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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.
Markierungsfreie DNA-Detektion mit Silizium-Feldeffekt-Sensoren – Messeffekte oder Artefakte?
(2007)
"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.
Field-effect EIS (electrolyte-insulator-semiconductor) sensors modified with a positively charged weak polyelectrolyte layer have been applied for the electrical detection of DNA (deoxyribonucleic acid) immobilization and hybridization by the intrinsic molecular charge. The EIS sensors are able to detect the existence of target DNA amplicons in PCR (polymerase chain reaction) samples and thus, can be used as tool for a quick verification of DNA amplification and the successful PCR process. Due to their miniaturized setup, compatibility with advanced micro- and nanotechnologies, and ability to detect biomolecules by their intrinsic molecular charge, those sensors can serve as possible platform for the development of label-free DNA chips. Possible application fields as well as challenges and limitations will be discussed.
Enzyme und Biosensorik
(2018)
Enzymbasierte Biosensoren finden seit mehr als fünf Jahrzehnten einen prosperierenden Wachstumsmarkt und werden zunehmend auch in biotechnologischen Prozessen eingesetzt. In diesem Kapitel werden, ausgehend vom Sensorbegriff und typischen Kenngrößen für Biosensoren (Abschn. 18.1), elektrochemische Enzym-Biosensoren vorgestellt und deren typischen Einsatzgebiete diskutiert (Abschn. 18.2). Ein Blick über den „Tellerrand“ hinaus zeigt alternative Transduktorprinzipien (Abschn. 18.3) und führt abschließend in aktuelle Forschungstrends ein (Abschn. 18.4).