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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.
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.
"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.
In vitro studies of the degradation kinetic of biopolymers are essential for the design and optimization of implantable biomedical devices. In the presented work, a field-effect capacitive sensor has been applied for the real-time and in situ monitoring of degradation processes of biopolymers for the first time. The polymer-covered field-effect sensor is, in principle, capable to detect any changes in bulk, surface and interface properties of the polymer induced by degradation processes. The feasibility of this approach has been experimentally proven by using the commercially available biomedical polymer poly(D,L-lactic acid) (PDLLA) as a model system. PDLLA films of different thicknesses were deposited on the Ta₂O₅-gate surface of the field-effect structure from a polymer solution by means of spin-coating method. The polymer-modified field-effect sensors have been characterized by means of capacitance–voltage and impedance-spectroscopy method. The degradation of the PDLLA was accelerated by changing the degradation medium from neutral (pH 7.2) to alkaline (pH 9) condition, resulting in drastic changes in the capacitance and impedance spectra of the polymer-modified field-effect sensor.
Two types of microvalves based on temperature-responsive poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm) and pH-responsive poly(sodium acrylate) (PSA) hydrogel films have been developed and tested. The PNIPAAm and PSA hydrogel films were prepared by means of in situ photopolymerization directly inside the fluidic channel of a microfluidic chip fabricated by combining Si and SU-8 technologies. The swelling/shrinking properties and height changes of the PNIPAAm and PSA films inside the fluidic channel were studied at temperatures of deionized water from 14 to 36 °C and different pH values (pH 3–12) of Titrisol buffer, respectively. Additionally, in separate experiments, the lower critical solution temperature (LCST) of the PNIPAAm hydrogel was investigated by means of a differential scanning calorimetry (DSC) and a surface plasmon resonance (SPR) method. Mass-flow measurements have shown the feasibility of the prepared hydrogel films to work as an on-chip integrated temperature- or pH-responsive microvalve capable to switch the flow channel on/off.
One-chip integrated dual amperometric/field-effect sensor for the detection of dissolved hydrogen
(2011)
The integration of nanostructured films containing biomolecules and silicon-based technologies is a promising direction for reaching miniaturized biosensors that exhibit high sensitivity and selectivity. A challenge, however, is to avoid cross talk among sensing units in an array with multiple sensors located on a small area. In this letter, we describe an array of 16 sensing units of a light-addressable potentiometric sensor (LAPS), which was made with layer-by-layer (LbL) films of a poly(amidomine) dendrimer (PAMAM) and single-walled carbon nanotubes (SWNTs), coated with a layer of the enzyme penicillinase. A visual inspection of the data from constant-current measurements with liquid samples containing distinct concentrations of penicillin, glucose, or a buffer indicated a possible cross talk between units that contained penicillinase and those that did not. With the use of multidimensional data projection techniques, normally employed in information visualization methods, we managed to distinguish the results from the modified LAPS, even in cases where the units were adjacent to each other. Furthermore, the plots generated with the interactive document map (IDMAP) projection technique enabled the distinction of the different concentrations of penicillin, from 5 mmol L−1 down to 0.5 mmol L−1. Data visualization also confirmed the enhanced performance of the sensing units containing carbon nanotubes, consistent with the analysis of results for LAPS sensors. The use of visual analytics, as with projection methods, may be essential to handle a large amount of data generated in multiple sensor arrays to achieve high performance in miniaturized systems
Es wurde ein automatisiertes, computerunterstütztes Testsystem für die Funktionsprüfung und Charakterisierung von (bio-)chemischen Sensoren auf Waferebene entwickelt und in einen konventionellen Spitzenmessplatz integriert. Das System ermöglicht die Charakterisierung und Identifizierung „funktionstauglicher“ Sensoren bereits auf Waferebene zwischen den einzelnen Herstellungsschritten, wodurch weitere, bisher übliche Verarbeitungsschritte wie das Fixieren, Bonden und Verkapseln für die defekten oder nicht funktionstauglichen Sensorstrukturen entfällt. Außerdem bietet eine speziell entworfene miniaturisierte Durchflussmesszelle die Möglichkeit, bereits auf Waferlevel die Sensitivität, Drift, Hysterese und Ansprechzeit der (bio-)chemischen Sensoren zu charakterisieren. Das System wurde exemplarisch mit kapazitiven, pH-sensitiven EIS- (Elektrolyt-Isolator-Silizium) Strukturen und ISFET- (ionensensitiver Feldeffekttransistor) Strukturen mit verschiedenen Geometrien und Gate-Layouts getestet.
In diesem Beitrag werden Ergebnisse der Entwicklung eines modularen festkörperbasierten Sensorsystems für die Überwachung von Zellkulturfermentationen präsentiert. Zur Messung der Elektrolytleitfähigkeit wurde das Layout von Interdigitalelektroden angepasst, um in vergleichsweise gut leitenden Elektrolyten zu messen. Durch Quervernetzung von Glucose-Oxidase mit Glutaraldehyd und Immobilisierung auf einer Platinelektrode wurde ein amperometrischer Glucosesensor mit einem linearen Messbereich von bis zu 2 mM und einer Sensitivität von 168 nA/mM realisiert.