Hochdigitale ICs für elektrochemische Zell-Sensorik

Betreuer: M. Ortmanns

Die elektrochemische Detektion von Targetmolekülen, die Analyse von Bioimpedanz sowie deren Realisierung in Mikrosystemen stehen seit einigen Jahren im Forschungsfokus. Chronoamperometrie (CA), zyklische Voltametrie (CV) und elektrische Impedanzspektroskopie (EIS) sind dabei die am häufigsten vorkommenden Methoden, die zur Konzentrationsanalyse von endogenen und exogenen Molekülen oder elektrischen Gewebeeigenschaften eingesetzt werden. Abhängig von der Elektrodenanordnung der elektrochemischen Zelle, wird dafür eine hochgenaue Strom- oder Spannungsmessung an der Arbeits- oder Gegenelektrode durchgeführt. Die Arbeitselektrode kann dabei enzymatisch funktionalisiert werden, was eine Target-selektive, label-freie Messung erlaubt. Das Applikationsspektrum stellt dabei eine große Vielfalt an Anforderungen an die Messapparatur, und zwar bezüglich DC/AC Strom- und Spannungsbereich zur Anregung und Messung, Impedanzbereich, Messgeschwindigkeit, spektrale Messbandbreite und Bauform.

Die Zusammenführung dieser Messtechnik mit der CMOS Technologie bietet vielfältige Möglichkeiten wie Skalierbarkeit, kleine Bauform sowie die Vermeidung langer Kabel. Allerdings zeigt der Stand der Technik große Lücken in der hochkanaligen Realisierung der entsprechenden Schaltungen zur Signalaufnahme als auch der Signalgeneierung für EIS, d.h. die Schaltungen sind zu groß, verbrauchen zu viel Leistung oder haben eine ungenügende Bandbreite. Auf der anderen Seite wurde aber eindrucksvoll gezeigt, dass z.B. Impedanzspektroskopie zur Messung der Barriereintegrität von Epithelien genutzt werden kann, was eine Stimulus abhängige, dynamische Modulation der Tight-Junctions (TJ) und damit der Barrierefunktion des Epithels erlaubt.

Ziel des Projekts ist eine vielkanalige Realisierung solcher elektrochemischer Messmethoden auf integrierten CMOS Schaltungen zur Anwendung an Lungenepithelien.