1. Slide 1Mikrosysteme – Interfaces
GrundlagenGrundlagen
Mikro- und NanosystemeMikro- und Nanosysteme
Mikro- und Nanosysteme in der Umwelt, Biologie und MedizinMikro- und Nanosysteme in der Umwelt, Biologie und Medizin
Interfaces, EinführungInterfaces, Einführung
Dr. Marc R. DusseillerDr. Marc R. Dusseiller

2. Slide 2Mikrosysteme – Interfaces
InterfacesInterfaces
Oberflächenchemie und -ladungOberflächenchemie und -ladung
AdsorbtionsmechanismenAdsorbtionsmechanismen
SAMsSAMs
PolyelektrolytePolyelektrolyte
ProteineProteine
OberflächenanalytikOberflächenanalytik

3. Slide 3Mikrosysteme – Interfaces
Verfahren in der MikrosystemtechnikVerfahren in der Mikrosystemtechnik
Vielfalt an Anwendungen erfordert vielzahl an VerfahrenVielfalt an Anwendungen erfordert vielzahl an Verfahren
Surface functionalizationSurface functionalization

4. Slide 4Mikrosysteme – Interfaces
Übersicht OberflächenmodifikationenÜbersicht Oberflächenmodifikationen

5. Slide 5Mikrosysteme – Interfaces
Oberflächenchemie und -ladungOberflächenchemie und -ladung

6. Slide 6Mikrosysteme – Interfaces
OberflächenspannungOberflächenspannung

7. Slide 7Mikrosysteme – Interfaces
OberflächenchemieOberflächenchemie
Tropfen auf OberflächeTropfen auf Oberfläche

8. Slide 8Mikrosysteme – Interfaces
OberflächenchemieOberflächenchemie

9. Slide 9Mikrosysteme – Interfaces
OberflächenladungOberflächenladung
Metalloberflächen haben immer eine Oxidschicht, die im wässrigenMetalloberflächen haben immer eine Oxidschicht, die im wässrigen
Millieu Ladungen aufnimmtMillieu Ladungen aufnimmt

10. Slide 10Mikrosysteme – Interfaces
Elektrische DoppelschichtElektrische Doppelschicht
Verteilung der Ladungsträger (Ionen) in der GrenzschichtVerteilung der Ladungsträger (Ionen) in der Grenzschicht

11. Slide 11Mikrosysteme – Interfaces
Elektrische DoppelschichtElektrische Doppelschicht
Änderung der Ladungsverteilung in der GrenzschichtÄnderung der Ladungsverteilung in der Grenzschicht

12. Slide 12Mikrosysteme – Interfaces
AdsorbtionsmechanismenAdsorbtionsmechanismen

13. Slide 13Mikrosysteme – Interfaces
Langmuir Adsorbtions IsothermeLangmuir Adsorbtions Isotherme
http://de.wikipedia.org/wiki/Sorptionsisothermehttp://de.wikipedia.org/wiki/Sorptionsisotherme

14. Slide 14Mikrosysteme – Interfaces
OberflächenfuntionalisierungOberflächenfuntionalisierung

15. Slide 15Mikrosysteme – Interfaces
Self-assembled monolayers (SAMs)Self-assembled monolayers (SAMs)

16. Slide 16Mikrosysteme – Interfaces
Einflüsse auf Self-Assembly von ThiolenEinflüsse auf Self-Assembly von Thiolen

17. Slide 17Mikrosysteme – Interfaces
SAMs - AlkanethioleSAMs - Alkanethiole

18. Slide 18Mikrosysteme – Interfaces
SAMs - SilaneSAMs - Silane

19. Slide 19Mikrosysteme – Interfaces
Biofunktionalisierte SAMsBiofunktionalisierte SAMs

20. Slide 20Mikrosysteme – Interfaces
SAM PatterningSAM Patterning

21. Slide 21Mikrosysteme – Interfaces
PolyelektrolytePolyelektrolyte

22. Slide 22Mikrosysteme – Interfaces
Polyelektrolyte - BeispielPolyelektrolyte - Beispiel

23. Slide 23Mikrosysteme – Interfaces
Polyelektrolyte - AnwendungPolyelektrolyte - Anwendung
Anwendung von PML für Triggered Drug-Release SystemAnwendung von PML für Triggered Drug-Release System

24. Slide 24Mikrosysteme – Interfaces
ProteinadsorbtionProteinadsorbtion
Was sind ProteineWas sind Proteine
ISF is a flat spherical molecule with dimensions of 45 x 40 x 25 Å

25. Slide 25Mikrosysteme – Interfaces
ProteinadsorbtionProteinadsorbtion
Wieso adsorbieren Proteine?Wieso adsorbieren Proteine?
• Hydrophobe WechselwirkungHydrophobe Wechselwirkung
Weniger Interaktion mit WasserWeniger Interaktion mit Wasser
• Elektrostatische WechselwirkungElektrostatische Wechselwirkung
Proteine und Oberflächen sind geladenProteine und Oberflächen sind geladen
• ππ-- ππ BindungBindung
Kohlenstoff RingeKohlenstoff Ringe
• Ionenbrücken-BindungIonenbrücken-Bindung
Mittels divalenter Metall-Ionen (CaMittels divalenter Metall-Ionen (Ca++++
, Zn, Zn++++
...)...)
StärkederInteraktion

26. Slide 26Mikrosysteme – Interfaces
Zeit- und LängenskalenZeit- und Längenskalen

27. Slide 27Mikrosysteme – Interfaces
ProteinadsorbtionProteinadsorbtion
Vroman EffektVroman Effekt
Zuerst die kleinenZuerst die kleinen
Dann die grossenDann die grossen

28. Slide 28Mikrosysteme – Interfaces
Brush Polymere – PLL-g-PEGBrush Polymere – PLL-g-PEG

29. Slide 29Mikrosysteme – Interfaces
Brush Polymere – PLL-g-PEGBrush Polymere – PLL-g-PEG
OO22 Plasma Behandlung von PS or PDMSPlasma Behandlung von PS or PDMS
• PS: Oberflächenoxidation - negative charges (COOPS: Oberflächenoxidation - negative charges (COO--
))
• PDMS: Glassartige Oberfläche (SiOPDMS: Glassartige Oberfläche (SiO22))
PLL-PLL-gg-PEG-PEG
Poly(L-Lysine)Poly(L-Lysine) graftedgrafted Poly(Ethylene Glycol)Poly(Ethylene Glycol)
• self assembly auf negativ geladenen Oberflächenself assembly auf negativ geladenen Oberflächen
Metalloxide, behandelte PolymereMetalloxide, behandelte Polymere
• resistent gegen Proteinadsorbtionresistent gegen Proteinadsorbtion
• funktionelle Gruppenfunktionelle Gruppen
Peptidsequenzen (cont. RGD - integrin binding)Peptidsequenzen (cont. RGD - integrin binding)
Spezifische Bindungsstellen (zb.PLL-Spezifische Bindungsstellen (zb.PLL-gg-PEG/biotin o.-PEG/biotin o.
NTA)NTA)

30. Slide 30Mikrosysteme – Interfaces
NanoarchitekturNanoarchitektur
Aufbau einer intelligenten Nanoarchitektur in einem Prozess mitAufbau einer intelligenten Nanoarchitektur in einem Prozess mit
mehreren Schritten und hoher Selektivität (DNA Hybridisierung)mehreren Schritten und hoher Selektivität (DNA Hybridisierung)
Passivierung (reduktion der unspezifischen Proteinadsorbtion)Passivierung (reduktion der unspezifischen Proteinadsorbtion)
zwischen den Binding Sites (PEG-biotin) durch PEGzwischen den Binding Sites (PEG-biotin) durch PEG
Vesicles aus Lipiden können heikle Membranproteine in derVesicles aus Lipiden können heikle Membranproteine in der
Bilayerschicht enthalten oder Biomoleküle in ihrem VolumenBilayerschicht enthalten oder Biomoleküle in ihrem Volumen
aufbewahrenaufbewahren

31. Slide 31Mikrosysteme – Interfaces
NanoarchitekturNanoarchitektur
Andere Funktionalisierungsmethoden auf PEG BasisAndere Funktionalisierungsmethoden auf PEG Basis

32. Slide 32Mikrosysteme – Interfaces
SMAPSMAP
Selective Molecular Assembly PatterningSelective Molecular Assembly Patterning
Selektive Chemie auf OxidpatternsSelektive Chemie auf Oxidpatterns

33. Slide 33Mikrosysteme – Interfaces
OberflächenanalytikOberflächenanalytik

34. Slide 34Mikrosysteme – Interfaces
OberflächenanalytikOberflächenanalytik
Chemisch / PhysikalischChemisch / Physikalisch
• XPS (XPS (Röntgenangeregte Photelektronenspektroskopie)Röntgenangeregte Photelektronenspektroskopie)
Vakuum, Chemie der obersten nm (ca 5-15 nm)Vakuum, Chemie der obersten nm (ca 5-15 nm)
• AFMAFM (Raster-Kraft-Mikroskopie)(Raster-Kraft-Mikroskopie)
Topography (Rauhigkeit), VerteilungTopography (Rauhigkeit), Verteilung
• SIMS, ToF-SIMSSIMS, ToF-SIMS (Sekundärionenmassenspektroskopie)(Sekundärionenmassenspektroskopie)
Vakuum, Elementare Zusammensetzung, TiefenprofileVakuum, Elementare Zusammensetzung, Tiefenprofile
• KontaktwinkelKontaktwinkel
Hydrophilizität, SauberkeitHydrophilizität, Sauberkeit
Biologisch / FunktionalBiologisch / Funktional
• Optische MethodenOptische Methoden
OWLS, SPR, EllipsometrieOWLS, SPR, Ellipsometrie
• Gravimetrische MethodenGravimetrische Methoden
QCMQCM
• Labeling MethodenLabeling Methoden
ELISAELISA
Fluoreszenz MikroskopieFluoreszenz Mikroskopie
ELISAELISA
Enzyme-Linked ImmunoSorbent AssayEnzyme-Linked ImmunoSorbent Assay

35. Slide 35Mikrosysteme – Interfaces
OberflächenanalytikOberflächenanalytik
AnwendungenAnwendungen
• GrundlagenforschungGrundlagenforschung
• Qualitätskontrolle während der Produktion und EntwicklungQualitätskontrolle während der Produktion und Entwicklung
Beschichtungen, Verunreinigungen etc.Beschichtungen, Verunreinigungen etc.
• Untersuchen von Implantaten / Grenzefläche Material - KörperUntersuchen von Implantaten / Grenzefläche Material - Körper

36. Slide 36Mikrosysteme – Interfaces
FluoreszenzFluoreszenz
• Durch Absorbtion wird ein Elektron in einenDurch Absorbtion wird ein Elektron in einen
energetisch höheren Zustand versetztenergetisch höheren Zustand versetzt
• Nach geringer Relaxation springt es zurückNach geringer Relaxation springt es zurück
und emitiert ein Photon mit geringererund emitiert ein Photon mit geringerer
Energie, dh. grösserer WellenlängeEnergie, dh. grösserer Wellenlänge
• Zeitskala ist sehr kurz bei FluoreszenzZeitskala ist sehr kurz bei Fluoreszenz
• Kann bei Atomen, Molekülen oderKann bei Atomen, Molekülen oder
Nanopartikel vorkommenNanopartikel vorkommen
• Kann gebleicht werdenKann gebleicht werden

37. Slide 37Mikrosysteme – Interfaces
Fluoreszierende Marker / LabelsFluoreszierende Marker / Labels
Es gibt eine Vielzahl an fluoreszierenden MolekülenEs gibt eine Vielzahl an fluoreszierenden Molekülen
• Ganz kleine zb. FITC (fluorescein)Ganz kleine zb. FITC (fluorescein)
• Ganze Proteine zb. GFP kannGanze Proteine zb. GFP kann in vivoin vivo benutzt werdenbenutzt werden
(Green Fluorescent Protein)(Green Fluorescent Protein)
• Nanopartikel (Quantumdots)Nanopartikel (Quantumdots)
Eigene Absorbtion/Emission CharakteristikEigene Absorbtion/Emission Charakteristik
FITCFITC GFPGFP QDOTsQDOTs

38. Slide 38Mikrosysteme – Interfaces
OWLSOWLS
Optical Waveguide Lightmode SpectroscopyOptical Waveguide Lightmode Spectroscopy

39. Slide 39Mikrosysteme – Interfaces
OWLSOWLS
Optical Waveguide Lightmode SpectroscopyOptical Waveguide Lightmode Spectroscopy
• Evanescentes FeldEvanescentes Feld
• label-freelabel-free
• misst absolute Massemisst absolute Masse
• nur auf Waveguidesnur auf Waveguides

40. Slide 40Mikrosysteme – Interfaces
SPRSPR
Surface Plasmon ResonanceSurface Plasmon Resonance
• Sehr sensitivSehr sensitiv
• label-freelabel-free
• imaging möglich (10imaging möglich (10 μμm Auflösung)m Auflösung)
• Nur auf Gold, DünnschichtNur auf Gold, Dünnschicht
• Biacore Life SciencesBiacore Life Sciences
http://www.biacore.com/lifesciences/technology/introduction/data_interaction/index.htmlhttp://www.biacore.com/lifesciences/technology/introduction/data_interaction/index.html

41. Slide 41Mikrosysteme – Interfaces
EllipsometrieEllipsometrie
Analyse von der Reflektion von polarisiertem LichtAnalyse von der Reflektion von polarisiertem Licht
• Optische Eigenschaften von Material und BeschichtungenOptische Eigenschaften von Material und Beschichtungen
• Dicke von dünnen FilmenDicke von dünnen Filmen
• Imaging möglich (2Imaging möglich (2 μμm Auflösung)m Auflösung)
• Nur reflektierende OberflächenNur reflektierende Oberflächen
• Planare OberflächenPlanare Oberflächen
• ModelabhängigkeitModelabhängigkeit

42. Slide 42Mikrosysteme – Interfaces
QCMQCM
Quartz Crystal MicrobalanceQuartz Crystal Microbalance
• Mechanische SchwingungMechanische Schwingung
• EigenschwingungenEigenschwingungen
• Dämfung durch AdsorbateDämfung durch Adsorbate

43. Slide 43Mikrosysteme – Interfaces
Bio-SensorenBio-Sensoren
BeispieleBeispiele
• Oberflächenbasierte Bio-SensorenOberflächenbasierte Bio-Sensoren
• Mikrosensoren in Lab-on-a-Chip devicesMikrosensoren in Lab-on-a-Chip devices
• Analyse von MicroarraysAnalyse von Microarrays
• Zell-basierte BiosensorenZell-basierte Biosensoren