Lichtgesteuerte Biosensoren mit dualer Auslesung basierend auf maßgeschneiderten hybriden Halbleiternanostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Martin Eickhoff; Professor Dr. Fred Lisdat
• Fachliche Zuordnung: Analytische Chemie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 495515506

Ziel des beantragten Projektes ist die Entwicklung einer neuen, lichtgesteuerten Biosensortechnologie, die durch eine simultane elektrochemische und optische Auslese von Sensorsignalen an maßgeschneiderten hybriden Halbleiternanostrukturen (HNS) eine signifikante Erweiterung des Anwendungsspektrums ermöglicht. Vorteilhaft sind insbesondere die Möglichkeit der parallelen Analyse sowie eine Verbesserung der Selektivität im Vergleich zu bestehenden Technologien. Im Kern wird dabei eine kombinierte Lumineszenz- und photoelektrochemische Detektion in Abhängigkeit vom angelegten Potential an den HNS genutzt. Die Materialbasis dieser Technologie sind elektrochemisch stabile Photoelektroden aus hybriden Nanostrukturen. Diese bestehen aus InGaN Nanodrähten, die mit einer ultradünnen Oxid-, Oxynitrid- oder Kohlenstoffschicht überwachsen werden. So können die photoelektrochemischen Eigenschaften der Deckschichten nach Anregung und Transfer von Photoladungsträgern in den InGaN-Nanodrähten durch sichtbares Licht genutzt werden. Über die chemische Zusammensetzung der ultradünnen Deckschicht wird die Lage der Bandkanten an der Oberfläche der hybriden Nanostrukturen und deren elektrochemische Charakteristik gesteuert. Zunächst sollen die Reaktionen verschiedener Redoxmoleküle untersucht werden. Die erhaltenen Ergebnisse sollen es ermöglichen das Zusammenspiel zwischen der Bandverbiegung in den HNS, den elektrochemischen Oberflächeneigenschaften, dem angelegten Potential sowie der Konzentration von Donor- und Akzeptorkomponenten in der Elektrolytlösung modellhaft zu beschreiben und diese zur Realisierung neuartiger Biosensoren mit erhöhter Selektivität zu nutzen. Die Immobilisierung von Biomolekülen auf der HNS-Oberfläche soll in einem nächsten Schritt den Zugang zu direkten Elektronentransferreaktionen mit Redoxenzymen ebnen. Hierfür kann die Oberflächenchemie über bifunktionale Reagenzien weiter angepasst bzw. für die kovalente Fixierung genutzt werden. So soll eine sensorische Detektion von Enzymsubstraten über Photolumineszenz- und Photostromdetektion ohne Zusatz von weiteren Reagenzien möglich werden. Die große Oberfläche der Nanodraht-Elektroden soll für die ortsaufgelöste Immobilisierung unterschiedlicher Biomoleküle und damit zur parallelen Analyse mehrerer analytischer Parameter auf einer Sensoroberfläche genutzt werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen