Mikromechanische Strukturen in der molekularen Sensorik

Abstract

Die Identifizierung von wenigen oder einzelnen Molekülen in Gasen oder Flüssigkeiten stößt sowohl in der Forschung als auch in der Industrie auf ein reges Interesse. Obwohl einige etablierte Methoden hierfür bis zu einem gewissen Grad erfolgreich eingesetzt werden, besteht noch Bedarf an einer Detektionsmethode, die insbesondere für Miniaturisierung und Parallelisierung geeignet ist. Zusätzlich sollte die Detektionsmethode eine hohe Sensibilität gewährleisten, ohne dabei die Notwendigkeit einer Markierung der zu detektierenden aufzuweisen, und gleichzeitig eine kostengünstige Herstellung und einen niedrigen Energieverbrauch ermöglichen. Ein vielversprechender Ansatz mit dem Potential, den oben genannten Anforderungen zu genügen, ist der Einsatz von mikromechanischen Strukturen in einem Sensor.

Diese Arbeit umfasst drei Teilarbeiten: Der erste Teil der Arbeit untersucht mikromechanische Cantilever als Gassensoren. Cantilever Arrays aus Silizium-Nitrid wurden mittels Trocken- und Nassätzverfahren hergestellt. Eine neue optische Anordnung mit nur einer Laserquelle und einem Detektor wurde realisiert, mit welcher dennoch eine simultane Frequenzmessung mehrerer Cantilever ermöglicht wurde. Zusätzlich konnten die Cantilever mit unterschiedlich sensitiven Schichten wie Polymere beschichtet werden, die spezifische Sensitivitäten auf unterschiedliche Gasen zeigten. Parallel durchgeführte Messungen unterschiedlich beschichteter Cantilever werden präsentiert, die einem Gasgemisch ausgesetzt waren. Als massensensitive Transducer eingesetzt, wurden die Sensorantworten auf Analytmoleküle der selektiv beschichteten Cantilever gewonnen durch Messungen der Verschiebung ihrer Resonanzfrequenzen auf Grund der zusätzlichen Massenaufnahme. Die Antwortdaten wurden in einem Regressionsmodell (partial least squares, PLS) angewandt, um eine quantitative Vorhersage der einzelnen Komponenten eines Gasgemisches zu erhalten. Es konnte gezeigt werden, dass ein auf Cantilever basierendes Sensor-Array zusammen mit einem Modell der Hauptkomponentenregression eine Detektion und eine quantitative Analyse komplexer Gasgemische ermöglicht.

Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die Herstellung eines mikromechanischen Resonators mittels eines SOI-Substrates (silicon-on-insulator) demonstriert. Um die Resonanzfrequenz und damit die Massensensibiltiät des Resonators zu erhöhen, wurden beidseitig eingespannte Brücken anstatt einseitig eingespannter Cantilever realisiert. Die Brückenstruktur aus einkristallinem Silizium wurde elektrostatisch angeregt und optisch ausgelesen. Messungen der Oszillation des Resonators stimmten mit berechneter Resonanzfrequenz des gezeigten Modells gut überein. Die Notwendigkeit und Möglichkeit zur Erhöhung des Q-Faktors wurde diskutiert.

Im Teil drei der vorliegenden Arbeit wurden mikromechanische Cantilever überprüft auf ihr Einsatzpotential für Beobachtungen von biomolekularen Erkennungen in Lösungen. In diesem Teil der Arbeit dienten als Rezeptormoleküle eine Peptidsequenz („human myc-tag“) und als Ligandmoleküle der entsprechende Antikörper („mouse antihuman myc-tag“). Cantilever-Verbiegungen wurden verursacht durch eine Änderung der Oberflächenspannung vermöge einer Adsorption von Ligandmolekülen auf nur einer Cantilever-Seite. Die Verbiegung wurde mittels einer Ablenkung eines Laserstrahls optisch aufgezeichnet. Um mögliche Verbiegungen durch nicht-spezifische Bindungen zu kompensieren, wurde ein nicht-funktionalisierter Cantilever als Referenzwert parallel mitgemessen. Eine CCD-Kamera („charge coupled device“) diente als positionsempfindlicher Detektor und ermöglichte die parallele Detektion von Signalen eines Cantilever-Arrays. Die Ergebnisse bestätigen eine erfolgreiche Anwendung der Cantilever für einen markierungsfreien Nachweis von Antikörper-Peptid Wechselwirkungen unter physiologisch relevanten Bedingungen.

Identifying the presence of individual molecules in gaseous or liquid environment is of intense interest in both research and in industry. Although some established methods have been successfully employed so far to a certain degree, there is a demand for a sensing technique qualified in particular for miniaturization and parallelization of the sensor device. In addition, it should offer a high sensitivity without the need of analyte labeling and enable a low cost of production as well as a low-power consumption during operation. One very promising approach meeting the above described requirements is using micromechanical structures consisting of silicon or silicon-based materials as a mechanical transducer of the sensor device.

This work comprises three parts: The first part of this work reports on micromechanical cantilevers as gas sensors. Silicon nitride cantilever arrays were fabricated using both dry and wet etching processes. A new optical detection arrangement has been realized, which enables a simultaneous frequency readout of several cantilevers, requiring only one single laser source and detector. In addition, it was possible to coat the cantilevers with different sensitive layers like polymers showing specific sensitivity to different gases. Measurements on simultaneous application and readout of differently coated cantilevers exposed to a mixture of gases are presented. Using selectively coated cantilevers as mass sensitive transducers, their response to the analyte molecules is obtained by measuring their resonant frequency shift due to the additional mass loading. The responses were used in principal component regression (partial least squares, PLS) for the quantitative prediction of individual components in gas mixtures. It could be demonstrated that the cantilever based sensor system together with principal component regression presented in this work is capable of detecting and analysing the composition of complex gas mixtures.

In second part of this work the fabrication of a micromechanical resonator using silicon-on-insulator (SOI) substrate is demonstrated. To increase the resonance frequency and thus the mass sensitivity of the resonator, both-ends-supported bridges instead of one-end-supported cantilevers have been realized. The single crystal silicon bridge structure was excited electrostatically and read out optically. Measurements of the resonator oscillation were in good agreement with calculated fundamental resonance frequency of the presented model. The need and the possibility for increasing quality factor was discussed.

In part three of this work, micromechanical cantilevers were validated for the investigation of biomolecular recognition in solution. In this work, human myc-tag peptides and mouse antihuman myc-tag antibodies were used as receptor and ligand molecules, respectively. Cantilever bending due to changes of surface stress upon binding of molecules to only one cantilever surface has been utilized. The bending was recorded optically from the deflection of a laser beam. In order to compensate for bending due to non-specific interactions, a nonfunctionalized cantilever serving as a reference was measured in parallel. A charge coupled device camera served as a position-sensitive detector, enabling the parallel and simultaneous detection of signals from an array of microcantilevers. The results validate microcantilevers for the label-free detection of antibody peptide interactions at physiological solvent conditions.