Siliziumbasierte Biosensoren als integraler Bestandteil

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17. Heiligenstädter Kolloquium, Heilbad Heiligenstadt, 22. - 24. September 2014
(Session „Grenzflächenbasierte Sensorik und Analytik“)
Siliziumbasierte Biosensoren als integraler Bestandteil
mikrofluidischer Systeme
Eric Nebling, Lars Blohm, Gundula Piechotta, Jörg Albers, Denise Rühmann, Simone Holz, Lutz-Martin Buchmann*,
Abteilung Biotechnische Mikrosysteme, *Abteilung Mikrosystemtechnik, Fraunhofer ISIT, Itzehoe
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as well as in the event of applications for property rights.
© Fraunhofer
Überblick
-
Vorstellung des Fraunhofer ISIT
-
Vor- und Nachteile siliziumbasierter Biosensorik
-
Sensoren der Abteilung “Biotechnische Mikrosysteme”
- Kontinuierliche Messung von Glukose / Laktat
- Mikrochromatographie onChip
- pH-Messungen auf Mikroelektrodenchips
- Transmembranprotein-Analytik auf Mikroporenchips
- Multiparameteranalysen auf elektrischen Arraychips
-
Zusammenfassung
© Fraunhofer
Fraunhofer Institut für Siliziumtechnologie
Abteilungen:
- Mikrosystemtechnik
- IC-Technologie
- Biotechnische Mikrosysteme
- Packaging, Modulintegration
- Design und Simulation
- Integrierte Energiesysteme
ISO 9001:2008 zertifiziert
Firmen am ISIT:
Vishay Semiconductor Itzehoe GmbH
Plan Optik AG
Analytik Jena AG
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XFAB MEMS Foundry Itzehoe GmbH
Sensor Dynamics AG (MAXIM Inc.)
Peter Wolters AG (LAM Research)
Vor- und Nachteile siliziumbasierter Biosensorik
+
Reproduzierbare Fertigung
+
Flexibilität bei Aufbau und Materialien
+
In großen Stückzahlen preiswert -> Einwegartikel
+
Hohes Miniaturisierungspotential
-
Prozessänderungen aufwendig und kostspielig
-
In Kleinserien teuer
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Elektronischer Laktatnachweis in Schweiß für die Sportmedizin (ELaN)
LOx
LOx
LOx
lactate
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Laktatmessungen in Puffer
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Projekt “MiChroChip” - Chromatographie on-chip
Nanoporöses
Säulenmaterial
Edelmetallelektroden
Mikrofluidik
Miniaturisierung der Flüssig-Chromatographie
- Trennsäule aus nanoporösem Material, Herstellung in den Halbleiterprozess integriert
- Analytenspektrum: Antibiotika, Drogen, Sprengstoffe, Peptide, Lebensmittelzusatzstoffe
- Ergänzung zur Array-Biochip-Technologie
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Chromatographie on-chip – Chips und fluidischer Aufbau
Gedeckelter Säulenchip
Fluidischer Aufbau mit Säulenchip und Detektorchip
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Elektrochemische Detektion von Antibiotika
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pH-Messungen mit Iridium / Iridiumoxid-Mikroelektrodenchips
130430Chip-1-POS15-pH-Treppe_01.m pr
130430Chip-1-POS14-pH-Treppe_01.m pr
Ew e vs. time
Ew e vs. time
400.000 µm² Position
0,28
0,22
pH: 6,8
pH: 6,8
100 µm² Position
pH: 6,8
pH: 6,8
0,27
0,21
0,26
0,2 pH
0,2
0,2 pH
Ew e/V
Ew e/V
0,25
0,19
0,24
0,18
0,23
0,17
0,22
0,16
0,21
pH: 7,8
0,15
0
200
pH: 7,8
0,2
400
time
/s
t im e /s
Fraunhofer
©©Fraunhofer
0
200
time
/s
t im e /s
400
Transmembranprotein-Analytik, BMBF-Projekt „Zellfreie Bioproduktion“
Biologische Membran
Protonengradient
Trägerstruktur
ADP
ADP
ATP
ATP
F0F1-ATP-Synthase
Zur Proteinbiosynthese
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H+
H+
Mikroporenchips mit integrierten Elektroden und Temperatursensoren
4-Poren-Chip auf Wafer
16 Poren auf der Membran mit Elektroden
500 µm
Pore (4 µm) mit Elektrode (50 µm)
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Bildung von Lipid-Bilayern über den Poren
20140624 TEOS-Chip-4Poren+DiphPC-Grube-vorne Warnerzelle2+Alubox-Schirm ung 10m V 33Werte-Sek-ohneFilter-AgCl-PBS_01.m pr
I vs. time
110.000
100.000
1. Aufpinseln von
Lipid in Lösungsmittel
90.000
Lipidlayer
auf 1. Pore
80.000
70.000
20140617 TEOS-Chip-4Poren+DiphPC+PC-Layer-Grube-vorne Warnerzelle2+Alubox-Schirm ung 10m V 33Werte-Sek-ohneFilter-AgCl-PBS_01.m pr
I vs. time
30
60.000
Lipidlayer
auf 2. Pore
I/p A
28
2. Aufpinseln von Lipid
in Lösungsmittel
26
24
50.000
22
20
18
40.000
Lipidlayer
auf 3. Pore
I/p A
16
14
12
30.000
10
8
6
20.000
4
10 mV; ~0 pA => > 100 GOhm
Lipidlayer
auf 4. Pore
2
0
10.000
-2
5
10
15
20
t im e /h
0
0
50
100
150
200
t im e /s
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250
300
350
Multiparameter-Analysen auf elektrischen Array-Biochips
on-Chip Heizung
Gegenelektrode
Messpositionen
Referenzelektrode
Kontakte
Maße: 8 x 10 mm
© Fraunhofer
Positionsspezifische Bio-Beschichtung
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Protein-Test auf elektrischen Biochips
1. Biochip mit unterschiedlichen
Fängerantikörpern
2. Zugabe einer Probe
3. Zugabe von
Detektorantikörpern
4. Zugabe von
Enzymkonjugat
Stromsignal
5. Zugabe von Substrat
und Auslesung
redox-cycling
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Biochip-Messgerät mit direkter Vollblut-Probennahme
- Automatisierte
Probenverdünnung
- Automatisierte
Testdurchführung
- Reproduzierbare
Analysen
- Disposable, keine
Kontamination
- Vermeidung von
Spritzen und Kanülen
© Fraunhofer
Negativ-Probe 1:500
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
Positiv
slope [nA/min]
slope [nA/min]
Hepatitis-C-Nachweis mit Biochip-Cartridge
Core
NS3
NS4A
Negativ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Positiv-Probe 1:500
3000
2800
2600
2400
2200
2000
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0
12
Positiv
Core
NS3
NS4A
Negativ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Testdauer: 15 min.
L.Blohm et al., “Rapid detection of different human anti-HCV immunoglobulins on electrical biochips”, Antibody Technology Journal 2014:4 23–32
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Zusammenfassung
-Universell einsetzbare Chips
-Hohe Sensitivität / Selektivität
-Schnelle Testdurchführungen und Ansprechzeiten
-Messungen in unterschiedlichen Probenmatrices
-Geringes Proben- bzw. Reagenzienvolumen nötig
-Gute Reproduzierbarkeit
-In hohen Stückzahlen als Einwegartikel einsetzbar
© Fraunhofer

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