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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


InterfacesInterfaces

Oberflächenchemie und -ladungOberflächenchemie und -ladung

AdsorbtionsmechanismenAdsorbtionsmechanismen

SAMsSAMs

PolyelektrolytePolyelektrolyte

ProteineProteine

OberflächenanalytikOberflächenanalytik


Verfahren in der MikrosystemtechnikVerfahren in der Mikrosystemtechnik

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

Surface functionalizationSurface functionalization


Übersicht OberflächenmodifikationenÜbersicht Oberflächenmodifikationen


Oberflächenchemie und -ladungOberflächenchemie und -ladung


OberflächenspannungOberflächenspannung


OberflächenchemieOberflächenchemie

Tropfen auf OberflächeTropfen auf Oberfläche


OberflächenchemieOberflächenchemie


OberflächenladungOberflächenladung

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


Elektrische DoppelschichtElektrische Doppelschicht

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


Elektrische DoppelschichtElektrische Doppelschicht

Änderung der Ladungsverteilung in der GrenzschichtÄnderung der Ladungsverteilung in der Grenzschicht


AdsorbtionsmechanismenAdsorbtionsmechanismen


Langmuir Adsorbtions IsothermeLangmuir Adsorbtions Isotherme

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


OberflächenfuntionalisierungOberflächenfuntionalisierung


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


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


SAMs - AlkanethioleSAMs - Alkanethiole


SAMs - SilaneSAMs - Silane


Biofunktionalisierte SAMsBiofunktionalisierte SAMs


SAM PatterningSAM Patterning


PolyelektrolytePolyelektrolyte


Polyelektrolyte - BeispielPolyelektrolyte - Beispiel


Polyelektrolyte - AnwendungPolyelektrolyte - Anwendung

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


ProteinadsorbtionProteinadsorbtion

Was sind ProteineWas sind Proteine

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



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


Zeit- und Längenskalen Zeit- und Längenskalen



Vroman EffektVroman Effekt

Zuerst die kleinenZuerst die kleinen

Dann die grossenDann die grossen


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


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)


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


NanoarchitekturNanoarchitektur

Andere Funktionalisierungsmethoden auf PEG BasisAndere Funktionalisierungsmethoden auf PEG Basis


SMAPSMAP

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





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



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


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


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


OWLSOWLS

Optical Waveguide Lightmode SpectroscopyOptical Waveguide Lightmode Spectroscopy


OWLSOWLS

Optical Waveguide Lightmode SpectroscopyOptical Waveguide Lightmode Spectroscopy

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

• nur auf Waveguidesnur auf Waveguides


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


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


QCMQCM

Quartz Crystal MicrobalanceQuartz Crystal Microbalance

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


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

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