Laser-Induced Carbonisation for Biosensing

Das Internet of Things hat das Ziel, ein globales Netz von Geräten zur Überwachung einer Vielzahl von Parametern aufzubauen, um z.B. Gefahren in verschiedenen Bereichen vorzubeugen und Risiken für Menschenleben, Infrastrukturen und die Umwelt zu verringern. Zu den am schnellsten wachsenden Themen in diesem sich entwickelnden Bereich gehören biomedizinische Point-of-Care-Geräte, die rechtzeitig Hilfe für Menschen leisten, die sich in einer persönlichen oder externen Gefahr befinden. Sie werden in Form von Sensorfeldern entwickelt, die hauptsächlich aus flexibler Elektronik bestehen und in der Lage sind, spezielle Analyten zu erkennen. ... mehrDiese neuen Geräte sollten die folgenden Kriterien erfüllen: Sie sollten einfach herzustellen und wirtschaftlich umsetztbar sein und einen geringen ökologischen Fußabdruck aufweisen. Von der Vielzahl der entwickelten Sensoren zeichnen sich die kohlenstoffbasierten Geräte durch ihre Robustheit, hohe Biokompatibilität, hervorragende Reaktionseffizienz und chemische Inertheit aus.

Die neuartige Herstellungsmethode, die durch die laserinduzierte Karbonisierung von Polymervorläufern ermöglicht wird, erlaubt im Vergleich zu pyrolytischen Standardmethoden eine schnelle Herstellung von kohlenstoffreichen porösen Filmen, die direkt in flexible Substrate eingebaut werden, und erfüllt alle gesetzten Ziele. Dieses neuartige Material, das mit halbindustriellen Lasersystemen hergestellt wird, ist noch relativ unerforscht. Diese hier durchgeführte Untersuchung wird an zwei weit verbreiteten Polymervorläufern umgesetzt, die in industriellen Anwendungen verwendet werden, nämlich Kapton und Nomex. Das thermische Modell für die Karbonisierung und Entwicklung des Vorläufers wurde modifiziert und auf einen breiten Bereich der getesteten Lasereingangsparameter angewendet. Die wichtigsten Erkenntnisse über die Entwicklung des Laserkohlenstofffilms stimmen mit den simulierten Ergebnissen überein. Das Modell liefert eine gute Annäherung an die Karbonisierung, erfordert aber noch Verbesserungen bei der Darstellung der volumetrischen Parameter, die durch den Anstieg der Porosität beeinflusst werden.

Die Laser-Kohlenstoff-Filme wurden auf ihre kristallinen und oberflächenchemischen Eigenschaften hin untersucht, die sich für die Analyse von Grenzflächen eignen und mit nachvollziehbaren Methoden für den selektiven Nachweis der spezifischen Analyten eingestellt werden können. Auf diese Weise wurden biomedizinische Sensoren für den passiven Nachweis von Harnstoff über eine Chitosan-Zwischenschicht für das Enzym Urease und aktive nicht-enzymatische Sensoren, die über ein Cu/CuO-Komposit für den spezifischen Nachweis von Glukose verankert sind, entwickelt. Dies ebnet den Weg für die Herstellung abgestimmter Biosensoren und chemischer Sensoren in einem halbindustriellen Maßstab, der mit Rolle-zu-Rolle-Verfahren kompatibel ist.

The Internet of Things has the goal to build up a global network of devices to monitor a multitude of parameters e.g. to prevent hazards in multiple fields, reducing risks for human life, infrastructure, and the environment. Biomedical point of care devices providing timely assistance for people under personal and external danger are among the fastest growing topics in this developing field. It takes form in arrays of sensors, developed mainly utilising flexible electronics capable of specialised analyte detection. These new devices should meet the following criteria: be easy in manufacturing, economically feasible, and have the reduced carbon footprint. ... mehrFrom the diverse number of developed sensors, the carbon-based devices are distinguished by their robustness, high bio-compatibility, excellent response efficiency, and chemical inertness.

The novel manufacturing method provided by the laser-induced carbonization from polymer precursors allows rapid fabrication of carbon-rich porous films directly built in the flexible substrates compared to standard pyrolytic methods and addresses all set goals. This novel material prepared by means of semi-industrial laser systems remains relatively unstudied. This investigation is performed on two widely available polymer precursors used in industrial applications, Kapton and Nomex. The thermal model for the precursor carbonization and evolution was modified and applied to a broad range of the tested laser input parameters. The key findings on the development of laser carbon film match the simulated results. The model provides good approximation of the carbonisation but still requires improvement on the rendering of volumetric parameters influenced by the increase of porosity.

The laser carbon films were studied for their crystalline and surface chemical properties, showing potential for utilisation in the analysis of interfaces, and can be tuned via comprehensible methods for selective detection of the specific analytes. Using this, the biomedical sensors were developed for passive urea detection via intermediate chitosan host layer for the Urease enzyme, and active non-enzymatic sensors anchored via Cu/CuO composite for specific glucose detection. This paves the way for the fabrication of tuned biosensors and chemical sensors on a semi-industrial scale compatible with roll-to-roll methods.