Monolithische In-Zell-ESR und Online-Reaktions-Monitoring mittels VCO-basierter Detektoren

• Antragsteller: Professor Dr. Jens Anders; Professor Dr. Robert Bittl; Professor Dr. Jan Gerrit Korvink
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Biophysik ; Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 411880363

Die Elektronenspinresonanz (ESR) ist eine der leistungsfähigsten Techniken in der modernen Chemie, da sie den Elektronenspin als nanoskopische Sonde seiner Umgebung mit hervorragender Selektivität und Signalstärke nutzt. Anders als sein naher Verwandter, die Kernspinresonanz (NMR) -Spektroskopie, zielen ESR-basierte Techniken auf Spezies ab, die einen Netto-Elektronenspin besitzen, wie z. B. freie Radikale, was einzigartige Einblicke in viele physiologische Prozesse und biomedizinische Reaktionen im Allgemeinen ermöglicht, bei denen diese Radikale eine zentrale Rolle spielen. Trotz ihrer großen analytischen Aussagekraft war der Einsatz der ESR bis vor kurzem auf eine kleine Gruppe von Experten beschränkt. Dies ist hauptsächlich auf die experimentelle Komplexität, die hohen Kosten und die bestehenden Einschränkungen zurückzuführen, die ESR-Geräten innewohnen. Um diese Situation zu ändern, baut das AdvICE-Projekt (Advanced In-Cell ESR) auf fortschrittlichen IC- und MEMS-basierte Fertigungstechniken in Kombination mit einem neuartigen VCO-basierten Detektionsansatz auf, um ESR Messungen mittels eines skalierbaren Systems von vergleichsweise geringer Komplexität zu ermöglichen und dabei gleichzeitig die erzielbare Empfindlichkeit zu verbessern. Das Projekt AdvICE zielt dabei auf zwei Hauptanwendungen der biologischen ESR ab, nämlich den direkten Nachweis freier Radikale in der natürlichen zellulären Umgebung (In-Zell ESR) sowie die ESR-basierte Online-Überwachung biochemischer Reaktionen. Ziel ist die Erforschung und Realisierung des Prototyps einer neuartigen, autonom arbeitenden, miniaturisierten ESR Detektionsplattform, die alle erforderlichen Komponenten enthält, um ESR-Experimente an kleinen biologischen Proben durchzuführen. Proof-of-Principle-Experimente werden die erweiterte Systemfunktion wie z.B. die totzeitfreie Detektion von gepulsten ESR-Experimenten und eine verbesserte Q-Band-Empfindlichkeit (34 GHz), die den Nachweis von physiologischen Konzentrationen von Analyten bei Raumtemperatur ermöglicht, demonstrieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1857: Elektromagnetische Sensoren für Life Sciences (ESSENCE)