Immobilization of liposomes in nanostructured layer-by-layer films containing dendrimers

Artificial vesicles or liposomes composed of lipid bilayers have been widely exploited as building blocks for artificial membranes, in attempts to mimic membrane interaction with drugs and proteins and to investigate drug delivery processes. In this study we report on the immobilization of liposomes of 1,2-dipalmitoyi-sn-Glycero-3-[Phospho-rac-(1-glycerol)] (Sodium Salt) (DPPG) in layer-by-layer (LbL) films, alternated with poly (amidoamine) G4 (PAMAM) dendrimer layers. The average size of the liposomes in solution was 120 nm as determined by dynamic light scattering, with their spherical shape being inferred from scanning electron microscopy (SEM) in cast films. LbL films containing up to 20 PAMAM/DPPG bilayers were assembled onto glass and/or silicon wafer substrates. The growth of the multilayers was achieved by alternately immersing the substrates into the PAMAM and DPPG solutions for 5 and 10 min, respectively. The formation of PAMAM/DPPG liposome multilayers and its ability to interact with BSA were confirmed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). The structural features and film thickness were obtained using X-ray diffraction and surface plasmon resonance (SPR). (c) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

Adsorption of anionic amphiphilic polyelectrolytes onto amino-terminated solid surfaces

The adsorption behavior of several amphiphilic polyelectrolytes of poly(maleic anhydride-alt-styrene) functionalized with naphthyl and phenyl groups, onto amino-terminated silicon wafer has been studied by means of null- ellipsometry, atomic force microscopy (AFM) and contact angle measurements. The maximum of adsorption, Gamma(plateau), varies with the ionic strength, the polyelectrolyte structure and the chain length. Values of Gamma(plateau) obtained at low and high ionic strengths indicate that the adsorption follows the ""screening-reduced adsorption"" regime. Large aggregates were detected in solution by means of dynamic light scattering and fluorescence measurements. However. AFM indicated the formation of smooth layers and the absence of aggregates. A model based on a two-step adsorption behavior was proposed. In the first one, isolated chains in equilibrium with the aggregates in solution adsorbed onto amino-terminated surface. The adsorption is driven by electrostatic interaction between protonated surface and carboxylate groups. This first layer exposes naphtyl or phenyl groups to the solution. The second layer adsorption is now driven by hydrophobic interaction between surface and chains and exposes carboxylate groups to the medium, which repel the forthcoming chain by electrostatic repulsion. Upon drying some hydrophobic naphtyl or phenyl groups might be oriented to the air, as revealed by contact angle measurements. Such amphiphilic polyelectrolyte layers worked well for the building-up of multilayers with chitosan. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Adsorption of silanes bearing nitrogenated Lewis bases on SiO 2/Si (100) model surfaces

The present paper describes the one-pot procedure for the formation of self-assembled thin films of two silanes on the model oxidized silicon wafer, SiO2/Si. SiO2/Si is a model system for other surfaces, such as glass, quartz, aerosol, and silica gel. MALDI-TOF MS with and without a matrix, XPS, and AFM have confirmed the formation of self-assembled thin films of both 3-imidazolylpropyltrimethoxysilane (3-IPTS) and 4-(N- propyltriethoxysilane-imino)pyridine (4-PTSIP) on the SiO2/Si surface after 30 min. Longer adsorption times lead to the deposition of nonreacted 3-IPTS precursors and the formation of agglomerates on the 3-IPTS monolayer. The formation of 4-PTSIP self-assembled layers on SiO2/Si is also demonstrated. The present results for the flat SiO2/Si surface can lead to a better understanding of the formation of a stationary phase for affinity chromatography as well as transition-metal-supported catalysts on silica and their relationship with surface roughness and ordering. The 3-IPTS and 4-PTSIP modified SiO2/Si wafers can also be envisaged as possible built-on-silicon thin-layer chromatography (TLC) extraction devices for metal determination or N-heterocycle analytes, such as histidine and histamine, with on-spot MALDI-TOF MS detection. © 2005 Elsevier Inc. All rights reserved.

Tetraethylortossilicate plasma thin film with hydrophilic and hydrophobic characteristics: Use on passive mixers

This work aims to obtain plasma thin film composites with hydrophobic/hydrophilic alternated regions, which are useful for the production of miniaturized mixers. These regions were acquired by two different strategies: either the codeposition of TEOS and HFE plasma thin films or the exposition of TEOS plasma films to ultraviolet radiation (UVA and UVC). These films were characterized by several chemical and physical techniques. The refractive indexes vary from 1.4 to 1.7; infrared and photoelectron spectroscopy detect Si-O-Si and CHn species. Silicone-like structures with high or low number of amorphous carbon microparticles and with fluorinated organic clusters were produced. Cluster dimensions were in the 1-5 mm range and they are made of graphite or COF (carbon/oxygen/fluorine) compounds. Scanning electron and optical microscopy showed rough surfaces. Water contact angles were 90º; however, for TEOS films that value changed after 6 hr of UVC exposure. Moreover, after UV exposure, organic polar compounds could be adsorbed in those films and water was not. The passive mixer performance was simulated using the FemLab 3.2® program and was tested with 20 nm thick films on a silicon wafer, showing the capacity of these films to be used in such devices.

Untersuchung molekularer Erkennungsreaktionen mit einem integriert-optischen Mach-Zehnder-Interferometer

Abstract (deutsch)Zielsetzung des Dissertationsvorhabens war die Beobachtung und Analyse von Gast-Wirt-Wechselwirkungen an oxidischen Oberflächen. Einer der Wechselwirkungspartner sollte dabei auf der Oberfläche immobilisiert, der andere in wäßriger Lösung darüber vorliegen.Eine empfindliche und oberflächensensitive Methode zur Beobachtung der Anlagerung unmarkierter Moleküle ist die Wellenleiterspektroskopie, insbesondere mit dem hier verwendeten und weiterentwickelten integriert-optischen Mach-Zehnder-Interferometer in Siliziumtechnik (Siliziumoxynitrid auf oxidiertem Siliziumwafer). Mit Hilfe des Interferometers wurden unterschiedliche Wirt-Gast-Systeme untersucht. Grundlage der Immobilisierung war jeweils die Funktionalisierung der Sensoroberfläche durch Selbstadsorption von Organosilanen. Durch unterschiedliche Organosilane, die zum Teil im Rahmen dieser Arbeit synthetisiert wurden, ließen sich die Wirtmoleküle beta-Cyclodextrin, Streptavidin, sowie unterschiedliche monoklonale Antikörperfragmente immobilisieren.- Der Einfluß der Oberfläche auf die Bindungsstärke des Wirtmoleküls beta-Cyclodextrin und unterschiedlicher Gastmoleküle wurde konzentrationsabhängig untersucht.- Silan-Biotinderivate mit unterschiedlicher Streptavidin-Affinität wurden an die Oberfläche immobilisiert und die Adsorption von Streptavidin an die Biotinderivate beobachtet. Dabei konnte unter anderem nachgewiesen werden, daß das Streptavidinadsorbat gequollen ist.- Als mögliche Anwendung wurde geprüft, ob das vorgestellte Interferometer durch die Funktionalisierung mit Antikörperfragmenten als Biosensor in Frage kommt. Es konnte nachgewiesen werden, daß sich Antikörper auf der Sensoroberfläche immobilisieren lassen und Antigene spezifisch an diese Antikörper adsorbieren.

ATRP-Synthese von Poly(N-Isopropylacrylamid)-Bürsten in wässrigem Medium und Anpassung des Nano-Plotters zur Beschichtung von Mikrocantilever-Sensoren

Das Ziel dieser Arbeit ist die Synthese von Polymerbürsten auf Silizium durch Aufbringen der Reaktionslösung mit einem Pipettiersystem. Dies ist für die Beschichtung von Microcantilever Sensoren interessant, um spezifische Fühler mit funktionellen Polymerschichten, die auf chemische oder physikalische Einflüsse reagieren, zu bauen. Bisherige Synthesemethoden werden in Lösung durchgeführt. Atom Transfer Radical Polymerization ist etabliert, um definierte Schichten von Polymerbürsten herzustellen. Die Kombination mit einer “Spot Printing”-Technik kann eine Alternative sein, um einzelne Cantilever mit einer Breite von 90 μm und einer Länge von 750 μm zu beschichten. Dafür wurde eine Chemie getestet, die mit dem Pipettiersystem Nano-Plotter der Firma Gesim umsetzbar ist. Aus einer Mischung aus Wasser und DMF wurden Poly(N-Isopropylacrylamid)-Bürsten auf Silizium mit Schichtdicken bis zu 40 nm hergestellt. Es war nötig den Nano-Plotter anzupassen, damit zum einen auf die Microcantilever Sensoren pipettiert werden kann und zum andern die Nanoliter großen Tropfen über den Reaktionszeitraum stabil sind. Auf diese Weise konnten Linien mit einer Schichtdicke von ca. 2 nm auf Siliziumwafer hergestellt werden. Die “Spot-Printing” Methode ist daher eine gute Ergänzung zur herkömmlichen Synthese.

Entwicklung, Aufbau und Messungen eines schnellen Eiskeimzählers

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neuer Eiskeimzähler FINCH (Fast Ice Nucleus CHamber) entwickelt und erste Messungen von verschiedenen Testaerosolen im Labor und atmosphärischem Aerosol durchgeführt. Die Aerosolpartikel bzw. Ice Nuclei IN werden bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt und Übersättigungen in Bezug auf Eis zum Anwachsen zu Eiskristallen gebracht, um sie mittels optischer Detektion zu erfassen. In FINCH ist dies durch das Prinzip der Mischung realisiert, wodurch eine kontinuierliche Messung der IN-Anzahlkonzentration gewährleistet ist. Hierbei kann mit sehr hohen Sammelflussraten von bis zu 10 l/min gemessen werden. Ebenso ist ein schnelles Abfahren von verschiedenen Sättigungsverhältnissen in Bezug auf Eis in einem weiten Bereich von 0.9 - 1.7 bei konstanten Temperaturen bis zu −23 °C möglich. Die Detektion der Eiskristalle und damit der Bestimmung der IN-Anzahlkonzentration erfolgt über einen neu entwickelten optischen Sensor basierend auf der unterschiedlichen Depolarisation des zurückgestreuten Lichtes von Eiskristallen und unterkühlten Tropfen. In Labermessungen wurden Aktivierungstemperatur und -sättigungsverhältnis von Silberjodid AgI und Kaolinit vermessen. Die Resultate zeigten gute Übereinstimmungen mit Ergebnissen aus der Literatur sowie Parallelmessungen mit FRIDGE (FRankfurt Ice Deposition freezinG Experiment). FRIDGE ist eine statische Diffusionskammer zur Aktivierung und Auszählung von Eiskeimen, die auf einem Filter gesammelt wurden. Bei atmosphärischen Messungen auf dem Jungfraujoch(Schweiz) lagen die IN-Anzahlkonzentrationen mit bis zu 4 l−1 im Rahmen der aus der Literatur bekannten Werte. Messungen der Eiskristallresiduen von Mischwolken zeigten hingegen, dass nur jedes tausendste als Eiskeim im Depositionsmode aktiv ist. Hier scheinen andere Gefrierprozesse und sekundäre Eiskristallbildung von sehr großer Bedeutung für die Anzahlkonzentration der Eiskristallresiduen zu sein. Eine weitere Messung von atmosphärischem Aerosol in Frankfurt zeigte IN-Anzahlkonzentrationen bis zu 30 l−1 bei Aktivierungstemperaturen um −14 °C. Die parallele Probenahme auf Siliziumplättchen für die Messungen der IN-Anzahlkonzentration in FRIDGE ergaben Werte im gleichen Anzahlkonzentrationsbereich.

The effect of elastic modulus and equilibrium vapor adsorption on capillary forces

Die Kapillarkraft entsteht durch die Bildung eines Meniskus zwischen zwei Festkörpen. In dieser Doktorarbeit wurden die Auswirkungen von elastischer Verformung und Flϋssigkeitadsorption auf die Kapillarkraft sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Unter Verwendung eines Rasterkraftmikroskops wurde die Kapillarkraft zwischen eines Siliziumoxid Kolloids von 2 µm Radius und eine weiche Oberfläche wie n.a. Polydimethylsiloxan oder Polyisopren, unter normalen Umgebungsbedingungen sowie in variierende Ethanoldampfdrϋcken gemessen. Diese Ergebnisse wurden mit den Kapillarkräften verglichen, die auf einem harten Substrat (Silizium-Wafer) unter denselben Bedingungen gemessen wurden. Wir beobachteten eine monotone Abnahme der Kapillarkraft mit zunehmendem Ethanoldampfdruck (P) fϋr P/Psat > 0,2, wobei Psat der Sättigungsdampfdruck ist.rnUm die experimentellen Ergebnisse zu erklären, wurde ein zuvor entwickeltes analytisches Modell (Soft Matter 2010, 6, 3930) erweitert, um die Ethanoladsorption zu berϋcksichtigen. Dieses neue analytische Modell zeigte zwei verschiedene Abhängigkeiten der Kapillarkraft von P/Psat auf harten und weichen Oberflächen. Fϋr die harte Oberfläche des Siliziumwafers wird die Abhängigkeit der Kapillarkraft vom Dampfdruck vom Verhältnis der Dicke der adsorbierten Ethanolschicht zum Meniskusradius bestimmt. Auf weichen Polymeroberflächen hingegen hängt die Kapillarkraft von der Oberflächenverformung und des Laplace-Drucks innerhalb des Meniskus ab. Eine Abnahme der Kapillarkraft mit zunehmendem Ethanoldampfdruck hat demnach eine Abnahme des Laplace-Drucks mit zunehmendem Meniskusradius zur folge. rnDie analytischen Berechnungen, fϋr die eine Hertzsche Kontakt-deformation angenommen wurde, wurden mit Finit Element Methode Simulationen verglichen, welche die reale Deformation des elastischen Substrats in der Nähe des Meniskuses explizit berϋcksichtigen. Diese zusätzliche nach oben gerichtete oberflächenverformung im Bereich des Meniskus fϋhrt zu einer weiteren Erhöhung der Kapillarkraft, insbesondere fϋr weiche Oberflächen mit Elastizitätsmodulen < 100 MPa.rn

Electrical resistivity change in amorphous Ta42Si13N45 films by stress relaxation

In a first experiment, a reactively sputtered amorphous Ta₄₂Si₁₃N₄₅ film about 260 nm thick deposited on a flat and smooth alumina substrate was thermally annealed in air for 30 min and let cooled again repeatedly at successively higher temperatures from 200 to 500 °C. This treatment successively and irreversibly increases the room temperature resistivity of the film monotonically from its initial value of 670 μΩ cm to a maximum of 705 μΩ cm (+5.2 %). Subsequent heat treatments at temperatures below 500 °C and up to 6 h have no further effect on the room temperature resistivity. The new value remains unchanged after 3.8 years of storage at room temperature. In a second experiment, the evolution of the initially compressive stress of a film similarly deposited by reactive sputtering on a 2-inch silicon wafer was measured by tracking the wafer curvature during similar thermal annealing cycles. A similar pattern of irreversible and reversible changes of stress was observed as for the film resistivity. Transmission electron micrographs and secondary ion mass profiles of the film taken before and after thermal annealing in air establish that both the structure and the composition of the film scarcely change during the annealing cycles. We reason that the film stress is implicated in the resistivity change. In particular, to interpret the observations, a model is proposed where the interface between the film and the substrate is mechanically unyielding.

UV laser-induced high resolution cleaving of Si wafers for micro-nano devices and polymeric waveguide characterization

In this work we propose a method for cleaving silicon-based photonic chips by using a laser based micromachining system, consisting of a ND:YVO4laser emitting at 355 nm in nanosecond pulse regime and a micropositioning system. The laser makes grooved marks placed at the desired locations and directions where cleaves have to be initiated, and after several processing steps, a crack appears and propagate along the crystallographic planes of the silicon wafer. This allows cleavage of the chips automatically and with high positioning accuracy, and provides polished vertical facets with better quality than the obtained with other cleaving process, which eases the optical characterization of photonic devices. This method has been found to be particularly useful when cleaving small-sized chips, where manual cleaving is hard to perform; and also for polymeric waveguides, whose facets get damaged or even destroyed with polishing or manual cleaving processing. Influence of length of the grooved line and speed of processing is studied for a variety of silicon chips. An application for cleaving and characterizing sol–gel waveguides is presented. The total amount of light coupled is higher than when using any other procedure.

Dissolution and gettering of iron during contact co-firing

The dissolution and gettering of iron is studied during the final fabrication step of multicrystalline silicon solar cells, the co-firing step, through simulations and experiments. The post-processed interstitial iron concentration is simulated according to the as-grown concentration and distribution of iron within a silicon wafer, both in the presence and absence of the phosphorus emitter, and applying different time-temperature profiles for the firing step. The competing effects of dissolution and gettering during the short annealing process are found to be strongly dependant on the as-grown material quality. Furthermore, increasing the temperature of the firing process leads to a higher dissolution of iron, hardly compensated by the higher diffusivity of impurities. A new defect engineering tool is introduced, the extended co-firing, which could allow an enhanced gettering effect within a small additional time

Nano-imprinted rear-side diffraction gratings for absorption enhancement in solar cells

As wafer-based solar cells become thinner, light-trapping textures for absorption enhancement will gain in importance. In this work, crystalline silicon wafers were textured with wavelength-scale diffraction grating surface textures by nanoimprint lithography using interference lithography as a mastering technology. This technique allows fine-tailored nanostructures to be realized on large areas with high throughput. Solar cell precursors were fabricated, with the surface textures on the rear side, for optical absorption measurements. Large absorption enhancements are observed in the wavelength range in which the silicon wafer absorbs weakly. It is shown experimentally that bi-periodic crossed gratings perform better than uni-periodic linear gratings. Optical simulations have been made of the fabricated structures, allowing the total absorption to be decomposed into useful absorption in the silicon and parasitic absorption in the rear reflector. Using the calculated silicon absorption, promising absorbed photocurrent density enhancements have been calculated for solar cells employing the nano-textures. Finally, first results are presented of a passivation layer deposition technique that planarizes the rear reflector for the purpose of reducing the parasitic absorption.

High isolation series-shunt photoconductive microwave switch

This article presents a wide band compact high isolation photoconductive switch, which is based on the series-shunt switch design with three photoconductive switches made of diced high-resistivity silicon wafer placed over a microstrip gap and activated by 808-nm near-infrared laser diodes. The switch shows an insertion loss of 1.2 dB and an isolation of 44.8 dB at 2 GHz. It is easy to operate and control by light, high-speed, electromagnetically transparent and it does not require any biasing circuits.

Sorting by diffusion: An asymmetric obstacle course for continuous molecular separation

A separation technique employing a microfabricated sieve has been demonstrated by observing the motion of DNA molecules of different size. The sieve consists of a two-dimensional lattice of obstacles whose asymmetric disposition rectifies the Brownian motion of molecules driven through the device, causing them to follow paths that depend on their diffusion coefficient. A nominal 6% resolution by length of DNA molecules in the size range 15–30 kbp may be achieved in a 4-inch (10-cm) silicon wafer. The advantage of this method is that samples can be loaded and sorted continuously, in contrast to the batch mode commonly used in gel electrophoresis.

Phosphonate and quinoxaline cavitands for molecular recognition and sensing

In the last decade, phosphonate and quinoxaline cavitand have been extensively studied, highlighting their outstanding recognition properties. Their successful applications in material science and sensing open the way to new potential applications, such as border security, environmental monitoring and chiral recognition. The present thesis explores the recognition properties of phosphonate and quinoxaline cavitands towards new targets, for molecular recognition and sensing applications. Chapter 2 highlights the enantioselective behavior of phosphonate cavitands towards chiral guests in the solid state and in solution. Phosphonate cavitands were exploited for the molecular recognition of L-lactic acid (chapter 3), a widespread natural molecule which offer multiple potential applications, and a human sweat marker used for the detection of human presence (chapter 4). The second part is devoted to sensing applications of quinoxaline cavitands. Chapter 5 describes the use of QxCav for the preconcentration of drugs precursors, while chapter 6 reports the design, synthesis and grafting of a rigidified EtQxBox on a silicon wafer.