Additive Herstellung eines multiplex-impedimetrischen Biosensorsystems: Laser-verstärkte Nanolithographie für gezielte Bakteriendetektion

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Michael Hirtz
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Biomedizinische Systemtechnik
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 544666650

Das vorgeschlagene Projekt zielt darauf ab, eine Multiplex-(Bio-)Sensorplattform zu entwerfen und zu untersuchen, die auf additiv hergestellten kohlenstoffhaltigen Nanostrukturen auf elastischen Biopolymer-Funktionssubstraten basiert und selektiv mit Phospholipidmembranen angepasst wird. Die Nanostrukturen werden durch laserinduzierte Graphitisierung und Rastersondenlithographie hergestellt. Phospholipide haben auf Graphen im Vergleich zu anderen häufig verwendeten Substraten wie Silica eine höhere Mobilität gezeigt, was dies zu einem attraktiven Weg für die nichtkovalente Immobilisierung verschiedener funktioneller Gruppen und Erkennungselemente auf Graphen für Biosensoranwendungen macht. Der vorgeschlagene Ansatz ermöglicht die schnelle und gleichzeitige Herstellung einer Vielzahl verschiedener Kohlenstoffnanostrukturen auf kleinen Flächen, die direkt mit maßgeschneiderten Lipidmembranen und spezifischen Rezeptoren funktionalisiert werden können, was den Weg für kostengünstige und leicht verfügbare Biosensoren ebnet. Das Projekt geht in mehreren Bereichen über den aktuellen Stand der Technik hinaus: Der Prozess der additiven Nanofertigung (ANM) soll entwickelt werden, um eine einstufige Graphitisierung zu induzieren und natürliche Materialien ohne intrinsische aromatische Strukturen, wie z. B. Cellulose, zu modifizieren. Durch selektive Abstimmung der Prozessparameter und Substratvorbehandlung werden komplexe 3D-Mesostrukturen mit einstellbaren Porendurchmessern, funktionellen Oberflächengruppen und guter Benetzbarkeit gebildet, die für die Verbesserung der (Bio-)Sensorfähigkeiten durch Vergrößerung der elektrochemischen Oberfläche von entscheidender Bedeutung sind. Die Designfreiheit in der Herstellung von Multielektrodenarrays (MEA) mit verschiednene Erkennungselementen ermöglicht eine multiple Erkennung biomolekularer Wechselwirkungen für spezifische Pathogenmarker. Pathogene E. coli-Stämme werden als Proof-of-Concept-Analyt für die Studien ausgewählt. Der Multiplex-Ansatz ermöglicht eine gründlichere Erkennung und genaue Unterscheidung des Ziels von anderen Stämmen mit überlappenden Markern. Der Mechanismus der chemisch-elektrischen Signalverarbeitung innerhalb anpassbarer Rezeptorschichten wird durch Experimente, Simulationen und multivariate Datenanalysen untersucht, wobei die Multiplex-Geometrie ein tieferes Verständnis der Substrat/Lipid-Grenzfläche ermöglicht und ein schnelles Screening zur Optimierung vorantreibt. Schließlich wird die multiparametrische Impedanzdiskriminanzanalyse auf die optimierter Multiplex-MEA-Sensoren für die gleichzeitige Multianalytdiagnostik angewendet. Die Neuheit beginnt mit der Kopplung von MEA an die Lipidschicht, einem vielseitigen Werkzeug für die anschließende Funktionalisierung, und gipfelt in der Anwendung des Multisinus-Impedanz-Tools, das eine Online-In-situ-Überwachung und Analyse instationärer chemischer/physikalischer Bindungsprozesse an den Analyt/Lipid-Grenzflächen ermöglicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Polen
• Kooperationspartner: Professor Jacek Ryl