Skip to content
Licensed Unlicensed Requires Authentication Published by Oldenbourg Wissenschaftsverlag March 23, 2017

Plattformtechnologie für die mobile, markerfreie Proteindetektion

Platform technology for mobile, label-free protein detection
Sabrina Jahns

Sabrina Jahns erreichte den Grad des Diplom Wirtschaftsingenieurs der Elektrotechnik und Informationstechnik an der Christian-Albrecht-Universität zu Kiel im Jahr 2013, wo sie auch 2016 den Doktor der Ingenieurswissenschaften im Bereich Elektrotechnik verliehen bekam. Heute ist sie als PostDoc in der Arbeitsgruppe Integrierte Systeme und Photonik an der Christian-Albrecht-Universität zu Kiel mit dem Forschungsschwerpunkt Nanostrukturen in der Biosensorik und Optoelektronik tätig.

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut of Electrical and Information Engineering, Kaiserstr. 2, 24143 Kiel, Tel.: +49 (0) 431 880-6255, Fax: +49 (0) 431 880-6253

ORCID logo EMAIL logo
, Lars Thorben Neustock

Lars Thorben Neustock hat bis zum Jahre 2015 ein Bachelor- und Masterstudium in Elektrotechnik und Informationstechnik sowie ein Bachelorstudium Wirtschaftsingenieurswesen an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel absolviert. Im Anschluss hat er ein Promotionsstudiengang an der Stanford University in den USA begonnen. Hier arbeitet er an numerischen Verfahren für die Oberflächenoptimierung unter der Aufsicht von Professor Hesselink. Seit seinem Studium ist er Stipendiat der Studienstiftung des Deutschen Volkes, derzeit im Rahmen des ERP Programms.

Stanford University, Electrical Enginieering, Stanford, United States of America

, Moritz Paulsen

Moritz Paulsen studierte Wirtschaftsingenieurswesen Elektrotechnik und Informationstechnik an der Christian-Albrecht-Universität zu Kiel (CAU). Er erreichte den Grad des Bachelor of Science im Jahr 2012 und den aufbauenden Master of Science im Jahr 2015. Seit 2015 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Integrierte Systeme und Photonik am Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik der CAU. Sein Forschungschwerpunkt liegt auf Nanostrukturen für Brechungsindex-basierte Biosensorik.

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut of Electrical and Information Engineering, Kaiserstr. 2, 24143 Kiel

, Elmira Moussavi

Elmira Moussavi absolvierte 2013 ihr Bachelorstudium in Elektrotechnik erfolgreich an der Islamischen Azad Univeristät in Mashhad (Iran). Im Anschluss hat sie das Masterstudium an der RWTH Aachen begonnen und verfasst zurzeit ihre Masterarbeit am Institut für Hochfrequenztechnik der RWTH Aachen. Ihre Forschungsinteressen umfassen Mixer, integrierte Schaltungsentwürfe und optische Sensoren.

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut of Electrical and Information Engineering, Kaiserstr. 2, 24143 Kiel

and Martina Gerken

Martina Gerken ist Professorin für Elektrotechnik und Informationstechnik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Sie leitet den Lehrstuhl für Integrierte Systeme und Photonik. Ihr Studium für Elektrotechnik schloss sie 1998 an der Universität Karlsruhe ab und erhielt den Doktorgrad in der Elektrotechnik 2003 von der Stanford University. Von 2003 bis 2008 war sie Nachwuchsgruppenleiterin am Karlsruher Institut für Technologie. 2008 wurde sie nach Kiel berufen.

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut of Electrical and Information Engineering, Kaiserstr. 2, 24143 Kiel

From the journal tm - Technisches Messen

Zusammenfassung

Wir präsentieren eine Plattformtechnologie zur gleichzeitigen, mobilen, markerfreien Detektion von mehreren Proteinen. Ein photonischer Kristall, der mit Liganden lokal funktionalisiert ist, dient hier als Sensor. Über ein kompaktes, Kamera-basiertes Messsystem wird die Proteinanbindung an die Sensoroberfläche in ein Intensitätssignal umgewandelt, über dessen Amplitude die Proteinkonzentration bestimmt werden kann. Um das Detektionslimit dieser Technologie weiter zu verbessern, werden hier photonische Kristalle mit einer multiperiodischen und aperiodischen Gitterstruktur simulativ und experimentell untersucht. Dafür werden die Gesamtempfindlichkeit und die Resonanzgüte jeder Struktur bestimmt und mit der bisher verwendeten monoperiodischen Struktur verglichen. Es konnte festgestellt werde, dass sich die Resonanzgüte von mono- über multi- bis aperiodisch deutlich verbessert. Eine Steigerung der Gesamtempfindlichkeit konnte nicht festgestellt werden. Jedoch konnte anhand von Analysen der elektrischen Feldverteilung innerhalb der verschiedenen Strukturen beobachtet werden, dass die Modenausbreitungen in den aperiodischen Strukturen stark lokalisiert wird und die elektrische Feldintensität in diesen „Hot-Spots“ deutlich über der mittleren Feldintensität, die eine flächige Funktionalisierung repräsentiert, liegt. Diese lokale Resonanzausbildung konnte zudem bereits in ersten experimentellen Untersuchungen bestätigt werden.

Abstract

We present a platform technology for mobile, label-free detection of several proteins in parallel. A photonic crystal locally functionalized with ligands forms the basis of our sensor. Using a compact, camera-based measuring system the protein binding to the sensor surface is transformed into an intensity signal. From the signal amplitude the protein concentration is determined. To enhance the limit of detection of this technology photonic crystals with multiperiodic and aperiodic nanostructures are investigated in simulation as well as in experiment. The bulk sensitivity and the resonance quality factor for each structure are determined and compared to the previously used monoperiodic structure. The resonance quality factor is enhanced from monoperiodic over multiperiodic up to aperiodic nanostructures. An increase of the bulk sensitivity cannot be ascertained. By analyzing the distribution of the electric field strength within the different nanostructures, a localization of the mode dispersion within the aperiodic structure is observed. The electric field intensity in these “hot spots” is clearly larger than the average field intensity. This local resonance occurrence could also be confirmed in first experimental studies.

Über die Autoren

Sabrina Jahns

Sabrina Jahns erreichte den Grad des Diplom Wirtschaftsingenieurs der Elektrotechnik und Informationstechnik an der Christian-Albrecht-Universität zu Kiel im Jahr 2013, wo sie auch 2016 den Doktor der Ingenieurswissenschaften im Bereich Elektrotechnik verliehen bekam. Heute ist sie als PostDoc in der Arbeitsgruppe Integrierte Systeme und Photonik an der Christian-Albrecht-Universität zu Kiel mit dem Forschungsschwerpunkt Nanostrukturen in der Biosensorik und Optoelektronik tätig.

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut of Electrical and Information Engineering, Kaiserstr. 2, 24143 Kiel, Tel.: +49 (0) 431 880-6255, Fax: +49 (0) 431 880-6253

Lars Thorben Neustock

Lars Thorben Neustock hat bis zum Jahre 2015 ein Bachelor- und Masterstudium in Elektrotechnik und Informationstechnik sowie ein Bachelorstudium Wirtschaftsingenieurswesen an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel absolviert. Im Anschluss hat er ein Promotionsstudiengang an der Stanford University in den USA begonnen. Hier arbeitet er an numerischen Verfahren für die Oberflächenoptimierung unter der Aufsicht von Professor Hesselink. Seit seinem Studium ist er Stipendiat der Studienstiftung des Deutschen Volkes, derzeit im Rahmen des ERP Programms.

Stanford University, Electrical Enginieering, Stanford, United States of America

Moritz Paulsen

Moritz Paulsen studierte Wirtschaftsingenieurswesen Elektrotechnik und Informationstechnik an der Christian-Albrecht-Universität zu Kiel (CAU). Er erreichte den Grad des Bachelor of Science im Jahr 2012 und den aufbauenden Master of Science im Jahr 2015. Seit 2015 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Gruppe Integrierte Systeme und Photonik am Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik der CAU. Sein Forschungschwerpunkt liegt auf Nanostrukturen für Brechungsindex-basierte Biosensorik.

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut of Electrical and Information Engineering, Kaiserstr. 2, 24143 Kiel

Elmira Moussavi

Elmira Moussavi absolvierte 2013 ihr Bachelorstudium in Elektrotechnik erfolgreich an der Islamischen Azad Univeristät in Mashhad (Iran). Im Anschluss hat sie das Masterstudium an der RWTH Aachen begonnen und verfasst zurzeit ihre Masterarbeit am Institut für Hochfrequenztechnik der RWTH Aachen. Ihre Forschungsinteressen umfassen Mixer, integrierte Schaltungsentwürfe und optische Sensoren.

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut of Electrical and Information Engineering, Kaiserstr. 2, 24143 Kiel

Martina Gerken

Martina Gerken ist Professorin für Elektrotechnik und Informationstechnik an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Sie leitet den Lehrstuhl für Integrierte Systeme und Photonik. Ihr Studium für Elektrotechnik schloss sie 1998 an der Universität Karlsruhe ab und erhielt den Doktorgrad in der Elektrotechnik 2003 von der Stanford University. Von 2003 bis 2008 war sie Nachwuchsgruppenleiterin am Karlsruher Institut für Technologie. 2008 wurde sie nach Kiel berufen.

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, Institut of Electrical and Information Engineering, Kaiserstr. 2, 24143 Kiel

Danksagung

Die Autoren bedanken sich beim European Research Council (ERC) für die finanzielle Unterstützung innerhalb des Projektes „PhotoSmart“ (307800). Auch bedanken wir uns bei Karlsruhe Nano and Micro Facility (KNMF, http://www.kit.edu/knmf) für die Unterstützung bei der Fertigung der multiperiodischen und aperiodischen Gitterstrukturen.

Erhalten: 2016-11-30
Revidiert: 2017-2-1
Angenommen: 2017-2-24
Online erschienen: 2017-3-23
Erschienen im Druck: 2017-6-27

©2017 Walter de Gruyter Berlin/Boston

Downloaded on 8.12.2022 from https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/teme-2016-0070/html
Scroll Up Arrow