AlGaN/GaN sensors for direct monitoring of fluids and bioreactions

Cimalla, Irina GND

AlGaN/GaN based pH-sensors have been characterized and further developed for the in situ monitoring of cell reactions. Generally, good proliferation of different cell lines was observed on AlGaN and GaN surfaces without using any kind of thin films of organic material for improving of the cellular adhesion and biocompatibility. NG108-15 nerve cells were chosen for the investigation of the sensor response on cell activity. In an open setup with contact to normal atmosphere, the monitoring of the spontaneous cell activity (“breathing”) was recorded. By titration in complex electrolytes, it was demonstrated that these sensors are able to monitor complex cell reactions on different neuroinhibitors. Numerical simulations as well as simplified analytical calculations of ion fluxes give strong evidence that the signal in the cell-transistor coupling experiments is primarily generated by the Na+ flux. In conclusion, the AlGaN/GaN-ISFETs show stable operation under physiological conditions, exhibit a very good signal resolution and are suitable for long-time monitoring of cell reactions on different stimuli.

In dieser Arbeit wurden AlGaN/GaN-Heterostrukturen, die ein hohes Potenzial für pH-Sensoren aufweisen, charakterisiert und weiterentwickelt für die elektronische Erfassung von Zellreaktionen. Dazu wurden NG108-15 Nervenzellen auf den Sensoroberflächen kultiviert und deren Antwort auf Stimulierung mit verschiedenen Neuroinhibitoren aufgezeichnet. Zunächst wurde ein Messaufbau für das Erfassen extrazellularer Potenzialänderungen entworfen und das bestehende Chipdesign sowie die Herstellungstechnologie weiterentwickelt. Für die Auswahl optimaler Sensoren für die Transistor-Zell-Kopplung wurden sowohl mittels PIMBE und MOCVD gewachsene Heterostrukturen charakterisiert bezüglich ihrer elektronischen Transporteigenschaften und ihres Verhaltens als pH-Sensor. Auf AlGaN- und GaN-Oberflächen konnte eine sehr gute Kultivierung verschiedener Zelllinien erzielt werden ohne die sie sonst übliche Verwendung organischer Zwischenschichten zur Erhöhung von Adhäsion (z.B. Fibroplasten). Der Einfluss verschiedener Technologie- und sensorrelevanter Behandlungsschritte auf die Oberflächeneigenschaften der AlGaN/GaN-Sensoren wurde untersucht und die Medienstabilität bzw. Wechselwirkungen wurden analysiert. In einem offenen Setup mit Gasaustausch zur Umgebung wurde eine spontane Zellaktivität erfasst ("Zellatmung"), die in einem abgeschlossenen Setup aufgrund des reduzierten Gasaustausches nicht auftrat. Weiterhin wurde die Empfindlichkeit des Sensors auf Potenzialänderungen durch Na+ and K+ Ionen und deren Reaktionen mit Neurotoxinen bestätigt. Durch Titration in komplexe Elektrolyte und durch Kultivierung von NG108-15 Nervenzellen auf der Sensoroberfläche wurde demonstriert, dass die Sensoren in der Lage sind, komplexe Zellreaktionen zu erfassen. Berechnungen mit Hilfe von Simulationen und vereinfachten analytischen Beschreibungen für die Ionenflüsse belegten, dass bei der Zell-Transistor-Kopplung das Sensorsignal im Wesentlichen durch die Na+ Flüsse erzeugt wird. Die experimentellen Beobachtungen und die theoretischen Modellierung zeigte dafür eine gute Übereinstimmung. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit gezeigt, dass AlGaN/GaN-ISFETs stabil unter physiologischen Bedingungen arbeiten, sehr gute Signalauflösung ermöglichen und für Langzeitmessungen mit lebenden Zellen geeignet sind.

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Cimalla, Irina: AlGaN/GaN sensors for direct monitoring of fluids and bioreactions. Ilmenau 2011. Universitätsverlag Ilmenau.

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