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Electrolyte-insulator-semiconductor (EIS) field-effect sensors belong to a new generation of electronic chips for biochemical sensing, enabling a direct electronic readout. The review gives an overview on recent advances and current trends in the research and development of chemical sensors and biosensors based on the capacitive field-effect EIS structure—the simplest field-effect device, which represents a biochemically sensitive capacitor. Fundamental concepts, physicochemical phenomena underlying the transduction mechanism and application of capacitive EIS sensors for the detection of pH, ion concentrations, and enzymatic reactions, as well as the label-free detection of charged molecules (nucleic acids, proteins, and polyelectrolytes) and nanoparticles, are presented and discussed.
LAPS-based monitoring of metabolic responses of bacterial cultures in a paper fermentation broth
(2020)
As an alternative renewable energy source, methane production in biogas plants is gaining more and more attention. Biomass in a bioreactor contains different types of microorganisms, which should be considered in terms of process-stability control. Metabolically inactive microorganisms within the fermentation process can lead to undesirable, time-consuming and cost-intensive interventions. Hence, monitoring of the cellular metabolism of bacterial populations in a fermentation broth is crucial to improve the biogas production, operation efficiency, and sustainability. In this work, the extracellular acidification of bacteria in a paper-fermentation broth is monitored after glucose uptake, utilizing a differential light-addressable potentiometric sensor (LAPS) system. The LAPS system is loaded with three different model microorganisms (Escherichia coli, Corynebacterium glutamicum, and Lactobacillus brevis) and the effect of the fermentation broth at different process stages on the metabolism of these bacteria is studied. In this way, different signal patterns related to the metabolic response of microorganisms can be identified. By means of calibration curves after glucose uptake, the overall extracellular acidification of bacterial populations within the fermentation process can be evaluated.
Transport through Redox-Active Ru-Terpyridine Complexes Integrated in Single Nanoparticle Devices
(2020)
Transition metal complexes are electrofunctional molecules due to their high conductivity and their intrinsic switching ability involving a metal-to-ligand charge transfer. Here, a method is presented to contact reliably a few to single redox-active Ru-terpyridine complexes in a CMOS compatible nanodevice and preserve their electrical functionality. Using hybrid materials from 14 nm gold nanoparticles (AuNP) and bis-{4′-[4-(mercaptophenyl)-2,2′:6′,2″-terpyridine]}-ruthenium(II) complexes a device size of 30² nm² inclusive nanoelectrodes is achieved. Moreover, this method bears the opportunity for further downscaling. The Ru-complex AuNP devices show symmetric and asymmetric current versus voltage curves with a hysteretic characteristic in two well separated conductance ranges. By theoretical approximations based on the single-channel Landauer model, the charge transport through the formed double-barrier tunnel junction is thoroughly analyzed and its sensibility to the molecule/metal contact is revealed. It can be verified that tunneling transport through the HOMO is the main transport mechanism while decoherent hopping transport is present to a minor extent.
Within the present work a sterilization process by a heated gas mixture that contains hydrogen peroxide (H₂O₂) is validated by experiments and numerical modeling techniques. The operational parameters that affect the sterilization efficacy are described alongside the two modes of sterilization: gaseous and condensed H₂O₂. Measurements with a previously developed H₂O₂ gas sensor are carried out to validate the applied H₂O₂ gas concentration during sterilization. We performed microbiological tests at different H₂O₂ gas concentrations by applying an end-point method to carrier strips, which contain different inoculation loads of Geobacillus stearothermophilus spores. The analysis of the sterilization process of a pharmaceutical glass vial is performed by numerical modeling. The numerical model combines heat- and advection-diffusion mass transfer with vapor–pressure equations to predict the location of condensate formation and the concentration of H₂O₂ at the packaging surfaces by changing the gas temperature. For a sterilization process of 0.7 s, a H₂O₂ gas concentration above 4% v/v is required to reach a log-count reduction above six. The numerical results showed the location of H₂O₂ condensate formation, which decreases with increasing sterilant-gas temperature. The model can be transferred to different gas nozzle- and packaging geometries to assure the absence of H₂O₂ residues.
α-hydroxy ketones (HK) and 1,2-diols are important building blocks for fine chemical synthesis. Here, we describe the R-selective 2,3-butanediol dehydrogenase from B. clausii DSM 8716ᵀ (BcBDH) that belongs to the metal-dependent medium chain dehydrogenases/reductases family (MDR) and catalyzes the selective asymmetric reduction of prochiral 1,2-diketones to the corresponding HK and, in some cases, the reduction of the same to the corresponding 1,2-diols. Aliphatic diketones, like 2,3-pentanedione, 2,3-hexanedione, 5-methyl-2,3-hexanedione, 3,4-hexanedione and 2,3-heptanedione are well transformed. In addition, surprisingly alkyl phenyl dicarbonyls, like 2-hydroxy-1-phenylpropan-1-one and phenylglyoxal are accepted, whereas their derivatives with two phenyl groups are not substrates. Supplementation of Mn²⁺ (1 mM) increases BcBDH's activity in biotransformations. Furthermore, the biocatalytic reduction of 5-methyl-2,3-hexanedione to mainly 5-methyl-3-hydroxy-2-hexanone with only small amounts of 5-methyl-2-hydroxy-3-hexanone within an enzyme membrane reactor is demonstrated.
In this review article, we are going to present an overview on possible applications of light-addressable electrodes (LAE) as actuator/manipulation devices besides classical electrode structures. For LAEs, the electrode material consists of a semiconductor. Illumination with a light source with the appropiate wavelength leads to the generation of electron-hole pairs which can be utilized for further photoelectrochemical reaction. Due to recent progress in light-projection technologies, highly dynamic and flexible illumination patterns can be generated, opening new possibilities for light-addressable electrodes. A short introduction on semiconductor–electrolyte interfaces with light stimulation is given together with electrode-design approaches. Towards applications, the stimulation of cells with different electrode materials and fabrication designs is explained, followed by analyte-manipulation strategies and spatially resolved photoelectrochemical deposition of different material types.
Die qualitative und quantitative Detektion von Zielsubstanzen innerhalb einer wässrigen Probe ist für viele Fragestellungen von Interesse, etwa bei der Detektion von Kontaminationen in Trinkwasser in Krisensituationen. Hierbei ist es nicht nur wichtig, dass Pathogene möglichst sensitiv detektiert werden können, sondern auch, dass die Analyse schnell erfolgt, um Betroffenen im Katastrophenfall zügig sicheres Trinkwasser zu Verfügung stellen zu können. Da bei einem solchen Szenario nicht von einer in der Nähe befindlichen funktionierenden Laborinfrastruktur ausgegangen werden kann, ist es wichtig, dass die Messung direkt vor Ort erfolgen kann. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, ob eine derartige Schnellanalytik mithilfe von superparamagnetischen Beads (MBs) und der magnetischen Frequenzmischtechnik möglich ist. Dabei werden die MBs mit Hilfe von primären Antikörpern an die Zielsubstanz gebunden und mit sekundären Antikörpern an die Poren-Oberfläche eines Polyethylen-Filters fixiert (Sandwich-Immunoassay). So kann die Quantifizierung der Zielsubstanz auf eine magnetische Messung der immobilisierten MB-Marker zurückgeführt werden. Die magnetische Frequenzmischtechnik basiert auf der Anregung der Probe mit Magnetfeldern zweier verschiedener Frequenzen. Die durch die nichtlineare Magnetisierungsform der superparamagnetischen MBs entstehenden Mischfrequenzen werden typischerweise mithilfe einer zweistufigen Lock-in-Detektion analysiert (analoge Demodulation), die in einem Magnetreader als Handheldgerät realisiert wurde. Zusätzlich zu dieser Technik wurde das Prinzip der direkten Digitalisierung des gesamten Antwortsignals mit anschließender Fourier-Analyse der erzeugten Mischfrequenzen experimentell umgesetzt, um die Amplituden und Phasen mehrerer Mischfrequenzen simultan zu erfassen. Eine Möglichkeit zur Sensitivitätssteigerung ist die magnetische Aufkonzentration, indem vor der magnetischen Analyse eine Separation der MBs aus einem größeren Probenvolumen mittels magnetischem Feldgradienten durchgeführt wird. Zur Charakterisierung verschiedener kommerzieller MBs hinsichtlich ihrer magnetischen Separierbarkeit wurde ein Aufbau zur Messung ihrer magnetophoretischen Beweglichkeiten realisiert und ihre Geschwindigkeiten im Gradientenfeld mikroskopisch gemessen.Da eine Probe oftmals nicht nur auf eine einzige Zielsubstanz, sondern simultan auf mehrere verschiedene Pathogene hin untersucht werden soll, wurden verschiedene Ansätze entwickelt und getestet, die einen solchen multiparametrischen magnetischen Immunoassay ermöglichen. Einerseits wurde eine räumliche Separation der Bindungsbereiche für verschiedene Zielsubstanzen realisiert, die sequentiell ausgewertet werden können. Andererseits wurde die Unterscheidung von verschiedenen Zielsubstanzen anhand der Charakteristika der an sie gebundenen, verschieden funktionalisierten MB-Typen untersucht. Für eine solche Unterscheidung wurde zum einen die Anregefrequenz der magnetischen Frequenzmischtechnik während einer Messung variiert. Damit konnte gezeigt werden, dass sich verschiedene MB-Sorten anhand der Phase ihrer Frequenzmischsignale voneinander unterscheiden lassen. Weiterhin wurde gezeigt, dass sich der Signalverlauf einer binären Mischung zweier verschiedener MB-Typen als gradueller Übergang der Verläufe der beiden reinen MB-Lösungen ergibt. Eine weitere Analysemethode für einen multiparametrischen Immunoassay besteht darin, ein zusätzliches einstellbares statisches magnetisches Offsetfeld zu verwenden. Hierfür wurden mehrere Aufbauten auf Basis von Permanent- und Elektromagneten simuliert, konstruiert und charakterisiert. Mithilfe von Simulationen konnte gezeigt werden, dass eine auf diesem Verfahren beruhende Unterscheidung für MBs mit unterschiedlichen magnetischen Partikelmomenten möglich ist. Als direkte Anwendung des hier entwickelten Magnetreaders in Zusammenspiel mit der digitalen Demodulation wurde ein magnetischer Assay gegen die B-Untereinheit des Choleratoxins in Trinkwasser mit einem niedrigen Detektionslimit von 0,2 ng/ml demonstriert.