Development of light-addressable potentiometric sensor systems and their applications in biotechnological environments

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.