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Organisationseinheit der BAM
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Das Ziel des Gesamtvorhabens bestand darin, einen neuartigen kapazitiven Sensortyp zur hochauflösenden Bestimmung von Masse- und Gravitationskraftänderungen zu entwickeln. Bisherige Technologien nutzten dafür Federn oder Biegebalken aus gehärteten metallischen Werkstoffen, deren Alterungsverhalten die Präzision der Kräftemessung begrenzen. Grundprinzip des neuen Sensortyps ist es, eine auf die keramische Feder einwirkenden Änderung der Gewichts- oder Gravitationskraft durch eine Erfassung der Kapazitätsänderung am Sensor zu bestimmen. Dazu muss die durch Stauchung oder Dehnung der Feder entstehende Kapazitätsänderung mit hoher Auflösung reproduzierbar gemessen werden. Neben einem geeigneten Sensordesign waren Lösungen für Messsignalerfassung und -auswertung (Elektronik/Software) und die Systemintegration zu entwickeln.
Die wichtigsten im Rahmen des BAM-Teilvorhabens erzielten Ergebnisse sind:
- Ausgehend von kommerziellen High-end Keramikpulvern wurden durch Optimierung der keramischen Technologie nahezu porenfreie Al2O3, ZrO2 und Si3N4-Werkstoffe hergestellt und bezüglich Gefüge und Phasenbestand sowie mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften bewertet. Insbesondere die defektfreie Herstellung von nanostrukturierten Werkstoffen erforderte umfangreiche Variationen der Prozessparameter. Geeignete Werkstoffvarianten wurden für die Federherstellung ausgewählt.
- Gemeinsam mit den Projektpartnern wurden Layoutvarianten für Schraubendruckfedern mit rechteckigem Windungsquerschnitt und für die Federeinbindung in das Sensorsystem erarbeitet.
- 4 Federvarianten wurden an der BAM durch Hartbearbeitung von gesinterten Hohlzylindern umgesetzt. Fertigungstoleranzen von < ±10 µm für Windungsbreite, Windungshöhe und Windungsabstand und dünnfilm-kompatible innere Windungsflächen (Ra < 0,2 µm) wurden erreicht. Al2O3- und ZrO2-Federn können rissfrei und mit sehr guter Kantenqualität gefertigt werden, bei Si3N4-Federn konnten Kantenschädigungen nicht vollständig verhindert werden.
- Mit der entwickelten Herstellungstechnologie können sowohl „harte“ als auch sehr „weiche“ Federn produziert werden. Federkonstanten zwischen 0,02 N/mm und 10 N/mm wurden realisiert. Die Reproduzierbarkeit der Federfertigung ist gegeben, innerhalb einer Charge unterschieden sich die Federkonstanten der gefertigten Federn nur um etwa +/- 1%.
- An einem speziell entwickelten Versuchsstand wurden die Federn unter zyklischer Druckbelastung im Temperaturbereich von -20 bis +80 °C untersucht. An den Al2O3- und ZrO2-Federn wurden keine Schädigungen beobachtet, die Federkonstante wird durch die zyklische Langzeitbelastung nicht verändert.
- Die Eignung der keramischen Federn für den Applikationsfall wurde mit zahlreichen Spannungs-Dehnungs-Experimenten, teilweise an speziell aufgebauten Versuchsapparaturen, untersucht. An Al2O3- und Si3N4-Federn wurde – wie erwartet – gefunden, dass die Federkonstante unabhängig von der Belastungsgeschwindigkeit ist und unter konstanter Last auch über lange Zeiträume keine Verformung auftritt. Überraschenderweise zeigten ZrO2 (TZP)-Federn ein zeitabhängiges Verhalten unter Last. Dieses ist besonders stark bei Y-stabilisierten Werkstoffvarianten ausgebildet, wurde aber mit Hochpräzisionsmessungen auch bei Ce-stabilsierten Werkstoffen nachgewiesen. Die Deformation ist reversibel, eine vollständige Relaxation wird erst nach Tagen erreicht. Aufgrund der zeitabhängigen Verformung können ZrO2 (TZP)-Federn, trotz ihrer hervorragenden Festigkeit und Bruchzähigkeit, nicht für die konzipierten Sensorfedern eingesetzt werden.
- Das durch die Fa. Siegert TFT entwickelte Metallisierungs-Schichtsystem, bestehend aus aufgesputterten Ti-, Pt- und Au-Schichten verstärkt durch eine galvanisch aufgebrachte Au-Schicht, wurde an der BAM umfassend bewertet. Die Schichten sind untereinander und mit der Keramik weitgehend defektfrei verbunden, die lokale Schichtdicke schwankt jedoch bedingt durch Abschattungseffekte während der Beschichtungsvorgang. Es wurden Schichtwiderstände zwischen 50 und 90 Ohm und damit die Zielvorgabe des Projektes (< 100 Ohm) erreicht. In statischen und dynamischen Belastungstests wurden keine Veränderungen der Leitungswiderstände festgestellt.
- Zur Erhöhung der Kapazität des Kondensators kann der Raum zwischen den Federwindungen statt mit Luft mit einer Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante gefüllt werden. Als geeignete Flüssigkeit wurde Propylencarbonat mit einer Dielektrizitätskonstante von 65, einem hohen Siedepunkt und einer geringen Viskosität identifiziert. Um eine noch höhere Dielektrizitätskonstante zwischen den Federwindungen zu erreichen. wurden Suspensionen aus Silikonöl und nanokristallinem Bariumtitanat hergestellt und bezüglich ihrer Langzeitstabiltät charakterisiert.
- Gemäß den Anforderungen des Projektpartners KOMPASS wurden maßgeschneiderte Al2O3-Federn mit einer Federkonstante < 0,1 N/mm hergestellt und für den Aufbau des finalen Demonstrator eingesetzt.
Die prinzipielle Funktionsfähigkeit des neuen Sensorkonzeptes auf Basis keramischer Federn wurde mit dem im Projekt aufgebauten Demonstrator nachgewiesen. Die Umsetzung der F+E-ergebnisse in eine industrielle Nutzung zur Herstellung von Gravimetern wird vom Projektpartner KOMPASS angestrebt und ist bereits mit detaillierten Zeitplänen untersetzt.
Fluorescent molecularly imprinted polymers (MIPs) for sensing of phosphorylated protein epitopes
(2019)
Early detection of cancer is instrumental for successful therapeutic outcomes, but it is presently a considerable challenge. Biopsy of potentially cancerous tissues is the gold standard in medicine for the diagnosis and prognosis of this disease; however, it may not be possible in many cases due to tumour position or other complications. Liquid biopsy-based detection of specific cancer markers in biological fluids can be easily performed via immunoanalytical techniques. However, antibody-based methods suffer from high cost of tumour specific antibodies due to difficult and lengthy production. Furthermore, antibodies may have limited specificity to the target molecule, and limited lifetimes. The so-called “plastic antibodies” as MIPs can be a more affordable, reliable and stable alternative to antibodies, especially for cancer diagnostics.
Our goal is to create MIP particles to selectively bind cancer biomarkers and rapidly display a fluorescence change upon interaction with molecules of interest. Epitopes containing the phosphorylated tyrosine (pY) motif such as tripeptide YpYG and tetrapeptide pYEEI were selected as target analytes. Cancers may disrupt tyrosine phosphorylation processes regulated by human tyrosine kinases such as ZAP-70 and subsequently lead to a pronounced increase in pY residues on proteins. To ensure fast diffusion of analyte and rapid response core/shell silica micro- and nanoparticles with a thin polymer shell was chosen as the format for MIP synthesis. Fluorescent probe monomers consisting of fluorophore and recognition units are directly integrated in the polymer shell to obtain fluorescence response upon analyte binding.
We have synthesized the fluorescent MIP particles based on the previously published report for the novel phosphorylated targets with a high imprinting factor and high degree of discrimination between target analyte and non-phosphorylated and smaller competitors. The synthesized particles may be used in microfluidic devices for the rapid diagnostics of cancer.
Fluorescent molecularly imprinted polymers (MIPs) for sensing of phosphorylated protein epitopes
(2019)
Early detection of cancer is instrumental for successful therapeutic outcomes, but it is presently a considerable challenge. Biopsy of potentially cancerous tissues is the gold standard in medicine for the diagnosis and prognosis of this disease; however, it may not be possible in many cases due to tumour position or other complications. Liquid biopsy-based detection of specific cancer markers in biological fluids can be easily performed via immunoanalytical techniques. However, antibody-based methods suffer from high cost of tumour specific antibodies due to difficult and lengthy production. Furthermore, antibodies may have limited specificity to the target molecule, and limited lifetimes. The so-called “plastic antibodies” as MIPs can be a more affordable, reliable and stable alternative to antibodies, especially for cancer diagnostics.
Our goal is to create MIP particles to selectively bind cancer biomarkers and rapidly display a fluorescence change upon interaction with molecules of interest. Epitopes containing the phosphorylated tyrosine (pY) motif such as tripeptide YpYG and tetrapeptide pYEEI were selected as target analytes. Cancers may disrupt tyrosine phosphorylation processes regulated by human tyrosine kinases such as ZAP-70 and subsequently lead to a pronounced increase in pY residues on proteins. To ensure fast diffusion of analyte and rapid response core/shell silica micro- and nanoparticles with a thin polymer shell was chosen as the format for MIP synthesis. Fluorescent probe monomers consisting of fluorophore and recognition units are directly integrated in the polymer shell to obtain fluorescence response upon analyte binding.
We have synthesized the fluorescent MIP particles based on the previously published report [W. Wan et al., Chem. Eur. J., 2017, 23, 15974-1598] for the novel phosphorylated targets with a high imprinting factor and high degree of discrimination between target analyte and non-phosphorylated and smaller competitors. The synthesized particles may be used in microfluidic devices for the rapid diagnostics of cancer.
Die Schwerpunktthemen für die Forschung der BAM im Bereich der zerstörungsfreien Prüfung werden vorgestellt. Es stehen die aktuellen Forschungsprojekte der Fachbereiche 8.1 bis 8.7 der Abteilung 8 und des Arbeitsgebietes Probabilistische Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanalysen von Frau Dr. Bertovic sowie der Nachwuchsgruppe von Frau JProf. Dr. Kruschwitz im Vordergrund.
Immer mehr Multigassensoren
(2019)
Die Varroose gilt weltweit als eine der bedeutendsten Erkrankungen der westlichen Honigbiene, Apis mellifera. Verursacht wird sie durch den Ektoparasiten Varroa destructor, der durch Saugen der Hämolymphe und Virenübertragung sowohl die Bienenbrut als auch die adulten Individuen schädigt.
Ohne imkerliche Unterstützung gehen betroffene Bienenvölker in der Regel innerhalb von drei Jahren ein. Als bewährte, häufige Behandlung wird flächendeckend 60%ige Ameisensäure (AS) -im Bienenstock appliziert über verschiedene Verdampfungssysteme- eingesetzt. Sie wirkt als einziger zugelassener Wirkstoff gegen die Varroamilbe auch in die verdeckelte Brut hinein und birgt kein Risiko der Resistenzentwicklung.
Allerdings ist das therapeutische Fenster, der Bereich zwischen Milbenabtötung und Bienenschädigung, relativ schmal und die tatsächliche AS-Konzentration im Bienenstock stark abhängig von äußeren Einflussfaktoren, wie Temperatur oder Applikationsart.
Eine Bestimmung der exakten AS-Konzentration im Bienenstock ist also notwendig, um einerseits das Wirkungsoptimum zu bestimmen und andererseits bei Übersteigen der Maximalkonzentrationen mit Folge-Schädigung der Bienen, ein rechtzeitiges Eingreifen der Imker zu ermöglichen.
Die Entwicklung eines Detektors zur Bestimmung der tatsächlichen AS-Konzentration in der Bienenstockluft würde einen großen Fortschritt in den Bereichen der Bienenforschung, der Varroa-Behandlung in der Imkerei, sowie einer gesundheitlich bedenklichen AS-Exposition für den Imker bedeuten.
Langfristiges Ziel dieses Projekts ist es, ein mobiles, einfach handhabbares Gerät zur Detektion der AS-Konzentration in der Bienenstock-Luft während einer AS-Behandlung zu entwickeln.
Grundlage hierfür bietet ein kommerziell verfügbares Multigassensorsystem (PEN3, AIRSENSE Analytics GmbH, Schwerin).
Ziel der beschriebenen Vorversuche ist die generelle Eignungsprüfung des Multigassensorsystems PEN3 zur Detektion der hohen AS-Konzentration in Gasgemischen unter Bedingungen wie sie im Bienenstock während einer AS-Behandlung herrschen.
Als Messplatz zur Detektion von AS in Luft wurden zwei Systeme vorbereitet:
A) Eine Plexiglasbox mit einem Volumen von ca.1,9 l diente als Prüfkammer, wurde von einem Gasstrom befeuchteter synthetischer Luft durchströmt (50 mL min-1, 100 mL min-1 oder 300 mL min-1) und zur Temperierung auf 25 °C auf einer Heizmatte bzw. auf 35 °C in einem Ofen platziert. AS-Wasser-Gemische verschiedener Volumenverhältnisse (0-100%) wurden in einer Glasschale (Oberfläche Flüssigphase 9,6 cm2) in der Prüfkammer vorgelegt.
B) In einer durch eine Heizmatte auf 25 °C temperierten, zwei-zargigen Segeberger Beute wurden vier Messpunkte angebracht (davon drei in der oberen und einer in der unteren Etage) und 60%ige AS über einen Nassenheider-Verdampfer vertikal vorgelegt.
Zur Detektion des AS-Luft-Gemischs wurde das PEN3 Multigassensorsystem genutzt. Das zu untersuchende Gasgemisch wurde über die internen zehn Metalloxid-Halbleiterdetektoren (1-10) der PEN3 geleitet. Das so generierte Messsignal beschreibt ein Widerstandsverhältnis zwischen dem Widerstandwert zum Zeitpunkt der Messung (R) und dem elektrischen Widerstand bei der Nullluft-Messung (R0), wobei hier befeuchtete synthetische Luft mit einer reltativen Feuchte von 49 % ± 4 % oder Raumluft genutzt wurde. Gase unterschiedlicher Zusammensetzung können anhand der dargestellten Signalmuster verschiedener Sensoren voneinander unterschieden werden.
In beiden Messsystemen wiesen die Sensorelemente 1, 6, 7, 8 und 9 gesteigerte Sensitivitäten beim Vorliegen von Ameisensäure im Gasgemisch auf. Die größten Widerstandsverhältnisse zeigten dabei die Sensorelemente 6, 8 und 9, sodass hier von der höchsten Empfindlichkeit für AS auszugehen ist.
Basierend auf den erhobenen Messdatensätzen wurden Hauptkomponenten- (PCA) und lineare Diskriminanzanalysen (LDA) zur Dimensionsreduktion durchgeführt, um charakteristische Muster aus den Messsignalen zu extrahieren. Die PCA- und LDA-Plots für die jeweils bedeutsamsten Komponenten PC 1 und PC 2 bzw. LD 1 und LD 2 eines Versuchslaufs in der Plexiglasbox (A) bei einer Temperatur von 35°C, einem Volumenstrom von 300 mL min-1 und variablen Ameisensäure-Wasser-Volumenverhältnissen von 0 % bis 100 %. Deutlich erkennbar sind die Abhängigkeiten der Komponenten PC 1 und LD 1 (Abszissen) vom vorgelegten AS-Wasser-Volumenverhältnis. Unsere Ergebnisse zeigen, dass das Multigassensorsystem zur Bestimmung von AS in Luft unter ähnlichen Bedingungen wie bei einer AS-Behandlung im Bienenstock angewandt werden kann.
Die Versuche zeigen, dass die im PEN3 eingesetzten Metalloxid-Sensoren bzw. Metalloxidsensor-Arrays zur Detektion von AS in Luft auch bei höheren Konzentrationen als beispielsweise der MAK-Wert von 5 µmol/mol zur Überwachung des AS-Gehaltes in Bienenstöcken angewandt werden können. Aufgrund der Möglichkeit der quasi Echtzeit-Messdatengenerierung, der geringen Kosten kommerziell verfügbarer Sensorelemente, der Portabilität und der Möglichkeit zur Miniaturisierung zeichnen sich solche Messsysteme zukünftig durch eine besondere Praxisnähe aus. Diese Erkenntnisse sind Grundlage für eine Verbesserung des Detektionsverfahrens und zur Vorhersage über die Effizienz und Effektivität der Varroha-Milbenbehandlung.