Entwicklung und Charakterisierung von nanoelektromechanischen Flüssigkeitssensoren für die Einzelzellanalytik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In diesem Projekt wurden neuartige patentierte Resonatoren untersucht, die es im Gegensatz zu konventionellen Brücken- oder Cantilever-Resonatoren erlauben selbst in Flüssigkeiten einen hohen Gütewerte zwischen 500-1.000 zu erzielen. Dies bedeutet eine Verbesserung gegenüber konventionellen Resonatoren von etwa einem Faktor 100. Neben den exzellenten physikalischen Eigenschaften zeichnen sich die Säulenresonatoren durch eine außerordentlich einfache Herstellungstechnik aus. Sie erfordert im Fall der Säulen auf einem Substrat (Typ 1-Sensor) i.w. zwei Prozessschritte; im Fall der Membran/Säulen-Sensoren (Typ 2-Sensor) drei konventionelle Prozessschritte, um Resonatoren mit typischen Dimensionen von etwa 5-30 µm zu erhalten. Damit sind sie ideal für Lab-on-a-Chip Anwendungen geeignet. Auf Grund des geringen Platzbedarfs ist einen Array-Anordnung sehr einfach im Batch-Prozess zu erreichen. Zum Verständnis des Verhaltens dieser Resonatoren in Gasen wurde das in der Literatur bekannte Modell von Sader et al. unter Verwendung der hydrodynamischen Funktion weiterentwickelt, um nun auch variierende Temperaturen zu berücksichtigen. Damit ist man in der Lage in realen Anwendungen den Einfluss von Temperaturschwankungen abzuschätzen, um so diese als Fehlerquellen auszuschalten. Durch den Einsatz von Dispersionen von Latex-Kugeln (Durchmesser etwa 2,5 µm) konnte nachgewiesen werden, dass ein Massennachweis von knapp 60 pg in Flüssigkeit möglich ist bei einem Q-Faktor von nahezu 500. Dies eröffnet einen gangbaren Weg, um in Zukunft Resonatoren mit hohem Q für reale Anwendungen in Medizin- und Biotechnoloie einsetzen zu können. Die Säulenoberfläche konnte gezielt mit Erkennungsstrukturen, d.h. Antikörpern beschichtet werden. Dies gelang über verschiedene Silanbeschichtungen, die photolithographisch strukturiert wurden. Es gelang, auf den Säulen spezifisch Erythrozyten der Blutgruppe A über anti-A anzukoppeln. Insbesondere konnte erreicht werden, dass außerhalb der Säulen keine unspezifische Adsorption stattfindet, auch nicht bei Benetzung mit Vollblut. Dies ist dann sehr wichtig, wenn tatsächlich in einem späteren Einsatz als Biosensor nur einzelne oder zumindest sehr wenige Zellen in der Messlösung vorhanden sind, so dass sicher gestellt werden muss, dass nicht nur die Nachweisempfindlichkeit des Sensors ausreicht, sondern die nachzuweisende Zelle auch wirklich nur auf der sensitiven Fläche andocken kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- High frequency columnar silicon microresonators for mass detectiuon, Appl. Phys. Lett, 93, 023102, 2008
J. Kehrbusch, E. Ilin, M. Hullin, E. Oesterschulze
- High-frequency micromechanical columnar resonators, Sci. Technol. Adv. Mater. (10) 034601, 2009
J. Kehrbusch, E. A. Ilin, P. Bozek, B. Radzio, E. Oesterschulze
- Columnar shaped microresonators for mass detection and gas analysis, Microelectron. Eng., 87, 816-819, 2010
J. Kehrbusch, P. Bozek, B. Radzio, E.A. Ilin, E. Oesterschulze
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.mee.2009.11.075) - Lithographic Structures with Attached Antibodies for Columnar Immunosensors, Sensor Letters 8 (2010) 747-751
O. Köhler, I. Steinmann, Ch. Ziegler
