Silicium Nanodrähte für die extrazelluläre Ableitung elektrischer Aktivität

  • Silicon nanowires for the extracellular recording of electrical activity

Eschermann, Jan Felix; Mokwa, Wilfried (Thesis advisor)

Jülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek (2010)
Doktorarbeit

In: Schriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Gesundheit 28
Seite(n)/Artikel-Nr.: XII, 191 S. Ill., graph. Darst.

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

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.

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