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Functional testing and characterisation of ISFETs on wafer level by means of a micro-droplet cell
(2006)
A wafer-level functionality testing and characterisation system for ISFETs (ionsensitive field-effect transistor) is realised by means of integration of a specifically designed capillary electrochemical micro-droplet cell into a commercial wafer prober-station. The developed system allows the identification and selection of “good” ISFETs at the earliest stage and to avoid expensive bonding, encapsulation and packaging processes for nonfunctioning ISFETs and thus, to decrease costs, which are wasted for bad dies. The developed system is also feasible for wafer-level characterisation of ISFETs in terms of sensitivity, hysteresis and response time. Additionally, the system might be also utilised for wafer-level testing of further electrochemical sensors.
A new and simple method for nanostructuring using conventional photolithography and layer expansion or pattern-size reduction technique is presented, which can further be applied for the fabrication of different nanostructures and nano-devices. The method is based on the conversion of a photolithographically patterned metal layer to a metal-oxide mask with improved pattern-size resolution using thermal oxidation. With this technique, the pattern size can be scaled down to several nanometer dimensions. The proposed method is experimentally demonstrated by preparing nanostructures with different configurations and layouts, like circles, rectangles, trapezoids, “fluidic-channel”-, “cantilever”- and meander-type structures.
In this paper, methods of surface modification of different supports, i.e. glass and polymeric beads for enzyme immobilisation are described. The developed method of enzyme immobilisation is based on Schiff’s base formation between the amino groups on the enzyme surface and the aldehyde groups on the chemically modified surface of the supports. The surface of silicon modified by APTS and GOPS with immobilised enzyme was characterised by atomic force microscopy (AFM), time-of-flight secondary ion mass spectroscopy (ToF-SIMS) and infrared spectroscopy (FTIR). The supports with immobilised enzyme (urease) were also tested in combination with microreactors fabricated in silicon and Perspex, operating in a flow-through system. For microreactors filled with urease immobilised on glass beads (Sigma) and on polymeric beads (PAN), a very high and stable signal (pH change) was obtained. The developed method of urease immobilisation can be stated to be very effective.
In this paper, methods of sample preparation for potentiometric measurement of phenylalanine are presented. Basing on the spectrophotometric measurements of phenylalanine, the concentrations of reagents of the enzymatic reaction (10 mM L-Phe, 0,4 mM NAD+, 2U L-PheDH) were determined. Then, the absorption spectrum of the reaction product, NADH, was monitored (maximum peak at 340 nm). The results obtained by the spectrophotometric method were compared with the results obtained by the colourimetry, using pH indicators. The above-mentioned two methods will be used as references for potentiometric measurements of phenylalanine concentration.
A new functionalization method to modify capacitive electrolyte–insulator–semiconductor (EIS) structures with nanofilms is presented. Layers of polyallylamine hydrochloride (PAH) and graphene oxide (GO) with the compound polyaniline:poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid) (PANI:PAAMPSA) are deposited onto a p-Si/SiO2 chip using the layer-by-layer technique (LbL). Two different enzymes (urease and penicillinase) are separately immobilized on top of a five-bilayer stack of the PAH:GO/PANI:PAAMPSA-modified EIS chip, forming a biosensor for detection of urea and penicillin, respectively. Electrochemical characterization is performed by constant capacitance (ConCap) measurements, and the film morphology is characterized by atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM). An increase in the average sensitivity of the modified biosensors (EIS–nanofilm–enzyme) of around 15% is found in relation to sensors, only carrying the enzyme but without the nanofilm (EIS–enzyme). In this sense, the nanofilm acts as a stable bioreceptor onto the EIS chip improving the output signal in terms of sensitivity and stability.
The absence of a general method for endotoxin removal from liquid interfaces gives an opportunity to find new methods and materials to overcome this gap. Activated nanostructured carbon is a promising material that showed good adsorption properties due to its vast pore network and high surface area. The aim of this study is to find the adsorption rates for a carboneous material produced at different temperatures, as well as to reveal possible differences between the performance of the material for each of the adsorbates used during the study (hemoglobin, serum albumin and lipopolysaccharide, LPS).
An H2O2 sensor for the application in industrial sterilisation processes has been developed. Therefore, automated sterilisation equipment at laboratory scale has been constructed using parts from industrial sterilisation facilities. In addition, a software tool has been developed for the control of the sterilisation equipment at laboratory scale. First measurements with the developed sensor set-up as part of the sterilisation equipment have been performed and the sensor has been physically characterised by optical microscopy and SEM.
Der konstruktive Entwurf wird in derzeitigen CAD-Systemen gut unterstützt, nicht aber der konzeptuelle Gebäude-Entwurf. Dieser abstrahiert von konstruktiven Elementen wie Linie, Wand oder Decke, um auf die Konzepte, d.h. die eigentlichen Funktionen, heraus zu arbeiten. Diese abstraktere, funktionale Sichtweise auf ein Gebäude ist während der frühen Entwurfsphase essentiell, um Struktur und Organisation des gesamten Gebäudes zu erfassen. Bereits in dieser Phase muss Fachwissen (z. B. rechtliche, ökonomische und technische Bestimmungen) berücksichtigt werden. Im Rahmen des vorliegenden Projekts werden Software-Werkzeuge integriert in industrielle CAD-Systeme entwickelt, die den konzeptuellen Gebäude-Entwurf ermöglichen und diesen gegen Fachwissen prüfen. Das Projekt ist in zwei Teile gegliedert. Im Top-Down-Ansatz werden Datenstrukturen und Methoden zur Strukturierung, Repräsentation und Evaluation von gebäudespezifischem Fachwissen erarbeitet. Dieser Teil baut auf den graphbasierten Werkzeugen PROGRES und UPGRADE des Lehrstuhls auf. Der Bottom-Up-Ansatz ist industriell orientiert und hat zum Ziel, das kommerzielle CAD-System ArchiCAD zu erweitern. Hierbei soll der frühe, konzeptuelle Gebäude-Entwurf in einem CAD-System ermöglicht werden. Der Entwurf kann darüber hinaus gegen das definierte Fachwissen geprüft werden. Im Rahmen des graphbasierten Top-Down-Ansatzes wurde zunächst eine neue Spezifikationsmethode für die Sprache PROGRES entwickelt. Das PROGRES-System erlaubt die Spezifikation von Werkzeugen in deklarativer Form. Üblicherweise wird domänenspezifisches Fachwissen in der PROGRES-Spezifikation codiert, das daraus generierte visuelle Werkzeug stellt dann die entsprechende Funktionalität zur Verfügung. Mit dieser Methode sind am Lehrstuhl für Informatik III Werkzeuge für verschie-dene Anwendungsdomänen entstanden. In unserem Fall versetzen wir einen Domänen-Experten, z. B. einen erfahrenen Architekten, in die Lage, Fachwissen zur Laufzeit einzugeben, dieses zu evaluieren, abzuändern oder zu ergänzen. Im Rahmen der bisherigen Arbeit wurde dazu eine parametrisierte PROGRES-Spezifikation und zwei darauf aufbauende Werkzeuge entwickelt, welche die dynamische Eingabe von gebäude-technisch relevantem Fachwissen erlauben und einen graphbasierten, konzeptuellen Gebäude-Entwurf ermöglichen. In diesem konzeptuellen Gebäude-Entwurf wird von Raumgrößen und Positionen abstrahiert, um die funktionale Struktur eines Gebäudes zu beschreiben. Das Fachwissen kann von einem Architekten visuell definiert werden. Es können semantische Einheiten, im einfachsten Fall Räume, nach verschiedenen Kriterien kategorisiert und klassifiziert werden. Mit Hilfe von Attributen und Relationen können die semantischen Einheiten präziser beschrieben und in Beziehung zueinander gesetzt werden. Die in PROGRES spezifizierten Konsistenz-Analysen erlauben die Prüfung eines graphbasierten konzeptuellen Gebäude-Entwurfs gegen das dynamisch eingefügte Fachwissen. Im zweiten Teil des Forschungsprojekts, dem Bottom-Up-Ansatz, wird das CAD-System ArchiCAD erweitert, um den integrierten konzeptuellen Gebäude-Entwurf zu ermöglichen. Der Architekt erhält dazu neue Entwurfselemente, die Raumobjekte, welche die relevanten semantischen Einheiten während der frühen Entwurfsphase repräsentieren. Mit Hilfe der Raumobjekte kann der Architekt in ArchiCAD den Grundriss und das Raumprogramm eines Gebäudes entwerfen, ohne von konstruktiven Details in seiner Kreativität eingeschränkt zu werden. Die Arbeitsweise mit Raumobjekten entspricht dem informellen konzeptuellen Entwurf auf einer Papierskizze und ist daher für den Architekten intuitiv und einfach zu verwenden. Durch die Integration in ArchiCAD ergibt sich eine weitere Unterstützung: Das im Top-Down-Ansatz spezifizierte Fach-wissen wird verwendet, um den konzeptuellen Gebäude-Entwurf des Architekten auf Regelverletzungen zu überprüfen. Entwurfsfehler werden angezeigt. Zum Abschluss des konzeptuellen Gebäude-Entwurfs mit Raumobjekten wird durch ein weiteres neu entwickeltes Werkzeug eine initiale Wandstruktur automatisch erzeugt, die als Grundlage für die folgenden konstruktiven Entwurfsphasen dient. Alle beschriebenen Erwei-terungen sind in ArchiCAD integriert, sie sind für den Architekten daher leicht zu erlernen und einfach zu bedienen.
This study addresses a proof-of-concept experiment with a biocompatible screen-printed carbon electrode deposited onto a biocompatible and biodegradable substrate, which is made of fibroin, a protein derived from silk of the Bombyx mori silkworm. To demonstrate the sensor performance, the carbon electrode is functionalized as a glucose biosensor with the enzyme glucose oxidase and encapsulated with a silicone rubber to ensure biocompatibility of the contact wires. The carbon electrode is fabricated by means of thick-film technology including a curing step to solidify the carbon paste. The influence of the curing temperature and curing time on the electrode morphology is analyzed via scanning electron microscopy. The electrochemical characterization of the glucose biosensor is performed by amperometric/voltammetric measurements of different glucose concentrations in phosphate buffer. Herein, systematic studies at applied potentials from 500 to 1200 mV to the carbon working electrode (vs the Ag/AgCl reference electrode) allow to determine the optimal working potential. Additionally, the influence of the curing parameters on the glucose sensitivity is examined over a time period of up to 361 days. The sensor shows a negligible cross-sensitivity toward ascorbic acid, noradrenaline, and adrenaline. The developed biocompatible biosensor is highly promising for future in vivo and epidermal applications.
Miniaturized electrolyte–insulator–semiconductor capacitors (EISCAPs) with ultrathin gate insulators have been studied in terms of their pH-sensitive sensor characteristics: three different EISCAP systems consisting of Al–p-Si–Ta2O5(5 nm), Al–p-Si–Si3N4(1 or 2 nm)–Ta2O5 (5 nm), and Al–p-Si–SiO2(3.6 nm)–Ta2O5(5 nm) layer structures are characterized in buffer solution with different pH values by means of capacitance–voltage and constant capacitance method. The SiO2 and Si3N4 gate insulators are deposited by rapid thermal oxidation and rapid thermal nitridation, respectively, whereas the Ta2O5 film is prepared by atomic layer deposition. All EISCAP systems have a clear pH response, favoring the stacked gate insulators SiO2–Ta2O5 when considering the overall sensor characteristics, while the Si3N4(1 nm)–Ta2O5 stack delivers the largest accumulation capacitance (due to the lower equivalent oxide thickness) and a higher steepness in the slope of the capacitance–voltage curve among the studied stacked gate insulator systems.
Quartz crystal nanobalance (QCN) sensors are considered as powerful masssensitive sensors to determine materials in the sub-nanogram level. In this study, a single piezoelectric quartz crystal nanobalance modified with polystyrene was employed to detect benzene, toluene, ethylbenzene and xylene (BTEX compounds). The frequency shift of the QCN sensor was found to be linear against the BTEX compound concentrations in the range about 1-45 mg l-1. The correlation coefficients for benzene, toluene, ethylbenzene, and xylene were 0.991, 0.9977, 0.9946 and 0.9971, respectively. The principal component analysis was also utilized to process the frequency response data of the single piezoelectric crystal at different times, considering to the different adsorption-desorption dynamics of BTEX compounds. Using principal component analysis, it was found that over 90% of the data variance could still be explained by use of two principal components (PC1 and PC2). Subsequently, the successful identification of benzene and toluene was possible through the principal component analysis of the transient responses of the polystyrene modified QCN sensor. The results showed that the polystyrene-modified QCN had favorable identification and quantification performances for the BTEX compounds.
The sorption of LPS toxic shock by nanoparticles on base of carbonized vegetable raw materials
(2008)
Immobilization of lactobacillus on high temperature carbonizated vegetable raw material (rice husk, grape stones) increases their physiological activity and the quantity of the antibacterial metabolits, that consequently lead to increase of the antagonistic activity of lactobacillus. It is implies that the use of the nanosorbents for the attachment of the probiotical microorganisms are highly perspective for decision the important problems, such as the probiotical preparations delivery to the right address and their attachment to intestines mucosa with the following detoxication of gastro-intestinal tract and the normalization of it’s microecology. Besides that, thus, the received carbonizated nanoparticles have peculiar properties – ability to sorption of LPS toxical shock and, hence, to the detoxication of LPS.
Originalausgabe: Orthopädische Praxis Jg. 47. 2011 H. 11; S. 536-543. Mit freundlicher Genehmigung des Verlags Zusammenfassung: Auf der Basis von Patientenabfragen mittels Fragebogen zum Schmerzempfinden und zur Einschränkung bei Aktivitäten des alltäglichen Lebens wird die Langzeitwirkung der MBST® KernspinResonanz-Therapie bei Gonarthrose untersucht. An der Studie nahmen 39 Patienten teil, bei denen die Therapie bis zu vier Jahre zurückliegt. Neben einer Gesamtbetrachtung wird der Erfolg auch in Abhängigkeit von Alter, Geschlecht und sportlicher Aktivität analysiert. Insgesamt weist die Studie auf eine anhaltende Verbesserung des Gesundheitszustands mit zum Teil deutlicher Schmerzlinderung auch noch nach vier Jahren hin, jedoch mit einer leichten Schmerzzunahme gegen Ende des Untersuchungszeitraums von vier Jahren. Eine tendenziell positivere Wirkung bei Frauen, älteren Menschen oder auch sportlich nicht-aktiven Patienten lässt auf eine mögliche Beeinflussung des Erfolgs der Therapie durch (Über-)Belastung im Alltag schließen. Ein zusätzlich positiver Effekt der Therapie auf die Knochendichte ist ebenfalls denkbar, dies bleibt jedoch offen.
This paper reports a first microbial biosensor for rapid and cost-effective determination of organophosphorus pesticides fenitrothion and EPN. The biosensor consisted of recombinant PNP-degrading/oxidizing bacteria Pseudomonas putida JS444 anchoring and displaying organophosphorus hydrolase (OPH) on its cell surface as biological sensing element and a dissolved oxygen electrode as the transducer. Surfaceexpressed OPH catalyzed the hydrolysis of fenitrothion and EPN to release 3-methyl-4-nitrophenol and p-nitrophenol, respectively, which were oxidized by the enzymatic machinery of Pseudomonas putida JS444 to carbon dioxide while consuming oxygen, which was measured and correlated to the concentration of organophosphates. Under the optimum operating conditions, the biosensor was able to measure as low as 277 ppb of fenitrothion and 1.6 ppm of EPN without interference from phenolic compounds and other commonly used pesticides such as carbamate pesticides, triazine herbicides and organophosphate pesticides without nitrophenyl substituent. The applicability of the biosensor to lake water was also demonstrated.
Im Rahmen von Ermüdungsanalysen ist nachzuweisen, daß die thermisch bedingten fortschreitenden Deformationen begrenzt bleiben. Hierzu ist die Abgrenzung des Shakedown-Bereiches (Einspielen) vom Ratchetting-Bereich (fortschreitende Deformation) von Interesse. Im Rahmen eines EU-geförderten Forschungsvorhabens wurden Experimente mit einem 4-Stab-Modell durchgeführt. Das Experiment bestand aus einem wassergekühlten inneren Rohr und drei isolierten und beheizbaren äußeren Probestäben. Das System wurde durch alternierende Axialkräfte, denen alternierende Temperaturen an den äußeren Stäben überlagert wurden, belastet. Die Versuchsparameter wurden teilweise nach vorausgegangenen Einspielanalysen gewählt. Während der Versuchsdurchführung wurden Temperaturen und Dehnungen zeitabhängig gemessen. Begleitend und nachfolgend zur Versuchsdurchführung wurden die Belastungen und die daraus resultierenden Beanspruchungen nachvollzogen. Bei dieser inkrementellen elasto-plastischen Analyse mit dem Programm ANSYS wurden unterschiedliche Werkstoffmodelle angesetzt. Die Ergebnisse dieser Simulationsberechnung dienen dazu, die Shakedown-Analysen mittels FE-Methode zu verifizieren.
An optimization method is developed to describe the mechanical behaviour of the human cancellous bone. The method is based on a mixture theory. A careful observation of the behaviour of the bone material leads to the hypothesis that the bone density is controlled by the principal stress trajectories (Wolff’s law). The basic idea of the developed method is the coupling of a scalar value via an eigenvalue problem to the principal stress trajectories. On the one hand this theory will permit a prediction of the reaction of the biological bone structure after the implantation of a prosthesis, on the other hand it may be useful in engineering optimization problems. An analytical example shows its efficiency.
An array of 50 MHz quartz microbalances (QMBs) coated with a dendronized polymer was used to detect small amounts of volatile organic compounds (VOCs) in the gas phase. The results were compared to those obtained with the commonly used 10 MHz QMBs. The 50 MHz QMBs proved to be a powerful tool for the detection of VOCs in the gas phase; therefore, they represent a promising alternative to the much more delicate surface acoustic wave devices (SAWs).