Bionanoelektronik

1. Bionanoelektronik

2. Was ist „Nanotechnologie“ ? • 1. Nanotechnolgie befaßt sich mit Strukturen, die in mindestens • einer Dimension kleiner als 100 nm sind. • Nanotechnologie macht sich charakteristische Effekte und • Phänomene zunutze, die im Übergangsbereich zwischen atomarer • und mesoskopischer Ebene auftreten. • Nanotechnologie bezeichnet die gezielte Herstellung und/oder • Manipulation einzelner Nanostrukturen

3. Herstellungsstrategien „Top-down“ Strukturen und Komponenten werden immer weiter miniaturisiert (Physik, physikalische Technik) „Bottom-up“ Aufbau immerkomplexerer Strukturen aus atomaren bzw. molekularen Bausteinen (Chemie, Biologie)

4. Basisstrukturen Punktförmige Strukturen – drei Dimensionen < 100 nm (Nanokristalle, Cluster, Moleküle) Linienförmige Strukturen – zwei Dimensionen < 100 nm (Nanodrähte, Nanoröhren, Nanogräben) Schichtstrukturen – eine Dimension < 100 nm

5. Mikroelektronik – Nanoelektronik - Halbleitertechnik 1957: Magn. Ringkern- Speicher mit 16 kbit 1976: 64 kbit Memory Modul 1988: 1 Mbit Chip (1,3 Mikrometer) (1 cm) (10 Mikrometer) (kleinste Strukturabmessung der Bauelemente)

6. Mikroelektronik – Nanoelektronik - Halbleitertechnik 2006: Chipstrukturen nähern sich der 100 nm - Grenze 1997: 1 Gbyte DRAM in 128x8 Mbyte-Modulen (180 Nanometer) Aktuell (Jan. 2010): 32 nm

7. Kleinste Strukturabmessung DRAM-Speicherdichte Mikroprozessorleistg. • der Bauelemente pro Chip (Systemgeschw.) • 1970 10 Mikrometer 1 Kbit 0,5 MHz • 1,3 Mikrometer 64 Kbit 5 MHz • 0,5 Mikrometer 4 Mbit 50 MHz • 180 Nanometer 256 Mbit 1 GHz • 2010* 50 Nanometer 64 Gbit 10 GHz * Prognose (Strategiepapier des BMBF von 2006)

9. Führende Firmen in der Halbleiterentwicklung • Intel • Samsung Electronics • Texas Instruments • Toshiba • ST Microelectronics • Infineon Technologies • Neue Fertigungsvarianten für Strukturlängen < 100 nm notwendig (z.B.Kristallgitter-Streckverfahren)  Neue Lithografieverfahren (z.B. Immersionslithografie)

10. Wichtige Anwendungsfelder der Nanoelektronik:  Medizin:Laufende und unauffällige Kontrolle gesundheitsrelevanter Körperfunktionen  Verkehrstechnik: Verkehrssicheres Automit Assistenz in allen Fahrsituationen,Sicherheitserkennung über biometrische Merkmale  Baugewerbe: sicheres und vernetztes Haus  Sicherheit: Sicherheitserkennung über biometrische Merkmale

11. Problem: • Zunehmende Miniaturisierung der Objekte verlangt neue chemische Methoden • „Bottom up“ – Aufbau von nm-Dimensionen aus Metallen wie Au, Ag, Pt, Cu oder Halbleitern wie PbS, CdS, CdSe, TiO2 • größenabhängige Plasmonenabsorption • photoinduzierte Erzeugung von Elektron- Loch- Paaren • Fluoreszenz

12. Möglichkeit der Ansteuerung der Partikel durch externe elektronische oder photonische Signale

13. Nanotechnolgie + biologische Systeme elektronische und optoelektronische Funktionseinheiten Aggregation und Manipulation Schaltkreise Sensoren

14. Herstellung von Biomolekül-Nanopartikel-Hybriden Erzeugung von Au-Nanopartikeln durch Citratreduktion (d = 16±2 nm) Nanopartikel– Protein- Konjugat durch elektrosta- tische Wechselwirkungen IgG (Immunglobulin G) oberhalb des isoelektr. Punktes

15. Herstellung von Biomolekül-Nanopartikel-Hybriden natürliche Thiolgruppen des Proteins Nanopartikel– Protein- Konjugat durch Adsorption an synthetische Thiolgruppen des Proteins

16. Herstellung von Biomolekül-Nanopartikel-Hybriden Nanopartikel – Protein – Konjugat bei Antikörper-Antigen-Komplexen

17. Anwendung von Nanopartikel – Protein – Konjugaten als Immunosensoren Prostataspezifisches Antigen (PSA) Magnetteilchen mit Antikörper

18. magn. Trennung + Dehybridisierung Thermische Dissoziation der Nucleinsäure – Doppelhelix DNA - Detektion auf einem Chip

19. Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) – Spektroskopie bei Immunsensor-Assays mit Gold- Nanopartikeln als Marker C – Gold als Marker • Verschiebung des Plasmonenwinkels • Verbreiterte Plasmonen- resonanz (Reflektivität) Antigen läßt sich in pikomolaren Mengen nachweisen

20. Oberflächenplasmonenresonanz mit Silber- Nanopartikeln als Marker AFM – Aufnahme von dreieckigen Silber - Nanopartikeln außergewöhnliche optische Eigenschaften bzgl. externer dielektrischer Umgebung (ca. 10-30 nm)

21. Oberflächenplasmonenresonanz mit Silber- Nanopartikeln als Marker SPR – Spektren nach Funktionaliaierung mit Biotineinheiten • Modifikation mit 1 mM Biotin • Modifikation mit 0,1 mM Biotin • Modifikation mit biotinylierten • Ag- Nanopartikeln • Umwandlung von Änderungen des Brechungsindex in Verschiebung der Wellenlänge

22. Magnet - Nanopartikel als Marker in Proteinkäfigen Proteinkäfige, insbesondere virale fungieren als strukturell begrenzte „Nanoreaktoren“  Eisenspeicherprotein Ferritin besonders zur Erzeugung magn. Partikel def. Form und Größe geeignet CCM- Virus (cowpea chlorotic mottle virus – Kuhbohnen-Mosaikvirus), 180 identische Untereinheiten von 20.000 kDa lagern sich zu einer leeren Virushülle mit Ikosaedersymmetrie zusammen

23. Magnet - Nanopartikel als Marker in Proteinkäfigen CCMV – Proteinkäfig D außen = 28 nm D innen = 18-24 nm gentechnische Modifizierung des Hüllproteins zur Beeinflussung des Wachstums der Nanopartikel

24. Konstruktion von Überstrukturen aus CdS-Nanopartikel-DNA- Konjugaten - Anwendungen zur Erzeugung von Photostrom Au Kolloide D = 2,6  0,4 nm 67,68 – thiolderivatisierte Nucleinsäuren, komplementär zur Ziel- DNA 69 – Ziel –DNA fungiert als Vernetzungselement zum Aufbau eines Arrays

25. Bestrahlung des Arrays  Induktion von Photostrom  Zunahme mit Zahl der CdS- Nanopartikel- Generationen  Photonanregung des Halbleiters induziert Transfer von Elektronen in das Leitungsband Elektronische Nanoschaltkreise 70 – Ru-Komplex zur Verstärkung des Photostromes

26. Charakterisierung der Arrays B – Absorptionsspektrum C - Fluoreszenzspektrum (1-4 Schichten CdS-Nanopartikel Aggregate)

27. Biomolekulare Nanoschaltkreise Nanodrähte bzw. Nanoröhren als Funktionseinheiten für selbstorganisierende logische- und Speicherschaltkreise

28. Biomolekulare Nanoschaltkreise • Möglichkeiten der technischen Umsetzung zur Bildung geordneter Arrays: • S- Layer- Techniken (gezielte Anordnung von kristallinen Proteinschichten auf Substraten) Strukturierung der S- Layer durch: - Bestrahlung mit mit Tief-UV-Licht - Anwendung weicher Lithographie- Techniken - Mikromolding in Kapillaren (MIMIC)

29. PDMS - Poly(dimethylsiloxan) S- Layer: kristalline Proteinschichten Biomolekulare Nanoschaltkreise Erzeugung von S- Layer –Mustern durch MIMIC • Mit einer „Gußform“ aus PDMS werden Kanäle auf einem Si-Wafer erzeugt. • Die Kanäle werden durch Kapillarkräfte mit Proteinlösung befüllt.

30. Biomolekulare Nanoschaltkreise S- Layer Muster werden als Substrate für Antikörper- Antigen Immunreaktion verwendet S- Layer Muster werden mit Fluoreszenzfarbstoff markiert

31. Biomolekulare Nanoschaltkreise EM- Aufnahme eines S- Layers mit quadratischer Gittersymmetrie und Goldübergitter (Dgold = 4-5 nm) Fluoreszenzaufnahmen eines S- Layers, dessen Muster mit „schaltkreisähnlicher“ PDMS – Form erzeugt wurde

32. Biomolekulare Nanoschaltkreise DNA als Templatmaterial - Nanodrähte • Vielfältige Möglichkeiten (mittels Enzymen) für Manipulation der DNA: • Ligasen: verknüpfen Nucleinsäurestücke • Endonucleasen: schneiden Nucleisäuren an spez. Positionen • Telemerasen: verlängern einsträngige Nucleinsäuren • Polymerasen: replizieren DNA „Cut and Paste“ -Werkzeuge zur Modifizierung von DNA - Matrizen

33. Problem: • Elektronentransport durch DNA – schlechte oder isolierende Leitungseigenschaften DNA – Metallisierung: Anordnung der metallischen Nanopartikel „auf Lücke“  kontinuierliche Leitfähigkeit

34. DNA als Templatmaterial – Nanodrähte Herstellung: Mikroelektroden mit Oligonucleotiden Verbrückung über  - DNA Beladung mit Silberionen durch Ionenaustausch an Phosphatgruppen

35. DNA als Templatmaterial – Nanodrähte Reduktive Abscheidung von Silber Durchmesser des Drahtes: 100 nm

36. I-V- Kurven des Silberdrahtes

37. DNA als Templatmaterial – Nanodrähte Herstellung: Molekulare Lithographie AFM – Aufnahme einer strukturierten DNA- Matrize nach Metallisierung mit Gold

38. Ausblick: • Umsetzung von Biomolekül-Nanopartikel-Organisation in tragfähige • Technologien z.T. schon möglich (z.B. analytische Anwendungen, • signalinduzierte elektronische Funktionen) • - funktionierende molekulare Elektronik erfordert aufwendige • Grundlagenforschung  Bildung komplexer Geometrien  nanoskopische Strukturbildung von Leiterbahnen  molekular exakte Lokalisierung von Bauelementen

39. - Nanorobotics  mikroskopische Roboter • (Regelung, Kommunikation, Energieversorgung) • nanoelektromechanische Quantenschaltkreise und • Quantensysteme (freistehende, bewegliche • Nanokomponenten)