An approach to the design of surface stress-based PDMS micro-membrane biosensors - concept, numerical simulations and prototypes

Sang, Shengbo GND

Die BioMEMS(Biological Micro-Electro-Mechanical Systems)-Technologie spielt vor allem für Biosensoren eine entscheidende Rolle im Prozess der Informationsbeschaffung für die technologisch fortschreitende Entwicklung unserer Zivilisation. „Oberflächenspannungsbasierte Biosensoren“ sind eine relativ neue Klasse von Biosensoren, welche die Änderung der freien Energie nutzen (das zugrunde liegende Prinzip jeder Bindungsreaktion), und bieten somit eine universelle Plattform für biologische oder chemische Sensorik. In der Dissertationsschrift wird ein neuer oberflächenspannungsbasierter Polydimethylsiloxan (PDMS)- Mikro-Membran-Biosensor vorgeschlagen, konstruiert, gefertigt und getestet. Der Biosensor besteht aus zwei Haupt-Funktionskomponenten: Mikrofluidik und Sensorik. Jeder Sensor besteht aus zwei Mikro-Membranen, einer aktiven Membran und einer Referenzmembran. Die Biosensoren wurden erfolgreich unter Bewältigung vieler Herausforderungen aufgebaut. Diese lagen insbesondere in den Bereichen Design und Herstellung, wie zum Beispiel der Integration der PDMS-Mikroverarbeitung mit herkömmlichen Verfahren, der Herstellung von „perfekten“ PDMS-Dünnschichten und der Gewinnung der PDMS-Membran. Darüber hinaus wurde eine Klebetechnik, welche unausgehärtes PDMS als Zwischenschicht für die Bindung zwischen Biosensor und Mikrofluidikkomponenten oder -bauteilen nutzt, untersucht und getestet. Für die Prüfung und Anwendung der Biosensoren wurden zwei Biosensor- Testsysteme eingerichtet. Eines mit einem „smart Weißlichtinterferometer“ (smartWLI) und ein anderes mit einem „Fiberoptic Interferometer“ (FOI). Drei Alkanthiol-Moleküle mit verschiedenen funktionellen Endgruppen wurden als Biosensor-Überzugsschichten für die Anwendung getestet. MUA ist das derzeit beste „funktionelle“ Material, um die Membran für den Nachweis von E. coli zu funktionalisieren. Der PDMS-Mikro-Membran-Biosensor auf Basis der Analyse von Oberflächenspannungen besitzt gute Empfindlichkeit, Reproduzierbarkeit und Biokompatibilität. Der Zustand von E. coli-Bakterien kann auf der Grundlage der Analyse der Oberflächenspannungen gemessen werden.

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Sang, Shengbo: An approach to the design of surface stress-based PDMS micro-membrane biosensors - concept, numerical simulations and prototypes. 2011.

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