Silicium Nanodrähte für die extrazelluläre Ableitung elektrischer Aktivität

Eschermann, Jan Felix; Mokwa, Wilfried

doi:3318

Silicium Nanodrähte für die extrazelluläre Ableitung elektrischer Aktivität = Silicon nanowires for the extracellular recording of electrical activity

Eschermann, Jan Felix (Author)

2010

VerantwortlichkeitsangabeJan Felix Eschermann

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek 2010

UmfangXII, 191 S. Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-89336-639-2

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Gesundheit ; 28

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2010

Zsfassung in engl. und dt. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Mokwa, Wilfried (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2010-04-29

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-33188
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/63191/files/3318.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Werkstoffe der Elektrotechnik I und Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik (611510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bioelektronik (Genormte SW) ; Elektrophysiologie (Genormte SW) ; Nanotechnologie (Genormte SW) ; Silicium (Genormte SW) ; Nanodraht (Genormte SW) ; Naturwissenschaften (frei) ; Zell-Transistor-Kopplung (frei) ; Silicium-Nanodrähte (frei) ; Cell transistor coupling (frei) ; silicon nanowires (frei) ; electrophysiology (frei) ; bioelectronics (frei) ; nanotechnology (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 500

Kurzfassung
Nanodrähte aus Silicium werden in der jüngsten Zeit als Biosensoren für die Detektion von Molekülen wie DNA oder Proteinen, sowie Antigenen und Viren erforscht. Sie weisen hier eine erhöhte Empfindlichkeit, d.h. niedrigere Nachweisgrenzen auf. In ersten Publikationen wurde gezeigt, dass auch die extrazelluläre Ableitung von elektrischer Aktivität möglich ist. Allerdings lassen diese Veröffentlichungen einige Fragen offen. Beispielsweise sind die Form der Signale und der Kopplungsmechanismus noch ungeklärt. Um diese Punkte vertieft zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit Nanodrähte hergestellt und grundlegend charakterisiert. Die Strukturierung der Nanodrähte erfolgte mit Nanoimprintlithografie und dem anisotropen nasschemischen Ätzen von Silicon-on-Insulator Substraten mit Tetramethylammoniumhydroxid. Durch die Kombination dieser Verfahren konnten eine gute Reproduzierbarkeit, glatte Oberflächen sowie eine hohe Integrationsdichte erreicht werden. Die elektrischen Charakteristika der Bauelemente ähneln grundsätzlich denen von klassischen Transistoren mit großer Kanallänge. Trotzdem können einige Besonderheiten festgestellt werden: Die Transferkennlinie weist im Unterschwellbereich einen steileren Anstieg auf als bei planaren Transistoren. Das bedeutet, dass die Sensoren auf kleinere Spannungsänderungen an ihrer Oberfläche ansprechen. Gleichzeitig zeigen sie ein geringeres Rauschen. Neben der Drift kann das 1/f-Rauschen als dominierender Anteil ausgemacht werden. Durch die Wahl eines geeigneten Modells werden generelle Empfehlungen für den Entwurf solcher Bauelemente abgeleitet, und die Qualität des Gate-Dielektrikums evaluiert. Bei der Ableitung elektrischer Zellaktivität wird ein besseres Verständnis der Signalform angestrebt. In den bisherigen Veröffentlichungen wurde häufig die Lock-In Technik zur Auslese eingesetzt. Allerdings beinhaltet sie eine Filterung der Signale, so dass es zu Verzerrungen kommt. Eine direkte Abtastung der Signale ermöglichte hingegen eine schlüssige Erklärung anhand der physiologischen Prozesse. Dies wird in Messungen mit HL-1 Zellen durch den Vergleich mit planaren Transistoren nachgewiesen. Für die quantitative Untersuchung der Zell-Nanodraht-Kopplung wurde die Transferfunktion zwischen der Spannung im Inneren von HEK293 Zellen, die über eine Patchpipette angelegt wurde, und der im Spalt zwischen Zelle und Nanodraht gemessen. Mittels dieser Ergebnisse ließen sich die Parameter für das Punkt-Kontakt-Modell extrahieren. Es stellte sich heraus, dass die Güte der Kopplung stark von der Geometrie der Sensoren abhängt und längere Nanodrähte günstiger sind. Dieses Ergebnis wurde durch rasterelektronenmikroskopische Untersuchungen untermauert. Somit wurde eine Basis für die Anwendung von Silicium Nanodrähten in der (neuro)biologischen Grundlagenforschung geschaffen. Darüber hinaus sind Anwendungen in der Pharmazeutik oder der Neuroprothetik denkbar.

Due to their high surface-to-volume ratio silicon nanowires are promising candidates for highly sensitive biosensors. We designed and fabricated nanowire transistors suitable for the extracellular detection of electrical activity. These sensors were characterized thoroughly and tested with HL-1 and HEK cells. The tests with HL-1 cells which are heart tumor cells spontaneously exhibiting action potentials showed that all physiological characteristics could be detected and explained with previous data. For single-cell coupling experiments we used the HEK cells. By measuring the transfer-function between the interior of the cells and the nanowires we could show that an improvement of the coupling by a factor of up to four is possible. The electrical characterisation is augmented with scanning electron micrographs illustrating mechanical aspects of the cell-nanowire-coupling and confirming the good suitability of the produced devices for cell based sensors. They could be used forbasic research, pharmaceutic studies or novel prosthetic devices.

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