Biosensoren auf der Basis von Halbleiter-Feldeffektstrukturen mit angekoppelten Insektenantennen

Schroth, Peter; Lüth, Hans

doi:0366-0885

Biosensoren auf der Basis von Halbleiter-Feldeffektstrukturen mit angekoppelten Insektenantennen

Schroth, Peter (Author)

2000 & 2001

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Peter Schroth

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich, Zentralbibliothek 2000

UmfangIV, 91 S. : Ill., graph. Darst.

ReiheBerichte des Forschungszentrums Jülich ; 3837

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2000

Druckausgabe: 2000. - Onlineausgabe: 2001. - Zsfassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Lüth, Hans (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2000-10-23

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-981
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/60521/files/Schroth_Peter.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Insekten (frei) ; Antenne (frei) ; Duftstoff (frei) ; Biosensor (frei) ; Feldeffekttransistor (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit sollte durch Ankopplung der Insektenantennen verschiedener Käferarten an einen Feldeffekttransistor ein Biosensor zur Detektion kleinster Konzentrationen von organischen Duftstoffen entwickelt werden. Dazu wurde mit dem BioFET (biologisch sensitiven Feldeffekttransistor) ein Sensorkonzept vorgestellt, bei dem eine Insektenantenne über eine Elektrolytlösung elektrisch mit dem Gate des Feldeffekttransistors verbunden wird (bioelektronische Schnittstelle). Die während des Riechvorgangs in der Antenne gebildeten elektrischen Potentiale werden über den Elektrolyten auf den Transistor übertragen und dort ausgelesen. Die Feldeffekttransistoren wurden mit den Methoden der Siliziumplanartechnologie hergestellt und im Hinblick auf ihre elektronischen Eigenschaften charakterisiert. Als vorteilhaft erwiesen sich dabei Gates in Mäanderform, die sich durch ein hohes W/L-Verhältnis auszeichnen. Die Insektenantennen wurden mit Hilfe der Impedanzspektroskopie elektrisch charakterisiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass sowohl die Anwesenheit von Duftstoffen, als auch eine angelegte Biasspannung und das Alter der Antenne die Impedanz beeinflussen. Die eigentlichen Duftstoffmessungen mit dem BioFET wurden mit verschiedenen Käferarten (Kartoffelkäfer, Stahlblauer Kiefernprachtkäfer, Spodoptera littoralis sowie Diabrotica undecimpunctata) und Duftstoffen (cis-3-hexen-1-ol, Guaiacol, 1-octen) durchgeführt. Je nach verwendeter Antenne konnten Duftstoffkonzentrationen bis in den unteren ppt-Bereich reproduzierbar nachgewiesen werden. Bei Messungen unter Realbedingungen in einem Treibhaus konnte die Eignung des Sensors für den empfindlichen Nachweis von Pflanzenschäden nachgewiesen werden.

The main goal of this work was the realization of a biosensor for the detection of small concentrations of organic odor substances by means of coupling an insect antenna to a field-effect transistor. A sensor concept based on a BioFET (biologically sensitive field-effect transistor) was developed, where an insect antenna is coupled to the FET gate by means of an electrolyte solution (bioelectronic interface). The electric potential generated in the antenna upon detecting a certain odor are measured by the FET. The FETs were fabricated by means of silicon planar technology and characterized with respect to their electrical properties. Meander-shaped gates were found to be most suitable for signal transduction. The insect antennae were electrically characterized by means of impedance spectroscopy. It could be shown that the impedance varies with the odor concentration as well as the bias voltage and the age of the antenna. The odor detection measurements themselves were performed with different insect species (potato beetle, steelblue jewel beetle, spodoptera littoralis, diabrotica undecimpunctata) as well as odor substances (cis-3-hexen-1-ol, guaiacol, 1-octen). Depending on the insect species, odor concentrations could be reproducably detected down to the low ppt-range. In measurements in a glasshouse under real-world conditions, the suitability of the sensor for the detection of plant damages in agriculture could be demonstrated.

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