Siliziumbasierte Biosensoren als integraler Bestandteil mikrofluidischer Systeme

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Sofia Straub
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September 2014 (Session Grenzflächenbasierte

als integraler Bestandteil mikrofluidischer Systeme

Albers, Denise Rühmann, Simone Holz, Lutz-Martin

1 17. Heiligenstädter Kolloquium, Heilbad Heiligenstadt, 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

Überblick - Vorstellung des Fraunhofer ISIT - Vor- und Nachteile siliziumbasierter Biosensorik - Sensoren der Abteilung Biotechnische Mikrosysteme - Kontinuierliche Messung von Glukose /

2 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 Institut für Siliziumtechnologie Abteilungen: - Mikrosystemtechnik - IC-Technologie - Biotechnische Mikrosysteme - Packaging, Modulintegration - Design und Simulation - Integrierte

3 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 XFAB MEMS Foundry Itzehoe GmbH Sensor Dynamics AG (MAXIM Inc.) Peter Wolters AG (LAM Research)

4 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

5 Elektronischer Laktatnachweis in Schweiß für die Sportmedizin (ELaN) LOx LOx LOx lactate

6 Laktatmessungen in Puffer

Material, Herstellung in den Halbleiterprozess integriert - Analytenspektrum: Antibiotika,

7 Projekt MiChroChip - Chromatographie on-chip Mikrofluidik Edelmetallelektroden Nanoporöses Säulenmaterial Miniaturisierung der Flüssig-Chromatographie - Trennsäule aus nanoporösem Material, Herstellung in den Halbleiterprozess integriert - Analytenspektrum: Antibiotika, Drogen, Sprengstoffe, Peptide, Lebensmittelzusatzstoffe - Ergänzung zur Array-Biochip-Technologie

8 Chromatographie on-chip Chips und fluidischer Aufbau Gedeckelter Säulenchip Fluidischer Aufbau mit Säulenchip und Detektorchip

9 Elektrochemische Detektion von Antibiotika

10 ph-messungen mit Iridium / Iridiumoxid-Mikroelektrodenchips 0,22 ph: 6, Chip-1-POS15-pH-Treppe_01.mpr Ew e vs. time µm² Position ph: 6,8 0,28 0,27 ph: 6, Chip-1-POS14-pH-Treppe_01.mpr Ew e vs. time 100 µm² Position ph: 6,8 0,21 0,2 0,2 ph 0,26 0,25 0,2 ph Ew e/v 0,19 0,18 Ew e/v 0,24 0,23 0,17 0,22 0,16 0,15 ph: 7,8 0,21 0,2 ph: 7, time / s tim e /s time / s tim e /s 400

11 Transmembranprotein-Analytik, BMBF-Projekt Zellfreie Bioproduktion Trägerstruktur Biologische Membran Protonengradient H + ADP ADP H + ATP ATP F 0 F 1 -ATP-Synthase Zur Proteinbiosynthese

12 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)

Bildung von Lipid-Bilayern über den Poren 20140624 TEOS-Chip-4Poren+DiphPC-Grube-vorne Warnerzelle2+Alubox-Schirmung 10mV 33Werte-Sek-ohneFilter-AgCl-PBS_01.mpr I vs. time 110.

000 20140617 TEOS-Chip-4Poren+DiphPC+PC-Layer-Grube-vorne Warnerzelle2+Alubox-Schirmung 10mV 33Werte-Sek-ohneFilter-AgCl-PBS_01.mpr I vs. time 30 28 26 24 22 Lipidlayer auf 2.

13 Bildung von Lipid-Bilayern über den Poren TEOS-Chip-4Poren+DiphPC-Grube-vorne Warnerzelle2+Alubox-Schirmung 10mV 33Werte-Sek-ohneFilter-AgCl-PBS_01.mpr I vs. time Aufpinseln von Lipid in Lösungsmittel Lipidlayer auf 1. Pore I/pA TEOS-Chip-4Poren+DiphPC+PC-Layer-Grube-vorne Warnerzelle2+Alubox-Schirmung 10mV 33Werte-Sek-ohneFilter-AgCl-PBS_01.mpr I vs. time Lipidlayer auf 2. Pore 2. Aufpinseln von Lipid in Lösungsmittel I/pA Lipidlayer auf 3. Pore mv; ~0 pa => > 100 GOhm tim e /h Lipidlayer auf 4. Pore tim e /s

14 Multiparameter-Analysen auf elektrischen Array-Biochips on-chip Heizung Gegenelektrode Messpositionen Referenzelektrode Kontakte Maße: 8 x 10 mm

15 Positionsspezifische Bio-Beschichtung

Zugabe einer Probe 3. Zugabe von Detektorantikörpern 4.

16 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

17 Biochip-Messgerät mit direkter Vollblut-Probennahme - Automatisierte Probenverdünnung - Automatisierte Testdurchführung - Reproduzierbare Analysen - Disposable, keine Kontamination - Vermeidung von Spritzen und Kanülen

slope [na/min] slope [na/min] Hepatitis-C-Nachweis mit Biochip-Cartridge 3000 2800 2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800

1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Testdauer: 15 min. Positiv-Probe 1:500 Positiv Core NS3 NS4A Negativ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 L.

18 slope [na/min] slope [na/min] Hepatitis-C-Nachweis mit Biochip-Cartridge Positiv Negativ-Probe 1:500 Core NS3 NS4A Negativ Testdauer: 15 min. Positiv-Probe 1:500 Positiv Core NS3 NS4A Negativ L.Blohm et al., Rapid detection of different human anti-hcv immunoglobulins on electrical biochips, Antibody Technology Journal 2014:

Zusammenfassung -Universell einsetzbare Chips -Hohe Sensitivität / Selektivität -Schnelle Testdurchführungen und Ansprechzeiten -Messungen in

19 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

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