title: Entwicklung von lichtadressierbaren potentiometrischen Sensor-Systemen und deren Anwendung in biotechnologischen Umgebungen
title: Development of light-addressable potentiometric sensor systems and their applications in biotechnological environments
Creators: name: Werner, Carl Frederik
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: Chemischer Sensor
biosensor
Biogas
Naturwissenschaften
Bildgebendes Verfahren
Stoffwechsel
Bakterien
chemical imaging
acetylcholine
Acetylcholin
Biosensor
micro organisms
LAPS
metabolic activity

description: Die gleichzeitige Analyse von
      mehreren Analyten und die ortsaufgelöste Messung von
      Konzentrationsverteilungen mit einem einzelnen Sensorchip ist
      ein viel diskutiertes Feld in der Sensorentwicklung. Zusammen
      mit der Miniaturisierung ist dies ein entscheidender
      Entwicklungsschritt für Anwendungen und Prozesse, welche von
      Bio- und Chemosensoren profitieren. In Kombination mit
      biologischen Komponenten zur spezifischen Analytbestimmung,
      wie Enzymen oder Zellen, sind diese Biosensoren ein
      interessantes System für biotechnologische, medizinische oder
      pharmazeutische Applikationen. Ein vielversprechendes
      Sensorprinzip für diese Aufgaben ist der lichtadressierbare
      potentiometrische Sensor (LAPS). Ein LAPS ist ein
      Halbleiter-basierter potentiometrischer Sensor, welcher eine
      ortsaufgelöste Analytkonzentrationsbestimmung in wässrigen
      Lösungen erlaubt. Die Ortsauflösung wird mit einem
      fokussierten Lichtstrahl erreicht. Das Licht erzeugt einen
      Fotostrom, welcher mit der Analytkonzentration an der
      Sensoroberfläche im beleuchteten Bereich korreliert.
      Basierend auf einer früheren Doktorarbeit von Dr. T. Wagner
      wurden in dieser Promotion LAPS-Aufbauten weiterentwickelt.
      Des Weiteren wurde die Nutzung dieser LAPS-Aufbauten für
      biotechnologische, medizinische und pharmazeutische
      Anwendungen durch die Nutzung von Enzymen und Mikroorganismen
      demonstriert. In dieser Arbeit wurden zunächst mehrere
      unterschiedliche LAPS-Aufbauten entwickelt. Der erste
      LAPS-Aufbau basiert auf einem "Field-programmable Gate Array"
      (FPGA), welches ein 4x4 Leuchtdioden-Array (LED) ansteuert
      und somit 16 Messspots auf der Sensoroberfläche definiert.
      Mit dem FPGA können alle Messspots zum selben Zeitpunkt
      ausgelesen werden, um z.B. "Chemical Images" der gesamten
      Sensoroberfläche in nur 200 ms zu erfassen. Mit diesem
      FPGA-basierte LAPS-Aufbau wurde das Frequenzverhalten von
      LAPS-Chips untersucht. In einem zweiten LAPS-Aufbau wurde ein
      kommerziell verfügbares "Organic-LED"-Display (OLED) als
      Lichtquelle benutzt. Das OLED-Display besitzt 96x64 Pixel mit
      einer Pixelgröße von 200x200 µm. Um Modulationsfrequenzen im
      kHz-Bereich zu erhalten, wurde eine neue Ansteuerungsmethode
      für das OLED-Display entwickelt. Mit dieser
      Ansteuerungsmethode können "Chemical Images" der gesamten
      LAPS-Oberfläche in 2,5 min erfasste werden, was ca. 40-mal
      schneller ist, als mit der herkömmlichen
      OLED-Ansteuerungsmethode. Da die Ortsauflösung von LAPS nicht
      allein von der Lichtquelle definiert wird, sondern auch vom
      LAPS-Chip selbst, wurde die laterale Auflösung der
      LAPS-Strukturen untersucht. Hierfür wurde ein dritter
      LAPS-Aufbau entwickelt, welcher eine einzelne Laserdiode auf
      einer verfahrbaren XY-Einheit benutzt. Durch Charakterisieren
      von speziell strukturierten LAPS-Chips wurde eine laterale
      Auflösung in der Größenordnung der OLED-Pixel nachgewiesen.
      Neben den technologischen Weiterentwicklungen wurde mit dem
      FPGA-basierten LAPS-Aufbau erstmals der markierungsfreie
      Nachweis von Konzentrationsverteilungen biologischer
      Substanzen demonstriert. Mit einer Enzymschicht mit dem Enzym
      Acetylcholin-Esterase (AChE) wurde der Neurotransmitter
      Acetylcholin (ACh) nachgewiesen. Das dynamische und statische
      Ansprechverhalten sowie die Langzeitstabilität wurden
      charakterisiert und mit einem weiteren, Halbleiter-basierten
      Sensor, welcher das "Charge-coupled Devices"-Prinzip (CCD)
      nutzt, unter Verwendung der gleichen Enzymschicht,
      verglichen. Die Verwendung des FPGA-basierten LAPS-Aufbau als
      zellbasierter Biosensor wurde mit dem Modelorganismus
      Escherichia coli gezeigt. Hier wurde die metabolische
      Aktivität von E. coli untersucht, indem die extrazelluläre
      Ansäuerung erfasst wurde. Dazu wurde eine
      Immobilisierungsstrategie entwickelt, bei welcher die
      Mikroorganismen in Polyacrylamidgel eingebettet wurden. Die
      Immobilisierung ist in einer Differenzanordnung realisiert
      worden, welche die Adressierbarkeit des LAPS nutzt, um somit
      externe Einflüsse wie Sensordrift, Temperaturschwankungen und
      externe pH-Wertänderungen zu kompensieren. Beim Vergleich der
      extrazellulären Ansäuerung von immobilisierten E. coli mit E.
      coli's in Suspension wurden ähnliche Ansäuerungsraten
      festgestellt, was zeigt, dass die Immobilisierung keinen
      entscheidenden negativen Einfluss auf die metabolische
      Aktivität hatte. Weitere Messungen demonstrierten die
      Sensitivität dieses zellbasierten LAPS-Systems gegenüber
      unterschiedliche Nährstoffkonzentrationen, was am Beispiel
      von Glucose ausgeführt wurde. Die Möglichkeit der Erfassung
      der extrazellulären Ansäuerung von Mikroorganismen sowie die
      Sensitivität gegenüber Nährstoffkonzentrationen erlaubt es,
      übergeordnete Effekte wie Toxizität und pharmazeutische
      Aktivität, von komplexen Messmedien nachzuweisen.
description: The simultaneous analysis of
      multiple analytes and spatially resolved measurements of
      concentration distributions with a single sensor chip are an
      important task in the field of (bio-)chemical sensing.
      Together with the miniaturisation, this is a promising step
      forward for applications and processes that profit from
      (bio-)chemical sensors. In combination with biological
      recognition elements, like enzymes or cells, these biosensors
      are becoming an interesting tool for e.g., biotechnological,
      medical and pharmaceutical applications. One promising sensor
      principle is the light-addressable potentiometric sensor
      (LAPS). A LAPS is a semiconductor-based potentiometric sensor
      that allows determining analyte concentrations of aqueous
      solutions in a spatially resolved manner. Therefore, it is
      using a focused light source to address the area of interest.
      The light that illuminates the local area of the LAPS chip
      generates a photocurrent that correlates with the local
      analyte concentration on the sensor surface. Based on the
      "state of the art", further developments of LAPS set-ups were
      carried out within this PhD thesis. Furthermore, by utilising
      enzymes and whole cells, the benefits of these LAPS set-ups
      for biotechnological, medical and pharmaceutical applications
      are demonstrated. During the present thesis, three different
      LAPS set-ups were developed: The first LAPS set-up makes use
      of a field-programmable gate array (FPGA) to drive a 4x4
      light-emitting diode (LED) array that defines 16 measurement
      spots on the sensor-chip surface. With the help of the FPGA,
      the driving parameters, like light brightness, modulation
      amplitude and frequency can be selected individually and all
      LEDs can be driven concurrently. Thus, a simultaneous readout
      of all measurement spots is possible and chemical images of
      the whole sensor surface can be achieved within 200 ms. The
      FPGA-based LAPS set-up is used to observe the frequency
      behaviour of LAPS chips. In a second LAPS set-up, a
      commercially available organic-LED (OLED) display is used as
      light source. The OLED panel consists of 96x64 pixels with a
      pixel size of 200x200 µm and thus, an over 16 times higher
      lateral resolution compared to the IR-LED array. It was
      demonstrated that chemical images of the whole sensor surface
      can be obtained in 2.5 min. Since the lateral resolution of
      LAPS is not only specified by the light source, but also by
      the LAPS chip itself, the lateral resolution of the LAPS
      structures is characterised. Therefore, the third LAPS set-up
      has been developed, which utilises a single laser diode that
      can be moved by an XY-stage. By scanning a specially
      patterned LAPS chip, a lateral resolution of the LAPS
      structures in the range of the pixel size of the OLED display
      is demonstrated. Label-free imaging of biological phenomena
      is investigated with the FPGA-based LAPS. With the help of an
      enzymatic layer with the enzyme acetylcholine esterase (AChE)
      the detection of the neuronal transmitter acetylcholine (ACh)
      is demonstrated. The dynamic and static response as well as
      the long-term stability is characterised and compared with
      another semiconductor-based chemical imaging sensor based on
      charge-coupled devices (CCD) using the same enzymatic layer.
      The usage of the FPGA-based LAPS as whole-cell-based
      biosensor is studied with the model organism Escherichia
      coli. Here, the metabolic activity of the E. coli cells is
      investigated by determining the extracellular acidification.
      An immobilisation technique for embedding the microorganisms
      in polyacrylamide gel on the sensor surface has been
      developed. The immobilisation is realised in an on-chip
      differential arrangement by making use of the addressability
      of LAPS. This way, external influences such as sensor drift,
      temperature changes and external pH changes can be
      compensated. In a comparative study of the extracellular
      acidification rate between immobilised E. coli and E. coli
      that are in suspension, acidification rates in the same order
      were determined, demonstrating that the immobilisation does
      not have any influence on the metabolic activity. Further
      measurements with this cell-based LAPS system underline the
      sensitivity towards different nutrient concentrations, namely
      glucose. The ability to observe the extracellular
      acidification of microorganisms and the sensitively towards
      nutrient concentrations enables to detect high-order effects,
      like toxicity or pharmacological activity in complex
      analytes.