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This work describes the novel combination of the light-addressable electrode (LAE) and the light-addressable potentiometric sensor (LAPS) into a microsystem set-up. Both the LAE as well as the LAPS shares the principle of addressing the active spot by means of a light beam. This enables both systems to manipulate resp. to detect an analyte with a high spatial resolution. Hence, combining both principles into a single set-up enables the active stimulation e.g., by means of electrolysis and a simultaneous observation e.g., the response of an entrapped biological cell by detection of extracellular pH changes. The work will describe the principles of both technologies and the necessary steps to integrate them into a single set-up. Furthermore, examples of application and operation of such systems will be presented.
Field-effect capacitive electrolyte-insulator-semiconductor (EIS) sensors functionalised with citrate-capped gold nanoparticles (AuNP) have been used for the electrostatic detection of macromolecules by their intrinsic molecular charge. The EIS sensor detects the charge changes in the AuNP/macromolecule hybrids induced by the adsorption or binding events. A feasibility of the proposed detection scheme has been exemplary demonstrated by realising EIS sensors for the detection of poly-D-lysine molecules.
Real-time and reliable monitoring of the biogas process is crucial for a stable and efficient operation of biogas production in order to avoid digester breakdowns. The concentration of dissolved hydrogen (H₂) represents one of the key parameters for biogas process control. In this work, a one-chip integrated combined amperometric/field-effect sensor for monitoring the dissolved H₂ concentration has been developed for biogas applications. The combination of two different transducer principles might allow a more accurate and reliable measurement of dissolved H₂ as an early warning indicator of digester failures. The feasibility of the approach has been demonstrated by simultaneous amperometric/field-effect measurements of dissolved H₂ concentrations in electrolyte solutions. Both, the amperometric and the field-effect transducer show a linear response behaviour in the H₂ concentration range from 0.1 to 3% (v/v) with a slope of 198.4 ± 13.7 nA/% (v/v) and 14.9 ± 0.5 mV/% (v/v), respectively.
Determination of the frictional coefficient of the implant-antler interface : experimental approach
(2012)
The similar bone structure of reindeer antler to human bone permits studying the osseointegration of dental implants in the jawbone. As the friction is one of the major factors that have a significant influence on the initial stability of immediately loaded dental implants, it is essential to define the frictional coefficient of the implant-antler interface. In this study, the kinetic frictional forces at the implant-antler interface were measured experimentally using an optomechanical setup and a stepping motor controller under different axial loads and sliding velocities. The corresponding mean values of the static and kinetic frictional coefficients were within the range of 0.5–0.7 and 0.3–0.5, respectively. An increase in the frictional forces with increasing applied axial loads was registered. The measurements showed an evidence of a decrease in the magnitude of the frictional coefficient with increasing sliding velocity. The results of this study provide a considerable assessment to clarify the suitable frictional coefficient to be used in the finite element contact analysis of antler specimens.
Temperature-dependent ranges of coexistence in a model of a two-prey-one-predator microbial food web
(2012)
The objective of our study was to analyze the effects of temperature on the population dynamics of a three-species food web consisting of two prey bacteria (Pedobacter sp. and Acinetobacter johnsonii) and a protozoan predator (Tetrahymena pyriformis) as model organisms. We assessed the effects of temperature on the growth rates of all three species with the objective of developing a model with four differential equations based on the experimental data. The following hypotheses were tested at a theoretical level: Firstly, temperature changes can affect the dynamic behavior of a system by temperature-dependent parameters and interactions and secondly, food web response to temperature cannot be derived from the single species temperature response. The main outcome of the study is that temperature changes affect the parameter range where coexistence is possible within all three species. This has significant consequences on our ideas regarding the evaluation of effects of global warming.
"Biologie trifft Mikroelektronik", das Motto des Instituts für Nano- und Biotechnologien (INB) an der FH Aachen, unterstreicht die zunehmende Bedeutung interdisziplinär geprägter Forschungsaktivitäten. Der thematische Zusammenschluss grundständiger Disziplinen, wie die Physik, Elektrotechnik, Chemie, Biologie sowie die Materialwissenschaften, lässt neue Forschungsgebiete entstehen, ein herausragendes Beispiel hierfür ist die Nanotechnologie: Hier werden neue Werkstoffe und Materialien entwickelt, einzelne Nanopartikel oder Moleküle und deren Wechselwirkung untersucht oder Schichtstrukturen im Nanometerbereich aufgebaut, die neue und vorher nicht bekannte Eigenschaften hervorbringen.
Vor diesem Hintergrund bündelt das im Jahre 2006 gegründete INB die an der FH Aachen vorhandenen Kompetenzen von derzeit insgesamt sieben Laboratorien auf den Gebieten der Halbleitertechnik und Nanoelektronik, Nanostrukturen und DNA-Sensorik, der Chemo- und Biosensorik, der Enzymtechnologie, der Mikrobiologie und Pflanzenbiotechnologie, der Zellkulturtechnik, sowie der Roten Biotechnologie synergetisch. In der Nano- und Biotechnologie steckt außergewöhnliches Potenzial! Nicht zuletzt deshalb stellen sich die Forscher der Herausforderung, in diesem Bereich gemeinsam zu forschen und Schnittstellen zu nutzen, um so bei der Gestaltung neuartiger Ideen und Produkte mitzuwirken, die zukünftig unser alltägliches Leben verändern werden.
Im Folgenden werden die verschiedenen Forschungsbereiche kurz zusammenfassend vorgestellt und vorhandene Interaktionen anhand von exemplarisch ausgewählten, aktuellen Forschungsprojekten skizziert.
Die Detektion von Schadstoffen repräsentiert in der Umweltanalytik eine wichtige Aufgabenstellung. Gerade die Abwasser- bzw. Brauchwasseranalytik sowie die Prozesskontrolle haben einen hohen Stellenwert. Siliziumbasierte Dünnschichtsensoren bieten eine kostengünstige Möglichkeit, „online“-Messungen bzw. Vor-Ort-Messungen zeitnah durchzuführen. In dieser Arbeit wird ein potentiometrisches Sensorarray auf der Basis von Chalkogenidgläsern zur Detektion von Schwermetallen in wässrigen Medien vorgestellt.
Agil ist im Trend und immer mehr Unternehmen, die ihre Projekte bisher nach klassischen Prinzipien durchführten, denken über den Einsatz agiler Methoden nach. Doch selbst wenn die Organisation bereits beide Philosophien unterstützt, gilt für ein Projekt meist die klare Vorgabe: agil oder klassisch. Es gibt aber noch einen anderen Ansatz, mit diesen "unterschiedlichen Welten" umzugehen: Und zwar die beiden Philosophien innerhalb eines Projekts zu kombinieren. Wie dies in der Praxis aussehen und gelingen kann, zeigen Dr. Michael Kirchhof und Prof. Dr. Bodo Kraft in diesem Beitrag.