Herstellung und Charakterisierung dreidimensionaler Nano-Strukturen als Trägersubstrat für Mikroarrays

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wird die Herstellung dreidimensionaler photonischer Strukturen aus Silizium und Siliziumdioxid für die Bioanalytik beschrieben. Die optischen Eigenschaften werden charakterisiert und die Anwendung als Trägersubstrat für DNA-Mikroarrays aufgezeigt. Die Membran wird durch partielle thermische Oxidation einer makroporösen Silizium-Membran hergestellt, die regelmäßige, durchgängige und quadratische Poren aufweist, welche sich senkrecht durch die Membran erstrecken. Die partielle Oxidation erzeugt eine poröse Siliziumdioxid-Membran, die von unvollständig oxidierten dickeren Wänden, mit einem Kern aus Silizium, in regelmäßige rechteckige Kompartments unterteilt wird. Das Restsilizium in den dickeren Wänden mit einer Breite von 0,8-1,0 µm reicht aus, um das optische Übersprechen auf benachbarte Sensorbereiche zu unterbinden. Die Siliziumdioxid-Porenwände weisen wellenleitende Eigenschaften auf. Unter der Verwendung von Epifluoreszenz-Mikroskopie tragen Fluorophore, abhängig von ihrer Lage in der dreidimensionalen Membran, einen geringfügig unterschiedlichen Beitrag zur Gesamtfluoreszenz bei. Die große Oberfläche der dreidimensionalen Membran erhöht die Anzahl an Bindungsplätzen pro Spot und verbessert demzufolge die Nachweisgrenze. Es gelingt in einem DNA-Hybridisierungsexperiment Cy3-markierte komplementäre Oligonukleotide bis zu einer Stoffmenge von 100 amol nachzuweisen.

In this thesis the fabrication of three dimensional photonic silicon and glass membranes for bio analytics is described. The optical properties are characterized and the application as a microarray is demonstrated. The membrane is fabricated by thermal oxidation of a macro porous silicon membrane with periodic pattern of quadratic pores running perpendicular through the membrane. Partial oxidation generates a glass membrane, but leaves a rectangular grid of thicker silicon walls dividing the membrane into compartments. The silicon in the compartment walls, with a thickness of 0.8-1.0 µm, prevents light from spreading laterally in the membrane. The glass walls act as an optical waveguide. Using epifluorescent microscopy, fluorophores contribute slightly different to the entire fluorescent signal, depending on the position in the three-dimensional membrane. The large surface area of the three dimensional membrane provides a large number of available binding sites and improves the detection limit. In a DNA hybridization experiment, the detection of 100 amol of Cy-3 labeled complementary oligonucleotides have been successfully detected.