Investigation of biomolecule-immobilization on microstructured gold for bioelectronic interfaces

Abstract

Die Miniaturisierung von elektronischen Schaltungen in Prozessoren und Sensoren ist ein wichtiges Forschungsgebiet. Diese ermöglicht die Einsparung von Energie sowie eine Reduktion der zu detektierenden Stoffmenge bei Sensoren, was besonders nützlich bei Biosensoren ist.<br />Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der selektiven Immobilisierung von Biomolekülen auf speziellen Bereichen von Sensoroberflächen. Dies wurde erreicht durch Mikrostrukturierung von Goldstrukturen, welche mit einer Monolage organischer Moleküle (self-assembled monolayer (SAM)) bedeckt wurde, um Proteine darauf spezifisch zu binden. Aus einer Auswahl von SAMs wurde ein Alkanethiol mit einer Carboxyl-Endgruppe gewählt, welches mit der Thiolgruppe an dem einem Ende kovalent an die Goldoberfläche bindet und durch die Carboxylgruppe am anderen Ende einen Bindungsplatz für Proteine bietet. Der Erfolg der Immobilisierung der Proteine auf den vorgegebenen Stellen wurde durch Verwendung fluoreszenzmarkierter Albumine und anschließender Auswertung mittels Fluoreszenzmikroskopie nachgewiesen.<br />In einem ersten Schritt wurde ein aus der Literatur bekannter Prozess adaptiert, bei dem die zugrundeliegende Goldstruktur durch optische Lithographie und thermisches Aufdampfen erzeugt wurde. Diese Struktur wurde mit Alkanthiolen funktionalisiert und darauf die fluoreszenz-markierten Albumine immobilisiert.<br />Als alternativer Direktschreibprozess wurden die Goldstrukturen mittels Elektronenstrahl induzierter Abscheidung (focused electron beam induced deposition (FEBID)) erzeugt. Mit dieser Methode können sehr kleine Strukturen ohne Verwendung eines Photolacks oder einer Maske direkt auf das Substrat abgeschieden werden. Dafür wird ein goldhältiges Vorläufergas (Precursor) kontrolliert eingelassen, welches sich unter Einfluss des Elektronenstrahls zersetzt und dabei in die Metallatome und flüchtige Liganden aufspaltet. Allerdings wird gleichzeitig ein mit ca.<br />60 at% hoher Anteil an Kohlenstoff, welcher durch unerwünschte Kontaminationen entsteht, mit dem Elektronenstrahl auf der Oberfläche deponiert. Die Reinheit der abgeschiedenen Goldstrukturen wurde durch thermische Nachbehandlung bzw. durch Plasmaveraschen erhöht. Mit diesen Verfahren konnten Reinheiten des Goldes von höchstens 50% erreicht werden, wobei gleichzeitig auch die Oberflächenrauhigkeit der Struktur erhöht wurde.<br />Es hat sich gezeigt, daß die Oberflächeneigenschaften des FEBID Goldes nicht geeignet sind, um Albumine mit der entwickelten Technik zu immobilisieren, allerdings war die Immobilisierung auf klassisch hergestellten Strukturen erfolgreich. Dabei konnte dargestellt werden, dass Sensoren für Proteine auch im sub-mikrometer Bereich mit Fluoreszenzmikroskopie auswertbar sind.<br />

The miniaturization of electronic circuits in processors and sensors is an important research area. It allows the saving of energy as well as a reduction of the amount of an analyte which is needed to be detected by the sensor. This is especially useful for biosensors.<br />This work presents the selective immobilization of biomolecules on specific areas of the sensor surface. This was achieved by microstructuring of gold structures which were coated with a monolayer of organic molecules (self-assembled monolayer (SAM)) to specifically bind proteins thereon. From a variety of SAMs an alkanethiol with a terminal carboxyl group was chosen which covalently binds with the thiol group at one end to the gold surface and offers a binding side for proteins with the carboxyl group at the other end. The successful immobilization of the proteins on the predetermined locations was demonstrated by the use of fluorescence-labeled albumins and a subsequent analysis by fluorescence microscopy. In a first step, a known process from literature was adapted where the underlying gold structure was produced by optical lithography and thermal evaporation. These structures were functionalized by alkanethiols and thereon the fluorescence-labeled albumins were immobilized. As an alternative a direct-write process was performed where the gold structures were generated by focused electron beam induced deposition (FEBID). This method allows the deposition of very small structures directly onto the substrate without the use of a photoresist or a photomask. A gold precursor was carefully injected into the scanning electron microscope which decomposes under the influence of the electron beam and splits up into solid metal atoms and volatile ligands.<br />Simultaneously a very high fraction of carbon of about 60 at% is deposited by the electron beam onto the surface which is caused by undesired contaminants. The purity of the deposited gold structures was further increased by thermal post-deposition treatment or by plasma ashing. With these procedures purities of the gold of 50% could be achieved whereas simultaneously the surface roughness of the structure was increased. It was shown that the surface properties of FEBID gold are not suitable to immobilize albumins with the applied technique. However, the immobilization on structures produced by classical lithography was performed successfully. Furthermore it was shown that sensors for proteins can be evaluated by fluorescence microscopy down to the sub-micrometer range.