INB - Institut für Nano- und Biotechnologien
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Characterisation of polymeric materials as passivation layer for calorimetric H2O2 gas sensors
(2012)
Calorimetric gas sensors for monitoring the H₂O₂ concentration at elevated temperatures in industrial sterilisation processes have been presented in previous works. These sensors are built up in form of a differential set-up of a catalytically active and passive temperature-sensitive structure. Although, various types of catalytically active dispersions have been studied, the passivation layer has to be established and therefore, chemically as well as physically characterised. In the present work, fluorinated ethylene propylene (FEP), perfluoralkoxy (PFA) and epoxy-based SU-8 photoresist as temperature-stable polymeric materials have been investigated for sensor passivation in terms of their chemical inertness against H₂O₂, their hygroscopic properties as well as their morphology. The polymeric materials were deposited via spin-coating on the temperature-sensitive structure, wherein spin-coated FEP and PFA show slight agglomerates. However, they possess a low absorption of humidity due to their hydrophobic surface, whereas the SU-8 layer has a closed surface but shows a slightly higher absorption of water. All of them were inert against gaseous H₂O₂ during the characterisation in H₂O₂ atmosphere that demonstrates their suitability as passivation layer for calorimetric H₂O₂ gas sensors.
Disruption experiments targeted at the Bacillus licheniformis degSU operon and GFP-reporter analysis provided evidence for promoter activity immediately upstream of degU. pMutin mediated concomitant introduction of the degU32 allele – known to cause hypersecretion in Bacillus subtilis – resulted in a marked increase in protease activity. Application of 5-fluorouracil based counterselection through establishment of a phosphoribosyltransferase deficient Δupp strain eventually facilitated the marker-free introduction of degU32 leading to further protease enhancement achieving levels as for hypersecreting wild strains in which degU was overexpressed. Surprisingly, deletion of rapG – known to interfere with DegU DNA-binding in B. subtilis – did not enhance protease production neither in the wild type nor in the degU32 strain. The combination of degU32 and Δupp counterselection in the type strain is not only equally effective as in hypersecreting wild strains with respect to protease production but furthermore facilitates genetic strain improvement aiming at biological containment and effectiveness of biotechnological processes.
A large strain collection comprising antagonistic bacteria was screened for novel detergent proteases. Several strains displayed protease activity on agar plates containing skim milk but were inactive in liquid media. Encapsulation of cells in alginate beads induced protease production. Stenotrophomonas maltophilia emerged as best performer under washing conditions. For identification of wash-active proteases, four extracellular serine proteases called StmPr1, StmPr2, StmPr3 and StmPr4 were cloned. StmPr2 and StmPr4 were sufficiently overexpressed in E. coli. Expression of StmPr1 and StmPr3 resulted in unprocessed, insoluble protein. Truncation of most of the C-terminal domain which has been identified by enzyme modeling succeeded in expression of soluble, active StmPr1 but failed in case of StmPr3.
From laundry application tests StmPr2 turned out to be a highly wash-active protease at 45 °C. Specific activity of StmPr2 determined with suc-l-Ala-l-Ala-l-Pro-l-Phe-p-nitroanilide as the substrate was 17 ± 2 U/mg. In addition we determined the kinetic parameters and cleavage preferences of protease StmPr2.
"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.