Die markierungsfreie Detektion von molekularen Wechselwirkungen mittels Feldeffekt-basierter Sensoren ist eine vielversprechende Strategie zur Entwicklung einer neuen Generati-on von Biochips mit direkter elektrischer Auslesung und somit geeignet für schnelle, einfache und kostengünstige Analysen. In dieser Arbeit wurde als Transducer eine kapazitive Elektrolyt-Isolator-Silizium- (EIS) Struktur zur markierungsfreien elektrischen Detektion geladener Makromoleküle anhand ihrer intrinsischen Ladung verwendet. Als Modellsystem für die Untersuchung der im EIS-Sensor durch die Ausbildung „planarer“ bzw. „brush“-ähnlicher Molekülschichten induzierten Effekte wurden Polyelektrolyt-Multischichten (PEM) bzw. DNA-Moleküle verwendet. Die Adsorption der positiv und negativ geladenen Polyelektrolyt-Schichten an die Sensor-Oberfläche, sowie der Einfluss der Polyelektrolyt-Konzentration, der Ionenstärke und der Art des Elektrolyten auf das EIS-Signal wurden elektrochemisch untersucht. Zusätzlich wurde die Ausbildung der PEM physikalisch unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskopes und der Ellipsometrie charakterisiert. Basierend auf Silizium-Isolator-Silizium-Strukturen wurde zum ersten Mal ein Mikroarray mit „Nanoplate“ EIS-Sensoren entwickelt, die alle auf einem einzigen Chip integriert waren. Dies ermöglicht mittels differenzieller Messanordnungen eine verlässliche Detektion der DNA-Hybridisierung bzw. -Denaturierung. Die Eigenschaften des Biosensors wurden durch Verwendung von Gold-Nanopartikeln für die Immobilisierung der DNA auf der Sensorober-fläche sowie durch eine niedrige Salzkonzentration im Messpuffer entscheidend verbessert. Die Ergebnisse dieser neuen Vorgehensweise wurden mittels Fluoreszenz-Mikroskopie vali-diert. Darüber hinaus wurde ein elektrostatisches Modell für einen EIS-Sensor mit einer „planaren“ und einen weiteren, mit „brush“-ähnlicher Molekularschicht entwickelt. Das Modell prognos-tiziert eine starke Abhängigkeit der Sensorsignalstärke von der Elektrolytkonzentration, der Ladungsdichte auf der Oberfläche und dem Abstand zwischen geladener Schicht und Sensor-oberfläche. Die Prognosen stimmten durchweg gut mit den experimentellen Ergebnissen überein. / Label-free detection of molecular interactions utilizing field-effect devices is one of the most attractive approaches for a new generation of biochips with direct electrical readout for a fast, simple and cost-effective analysis. In this study, a capacitive electrolyte-insulator-semiconductor (EIS) structure was used as transducer for the label-free electrical detection of charged macromolecules via their intrinsic charge. Polyelectrolyte multilayers (PEM) and DNA molecules were utilized as model systems to study the charge effects induced in EIS sensors by the formation of “planar”- and “brush”-like molecular layers, respectively. The layer-by-layer adsorption of positively and negatively charged polyelectrolyte (PE) layers onto the sensor surface as well as the influence of PE concentration, ionic strength and type of the applied electrolyte on the EIS sensor signal was electrochemically studied. In addition, the PEMs build-up was physically characterized using atomic force microscopy, scanning electron microscopy and ellipsometry. An array of on-chip integrated nanoplate EIS sensors based on a silicon-on-insulator structure was developed for the first time, enabling the reliable detection of DNA hybridiza-tion/denaturation in a differential measurement setup. Enhanced DNA biosensor characteris-tics were achieved by the immobilization of DNA molecules on the sensor surface via Au-nanoparticles and used low-concentrated buffer solution for the measurements. The results of this novel approach were validated by means of the fluorescence microscopy method. Furthermore, an electrostatic model for an EIS sensor modified with “planar”- and “brush”-like molecular layers was developed. The model predicts a strong dependence of the sensor signal on the electrolyte concentration, surface charge density and the distance between the charged layer and the sensor surface. This is consistently agreeing with the experimental re-sults.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:HUMBOLT/oai:edoc.hu-berlin.de:18452/17035 |
| Date | 16 September 2011 |
| Creators | Abouzar, Maryam Hadji |
| Contributors | Moritz, Werner, Schöning, Michael Josef, Keusgen, Michael |
| Publisher | Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I |
| Source Sets | Humboldt University of Berlin |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralThesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | Namensnennung - Keine kommerzielle Nutzung - Keine Bearbeitung, http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de/ |
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