Forschung

Der Lehrstuhl für Sensoren beschäftigt sich mit unterschiedlichen sensorischen Fragestellungen vornehmlich im Bereich der Medizin und biologischen Anwendungen. Das Spektrum reicht von Grundlagen- über Anwendungsforschung bis hin zum Technologietransfer in die Industrie.

Elektrochemische Sensoren, Biosensoren

Eine der Kernkompetenzen des Lehrstuhls ist die Entwicklung, Herstellung und Anwendung von Chemo- und Biosensoren. Verschiedenste Sensoren für Glukose, Laktat, Glutamat, Sauerstoff, pH, NO sowie ionenselektive Sensoren stehen zur Verfügung. Durch den Einsatz verschiedener Enzyme auf einem Chip können mehrere Parameter simultan gemessen werden.

Untersuchungen von Elektroden- und Membraneneigenschaften sowie die Ermittlung von katalytischen Parameter können mittels Elektrochemischer Rastermikroskopie (SECM) durchgeführt werden.

Sensoren für den in vivo Einsatz

Wir entwickeln Mikrosensoren für den in vivo Einsatz direkt in lebendem Gewebe. Hierbei kommen flexible Mikrosonden zum Einsatz, auf denen verschiedene elektrochemische Sensoren integriert sind. Dadurch wird das kontinuierliche, hochempfindliche Online-Monitoring von beispielsweise Glutamat-, Laktat- oder Sauerstoffwerten vor Ort im Gewebe ermöglicht. Diese Sensoren können z.B. im Gehirn zum Einsatz kommen.

Zellkultur-Monitoring, Mikrophysiometrie

Die Sensing Cell Culture Flask (SCCF) ermöglicht die kontinuierliche Langzeiterfassung von verschiedenen chemischen und biochemischen Parametern in Zellkulturen. Dies ist ein wichtiges Hilfsmittel zur Standardisierung von Zellkulturen ebenso wie für spezifische Forschung. Die Plattform erlaubt die Integration von amperometrischen und potentiometrischen Sensoren, z. B. Sauerstoff, pH, NO und Biosensoren.

Lab-on-a-Chip, Mikrofluidik

Mit unserer Lab-on-a-chip Plattformtechnologie können durch hohe Design-Flexibilität komplexe mikrofluidische Strukturen entwickelt werden. Damit können sehr schnell unterschiedlichste Module für eine Gesamt-Assay-Entwicklung erstellt werden. Ein Schwerpunkt liegt in der Entwicklung miniaturisierter und integrierter Lab-on-a-chip Systeme für biomedizinische Analysen verschiedenster Bioprozesse sowie die Detektion von RNA-Oligonukleotiden (small RNAs, ncRNA, µRNA und spezifische mRNAs).

Etablierte Chip-basierte Probenvorbereitungsmodule (Ankonzentration, Lyse und Aufreinigung) können innerhalb kürzester Zeit (≤ 15min) direkt in RNA und/oder DNA-Analysen eingesetzt werden bei Bakterien, Viren sowie bei eukaryotischen Zellen (Humane, Maus, Ratte) und Grünalgen.

Trockenresist-basierte elektrochemische Mikrofluidik-Biosensoren für Vor-Ort-Anwendungen

iLab ist unsere einzigartige Biosensor-Plattform, die mikrofluidische Kapillaren mit einer elektrochemischen Detektorzelle kombiniert. Die flexiblen Einweg-Sensorchips werden in kostengünstiger Trockenresisttechnologie gefertigt. Der Einsatz von Mikrokapillaren führt zu einem hohen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis, wodurch die Assayzeiten signifikant verkürzt werden können.

Diese Plattform bietet verschiedene Biosensoren mit einem mikrofluidischen Kanal oder Kanal-Netzwerk mit bis zu acht getrennten Immobilisierungsbereichen, jeweils mit einem Volumen unter 1 µl. Durch verschiedene Kanaleinlässe können die einzelnen Bereiche angesprochen werden und ermöglichen damit eine hohe Assay-Flexibilität bezüglich des Format (z. B. kompetitiver Assay) und der Technologie (z. B. Proteomik).

Unterschiedlichste enzym-basierte Bioassays können auf dem Chip implementiert werden. So wurden Sensoren bereits für Testosteron, Troponin I, Substanz P, CCL18 und verschiedene Antibiotika (z. B. Penicilline oder Tetrazykline) realisiert.

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Biokompatibilität

Mit Hilfe eines speziellen PECVD Beschichtungsverfahrens können amorphe, kohlen-stoffbasierte Nanoschichten hergestellt werden. Diese Nanoschichten zeigen Antifouling-Eigenschaften ohne der Notwendigkeit biozide Stoffe einzusetzen.

Ziel dieser Beschichtungen ist es, eine hohe Biokompatibilität an Substraten mit unterschiedlicher Form, Größe und Material zu verleihen.

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Parylene-Beschichtung

In Zusammenarbeit mit Prof. Yasuda wurde diese Parylene-Beschichtungsanlage am Lehrstuhl konzipiert. In ihr werden Auswirkungen des Plasmaprozesses zur Substrat-vorbehandlung auf die Haftfestigkeit und die Barriereeigenschaften der Parylene-Schichte stetig untersucht und optimiert.

Im Mittelpunkt der derzeitigen Arbeiten stehen Anwendungen im Bereich der Biomedizintechnik.

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Gassensoren

Im Vordergrund der Forschung stehen die Entwicklung und die Herstellung von gassensitiven Materialien mit verbesserter Selektivität für die Zielgase und erhöhter Gasempfindlichkeit bei gemäßigter Temperaturen, die speziell für den Einsatz in innovativen, auf Austrittsarbeit basierenden Gassensorikanwendungen entwickelt werden. Die Materialien werden auf ihre Reaktionen auf die Gase CO, CO₂, NH₃, NO₂ am neu errichteten Kelvin-Sonde-Messplatz untersucht.

Nanosensorik, Nanomaterialien

Nanomaterialien unterscheiden sich beträchtlich in ihren Eigenschaften von den Bulk-Analoga. Lediglich durch die Verkleinerung der Größe zu den nanoskaligen Dimensionen lassen sich optische, elektrische oder katalytische Eigenschaften von Materialien infolge der auftretenden quantenmechanischen Effekten, der Struktur- oder der Morphologieveränderungen stark beeinflussen. Nanomaterialien reagieren äußerst empfindlich auf ihre Umgebung. Ihre hohe Reaktivität und die einzigartigen Eigenschaften nutzen wir für Anwendungen in der Sensorik aus.

Für diesen Zweck werden metallische, bimetallische, metalloxidische und halbleitende Nanopartikel, sowie metallische Nanodrähte und Metall-Organische-Frameworks (MOFs) nach verschiedenen synthetischen Verfahrens hergestellt. Die Nanopartikel werden für die Dekorierung von Basis-Sensor-Materialien wie CNTs, metalloxidischen Filmen oder metalloxidischen Nanodrähten, beispielsweise SnO₂, WO₃, CuO, eingesetzt.

Kohlenstoff-basierte Nanostrukturen

Der Lehrstuhl entwickelte eine experimentelle Anlage, um kohlenstoffbasierte Nano-strukturen auf kleinen Substraten abzuscheiden. Durch Parameteroptimierung konnten sowohl Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) als auch Kohlenstoff-Nanowalls (CNWs) hergestellt werden.

Hauptanwendungsgebiete der erzielten Schichten sind Katalyse, Energiespeicherung und Gassensoren.

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Thermische Sensoren

Der Lehrstuhl für Sensoren hat langjährige Erfahrung mit Temperatursensoren, die über 15 Jahre zurückreicht. Äußerst sensitive Germaniumthermistoren erlauben eine Temperaturauflösung von 0,1 mK und Langzeitstabilität (0,25 K/Jahr). Mit einer implantierbaren Nadel kann die thermische Leitfähigkeit von in vivo Gewebe gemessen werden. Die thermische Leitfähigkeit kann genutzt werden um die Entwicklung der Reaktion auf Fremdkörper zu beobachten.

In vitro erlauben Nanokalorimeter die Bestimmung der Denaturierungstemperatur von Glukoseoxidase und anderer Proteine sowie die Messung von Bakterienwachstum in Biofilmen.

Strömungssensorik

Basierend auf der Germaniumtechnologie für Thermistoren wurden höchst sensitive thermische Flusssensoren entwickelt. Die Anwendung von thermische isolierenden Membranen führt zu einer sehr niederen Leistungsaufnahme (< 1 mW). Aktuelle Forschung fokussiert auf die Entwicklung von Autokalibrations-Techniken um eine medienunabhängige Flussmessung zu erzielen. Hierzu werden thermische Eigenschaften von Gasen unter Flussbedingungen gemessen.

Brennstoffzellen

Basierend auf unserer Expertise in der Herstellung und Funktionalisierung von Nanostrukturen entwickeln wir neuartige Elektroden zur Anwendung in Brennstoffzellen, insbesondere Biobrennstoffzelle und zur Speicherung von Ladung.