Mikrosensoren auf einem Chip kombiniert
Jüngste Fortschritte im Bereich der Silizium-Mikrobearbeitungstechnologie unterstützten die Entwicklung neuer Anwendungen für Mikro- und Nanotools. Ausleger mit einer Länge und Breite im Mikrometerbereich erwiesen sich als die vielversprechendste Klasse von Biosensoren. Aufgrund ihrer spezifischen Flexibilität in Verbindung mit der Verfügbarkeit fortschrittlicher Verfahren zur Überwachung von Krümmungen haben sich diese zu vielseitigen Instrumenten für die molekulare und biomolekulare Erkennung entwickelt. Mikrobearbeitete Ausleger können mittels einer erstklassigen Empfindlichkeit Proteine erkennen sowie selbst geringste Materialienmengen ausmachen, insbesondere pathogene Bakterien. Zudem wurden auch gezielte mikro- und nano-elektromechanische Systeme als immunspezifische und multifunktionale biologische Detektoren eingesetzt. Das endgültige Ziel des BIOFINGER-Projekts lag in der Kombination von Ausleger-Arrays und elektronischen Schaltkreisen zur Signalverarbeitung auf einem Chip sowie in einer sich daraus ergebenden Leistungssteigerung des Geräts. Dies heißt im Einzelnen, dass die Forscher der schweizerischen Eidgenössischen Technischen Hochschule einen Ansatz auf Array-Basis nutzten, um das parallele Screening unterschiedlicher Analyten zu ermöglichen und die Analysegeschwindigkeit insgesamt zu erhöhen. Das resonante Auslegersystem setzt sich aus vier äquidistanten Auslegern mit integriertem Ableseschema für vollständig autonomen Betrieb zusammen. Die resonanten Ausleger werden mithilfe elektromagnetischer Kräfte bewegt, die über einen Permanentmagneten und einen Wechselstrom innerhalb einer Metallschleife erzeugt werden. Die Bindung der Analyten verändert die mechanischen Eigenschaften der Ausleger, was mithilfe von piezoelektrischen Widerständen oder belastungsempfindlichen Transistoren ausgemacht werden kann, die in einer Wheatstone-Brückenkonfiguration angeordnet wurden. Die Ausleger agieren als frequenzbestimmende Elemente innerhalb einer Oszillatorschaltung mit Rückkopplung und Zählwerk. Mikrobearbeitungsverfahren und insbesondere die CMOS-Technologie (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) kamen zur Entwicklung des kleinformatigen Sensorensystems zum Einsatz. Außerdem waren Nachbearbeitung und Verpackung des CMOS-Chips erforderlich, um den Biosensor auf die raue Umgebung vorzubereiten, in der er laut Planung zum Einsatz kommen soll. Zuerst wurde Epoxid genutzt, um die Chipbindungen auf dem Chip zu stabilisieren, und Polydimethylsiloxan (PDMS) kam zur Anwendung, um diese von der flüssigen Umgebung zu isolieren. Die Empfindlichkeit des Sensorsystems wurde bewertet, indem man die beschichteten Ausleger Testflüssigkeiten mit unterschiedlich hohen Konzentrationen prostataspezifischer Antigene aussetzte, in denen weniger als 10 ng/ml ermittelbar waren.
