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Zusammenfassung
  • Diese Arbeit präsentiert eine neue Nachweismöglichkeit für Biomoleküle, in deren Rahmen Sub-Mikrometer große magnetische Marker and magnetoresistive Sensoren in einen magnetischen Biochip integriert werden. Die interessierenden Moleküle werden an Oberflächen-immobilisierte Proben hybridisiert und spezifisch mit magnetischen Partikeln markiert. Im Folgenden werden die Streufelder der magnetischen Marker als Widerstandsänderung in einem eingebetteten magnetoresistiven Sensor nachgewiesen. Jedes einzelne Sensorelement deckt die Fläche eines typischen Proben-DNA Spots ab, und über 200 Sensorelemente sind in einen magnetischen Sensor-Prototypen integriert, wodurch er kompatibel zu DNA-Microarray Applikationen ist.
    Die Eigenschaften verschiedener kommerziell erhältlicher magnetischer Partikel werden verglichen und hinsichtlich ihrer Eignung als Marker für magnetische Biosensoren untersucht. Sensoren, welche entweder auf dem Riesen-Magnetowiderstand oder dem Tunnel-Magnetowiderstand basieren, werden präsentiert, und ihre Reaktion auf lokale Streufelder, welche von magnetischen Markern auf ihrer Oberfläche induziert werden, wird untersucht.
    DNA-Hybridisierungsexperimente werden präsentiert, die zeigen, dass unser Prototyp eines magnetischen Biosensors komplexe DNA-Sequenzen mit einer Länge von tausend Basen bis herab zu einer Konzentration von etwa 20 pM nachweisen kann. Ein direkter Vergleich unserer magnetoresistiven und einer Fluoreszenz-basierten Detektionsmethode zeigt, dass unser magnetischer Biosensor bei dem Nachweis geringer DNA-Konzentrationen überlegen ist. Außerdem weist der magnetische Biosensor eine kompakte Größe auf und übersetzt die vorhandene Menge einer bestimmten Sorte Biomoleküle direkt in ein elektronisches Signal, wodurch dies eine sehr vielversprechende Wahl für die Detektionseinheit eines zukünftigen Lab-on-a-Chip Gerätes darstellt.
Abstract
  • In this thesis, a new sensing scheme for biomolecules is presented that combines sub-micron sized magnetic markers and magnetoresistive sensors into a magnetic biochip. The molecules of interest are hybridized to surface-immobilized probes and get specifically labeled by magnetic markers. Afterwards, the stray fields of the magnetic markers are detected as a resistance change by an embedded magnetoresistive sensor. Each sensor element covers the area of a typical probe DNA spot, and over 200 sensor elements are integrated into a magnetic biosensor prototype, thus making it compatible to standard DNA microarray applications.
    The properties of different commercially available magnetic particles are investigated and compared with respect to their suitability for magnetic biosensor applications. Sensors based both on giant and tunneling magnetoresistance are presented, and their response to local stray fields induced by magnetic markers on their surface is studied.
    DNA hybridization experiments are presented that prove that our prototype magnetic biosensor can detect complex DNA with a length of one thousand bases down to a concentration of about 20 pM. A direct comparison of the magnetoresistive and a fluorescent detection methods shows that our magnetic biosensor is superior to standard fluorescent detection at low DNA concentrations. Furthermore, the magnetic biosensor has compact size and directly translates the abundance of desired biomolecules into an electronic signal, thus making it a very promising choice for the detection unit of future lab-on-a-chip devices.
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