Bioelectronic Nanosensor Devices for Environmental and Biomedical Analysis
Författare
Summary, in Swedish
Popular Abstract in Swedish
Idag kan vi mäta mycket låga halter av gifter i t. ex. dricksvatten och livsmedel, bland annat
genom utvecklingen av nanosensorer. Sensorerna kan också använda's medicinskt, t. ex för att
väsentligt underlätta livet för diabetiker. Idag drabba's diabetespatienter ofta av nedsatt känsel
i fingrarna på grund av dagliga nålstick. Med hjälp av de nya sensorerna kan vi nu mäta så
låga halter och volymer av blodsocker att vi tror att det snart blir möjligt att ersätta blodprov
med prov från andra kroppsvätskor, t. ex ett salivprov.
Den unika nanosensorn som beskriv's i avhandlingen är baserad på jonkanalsfälteffekttransistorteknik
(RISFET = Regional Ion Sensitive Field Effect Transistor). I en RISFET-sensor
använd's ett elektriskt fält för att bilda en elektriskt ledande jonkanal i nanometerskala mellan
mätelektroderna. Bildningen av jonkanalen ökar sensorn's mätkänslighet.
För att skilja olika ämnen åt kan man använda enzymer. Ämnet som man vill analysera kan
antingen självt omvandla's med hjälp av ett enzym eller påverka ett enzym's förmåga att
omvandla ett annat ämne. Den enzymatiska omvandlingen av ämnet förändrar de elektriska
egenskaperna, bland annat den elektriska ledningsförmågan, ho's provlösningen. De elektriska
egenskaperna ho's provlösningen kan mäta's av sensorn med hög känslighet.
Genom att följa hur de elektriska egenskaperna ho's provet förändra's kan man alltså inte bara
ta reda på halten av ett specifikt provämne utan också få en uppfattning om ”hälsotillståndet”
ho's enzymet. En del av de gifter som vi kan stöta på i naturen, i dricksvatten eller i livsmedel
kommer från bekämpningsmedelsrester. I ett allvarligare scenario kan det gälla gifter som
avsiktligt spridit's ut (bioterrorism). Ett friskt enzym (acetylkolinestera's) har en hög
omvandlingshastighet av sitt naturliga substrat. Men om enzymet exponera's för gifter kan
enzymet påverka's kraftigt vilket kan registrera's av sensorn och utlösa en larmsignal.
Sensorn består av en liten platta, ett chip's, försedd med mätelektroder. Dessa ligger på en
isolator vilken täcker en ledande kiselbaserad platta. Vid mätning placera's en provdroppe på
chipset. Om man nu lägger en tillräckligt svag växelspänning mellan elektroderna kommer en
ytterst svag ström att flyta mellan elektroderna, varvid strömstyrkan beror på provet's
sammansättning. En elektrisk potential applicera's sedan mellan den ledande kiselbaserade
plattan och provdroppen, varvid ett elektriskt fält bilda's. Fältet koncentrerar provet's joner och
laddade partiklar till området mellan elektroderna vilket medför att den elektriska
ledningsförmågan markant ökar. Resultatet blir en betydligt starkare ström som sensorn kan
registrera.
En viktig aspekt ho's den nya sensorn är att strömmen mellan mätelektroderna lätt kan mäta's
med hjälp av en egentillverkad lågbrusig pikoampermeter i kombination med ett oscilloskop
och skräddarsydd programvara.
Tillverkningen av sensorchipsen har baserat's på konventionell mikro- och nanoprocessteknologi
och en serie chip's framställde's med varierande avstånd mellan mätelektroderna
(40 nm – 2500 nm). Tester visade att små elektrodavstånd gav en väsentligt högre
mätkänslighet än stora. Förutom betydelsen av korta elektrodavstånd för att få hög känslighet
är det många andra faktorer som spelar in, vilket också diskutera's i avhandlingen. För att ge
en fingervisning om den mätkänslighet som uppnått's kan nämna's att insektsgiftet karbofuran
kunde observera's i koncentrationer ner till ca 20 nanogram/liter det vill säga
0,000 000 02 gram/liter.
Som ett komplement till den RISFET-baserade nanosensorn har också ett system för
automatisk applicering av mätprover på chipsytan utvecklat's. Kombinationen lämpar sig för
kontinuerlig övervakning av gifter i dricksvatten.
Det skall påpeka's att de minsta chipsbaserade mätkretsarna som använt's här utnyttjar
komponenter som är 100 gånger mindre än bakterier. Nanotekniken tillåter också att man
bygger olika mätceller mycket tätt och där varje enskild mätcell mäter sitt ämne med hjälp av
ett specifikt enzym. Sålede's medger nanotekniken att man konstruerar behändiga
multisensorer som simultant kan mäta ett stort antal komponenter i ett prov.
En viktig aspekt i utvecklingsarbetet har varit att kunna karakterisera och vid behov felsöka
de nyutvecklade chipsen. Därvid har tekniker såsom atomkraftsmikroskopi och
svepelektronmikroskopi varit oumbärliga.
Idag kan vi mäta mycket låga halter av gifter i t. ex. dricksvatten och livsmedel, bland annat
genom utvecklingen av nanosensorer. Sensorerna kan också använda's medicinskt, t. ex för att
väsentligt underlätta livet för diabetiker. Idag drabba's diabetespatienter ofta av nedsatt känsel
i fingrarna på grund av dagliga nålstick. Med hjälp av de nya sensorerna kan vi nu mäta så
låga halter och volymer av blodsocker att vi tror att det snart blir möjligt att ersätta blodprov
med prov från andra kroppsvätskor, t. ex ett salivprov.
Den unika nanosensorn som beskriv's i avhandlingen är baserad på jonkanalsfälteffekttransistorteknik
(RISFET = Regional Ion Sensitive Field Effect Transistor). I en RISFET-sensor
använd's ett elektriskt fält för att bilda en elektriskt ledande jonkanal i nanometerskala mellan
mätelektroderna. Bildningen av jonkanalen ökar sensorn's mätkänslighet.
För att skilja olika ämnen åt kan man använda enzymer. Ämnet som man vill analysera kan
antingen självt omvandla's med hjälp av ett enzym eller påverka ett enzym's förmåga att
omvandla ett annat ämne. Den enzymatiska omvandlingen av ämnet förändrar de elektriska
egenskaperna, bland annat den elektriska ledningsförmågan, ho's provlösningen. De elektriska
egenskaperna ho's provlösningen kan mäta's av sensorn med hög känslighet.
Genom att följa hur de elektriska egenskaperna ho's provet förändra's kan man alltså inte bara
ta reda på halten av ett specifikt provämne utan också få en uppfattning om ”hälsotillståndet”
ho's enzymet. En del av de gifter som vi kan stöta på i naturen, i dricksvatten eller i livsmedel
kommer från bekämpningsmedelsrester. I ett allvarligare scenario kan det gälla gifter som
avsiktligt spridit's ut (bioterrorism). Ett friskt enzym (acetylkolinestera's) har en hög
omvandlingshastighet av sitt naturliga substrat. Men om enzymet exponera's för gifter kan
enzymet påverka's kraftigt vilket kan registrera's av sensorn och utlösa en larmsignal.
Sensorn består av en liten platta, ett chip's, försedd med mätelektroder. Dessa ligger på en
isolator vilken täcker en ledande kiselbaserad platta. Vid mätning placera's en provdroppe på
chipset. Om man nu lägger en tillräckligt svag växelspänning mellan elektroderna kommer en
ytterst svag ström att flyta mellan elektroderna, varvid strömstyrkan beror på provet's
sammansättning. En elektrisk potential applicera's sedan mellan den ledande kiselbaserade
plattan och provdroppen, varvid ett elektriskt fält bilda's. Fältet koncentrerar provet's joner och
laddade partiklar till området mellan elektroderna vilket medför att den elektriska
ledningsförmågan markant ökar. Resultatet blir en betydligt starkare ström som sensorn kan
registrera.
En viktig aspekt ho's den nya sensorn är att strömmen mellan mätelektroderna lätt kan mäta's
med hjälp av en egentillverkad lågbrusig pikoampermeter i kombination med ett oscilloskop
och skräddarsydd programvara.
Tillverkningen av sensorchipsen har baserat's på konventionell mikro- och nanoprocessteknologi
och en serie chip's framställde's med varierande avstånd mellan mätelektroderna
(40 nm – 2500 nm). Tester visade att små elektrodavstånd gav en väsentligt högre
mätkänslighet än stora. Förutom betydelsen av korta elektrodavstånd för att få hög känslighet
är det många andra faktorer som spelar in, vilket också diskutera's i avhandlingen. För att ge
en fingervisning om den mätkänslighet som uppnått's kan nämna's att insektsgiftet karbofuran
kunde observera's i koncentrationer ner till ca 20 nanogram/liter det vill säga
0,000 000 02 gram/liter.
Som ett komplement till den RISFET-baserade nanosensorn har också ett system för
automatisk applicering av mätprover på chipsytan utvecklat's. Kombinationen lämpar sig för
kontinuerlig övervakning av gifter i dricksvatten.
Det skall påpeka's att de minsta chipsbaserade mätkretsarna som använt's här utnyttjar
komponenter som är 100 gånger mindre än bakterier. Nanotekniken tillåter också att man
bygger olika mätceller mycket tätt och där varje enskild mätcell mäter sitt ämne med hjälp av
ett specifikt enzym. Sålede's medger nanotekniken att man konstruerar behändiga
multisensorer som simultant kan mäta ett stort antal komponenter i ett prov.
En viktig aspekt i utvecklingsarbetet har varit att kunna karakterisera och vid behov felsöka
de nyutvecklade chipsen. Därvid har tekniker såsom atomkraftsmikroskopi och
svepelektronmikroskopi varit oumbärliga.
Avdelning/ar
Publiceringsår
2008
Språk
Engelska
Dokumenttyp
Doktorsavhandling
Förlag
Tryckeriet i E-huset, Lunds universitet
Ämne
- Biochemistry and Molecular Biology
Nyckelord
- Regional Ion Sensitive Field Effect Transistor
- Region Ion Sensitive Field Effect Transistor
- RISFET
- Conducting channel
- Bioelectronic Nanosensor
- Bioelectronic
- Biosensor
- Nanosensor
- Chemical Sensor
- Sensor
- Semiconductor sensor
- Single molecule trapping
- Scaling
- Protein trapping
- Nanoelectronics
- Lab-on-a-chip
- pico-ammeter
- Nanobiosensor
- Sample Applicator
- Sequential Batch Analysis
- Sequential Batch Analysis System
- SBAS
- Nanowire
- Branched nanowire structure
- Nanotree
- Nanorod
- Nano processing
- Micro processing
- Electron Beam Lithography
- EBL
- UV-lithography
- Molecular Imprinting
- DUV-lithography
- Moleculary Imprinted Polymers
- MIP
- Biomimetics
- QCM
- Biomimetic sensor
- Quartz Crystal Microbalance
- QCM-D
- Nanoparticles
- Acetylcholine esterase
- Glucose oxidase
- Glucose
- Gluconolactone
- Propranolol
- Gluconate
- Carbofuran
- Neurotoxic
- Environmental analysis
- Biomedical Analysis
- Biotechnology
- Medicine
- Pesticide
- Food Technology
- Analyis
- Flow Injection Analysis
- FIA
- Scanning Probe Microscopy
- Scanning Kelvin Probe Microscopy
- SPM
- KPM
- AFM
- SKM
- KPFM
- SKPM
- Nanostructures.
- Atomic Force Microscopy
- KFM
Status
Published
Handledare
- Bengt Danielsson
ISBN/ISSN/Övrigt
- ISBN: ISBN 978-91-628-7421-6
Försvarsdatum
13 mars 2008
Försvarstid
13:15
Försvarsplats
Hörsal C, Kemicentrum, Getingevägen 60, Lund
Opponent
- Bier Frank (Professor)