Mis lecture interfaces_introduction

Slide 1Mikrosysteme – Interfaces

Grundlagen Grundlagen Mikro- und NanosystemeMikro- und Nanosysteme

Mikro- und Nanosysteme in der Umwelt, Biologie und MedizinMikro- und Nanosysteme in der Umwelt, Biologie und Medizin

Interfaces, EinführungInterfaces, Einführung

Dr. Marc R. DusseillerDr. Marc R. Dusseiller

Slide 2Mikrosysteme – Interfaces

InterfacesInterfaces

Oberflächenchemie und -ladungOberflächenchemie und -ladung

AdsorbtionsmechanismenAdsorbtionsmechanismen

SAMsSAMs

PolyelektrolytePolyelektrolyte

ProteineProteine

OberflächenanalytikOberflächenanalytik

Slide 3Mikrosysteme – Interfaces

Verfahren in der MikrosystemtechnikVerfahren in der Mikrosystemtechnik

Vielfalt an Anwendungen erfordert vielzahl an VerfahrenVielfalt an Anwendungen erfordert vielzahl an Verfahren

Surface functionalizationSurface functionalization

Slide 4Mikrosysteme – Interfaces

Übersicht OberflächenmodifikationenÜbersicht Oberflächenmodifikationen

Slide 5Mikrosysteme – Interfaces

Oberflächenchemie und -ladungOberflächenchemie und -ladung

Slide 6Mikrosysteme – Interfaces

OberflächenspannungOberflächenspannung

Slide 7Mikrosysteme – Interfaces

OberflächenchemieOberflächenchemie

Tropfen auf OberflächeTropfen auf Oberfläche

Slide 8Mikrosysteme – Interfaces

OberflächenchemieOberflächenchemie

Slide 9Mikrosysteme – Interfaces

OberflächenladungOberflächenladung

Metalloberflächen haben immer eine Oxidschicht, die im wässrigen Metalloberflächen haben immer eine Oxidschicht, die im wässrigen Millieu Ladungen aufnimmtMillieu Ladungen aufnimmt

Slide 10Mikrosysteme – Interfaces

Elektrische DoppelschichtElektrische Doppelschicht

Verteilung der Ladungsträger (Ionen) in der GrenzschichtVerteilung der Ladungsträger (Ionen) in der Grenzschicht

Slide 11Mikrosysteme – Interfaces

Elektrische DoppelschichtElektrische Doppelschicht

Änderung der Ladungsverteilung in der GrenzschichtÄnderung der Ladungsverteilung in der Grenzschicht

Slide 12Mikrosysteme – Interfaces

AdsorbtionsmechanismenAdsorbtionsmechanismen

Slide 13Mikrosysteme – Interfaces

Langmuir Adsorbtions IsothermeLangmuir Adsorbtions Isotherme

http://de.wikipedia.org/wiki/Sorptionsisothermehttp://de.wikipedia.org/wiki/Sorptionsisotherme

Slide 14Mikrosysteme – Interfaces

OberflächenfuntionalisierungOberflächenfuntionalisierung

Slide 15Mikrosysteme – Interfaces

Self-assembled monolayers (SAMs)Self-assembled monolayers (SAMs)

Slide 16Mikrosysteme – Interfaces

Einflüsse auf Self-Assembly von ThiolenEinflüsse auf Self-Assembly von Thiolen

Slide 17Mikrosysteme – Interfaces

SAMs - AlkanethioleSAMs - Alkanethiole

Slide 18Mikrosysteme – Interfaces

SAMs - SilaneSAMs - Silane

Slide 19Mikrosysteme – Interfaces

Biofunktionalisierte SAMsBiofunktionalisierte SAMs

Slide 20Mikrosysteme – Interfaces

SAM PatterningSAM Patterning

Slide 21Mikrosysteme – Interfaces

PolyelektrolytePolyelektrolyte

Slide 22Mikrosysteme – Interfaces

Polyelektrolyte - BeispielPolyelektrolyte - Beispiel

Slide 23Mikrosysteme – Interfaces

Polyelektrolyte - AnwendungPolyelektrolyte - Anwendung

Anwendung von PML für Triggered Drug-Release SystemAnwendung von PML für Triggered Drug-Release System

Slide 24Mikrosysteme – Interfaces

ProteinadsorbtionProteinadsorbtion

Was sind ProteineWas sind Proteine

ISF is a flat spherical molecule with dimensions of 45 x 40 x 25 Å

Slide 25Mikrosysteme – Interfaces

ProteinadsorbtionProteinadsorbtion

Wieso adsorbieren Proteine?Wieso adsorbieren Proteine?

• Hydrophobe WechselwirkungHydrophobe WechselwirkungWeniger Interaktion mit WasserWeniger Interaktion mit Wasser

• Elektrostatische WechselwirkungElektrostatische WechselwirkungProteine und Oberflächen sind geladenProteine und Oberflächen sind geladen

• ππ- - ππ Bindung BindungKohlenstoff RingeKohlenstoff Ringe

• Ionenbrücken-BindungIonenbrücken-BindungMittels divalenter Metall-Ionen (CaMittels divalenter Metall-Ionen (Ca++++, Zn, Zn++++ ...) ...) S

tärk

e d

er I

nt e

rakt

ion

Slide 26Mikrosysteme – Interfaces

Zeit- und Längenskalen Zeit- und Längenskalen

Slide 27Mikrosysteme – Interfaces

ProteinadsorbtionProteinadsorbtion

Vroman EffektVroman Effekt

Zuerst die kleinenZuerst die kleinen

Dann die grossenDann die grossen

Slide 28Mikrosysteme – Interfaces

Brush Polymere – PLL-g-PEGBrush Polymere – PLL-g-PEG

Slide 29Mikrosysteme – Interfaces

Brush Polymere – PLL-g-PEGBrush Polymere – PLL-g-PEG

OO22 Plasma Behandlung von PS or PDMS Plasma Behandlung von PS or PDMS• PS: Oberflächenoxidation - negative charges (COOPS: Oberflächenoxidation - negative charges (COO--))

• PDMS: Glassartige Oberfläche (SiOPDMS: Glassartige Oberfläche (SiO22))

PLL-PLL-gg-PEG -PEG Poly(L-Lysine) Poly(L-Lysine) graftedgrafted Poly(Ethylene Glycol) Poly(Ethylene Glycol)

• self assembly auf negativ geladenen Oberflächenself assembly auf negativ geladenen OberflächenMetalloxide, behandelte PolymereMetalloxide, behandelte Polymere

• resistent gegen Proteinadsorbtionresistent gegen Proteinadsorbtion• funktionelle Gruppenfunktionelle Gruppen

Peptidsequenzen (cont. RGD - integrin binding)Peptidsequenzen (cont. RGD - integrin binding)

Spezifische Bindungsstellen (zb.PLL-Spezifische Bindungsstellen (zb.PLL-gg-PEG/biotin o. -PEG/biotin o. NTA)NTA)

Slide 30Mikrosysteme – Interfaces

NanoarchitekturNanoarchitektur

Aufbau einer intelligenten Nanoarchitektur in einem Prozess mit Aufbau einer intelligenten Nanoarchitektur in einem Prozess mit mehreren Schritten und hoher Selektivität (DNA Hybridisierung)mehreren Schritten und hoher Selektivität (DNA Hybridisierung)

Passivierung (reduktion der unspezifischen Proteinadsorbtion) Passivierung (reduktion der unspezifischen Proteinadsorbtion) zwischen den Binding Sites (PEG-biotin) durch PEGzwischen den Binding Sites (PEG-biotin) durch PEG

Vesicles aus Lipiden können heikle Membranproteine in der Vesicles aus Lipiden können heikle Membranproteine in der Bilayerschicht enthalten oder Biomoleküle in ihrem Volumen Bilayerschicht enthalten oder Biomoleküle in ihrem Volumen aufbewahrenaufbewahren

Slide 31Mikrosysteme – Interfaces

NanoarchitekturNanoarchitektur

Andere Funktionalisierungsmethoden auf PEG BasisAndere Funktionalisierungsmethoden auf PEG Basis

Slide 32Mikrosysteme – Interfaces

SMAPSMAP

Selective Molecular Assembly PatterningSelective Molecular Assembly PatterningSelektive Chemie auf OxidpatternsSelektive Chemie auf Oxidpatterns

Slide 33Mikrosysteme – Interfaces

OberflächenanalytikOberflächenanalytik

Slide 34Mikrosysteme – Interfaces

OberflächenanalytikOberflächenanalytik

Chemisch / PhysikalischChemisch / Physikalisch• XPS (XPS (Röntgenangeregte Photelektronenspektroskopie)Röntgenangeregte Photelektronenspektroskopie)

Vakuum, Chemie der obersten nm (ca 5-15 nm)Vakuum, Chemie der obersten nm (ca 5-15 nm)

• AFM AFM (Raster-Kraft-Mikroskopie)(Raster-Kraft-Mikroskopie)

Topography (Rauhigkeit), VerteilungTopography (Rauhigkeit), Verteilung

• SIMS, ToF-SIMS SIMS, ToF-SIMS (Sekundärionenmassenspektroskopie)(Sekundärionenmassenspektroskopie)

Vakuum, Elementare Zusammensetzung, TiefenprofileVakuum, Elementare Zusammensetzung, Tiefenprofile

• KontaktwinkelKontaktwinkelHydrophilizität, SauberkeitHydrophilizität, Sauberkeit

Biologisch / FunktionalBiologisch / Funktional• Optische MethodenOptische Methoden

OWLS, SPR, EllipsometrieOWLS, SPR, Ellipsometrie

• Gravimetrische MethodenGravimetrische MethodenQCMQCM

• Labeling MethodenLabeling MethodenELISAELISA

Fluoreszenz MikroskopieFluoreszenz Mikroskopie

ELISAELISAEnzyme-Linked ImmunoSorbent AssayEnzyme-Linked ImmunoSorbent Assay

Slide 35Mikrosysteme – Interfaces

OberflächenanalytikOberflächenanalytik

AnwendungenAnwendungen• GrundlagenforschungGrundlagenforschung• Qualitätskontrolle während der Produktion und EntwicklungQualitätskontrolle während der Produktion und Entwicklung

Beschichtungen, Verunreinigungen etc.Beschichtungen, Verunreinigungen etc.• Untersuchen von Implantaten / Grenzefläche Material - KörperUntersuchen von Implantaten / Grenzefläche Material - Körper

Slide 36Mikrosysteme – Interfaces

FluoreszenzFluoreszenz

• Durch Absorbtion wird ein Elektron in einen Durch Absorbtion wird ein Elektron in einen energetisch höheren Zustand versetztenergetisch höheren Zustand versetzt

• Nach geringer Relaxation springt es zurück Nach geringer Relaxation springt es zurück und emitiert ein Photon mit geringerer und emitiert ein Photon mit geringerer Energie, dh. grösserer WellenlängeEnergie, dh. grösserer Wellenlänge

• Zeitskala ist sehr kurz bei FluoreszenzZeitskala ist sehr kurz bei Fluoreszenz• Kann bei Atomen, Molekülen oder Kann bei Atomen, Molekülen oder

Nanopartikel vorkommenNanopartikel vorkommen• Kann gebleicht werdenKann gebleicht werden

Slide 37Mikrosysteme – Interfaces

Fluoreszierende Marker / LabelsFluoreszierende Marker / Labels

Es gibt eine Vielzahl an fluoreszierenden MolekülenEs gibt eine Vielzahl an fluoreszierenden Molekülen• Ganz kleine zb. FITC (fluorescein)Ganz kleine zb. FITC (fluorescein)• Ganze Proteine zb. GFP kann Ganze Proteine zb. GFP kann in vivoin vivo benutzt werden benutzt werden

(Green Fluorescent Protein)(Green Fluorescent Protein)• Nanopartikel (Quantumdots)Nanopartikel (Quantumdots)

Eigene Absorbtion/Emission CharakteristikEigene Absorbtion/Emission Charakteristik

FITCFITC GFPGFP QDOTsQDOTs

Slide 38Mikrosysteme – Interfaces

OWLSOWLS

Optical Waveguide Lightmode SpectroscopyOptical Waveguide Lightmode Spectroscopy

Slide 39Mikrosysteme – Interfaces

OWLSOWLS

Optical Waveguide Lightmode SpectroscopyOptical Waveguide Lightmode Spectroscopy

• Evanescentes FeldEvanescentes Feld• label-freelabel-free• misst absolute Massemisst absolute Masse

• nur auf Waveguidesnur auf Waveguides

Slide 40Mikrosysteme – Interfaces

SPRSPR

Surface Plasmon ResonanceSurface Plasmon Resonance

• Sehr sensitivSehr sensitiv• label-freelabel-free• imaging möglich (10 imaging möglich (10 μμm Auflösung)m Auflösung)

• Nur auf Gold, DünnschichtNur auf Gold, Dünnschicht• Biacore Life Sciences Biacore Life Sciences

http://www.biacore.com/lifesciences/technology/introduction/data_interaction/index.htmlhttp://www.biacore.com/lifesciences/technology/introduction/data_interaction/index.html

Slide 41Mikrosysteme – Interfaces

EllipsometrieEllipsometrie

Analyse von der Reflektion von polarisiertem LichtAnalyse von der Reflektion von polarisiertem Licht

• Optische Eigenschaften von Material und BeschichtungenOptische Eigenschaften von Material und Beschichtungen• Dicke von dünnen FilmenDicke von dünnen Filmen• Imaging möglich (2 Imaging möglich (2 μμm Auflösung)m Auflösung)

• Nur reflektierende OberflächenNur reflektierende Oberflächen• Planare OberflächenPlanare Oberflächen• ModelabhängigkeitModelabhängigkeit

Slide 42Mikrosysteme – Interfaces

QCMQCM

Quartz Crystal MicrobalanceQuartz Crystal Microbalance

• Mechanische SchwingungMechanische Schwingung• EigenschwingungenEigenschwingungen• Dämfung durch AdsorbateDämfung durch Adsorbate

Slide 43Mikrosysteme – Interfaces

Bio-SensorenBio-Sensoren

BeispieleBeispiele• Oberflächenbasierte Bio-SensorenOberflächenbasierte Bio-Sensoren• Mikrosensoren in Lab-on-a-Chip devicesMikrosensoren in Lab-on-a-Chip devices• Analyse von MicroarraysAnalyse von Microarrays• Zell-basierte BiosensorenZell-basierte Biosensoren