oberfl"-chenmodifizierung von Diamant publi-ziert, der unter anderem wegen seinerDotierbarkeit und Biokompatibilit"tsowie seiner mechanischen und chemi-schen Stabilit"t ein interessantes Mate-rial f'r viele Anwendungen darstellt.

    Diamantmaterialien lassen sich mitverschiedenen etablierten Technikenherstellen.[1] Dabei sind sowohl Verfah-ren zur Erzeugung ein- und polykristal-liner Diamantfilme als auch Synthese-methoden f'r nano- und mikroskopi-sche Diamantpartikel bekannt. In Ab-h"ngigkeit vom angewendeten Verfah-ren weisen diese Materialienunterschiedliche Oberfl"cheneigen-schaften auf. Hydrierte Diamantfilmesind beispielsweise stark hydrophob,und die unspezifische Adsorption pola-rer Biomolek'le wird weitgehend ver-mieden.[2] Dagegen eignet sich mit po-laren, sauerstoffhaltigen Gruppen be-legter Diamant zur Adsorption von Po-ly-l-lysin, Enzymen oder Antik2rpern.Diese nichtkovalent modifizierten Dia-mantmaterialien werden hinsichtlichihres Einsatzes als Sensormaterialienund f'r andere biologisch-medizinischeAnwendungen untersucht.[3] Das Vor-

    liegen funktioneller Gruppen auf derDiamantoberfl"che erm2glicht auch diekovalente Ankn'pfung verschiedenerReste. Je nach urspr'nglicher Belegungder Diamantoberfl"che werden ver-schiedene Strategien wie die Anbindung'ber Ester- und Amidgruppen, Silan-linker und die direkte C-C-Verkn'pfungverfolgt. Sowohl hydrierte, fluorierte,carboxylierte als auch hydroxylierteDiamantoberfl"chen wurden bisherfunktionalisiert.[4]

    Dabei zielen viele Arbeiten auf dasAufbringen biologisch aktiver Einheitenwie DNA-Oligonucleotide, Peptide,Enzyme oder Antik2rper.[5] Unter an-derem ist der Einsatz in Bioassays undLab-on-a-chip-Anwendungen oderzur Fluoreszenzmarkierung von Wirk-stoffen geplant.[6] Dabei macht man sichneuerdings die inh"rente Fluoreszenzdefekthaltigen Diamants zunutze: N-V-Zentren, die durch isolierte Stickstoff-defekte im Diamantgitter gekennzeich-net sind, weisen eine charakteristischeFluoreszenz im roten Spektralbereichauf,[7] die sich f'r fluoreszenzmikrosko-pische Untersuchungen auch an leben-den Zellen eignet.[8] Vorteilhaft bei ei-ner derartigen Markierung sind nebender g'nstigen Emissionswellenl"ngeauch die Emissionsstabilit"t und dieBiokompatibilit"t des Materials.

    Die kovalente Anbindung vonDNA-Molek'len an Diamant wurdevon mehreren Arbeitsgruppen be-schrieben. Takahashi et al. verwendetenterminale Carboxygruppen, die 'bereine Amidbindung mit den DNA-Mo-lek'len verkn'pft werden.[9] Ando et al.beschrieben die Anbindung 'ber durchEsterbr'cken immobilisierte Thymidin-reste.[10] Eine sehr viel stabilere Kupp-lung kann durch eine C-C-Bindung er-reicht werden. Hamers et al. stellten ei-ne sehr flexible Technik vor, die von

    hydrierten Diamantfilmen ausgeht.[11]

    Durch eine photochemische Umsetzungmit der endst"ndigen Vinylgruppe einerdifunktionellen Verbindung wird dieOberfl"che mit dem organischen Restverkn'pft. Durch Entsch'tzen der ter-minalen Aminogruppe und anschlie-ende Umsetzung mit SSMCC werdendie Reste f'r die DNA-Anbindung vor-bereitet. Die Verkn'pfung erfolgt danndurch die Reaktion mit thiolmodifizier-ter DNA (Schema 1).

    Hber die mikroskopische Untersu-chung der Oberfl"chenstruktur derartigDNA-modifizierter Diamantoberfl"-chen berichteten k'rzlich Nebel et al.[12]

    Die Autoren konnten mit den oben be-schriebenen Methoden eine kontinuier-liche, kovalent gebundene DNA-Schichtauf der Oberfl"che eines strukturierthydrierten (100)-Diamantfilms aufbrin-gen. Die anschlieende Umsetzung mitfluoreszenzmarkierten komplement"-ren Oligonucleotiden lieferte dannDiamantfilme, deren Oberfl"chen-struktur mithilfe von Fluoreszenzmi-kroskopie charakterisiert wurde. Dabeizeigte sich, dass die anfangs hydriertenBereiche eine starke Fluoreszenz auf-wiesen, w"hrend oxidierte Bereiche ei-ne geringe Signalintensit"t zeigten (nurunspezifische Adsorption).

    Die Morphologie der Oberfl"chewurde mit kraftmikroskopischen Me-thoden untersucht. Dabei blieb durchdie Messung in einer Pufferl2sung dienat'rliche Konformation der DNA-Molek'le erhalten. Neben dem Nach-weis der kovalenten Anbindung derDNA-Molek'le durch Kraftmessungen(Abbildung 1) wurden auch Informa-tionen 'ber die Anordnung und Dickeder DNA-Schicht gewonnen. Die Mo-lek'le bilden einen 76 I dicken, loch-freien Film und sind in einem Winkelvon ca. 368 relativ zur Diamantoberfl"-

    [*] Dr. A. KrgerOtto-Diels-Institut fr Organische ChemieChristian-Albrechts-Universit!t zu KielOtto-Hahn-Platz 324098 Kiel (Deutschland)Fax: (+49)431-880-1558E-Mail : akrueger@oc.uni-kiel.de

    [**] A.K. dankt dem Fonds der ChemischenIndustrie fr ein Liebig-Stipendium.

    Highlights

    6578 2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim Angew. Chem. 2006, 118, 6578 6579

  • che angeordnet. Damit gelang den Au-toren erstmals die mikroskopischeCharakterisierung eines biofunktionali-sierten Diamantfilms, was besonders imHinblick auf die Entwicklung von Sen-soren auf Diamantbasis von groer Be-deutung ist, da nur eine etablierteAnalytik die vollst"ndige Belegung derOberfl"che und die korrekte Orientie-rung der angebundenen Molek'le si-cherstellen kann.

    Neben den bereits erw"hnten Sen-soren kommen f'r derart funktionali-sierte Diamantmaterialien auch An-wendungen in der kontrollierten Wirk-stoff-Freisetzung sowie in der Fluores-zenzdiagnostik infrage. Ob Diamant

    andere Materialien wie Gold, Silicium-dioxid und Quantenpunkte in diesenGebieten abl2sen wird, bleibt abzuwar-ten. Eine interessante Alternative undErweiterung des Repertoires stelltfunktionalisierter Diamant aber fraglosdar.

    Online ver2ffentlicht am 4. September 2006

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    Abbildung 1. a) Untersuchung der Bindungsst!rke mithilfe einer Kraftmikroskopspitze (schema-tisch). b) Kraftabh!ngiges Entfernen der DNA-Schicht durch Kratzen mit der Mikroskopspitze.(Wiedergabe mit freundlicher Genehmigung aus Lit. [12])

    Schema 1. Funktionalisierung einer Diamantoberfl!che mit DNA-Oligonucleotiden.SSMMC=Sulfosuccinimidyl-4-(maleimidomethyl)cyclohexan-1-carboxylat.

    AngewandteChemie

    6579Angew. Chem. 2006, 118, 6578 6579 2006 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim www.angewandte.de

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