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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.
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.
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 this article, we report on the heat-transfer resistance at interfaces as a novel, denaturation-based method to detect single-nucleotide polymorphisms in DNA. We observed that a molecular brush of double-stranded DNA grafted onto synthetic diamond surfaces does not notably affect the heat-transfer resistance at the solid-to-liquid interface. In contrast to this, molecular brushes of single-stranded DNA cause, surprisingly, a substantially higher heat-transfer resistance and behave like a thermally insulating layer. This effect can be utilized to identify ds-DNA melting temperatures via the switching from low- to high heat-transfer resistance. The melting temperatures identified with this method for different DNA duplexes (29 base pairs without and with built-in mutations) correlate nicely with data calculated by modeling. The method is fast, label-free (without the need for fluorescent or radioactive markers), allows for repetitive measurements, and can also be extended toward array formats. Reference measurements by confocal fluorescence microscopy and impedance spectroscopy confirm that the switching of heat-transfer resistance upon denaturation is indeed related to the thermal on-chip denaturation of DNA.
Light-addressable potentiometric sensors (LAPS) are field-effect-based sensors. A modulated light source is used to define the particular measurement spot to perform spatially resolved measurements of chemical species and to generate chemical images. In this work, an organic-LED (OLED) display has been chosen as a light source. This allows high measurement resolution and miniaturisation of the system. A new developed driving method for the OLED display optimised for LAPS-based measurements is demonstrated. The new method enables to define modulation frequencies between 1 kHz and 16 kHz and hence, reduces the measurement time of a chemical image by a factor of 40 compared to the traditional addressing of an OLED display.
Label-free electrical detection of consecutive deoxyribonucleic acid (DNA) hybridization/denaturation by means of an array of individually addressable field-effect-based nanoplate silicon-on-insulator (SOI) capacitors modified with gold nanoparticles (Au-NP) is investigated. The proposed device detects charge changes on Au-NP/DNA hybrids induced by the hybridization or denaturation event. DNA hybridization was performed in a high ionic-strength solution to provide a high hybridization efficiency. On the other hand, to reduce the screening of the DNA charge by counter ions and to achieve a high sensitivity, the sensor signal induced by the hybridization and denaturation events was measured in a low ionic-strength solution. High sensor signals of about 120, 90, and 80 mV were registered after the DNA hybridization, denaturation, and re-hybridization events, respectively. Fluorescence microscopy has been applied as reference method to verify the DNA immobilization, hybridization, and denaturation processes. An electrostatic charge-plane model for potential changes at the gate surface of a nanoplate field-effect sensor induced by the DNA hybridization has been developed taking into account both the Debye length and the distance of the DNA charge from the gate surface.
This work describes the novel combination of the light-addressable electrode (LAE) and the light-addressable potentiometric sensor (LAPS) into a microsystem set-up. Both the LAE as well as the LAPS shares the principle of addressing the active spot by means of a light beam. This enables both systems to manipulate resp. to detect an analyte with a high spatial resolution. Hence, combining both principles into a single set-up enables the active stimulation e.g., by means of electrolysis and a simultaneous observation e.g., the response of an entrapped biological cell by detection of extracellular pH changes. The work will describe the principles of both technologies and the necessary steps to integrate them into a single set-up. Furthermore, examples of application and operation of such systems will be presented.