Entwicklung von definiert aufgebauten Funktionsschichten zur Aufklärung der Signalentstehung von Schwingquarzsensoren bei Messung von Nanopartikeln
Final Report Abstract
Akustische Sensoren, vornehmlich so genannte QCM-Sensoren (Quartz Crystal Microbalance), haben sich in den letzten Jahren in einzelnen Bereichen der Biosensorik fest etabliert. Eine der wichtigsten Voraussetzungen dafür ist die Verfügbarkeit von selektiv agierenden Beschichtungen des Quarzkristalls. Die im Projekt bearbeitete Problemstellung widmete sich der Generierung von definiert aufgebauten Schichten für Schwingquarzsensoren. Insbesondere sollten diese Schichten den artifiziellen Charakter der fest-flüssig- Grenzschicht vermindern, der typischen Aufbauten nicht nur akustischer Sensoren zueigen ist. Im Kern beruht die Methodik auf einem Verfahren, dass für den Aufbau von Schichten auf Siliziumsubstraten in einem Zweistufenprozess entwickelt wurde. Hierbei werden mit Hilfe der Self-Assembled-Monolayer-Technik (SAMTechnik) strukturierte Schichten auf molekularere Ebene aufgebaut. Durch lateral verteilte Terminierung sollte die weitere Vergrößerung der Schichtdicke durch nachfolgende SAMs lokal unterbunden werden. Das Grundkonzept ist schematisch in Bild l widergegeben. In einem dem eigentlichen Zweistufenprozess vorausgehenden Schritt wird die Gold Oberfläche der Schwingquarzelektroden funktionalisiert. Diese Funktionalisierung wurde mit Thio l Verbindungen durchgeführt. Als beste Funkt ionalisierungsschicht erwies sich Mercaptoethanol. Danach werden Monolayer auf Monolayer basierend auf Methyl-23- (trichlorosilyl)-tricosanoat (MTCST) aufgebaut. Als Basiskomponente wurde ein Trichlorsilan hergestellt, das eine C-23 Kette mit endständiger Methyleslergruppe besitzt. Die Multischicht entsteht in einem Wechsel von SAM-Abscheidung und Reduktion endständiger Estergruppen zu Hydroxygruppen. Bis zu 50 Schichten von diesem Basissubstrat wurden auf eine Goldoberfläche aufgebracht. Zur Terminierung einzelner Moleküle der zuletzt gebildeten. SAM und damit die Bildung einer unvollständigen Bedeckung durch die nachfolgende SAM wurde Oktadecyltrichlorsilan (OTS) eingesetzt. Im Vergleich zu MTCST besitzt OTS 5 Kohlenstoffeinheiten weniger in seiner Kette und besitzt keine funktionalen Endgruppen außer der Silangruppe. Chemische Reaktivität, chemische Struktur und Adsorptionskinetik sind hinreichend ähnlich, um die Bildung großer Assoziate zu vermeiden und Voraussetzung für molekular verteilte Freiräume, mithin für eine gezielte Modifikation der Eigenschaften der Schicht. Der schrittweise Aufbau der Multilagen auf dem akustischen Sensor kann prinzipiell in einfacher Weise durch Frequenz- und Widerstandsmessung des Sensors (letzteres als Maß akustischer Energiedissipation) quasi on-line verfolgt werden. Die zu erwartenden geringen Frequenzverschiebungen verlangen jedoch eine ausgesprochen hohe Frequenzstabilität des Sensors innerhalb des gesamten Protokolls. Als optimale Lösung erwies sich, den Schwingquarz in einer spezielle Quarzhalterung zu montieren und dort während des gesamten Schichtaufbaus zu belassen. Die verwendeten Materialien müssen den verwendeten Chemikalien standhalten; der Schwingquarz muss reproduzierbar elektrisch zu kontaktieren sein. Alle freiliegenden Teile der Zelle müssen eine plane, gut zu reinigende Oberfläche besitzen. Zur Charakterisierung des Schwingquarzes wurde vorrangig die Impedanzanalyse eingesetzt. Für die Messungen eignen sich sowohl hochwertige kommerzielle Impedanzanalysatoren als auch eine am Lehrstuhl entwickelte sensornahe digitale Elektronik, mit der das Messsignal mit sehr hoher Messrate bestimmt werden kann. Für die Bestimmung der charakteristischen Werte des Impedanzspektrums wurde eine selbst entwickelte Auswertesoftware entsprechend angepasst. Die Auswertung der Verschiebung der Resonanzfrequenz bei der Auftragung von dicht gepackten Schichten aus MTCST lieferte Werte, die mit den theoretisch bestimmten Werten für die Anlagerung einer fest angebundenen starren Dünnschicht (bezogen auf die Wellenlänge der Scherwelle) übereinstimmt. Eine Erhöhung des äquivalenten Widerstandes muss notiert werden, er bleibt allerdings sehr gering. Dieser geringe Anstieg der Dissipation akustischer Energie kann verschiedene Ursachen haben, u.a. sind Fehlordnungen in der SAM oder das Eintragen von Fremdkörpern denkbar. Die angelagerten Schichten besitzen jedoch keine nennenswerten viskoelastischen Eigenschaften. Der Schichtaufbau wurde zudem off-line mittels 1RRAS, ATR-IR, AFM und XPS sowie Ellipsometrie und Kontaktwinkelmessung verfolgt bzw. charakterisiert. Mittels ATR-IR-Messungen konnte die Anbindung von Tiolverbindungen an die dünne Goldschicht beobachtet werden. XPS-Messungen bestätigten das Verhältnis von Kohlenstoff:Sauerstoff:Schwefel. Die mittels Eilipsometer bestimmten Schichtdicken bestätigen die theoretische Dicke der Multilagen. Bei der Übertragung des aus der Literatur bekannten Prozesses auf Schwingquarze mussten wegen des Vorhandenseins der Goldelektroden einer Reihe spezieller Anforderungen entsprochen werden. Die als Kopplungsschicht zwischen der Goldoberfläche und den anzubindenden SilanVerbindungen verwendeten Thiole zeigten eine schwächere Kopplung an den Schwingquarz als die kovalente Bindung zwischen einem Silan und einer oxidierten Siliziumoberfläche. Das führte dazu, dass bei der Generierung der Vielschichtsysteme im Hydrolyseschritt mit 20%-iger Salzsäure die präparierte Schicht ganz oder teilweise abgetragen wurde. Durch Austausch der Salzsäure durch konzentrierte Essigsäure konnte das Problem gelöst werden. Die Vorbehandlung der Goldelektroden bedarf größter Sorgfalt. Voraussetzung für die Generierung homogener Schichtaufbauten ist deren gründliche Reinigung. Die Untersuchung verschiedener nasschemischer Reinigungsmethoden ergab, dass sich insbesondere eine Mischung aus Schwefelsäure und Kaliumpermanganat als Reinigungsmittel eignet. Die nasschemische Reinigung ist jedoch nicht ausreichend. Für einen reproduzierbaren homogenen Aufbau der SAMs ist eine abschließende Behandlung der Substrate im Sauerstoffplasma erforderlich. Die Erstbeschichtung in der entsprechenden Thiollösung muss in unmittelbarem Anschluss erfolgen. Um den vorbereitenden Schritt der Modifizierung der Goldelektrode mit Thlolen zu umgehen, wurden im Laufe des Projektes parallel Versuche mit einen neuartigen Schwingquarzsensor durchgeführt. Dieser so genannte LFE-Sensor (Lateral Field Excited Sensor) besitzt nur einseitig 2 Elektroden, die durch einen schmalen Spalt von einander getrennt sind. Damit lässt sich die Anbindung der SÜanschichten auf der Vorderseite ohne Thiole direkt auf der Quarzoberfläche durchführen. Die Experimente zeigen dabei eine sehr gute Linearität zwischen Frequenzverschiebung und aufgetragener Schichtenanzahl. Jedoch lassen sich bislang die erhaltenen Ergebnisse nicht direkt mit denen des Schwingquarzes, der als Dickenscherschwinger betrieben wird, vergleichen. Es ist bekannt, dass LFE-Sensoren eine abweichende, höhere Sensiüvität haben. Die bislang diskutierte höhere Massensensitivität muss jedoch in Frage gestellt werden. Vielmehr reagiert der Sensor auch auf Änderungen der elektrischen Eigenschaften Leitfähigkeit und Permittivität, da das elektrische Anregungsfeld partiell in das Messmedium eindringt. Derzeit fehlen noch theoretische Grundlagen, akustische und elektrische Effekte voneinander zu trennen. Die gute Reproduzierbarkeit der Ergebnisse mit kompakten Multischichten lässt aber darauf hoffen, dass die Resultate zur weiteren Klärung der Funktionsweise der LFE-Sensoren beitragen werden. Insbesondere wird ein gezielter Wechsel im dominanten Schwingungsmode durch Veränderung der elektrischen Randbedingungen erwartet, wodurch der LFE-Sensor neben der bekannten Sensitivität gegenüber mechanischen Eigenschaften auch zur Bestimmung elektrischer Eigenschaften dünner Schichten eingesetzt werden kann. Durch die Realisierung von gemischten SAM-Schichten sollen Eigenschaften der Funktionsschicht optimiert werden. Dazu zählen die viskoelastische Eigenschaften des resultierenden dünnen Films, die Einstellung der Hydrophobizität sowie das Schaffen von molekularen Hohlräumen. Es zeigte sich, dass ein kontrollierter Aufbau von Mischschichten nur eingeschränkt möglich ist. Es wurde eine Verringerung der Anlagerungsmenge gemessen, die teilweise mit einer schlagartigen, drastischen Erhöhung der Hydrophobizität der Oberfläche einhergeht. Es muss geschlussfolgert werden, dass sich keine neue SAM in der gewünschten Weise ausbildet, die Moleküle vielmehr horizontal die Oberfläche belegen und damit mehr Kopplungsstellen abdecken, als statistisch gesehen belegt werden sollten. Die Detektierbarkeit von polymeren Nanopartikeln wurde sowohl an kommerziellen als auch an selbst hergestellten Polystyrolpartikeln untersucht. Die Größe der Nanopartikel kann durch Wahl der Polymerisationstemperatur eingestellt werden. Realisiert wurden Größen zwischen lOOnm und 500 nm mit enger monomodaler Verteilung. Die von traditionell modifizierten QCM-Sensoren bekannte unzureichende Sensorantwort konnte auch mit den neu entwickelten Schichten nicht überwunden werden. Daran änderte auch die unterschiedliche Funktionalisierung der äußersten SAM-Schicht nichts. Während dieses Ergebnis für die starren Multischichten zu erwarten war, überrascht das unzureichende Resultat von den gemischten SAMs. Es muss geschlussfolgert werden, dass die gewünschte höhere Beweglichkeit der äußeren, unvollständig ausgeformten SAMs nicht erzielt wurde und die Schicht damit nicht ausreichend flüssigkeitsähnliche Eigenschaften aufweist. 2.2 Ausblick auf künftige Arbeiten und Beschreibung möglicher Anwendungen Das Projekt hat gezeigt, dass sich homogene Vielschichtsysteme mittels SAM-Technik auf Goldoberflächen aufbringen lassen. Solche Systeme haben im Vergleich zu Langmuir-Blodgett-Filmen den Vorteil, dass sie durch ihre kovalenten Bindungen sehr langzeitstabil und gegen äußere Einflüsse resistenter sind. Die Anbindung über Thiole weist jedoch nicht die Stabilität auf, wie dies bei direkter Anbindung von Silangruppen an oxidierten Siliziumoberflächen der Fall ist. Einseitig elektrodenfreie der Quarzkristallresonatoren umgehen diesen Schwachpunkt. Deshalb werden die Arbeiten zu LFE-Sensoren fortgesetzt mit dem Ziel, die Übertragungsfunktion dieser Sensoren zu bestimmen. Die akustisch relevanten Materialparameter der an die elektrodenfreie Seite des Schwingquarzes angrenzenden Materialien bestimmen die akustische Last. Diese sollte von der Erregung des Sensors unabhängig sein. Die zusätzlichen, unter bestimmten Umständen dominierenden Beiträge zum Sensorsignal müssen von den elektrischen Eigenschaften der Medien erwartet werden. Es muss also vornehmlich der Mechanismus optimiert werden, der die mechanische Resonanz des Sensors verändert. Mit dieser Kenntnis wird ein unabhängiger Datensatz zugänglich, der für die Charakterisierung des Schichtaufbaus genauso genutzt werden kann, wie für die Analyse der Veränderungen infolge der Wechselwirkung der sensitiven Schicht mit dem Analyten. Als Schlüssel des definierten Einsatzes von LFE-Sensoren zur Detektion elektrischer Randbedingungen konzentriert sich die Kontrolle der erzeugten Schwingungsmodi in gasformiger bzw. flüssiger nicht-elektrolytischer bzw. elektrolytischer Umgebung heraus. Aktuell werden deshalb erneut die Elektrodengeometrie sowie der Übergang von planen zu pianokonvexen Schwingquarzen diskutiert. Von erweiterten Möglichkeiten der on-line Beobachtung beim Aufbau der sensitiven Schicht kann erwartet werden, insbesondere die kritischen Schritte der unvollständigen Belegung der Oberfläche besser verstehen und kontrollieren zu können. Die verschiedenen analytischen Methoden wie IRRAS, ATR-IR, Ellipsometrie, XPS, AFM oder Kontaktwinkelmessung liefern nur das Ergebnis des Präparationsschritts. Der Zusammenhang zwischen diesen Größen und den akustisch erfassten mechanischen und elektrischen (globalen) Materialparametern soll vertieft werden. Die Anwendung der modernen hoch auflösenden AFM könnte zudem weitere wichtige Anhaltspunkte für den auf molekularere Ebene tatsächlich vorhandenen Aufbau geben. Die synthetisierten Aus gangs Stoffe, die im Projekt zur prinzipiellen Umsetzung des Verfahrens auf Goldoberflächen genutzt wurden, weisen durch ihren hohen Anteil an unfunktionalisierten Kohlenwasserstoffen eine hohe Hydrophobizität auf. Sie sind für die Anwendung in biochemisch relevanten Systemen in dieser Form nicht praktikabel. Die Biokompatibilität kann durch die Anbindung von Rezeptormolekülen in der äußersten Schicht des Schichtsystems gesteigert werden, es fehlen jedoch die Möglichkeiten für die Einlagerung von Wassermolekülen innerhalb des Schichtsystems. Hierin wird zukünftig ein entscheidender Schlüssel gesehen, sich dem Verhalten realer Biomembranen anzunähern. Hierfür ist das Einbringen von polaren Gruppen erforderlich. Beispielsweise können die Kohlenwasserstoffketten durch Polyetherketten ersetzt werden. Der eingeführte Ether-Sauerstoff ermöglicht dabei die Ausbildung von Wasserstofrbrückenbindungen. Die Schichten erhielten einen deutlich hydrophileren Charakter. Für die Synthese entsprechender Verbindungen stellt deren Fähigkeit zur Herstellung von Vielschichtsystemen nach der Self-Assembled-Monolayer-Technik das entscheidende Auswahlkriterium dar. Solch generierte Schichten können in vielen Bereichen der biochemischen Analytik Verwendung finden und sind nicht auf akustische Sensoren beschränkt. Der Aufwand ist gegenüber einfachen Polymerschichten deutlich höher. Er ist gerechtfertigt, wenn es gelingt, ein Protokoll zu entwickeln, das hohe Reproduzierbarkeit garantiert und damit den Aufwand der Sensorkalibrierung minimiert.
Publications
- B. Schlatt-Masuth, U. Hempel, D. Coronel, A. Hunerbein, R. Lucklum, P. Hauptmann, "Influence of the intermediate layer on QCM", Eurosensors XIX., Barcelona (Spain), 11.-14.09.2005, Proceedings, WA6.
- B. Schlatt-Masuth, U. Hempel, R. Lucklum, P. Hauptmann, "Development of deßned designed functional layers for quartz crystal resonators", 345. WE-Heraeus-Seminar: Acoustic Wave Based Sensors, Bad Honnef, 11.- 13.04.2005, Proceedings.
- R. Lucklum, P. Hauptmann: "Acoustic microsensors-the challenge behind microgravimetry", Anal. Bioanal. Chem. 384 (2006), pp. 667-682.
- R. Lucklum, S. Doerner, T. Schneider, B. Schlatt-Masuth, Th. Jacobs, P. Hauptmann, "Real Time Kinetic Analysis with Quartz Crystal Resonator Sensors", 2006 IEEE Int. Freq. Contr. Symp., Miami (Fl), 04.- 07.06.2006, Proceedings (CD), pp. 528-534.
- R. Lucklum: "Non-Gravimetric Contributions to QCR Sensor Response", Analyst 130 (2005), pp. 1465-1473.
- U. Hempel, B. Schlatt-Masuth, R. Lucklum, P. Hauptmann, "QCR measurements on formation of multilayers using SAM techniques", IEEE Sensors Proceedings 2005, Daegu (South Korea), October 22.-25., 2006, pp. 1301-1304.
- Ulrike Hempel, Ralf Lucklum, Peter Hauptmann, "Application of a Lateral Field Excited Acoustic Wave Devices as a new Sensor Principle in Biointerface Analysis", Transducers'07, 29.05.-01.06.2007, Lyon (France), Proceedings, pp. 1729-1732.
