mis lecture interfaces_introduction
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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
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
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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