Electrochemical, spectroscopic and SPM evidence for the controlled formation of self-assembled monolayers and organised multilayers of ferrocenyl alkyl thiols on Au(111)

Organised multilayers were formed from the controlled self-assembly of ferrocene alkyl thiols on Au(111) surfaces. The control was accomplished by increasing the concentration of the thiol solutions used for the assembly. Cyclic voltammetry, ellipsometry, scanning probe microscopy (STM and AFM) and in situ FTIR spectroscopy were used to probe the differences between mono- and multilayers of the same compounds. Electrochemical desorption studies confirmed that the multilayer structure is attached to the surface via one monolayer. The electrochemical behaviour of the multilayers indicated the presence of more than one controlling factor during the oxidation step, whereas the reduction was kinetically controlled which contrasts with the behaviour of monolayers, which exhibit kinetic control for the oxidation and reduction steps. Conventional and imaging ellipsometry confirmed that multilayers with well-defined increments in thickness could be produced. However, STM indicated that at the monolayer stage, the thiols used promote the mobility of Au atoms on the surface. It is very likely that the multilayer structure is held together through hydrogen bonding. To the best of out knowledge, this is the first example of a controlled one-step growth of multilayers of ferrocenyl alkyl thiols using self-assembly techniques.

Application of Optical Protein-chip in Detecting Phage M13KO7

Abstract: Avidin layer was bound on the substrate surface of Silicon wafer modified with aldehyde. The interaction between avidin and biotin was adopted for the immobilization of mouse monoclonal biotin-anti-M13 (antibody GP3)-labeled biotin. The surface was incubated in a solution containing phage M13KO7, which was trapped by the antibody GP3 with the interaction between phage M13KO7 and antibody GP3, resulting in a variation of layer thickness that was detected by imaging ellipsometry. The results showed a saturated layer of antibody GP3 with a thickness about 6.9 nm on the surface of the silicon wafer. The specific interaction between phage M13KO7 and antibody GP3 resulted in a variation of layer thickness. The layer of phage M13KO7 bound with antibody GP3 was 17.5 nm in the concentration of 1.1×1010 pfu/mL. Each variation of the layer thickness corresponded to a concentration of phage M13KO7 in the range of 0.1×1010–2.5×1010 pfu/mL, with the sensitivity of 109 pfu/mL. Compared with other methods, the optical protein-chip, requiring only short measurement time, label free, is a quantitative test, and can be visualized. This study could be significant on the interactions between the antibody and the virus, showing potential in the early diagnosis of virosis.

A Label-Free Protein Microfluidic Array for Parallel Immunoassays

A label-free protein microfluidic array for immunoassays based on the combination of imaging ellipsometry and an integrated microfluidic system is presented. Proteins can be patterned homogeneously on substrate in array format by the microfluidic system simultaneously. After preparation, the protein array can be packed in the microfluidic system which is full of buffer so that proteins are not exposed to denaturing conditions. With simple microfluidic channel junction, the protein microfluidic array can be used in serial or parallel format to analyze single or multiple samples simultaneously. Imaging ellipsometry is used for the protein array reading with a label-free format. The biological and medical applications of the label-free protein microfluidic array are demonstrated by screening for antibody–antigen interactions, measuring the concentration of the protein solution and detecting five markers of hepatitis B.

Micro-systems for Optical Protein-Chip

Protein-Chip as micro-assays for the determination of protein interaction, the analysis, the identification and the purification of proteins has large potential applications. The Optical Protein-Chip is able to detect the multi-interaction of proteins and multi-bio-activities of molecules directly and simultaneously with no labeling. The chip is a small matrix on solid substrate containing multi-micro-area prepared by microfabrication with photolithography or soft lithography for surface patterning, and processed with surface modification which includes the physical, chemical, and bio-chemical modifications, etc. The ligand immobilization, such as protein immobilization, especially the oriented immobilization with low steric hindrance and high bio-specific binding activity between ligand and receptor is used to form a sensing surface. Each area of the pattern is corresponding to only one bioactivity. The interval between the areas is non-bioactive and optically extinctive. The affinity between proteins is used to realize non-labeling microassays for the determination of protein identification and protein interaction. The sampling of the chip is non-disturbing, performed with imaging ellipsometry and image processing on a database of proteins.

Competitive adsorption of collagen and bovine serum albumin - effect of the surface wettability

The competitive adsorption of collagen and bovine serum albumin (BSA) on surfaces with varied wettability was investigated with imaging ellipsometry, and ellipsometry. Silane modified silicon surfaces were used as substrates. The results showed that surface wettability had an important effect on protein competitive adsorption. With the decrease of surface wettability, the adsorption of collagen from the mixture solution of collagen and BSA decreased, while the adsorption of BSA increased. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Soluble Angiopoietin Receptor Tie-2 In Patients With Acute Myocardial Infarction And Its Detection By Optical Protein-Chip

The Tie-2 receptor has been shown to play a role in angiogenesis in atherosclerosis. The conventional method assaying the level of soluble Tie-2 (sTie-2) was ELISA. However, this method has some disadvantages. The aims of this research are to establish a more simple detection method, the optical protein-chip based on imaging ellipsomtry (OPC-IE) applying to Tie-2 assay. The sTie-2 biosensor surface on silicon wafer was prepared first, and then serum levels of sTie-2 in 38 patients with AMI were measured on admission (day 1), day 2, day 3 and day 7 after onset of chest pain and 41 healthy controls by ELISA and OPC-IE in parallel. Median level of sTie-2 increased significantly in the AMI patients when compared with the controls. Statistics showed there was a significant correlation in sTie-2 results between the two methods (r=0.923, P0.01). The result of this study showed that the level of sTie-2 increased in AMI, and OPC-IE assay was a fast, reliable, and convenient technique to measure sTie-2 in serum.

Untersuchung der lateralen Organisation und Phasenumwandlung von festkörperunterstützten Lipidmembranen

Im ersten Teil der Arbeit wurde das Bindungsverhalten von Annexin A1 und Annexin A2t an festkörperunterstützte Lipidmembranen aus POPC und POPS untersucht. Für beide Proteine konnte mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie gezeigt werden, dass irreversible Bindung nur in Anwesenheit von POPS auftritt. Durch rasterkraftmikroskopische Aufnahmen konnte die laterale Organisation der Annexine auf der Lipidmembran dargestellt werden. Beide Proteine lagern sich in Form lateraler Aggregate (zweidimensionale Domänen) auf der Oberfläche an, außerdem ist der Belegungsgrad und die Größe der Domänen von der Membranzusammensetzung und der Calciumkonzentration abhängig. Mit zunehmendem POPS-Gehalt und Calciumkonzentration steigt der Belegungsgrad an und der mittlere Domänenradius wird kleiner. Diese Ergebnisse konnten in Verbindung mit detaillierten Bindungsstudien des Annexins A1 mit der Quarzmikrowaage verwendet werden, um ein Bindungsmodell auf Basis einer heterogenen Oberfläche zu entwickeln. Auf einer POPC-reichen Matrix findet reversible Adsorption statt und auf POPS-reichen Domänen irreversible Adsorption. Durch die Anpassung von dynamischen Monte Carlo-Simulationen basierend auf einer zweidimensionalen zufälligen sequentiellen Adsorption konnten Erkenntnisse über die Membranstruktur und die kinetischen Ratenkonstanten in Abhängigkeit von der Calciumkonzentration und der Inkubationszeit des Proteins gewonnen werden. Die irreversible Bindung ist in allen Calciumkonzentrationsbereichen schneller als die reversible. Außerdem zeigt die irreversible Adsorption eine deutlich stärkere Abhängigkeit von der Calciumkonzentration. Ein kleinerer Belegungsgrad bei niedrigen Ca2+-Gehalten ist hauptsächlich durch die Abnahme der verfügbaren Bindungsplätze auf der Oberfläche zu erklären. Die gute Übereinstimmung der aus den Monte Carlo-Simulationen erhaltenen Domänenstrukturen mit den rasterkraftmikroskopischen Aufnahmen und die Tatsache, dass sich die simulierten Resonanzfrequenzverläufe problemlos an die experimentellen Kurven aus den QCM-Messungen anpassen ließen, zeigt die gute Anwendbarkeit des entwickelten Simulationsprogramms auf die Adsorption von Annexin A1. Die Extraktion der kinetischen Parameter aus dem zweidimensionalen RSA-Modell ist mit Sicherheit einem einfachen Langmuir-Ansatz überlegen. Bei einem Langmuir-Modell erfolgt eine integrale Erfassung einer einzelnen makroskopischen Geschwindigkeitskonstante, während durch das RSA-Modell eine differenzierte Betrachtung des reversiblen und irreversiblen Bindungsprozesses möglich ist. Zusätzlich lassen sich mikroskopische Informationen über die Oberflächenbeschaffenheit gewinnen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde das thermotrope Phasenverhalten von festkörperunterstützten Phospholipidbilayern untersucht. Dazu wurden mikrostrukturierte, frei stehende Membranstreifen präpariert und mit Hilfe der bildgebenden Ellipsometrie untersucht. Dadurch konnten die temperaturabhängigen Verläufe der Schichtdicke und der lateralen Membranausdehnung parallel beobachtet werden. Die ermittelten Phasenübergangstemperaturen von DMPC, diC15PC und DPPC lagen 2 - 3 °C oberhalb der Literaturwerte für vesikuläre Systeme. Außerdem wurde eine deutliche Verringerung der Kooperativität der Phasenumwandlung gefunden, was auf einen großen Einfluss des Substrats bei den festkörperunterstützten Lipidmembranen schließen lässt. Zusätzlich wurde ein nicht systematischer Zusammenhang der Ergebnisse von der Oberflächenpräparation gefunden, der es unabdingbar macht, bei Untersuchungen von festkörperunterstützten Substraten einen internen Standard einzuführen. Bei der Analyse des thermotropen Phasenübergangsverhaltens von DMPC/Cholesterol - Gemischen wurde daher die individuelle Adressierbarkeit der strukturierten Lipidmembranen ausgenutzt und ein Lipidstreifen aus reinem DMPC als Standard verwendet. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass das für Phospholipide typische Phasenübergangsverhalten ab 30 mol% Cholesterol in der Membran nicht mehr vorhanden ist. Dies ist auf die Bildung einer nur durch höhere Sterole induzierten fluiden Phase mit hoch geordneten Acylketten zurückzuführen. Abschließend konnte durch die Zugabe von Ethanol zu einer mikrostrukturierten DMPC-Membran die Bildung eines interdigitierten Bilayers nachgewiesen werden. Die bildgebende Ellipsometrie ist eine sehr gute Methode zur Untersuchung festkörperunterstützter Lipidmembranen, da sie über ein sehr gutes vertikales und ein ausreichendes laterales Auflösungsvermögen besitzt. Sie ist darin zwar einem Rasterkraftmikroskop noch unterlegen, besitzt dafür aber eine einfachere Handhabung beim Umgang mit Flüssigkeiten und in der Temperierung, eine schnellere Bildgebung und ist als optische Methode nicht-invasiv.

Functional polymer coatings — My-Patterning and My-Analysis

In dieser Arbeit werden Strukturen beschrieben, die mit Polymeren auf Oberflächen erzeugt wurden. Die Anwendungen reichen von PMMA und PNIPAM Polymerbürsten, über die Restrukturierung von Polystyrol durch Lösemittel bis zu 3D-Strukturen, die aus PAH/ PSS Polyelektrolytmultischichten bestehen. Im ersten Teil werden Polymethylmethacrylat (PMMA) Bürsten in der ionischen Flüssigkeit 1-Butyl-3-Methylimidazolium Hexafluorophospat ([Bmim][PF6]) durch kontrollierte radikalische Polymerisation (ATRP) hergestellt. Kinetische Untersuchungen zeigten ein lineares und dichtes Bürstenwachstum mit einer Wachstumsrate von 4600 g/mol pro nm. Die durchschnittliche Pfropfdichte betrug 0.36 µmol/m2. Als Anwendung wurden Mikrotropfen bestehend aus der ionischen Flüssigkeit, Dimethylformamid und dem ATRP-Katalysator benutzt, um in einer definierten Geometrie Polymerbürsten auf Silizium aufzubringen. Auf diese Weise lässt sich eine bis zu 13 nm dicke Beschichtung erzeugen. Dieses Konzept ist durch die Verdampfung des Monomers Methylmethacrylat (MMA) limitiert. Aus einem 1 µl großen Tropfen aus ionischer Flüssigkeit und MMA (1:1) verdampft MMA innerhalb von 100 s. Daher wurde das Monomer sequentiell zugegeben. Der zweite Teil konzentriert sich auf die Strukturierung von Oberflächen mit Hilfe einer neuen Methode: Tintendruck. Ein piezoelektrisch betriebenes „Drop-on-Demand“ Drucksystem wurde verwendet, um Polystyrol mit 0,4 nl Tropfen aus Toluol zu strukturieren. Die auf diese Art und Weise gebildeten Mikrokrater können Anwendung als Mikrolinsen finden. Die Brennweite der Mikrolinsen kann über die Anzahl an Tropfen, die für die Strukturierung verwendet werden, eingestellt werden. Theoretisch und experimentell wurde die Brennweite im Bereich von 4,5 mm bis 0,21 mm ermittelt. Der zweite Strukturierungsprozess nutzt die Polyelektrolyte Polyvinylamin-Hydrochlorid (PAH) und Polystyrolsulfonat (PSS), um 3D-Strukturen wie z.B. Linien, Schachbretter, Ringe, Stapel mit einer Schicht für Schicht Methode herzustellen. Die Schichtdicke für eine Doppelschicht (DS) liegt im Bereich von 0.6 bis 1.1 nm, wenn NaCl als Elektrolyt mit einer Konzentration von 0,5 mol/l eingesetzt wird. Die Breite der Strukturen beträgt im Mittel 230 µm. Der Prozess wurde erweitert, um Nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) zu beschichten. Auf einem Array bestehend aus acht Cantilevern wurden je zwei Cantilever mit fünf Doppelschichten PAH/ PSS und je zwei Cantilever mit zehn Doppelschichten PAH/ PSS schnell und reproduzierbar beschichtet. Die Massenänderung für die individuellen Cantilever war 0,55 ng für fünf Doppelschichten und 1,08 ng für zehn Doppelschichten. Der daraus resultierende Sensor wurde einer Umgebung mit definierter Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Die Cantilever verbiegen sich durch die Ausdehnung der Beschichtung, da Wasser in das Polymer diffundiert. Eine maximale Verbiegung von 442 nm bei 80% Luftfeuchtigkeit wurde für die mit zehn Doppelschichten beschichteten Cantilever gefunden. Dies entspricht einer Wasseraufnahme von 35%. Zusätzlich konnte aus den Verbiegungsdaten geschlossen werden, dass die Elastizität der Polyelektrolytmultischichten zunimmt, wenn das Polymer gequollen ist. Das thermische Verhalten in Wasser wurde im nächsten Teil an nanomechanischen Cantilever Sensoren, die mit Poly(N-isopropylacrylamid)bürsten (PNIPAM) und plasmapolymerisiertem N,N-Diethylacrylamid beschichtet waren, untersucht. Die Verbiegung des Cantilevers zeigte zwei Bereiche: Bei Temperaturen kleiner der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) ist die Verbiegung durch die Dehydration der Polymerschicht dominiert und bei Temperaturen größer der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) reagiert der Cantilever Sensor überwiegend auf Relaxationsprozesse innerhalb der kollabierten Polymerschicht. Es wurde gefunden, dass das Minimum in der differentiellen Verbiegung mit der niedrigsten kritischen Temperatur von 32°C und 44°C der ausgewählten Polymeren übereinstimmt. Im letzten Teil der Arbeit wurden µ-Reflektivitäts- und µ-GISAXS Experimente eingeführt als neue Methoden, um mikrostrukturierte Proben wie NCS oder PEM Linien mit Röntgenstreuung zu untersuchen. Die Dicke von jedem individuell mit PMMA Bürsten beschichtetem NCS ist im Bereich von 32,9 bis 35,2 nm, was mit Hilfe von µ-Reflektivitätsmessungen bestimmt wurde. Dieses Ergebnis kann mit abbildender Ellipsometrie als komplementäre Methode mit einer maximalen Abweichung von 7% bestätigt werden. Als zweites Beispiel wurde eine gedruckte Polyelektrolytmultischicht aus PAH/PSS untersucht. Die Herstellungsprozedur wurde so modifiziert, dass Goldnanopartikel in die Schichtstruktur eingebracht wurden. Durch Auswertung eines µ-GISAXS Experiments konnte der Einbau der Partikel identifiziert werden. Durch eine Anpassung mit einem Unified Fit Modell wurde herausgefunden, dass die Partikel nicht agglomeriert sind und von einer Polymermatrix umgeben sind.

(Bio)funcionalização de superfícies nanoestruturadas para eletrocatálise e desenvolvimento de biossensores eletroquímicos e óticos

Tese de doutoramento, Química (Química Física), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016

Visualization of molecule interaction between antigen and antibody - One of ellipsometric imaging applications

It is to investigate molecule interactions between antigen and antibody with ellipsometric imaging technique and demonstrate some features and possibilities offered by applications of the technique. Molecule interaction is an important interest for molecule biologist and immunologist. They have used some established methods such as immufluorcence, radioimmunoassay and surface plasma resonance, etc, to study the molecule interaction. At the same time, experimentalists hope to use some updated technique with more direct visual results. Ellipsometric imaging is non-destructive and exhibits a high sensitivity to phase transitions with thin layers. It is capable of imaging local variations in the optical properties such as thickness due to the presence of different surface concentration of molecule or different deposited molecules. If a molecular mono-layer (such as antigen) with bio-activity were deposited on a surface to form a sensing surface and then incubated in a solution with other molecules (such as antibody), a variation of the layer thickness when the molecules on the sensing surface reacted with the others in the solution could be observed with ellipsometric imaging. Every point on the surface was measured at the same time with a high sensitivity to distinguish the variation between mono-layer and molecular complexes. Ellipsometric imaging is based on conventional ellipsometry with charge coupled device (CCD) as detector and images are caught with computer with image processing technique. It has advantages of high sensitivity to thickness variation (resolution in the order of angstrom), big field of view (in square centimeter), high sampling speed (a picture taken within one second), and high lateral resolution (in the order of micrometer). Here it has just shown one application in study of antigen-antibody interaction, and it is possible to observe molecule interaction process with an in-situ technique.

An automatic imaging spectroscopic ellipsometer for characterization of nano-film pattern on solid substrate

In order to characterize the physical and spatial properties of nano-film pattern on solid substrates, an automatic imaging spectroscopic ellipsometer (ISE) based on a polarizer - compensator - specimen - analyzer configuration in the visible region is presented. It can provide the spectroscopic ellipsometric parameters psi (x, y, lambda) and Delta (x, y, lambda) of a large area specimen with a lateral resolution in the order of some microns. A SiO2 stepped layers pattern is used to demonstrate the function of the ISE which shows potential application in thin film devices' such as high-throughput bio-chips.

Optimization of evanescent wave imaging for the visualization of protein adsorption layers

We have optimized the settings of evanescent wave imaging for the visualization of a protein adsorption layer. The enhancement of the evanescent wave at the interface brought by the incident angle, the polarized state of light beam as well as a gold layer is considered. In order to improve the image contrast of a protein monolayer in experiments, we have optimized three factors-the incident angle, the polarization of light beam, and the thickness of an introduced thin gold layer with a theoretical simulation.