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"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.
A multi-spot (4 × 4 spots) light-addressable potentiometric sensor (MLAPS) consisting of an Al–p-Si–SiO2 structure has been applied for the label-free electrical detection of DNA (deoxyribonucleic acid) immobilization and hybridization by the intrinsic molecular charge for the first time. Single-stranded probe ssDNA molecules (20 bases) were covalently immobilized onto the silanized SiO2 gate surface. The unspecific adsorption of mismatch ssDNA on the MLAPS gate surface was blocked by bovine serum albumin molecules. To reduce the screening effect and to achieve a high sensor signal, the measurements were performed in a low ionic-strength solution. The photocurrent–voltage (I–V) curves were simultaneously recorded on all 16 spots after each surface functionalization step. Large shifts of I–V curves of 25 mV were registered after the DNA immobilization and hybridization event. In contrast, a small potential shift (∼5 mV) was observed in case of mismatch ssDNA, revealing good specificity of the sensor. The obtained results demonstrate the potential of the MLAPS as promising transducer platform for the multi-spot label-free electrical detection of DNA molecules by their intrinsic molecular charge.
An array of electrically isolated nanoplate field-effect silicon-on-insulator (SOI) capacitors as a new transducer structure for multiparameter (bio-)chemical sensing is presented. The proposed approach allows addressable biasing and electrical readout of multiple nanoplate field-effect capacitive (bio-)chemical sensors on the same SOI chip, as well as differential-mode measurements. The realized sensor chip has been applied for pH and penicillin concentration measurements, electrical monitoring of polyelectrolyte multilayer formation, and the label-free electrical detection of consecutive deoxyribonucleic acid (DNA) hybridization and denaturation events.
Multi-parameter detection for supporting monitoring and control of biogas processes in agriculture
(2014)