WO2009100988A2 - Tubular multifunction sensor in fluids method for production and use thereof - Google Patents

Tubular multifunction sensor in fluids method for production and use thereof Download PDF

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WO2009100988A2
WO2009100988A2 PCT/EP2009/050991 EP2009050991W WO2009100988A2 WO 2009100988 A2 WO2009100988 A2 WO 2009100988A2 EP 2009050991 W EP2009050991 W EP 2009050991W WO 2009100988 A2 WO2009100988 A2 WO 2009100988A2
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sensor
sample carrier
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Esteban Bermudez
Yongfeng Mei
Oliver G. Schmidt
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Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V.
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C99/00—Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • B81C99/0075—Manufacture of substrate-free structures
    • B81C99/008—Manufacture of substrate-free structures separating the processed structure from a mother substrate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0292—Sensors not provided for in B81B2201/0207 - B81B2201/0285
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
    • B81C2201/03—Processes for manufacturing substrate-free structures
    • B81C2201/038—Processes for manufacturing substrate-free structures not provided for in B81C2201/034 - B81C2201/036

Definitions

  • Tubular multifunction sensor in liquids, process for its manufacture and use
  • the invention relates to the field of micro- and nanotechnology and relates to a magnetic, tubular multifunctional sensor in liquids, which can be used in various fields, including in the fields of medicine, biology, rheology, for example as a magnetic microtube oscillator for detecting the viscosities in the volume and / or on the surface of a liquid as well as for the detection of organisms or particles. More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing a tubular sensor that is sensitive to the viscosity of liquids by measuring its rotational response in a magnetically rotating magnetic field.
  • Micro / nanoobjects with magnetic properties are becoming more and more important in micro and nanotechnology because they can be used uniquely in biological systems, e.g. B. chemical sensors in liquids or cells by dye-coated magnetic particles (US20060008924) and automated cell separations by cell-bound magnetic beads (US7166443B2). Such particles and / or beads can also be improved with non-toxic, organic layers Bioprocedures are stabilized (eg, fermentation processes) (US7208134B2). Coiled Micro / Nanotubes [YA.
  • ferromagnetic particles By applying external magnetic fields, ferromagnetic particles can be manipulated from outside in a liquid medium, i. H. they can be aligned and moved anew in the direction of an applied magnetic field.
  • Valberg et al, Biophysical Journal 52 (1987), 537-550 disclose the theoretical background for the rotational dynamics of externally rotated ferromagnetic particles.
  • the rate at which the particle adjusts to the external field depends on particle characteristics such as the magnetic moment and dimensions of the particle, the amplitude of the applied magnetic field, and also the viscosity of the ambient fluid.
  • the rotational speed of the particles can thus be used to measure the viscosity of the surrounding liquid.
  • US 2006000892 A1 discloses a method for the production of Brownian and magnetically modulated optical nanoprobes (MagMOONs) which, inter alia, for the measurement of the viscosity of solutions and using the concept introduced by Valberg et al., For the measurement of a particle bound to the probe can be.
  • MagMOONs Brownian and magnetically modulated optical nanoprobes
  • MagMOONs are basically obtained by two methods, on the one hand by coating the one half-shell of fluorescent polystyrene nano or microspheres containing a ferromagnetic material with a reflective metal layer; the second method is to apply by means of a vapor deposition process to regular, non-magnetic polystyrene nano- or microspheres a uniform, magnetic layer as a half-shell and / or an additional reflective metal layer; both methods yield optically asymmetric nano or microspheres.
  • structurally asymmetric MagMOONs are produced by deforming spheres into disc or tubular particles.
  • Viscosity measurements are usually made by externally modulating the respective probes with a rotating magnetic field and recording the reflectance or fluorescence intensity in the time of the spectra from the optically asymmetric structures and then performing the analysis to estimate the average reaction velocity of the spheres.
  • the method for measuring the orientation of the particles requires, in addition to a conventional optical microscope, further components and imaging techniques.
  • the object of the present invention is to provide a magnetic, tubular multifunction sensor in liquids and a method for producing a new type of ferromagnetic micro / nano-objects, which can be used as sensors in liquids.
  • the aim is to provide a process for the production of ferromagnetic tubular structures which can be used with a high degree of precision in the control of the dimensions and the magnetic content, the possibility of using them by methods generally used in microfabrication. on a substrate, so that a cost-effective mass production with an improved and more reliable supply of probes is possible.
  • the method according to the invention for the production of tubular multifunction sensors consists of the method steps: a. Applying a sacrificial layer to a substrate, b. Applying a thin film consisting of at least one ferromagnetic material to the sacrificial layer, c. selectively etching the sacrificial layer such that the thin film curls up to form a micro- or nanotube and then mechanically removes the micro- or nanotube from the substrate and onto or into a liquid medium is positioned.
  • a substrate which consists of Si, GaAs, glass or plastic.
  • a sacrificial layer which consists essentially of a polymer, salt, Ge, AIAs or AIGaAs.
  • a substrate is used which is modified and shaped into a sample carrier after the thin film has rolled up into a micro or nanotube.
  • micro- or nanotube is placed partially free-standing over a region of the substrate, in particular on a sample carrier.
  • micro- or nanotube is picked up with a sharp, needle-like instrument and transferred into a liquid medium.
  • micro- or nanotube on the top of a sample carrier is transferred by the previous recording of the sample carrier from the substrate into a liquid.
  • the tubular multifunctional sensor in liquids produced by the method according to the invention consists of at least one micro- or nanotube made of at least one ferromagnetic material.
  • the micro- or nanotube consists of a hard or soft magnetic material. It is further advantageous that the magnetic material is Fe, Co or Ni or a composition thereof, and still more advantageously the composition is NiSoFe 2 O, Co 9 oFei 0 .
  • the diameter of the micro- or nanotube is in the range of 20 nm to 30 ⁇ m, more advantageously between> 100 nm and 30 ⁇ m.
  • the length of the micro- or nanotube is in the range of 100 nm to 5 mm.
  • micro- or nanotube consists of more than one material.
  • the micro- or nanotube contains further materials which have physical and / or chemical functions, wherein even more advantageously as matehals with physical functions fluorescent, highly reflective and / or oxidation protection matehals and / or matehals with chemical functions anisotropic, hydrophilic, hydrophobic and / or catalytic Matehalen and / or markers for the targeting of organisms and / or particles are present, and further advantageously as high-reflective materials Ag and / or Au and / or in the oxidation protection Matehalen Pd, Pt, Ta and / or Au present and, advantageously, these additional functional materials have also been introduced before or after the magnetic material.
  • tubular multifunctional sensor according to the invention which is produced by the method according to the invention, is carried out for the detection of the liquid properties by measuring the rotational dynamics of micro and / or nanotubes.
  • tubular multifunction sensor for measurement with a magnifying lens in particular an optical microscope, is advantageously used with image acquisition hardware and software contained in the optical microscope and / or with a high-speed camera contained in the optical microscope.
  • tubular multifunction sensor for measuring the maximum response frequency of the sensor is used to determine the physical or chemical properties of the fluid used in the environment of the object under investigation or of the adjacent organic parts in the fluid.
  • the inventive method for producing the sensor presented here is based on the concept of the already known thin film winding nanotechnology after its detachment from a substrate, such a method being compatible with the standard processing methods of semiconductor technology, as already described in OG Schmidt et al, Advanced Materials 13 (10) 756-759 (2001).
  • the general roll-up concept is to strip thin films from a substrate by selectively etching away an underlying sacrificial layer, however, requiring that the thin film be subjected to an internal strain gradient, as is generally the case with vapor deposited or sputtered material layers.
  • the films Upon removal of the sacrificial layer, the films form themselves into tubular structures having diameters ranging from several tens of nanometers to tens of microns, depending on the thickness and strain gradient of the layers.
  • the lengths and arrangements of such micro and / or nanotubes can thin film methods, such as. As lithography techniques, are very well defined.
  • the roll-up concept offers a completely new possibility of producing well-positioned micro- and / or nanotubes according to the invention.
  • the roll-up concept offers a completely new possibility of producing well-positioned micro- and / or nanotubes according to the invention.
  • They With their low density, hollow shape and easy manipulation from the outside, they are ideal for applications in medical and biological fluids where, when properly functionalized, they can be used as magnetic carriers or for targeting organisms / particles.
  • the present invention allows for use of ferromagnetic tubular multifunction sensors as magnetic micro- or nano-oscillators in liquid media by analyzing their rotational response upon application of an external rotating magnetic field.
  • the magnetic tube may follow the rotational velocity of the external field, but after that frequency, transitions to a non-linear mode characterized by a delay in movement (contrary to the direction of rotation).
  • Cell or organism adhesion and monitoring can be achieved by adjusting the physical and chemical properties of the inner and outer surfaces of the rolled-up micro or nanotube. Proper functionalization of the inner and outer surfaces of the rolled-up micro- or nanotube enables the targeting of organisms or particles as well as monitoring the growth of the organism by measuring the rotational speeds of the tubular sensor in a liquid containing cells, organisms or other particle species ,
  • the general concept of the invention is a tubular multifunction sensor in liquids of at least one ferromagnetic material, as well as a method of manufacturing such a sensor.
  • the tubular multifunction sensor is preferably made by applying a thin film consisting of at least one ferromagnetic material to a sacrificial layer previously coated on a substrate and subsequently partially removed from the substrate by etching or dissolution. If the applied thin film is such that the film has an internal strain gradient, the film will naturally spontaneously roll up into a micro- or nanotube.
  • the prestressed thin film may consist of one or more layers of material; it is only important that at least one of the layers consists of a ferromagnetic material.
  • layers with other specific functionalities may be included, for example, oxidation-resistant layers for the ferromagnetic materials, highly reflective or fluorescent matehals that promote sensor properties, and particular markers for targeting organisms or particle bonds.
  • Hydrophilic or hydrophobic materials can also be incorporated before or after tube fabrication so that the sensors are better suited for measuring the properties inside or on the surface of a fluid.
  • the diameters of the rolled-up micro- or nanotubes can be adjusted from a few tens of nanometers or greater than a hundred nanometers to several tens of micrometers by adjusting the layer thickness and the strain gradient of the layer accordingly; the lengths of the tubes can be precisely defined using conventional lithographic techniques.
  • Micro- and / or nanotubes made in this manner can be accurately positioned on a conventional substrate or sample carrier and thus used as single multifunction measuring sensors that can be directly and conventionally inserted into a desired liquid medium, simply by bringing the sample carrier up and running Sample is brought into contact with the liquid.
  • the tube When the tube is dipped in the liquid itself or brought to its surface, the tube can be actively rotated by applying an external magnetic field to the sensor according to the invention.
  • the rotation reaction can be measured inter alia by determining the orientation of the tube in a time interval; this simple method is possible due to the tailor-made strongly asymmetrical shape of the tube.
  • the main advantage is that the particular method of making the micro- or nanotube of the present invention allows the probes to be easily applied to a substrate or to a sample carrier to serve as individual portable sensors; This makes them ideal for applications where on-site measurements are preferred. Contamination of the liquid by the introduction of additional liquids or other materials can be avoided by feeding the sensor so that only a single micro or nanotube is placed in the liquid to be examined; According to the current state of the art, particles are usually supplied in such a way that they are removed from the substrate with a moist brush or dissolved in a liquid solution, which in both cases can lead to contamination of the sample and an influence on its properties.
  • Lithography process techniques exists and therefore the dimensions of the tube sensors can be precisely controlled and adjusted for specific applications.
  • the rotational response of the sensor in a specific environment with a number of well-defined parameters depends on the size of the sensor and can be determined, for example, by changing the length of the micro- or nanotube and / or the Maximum of the reaction frequency can be set exactly as required.
  • the tubular multifunctional sensor according to the invention has the particular feature of a large surface area;
  • the available space for detecting organisms and / or particles is greater than, for example, a ball, disc or a cylinder similar to a particle.
  • This is also favorable if the sensor is used as a carrier in a liquid medium, so that, for example, medicaments can be coupled inside or outside to the tubular multifunction sensor.
  • tubular multi-functional sensors and of the method for their production and use as sensors in liquids are explained below.
  • One skilled in the art will recognize that the structures and aspects of the present invention may be generated by other suitable methods and may not be taken as an exhaustive list.
  • the pictures show:
  • FIG. 1 a top view of a silicon-on-insulator (SOI) wafer substrate
  • FIG. 2b is a plan view of the substrate after the application of a protective lacquer in the form of a protective coating
  • FIG. C shows a plan view of a substrate after coating with SiO 2
  • FIG. 3 Bottom view of the substrate after its coating and formation of a
  • FIG. 1 is a bottom view of the substrate after etching the Si layer with deep reactive ion etching (DRIE), FIG.
  • DRIE deep reactive ion etching
  • FIG. 1 shows a plan view of the finished sensor carrier after removal of the exposed SiO 2 Layers by HF etching
  • FIG. 5 shows the application or coating with a sacrificial layer on a selected region of the sample carrier
  • FIGH h the application or coating of a thin film on the
  • FIG. 1 is a plan view of the sample carrier with a micro- or nanotube formed after detachment of the thin-film layer
  • FIGIj supervision on a variety of sample slides on a larger
  • FIG. 2 shows an advantageous embodiment for the transport and use of a micro- or nanotube as a tubular multifunction sensor in liquids
  • FIG. 2 a leading a glass microcapillary to a micro- or nanotube on a substrate with a micromanipulator
  • FIG. 2b Positioning of a micro- or nanotube by introducing a
  • FIG 2c positioning of a micro or nanotube by bringing the
  • FIG. 2 d shows a sample of a micro- or nanotube in a liquid medium
  • FIG 2f example of a micro- or nanotube on the surface of a wetted
  • FIG 2g representation of an exemplary experiment setup for measuring the Rotational dynamics of a micro- or nanotube; the external rotation takes place with a rotary magnet 9 and the observation and image acquisition via an optical microscope 10 with built-in video camera
  • FIG. 3 shows a SEM image of a periodic field of uniform, well-placed microtubes with diameters and lengths of 4.5 ⁇ m and 60 ⁇ m, respectively
  • Microtube at different temperatures of glycerin Microtube at different temperatures of glycerin.
  • An exemplary embodiment of the present invention is to coat a substrate with a resist and then to form patterns therewith by lithographic techniques. Then, by vapor deposition with an electron beam evaporation apparatus, a thin film or a thin film system consisting of at least one ferromagnetic material is applied, the substrate having an angle with respect to the material vapor flow.
  • the protective lacquer serves as a sacrificial layer. After coating, the thin film system is separated from the substrate by selectively etching or dissolving the resist underlayer. In this detachment process, the layer system itself forms into a micro- or nanotube. For example, by lithographic methods, a plurality of coiled tubes can be made in parallel.
  • a particular embodiment of the present invention is to produce a rolled-up micro- or nanotube on a sample carrier by a method that achieves not only accurate tube positioning, but even a sample carrier that facilitates easy and proper transport of the sensor into the tube guaranteed to be examined liquid medium. This process is completely reproduced in FIG.
  • a resist 3 is applied by means of lithographic technology and thus structurings produced.
  • the specially designed structurings for the sample carrier are then transferred to the uppermost Si layer 1 a using RIE methods, as shown in FIG. 1 b.
  • an additional SiO 2 layer 2 b is applied on top of the structured Si layer 1 a according to FIG. 1 c, so that the sample carrier is protected against further damage by the next processing steps.
  • a layer of protective lacquer 3 on the back of the thicker Si layer 1 b is applied by spin-coating, as shown in Fig. 1d.
  • the protective lacquer layer 3 is coated with structurings such that certain regions of the Si layer 1b, as also shown in FIG. 1e, can be etched away by the DRIE method, so that the thin SiO.sub.2 layer 2a is exposed.
  • FIG. 1f shows as end product after the wet-chemical etching a sample carrier which hangs on two arms in the center of the original SOI substrate.
  • Such a sample carrier is still a part of the original substrate, so that the preparation of the rolled-up micro- or nanotubes on this substrate can still be carried out, as it is explained in the example embodiment.
  • the substrate can also be formed after application of the thin layer or after micro or nanotube formation to form a sample carrier.
  • a sacrificial layer 4 is applied to a small area of the sample carrier and then one or more thin layers are deposited, wherein at least one of these layers must be made of a magnetic material, as shown in FIG. 1h.
  • the sacrificial layer is selectively etched away, thereby partially exposing the applied layer (s) so that they can roll up to the end of the sample carrier toward micro or nanotubes (6) as in FIG. the white arrow indicating the direction of roll.
  • the end portions of the micro or protrude Nanotube 6 beyond the edge of the sensor carrier and can therefore be considered as partially standing on the substrate.
  • the shape that the rolled-up tube assumes derives from the geometry of the predetermined roll area, while the roll direction can be controlled, for example, by preferred crystallographic roll directions of the layers or by the angle of material application.
  • a single micro- or nanotube is obtained on a sample carrier, which can be mechanically removed from the wafer substrate and thus transported directly into the medium to be examined.
  • the method may also be developed via conventional thin film processing techniques such that the sample carriers are produced regularly over large areas of a wafer as in Fig. 1j and thus suitably produced a plurality of individual sensors for the respective applications.
  • a single micro- and / or nanotube for example, with a pointed needle-shaped object, such as glass microcapillaries or AFM tips, may be placed on or immersed in the surface of a liquid medium to manipulate or manipulate the structures to use the above-mentioned special design sample carrier.
  • Fig. 2 shows two examples of the embodiments of the possibilities of transport.
  • tip glass microcapillaries can be made by pulling apart a thin glass capillary which is heated in the central region by means of a hot tungsten filament; this needle-like tips can be achieved with diameters of about 3 microns.
  • the glass capillary 7 may then be manipulated by means of a micromanipulator stage incorporated in an optical microscope so as to be wetted by physical or chemical interaction between the capillary and the tube, for example electrostatic action or capillary force Surface, 8 touches and receives individual micro or nanotubes from the substrate. Thereafter, the micro- and / or nanotube can be placed on the surface of the liquid to be examined 9, which is applied to a substrate or a carrier 10, ie a glass slide, or immersed therein.
  • a micro- and / or nanotube fabricated as above on a sample carrier may be transported in an even simpler and more convenient manner become.
  • the sample carrier is held to the original substrate by only two thin arms and can be mechanically removed therefrom in a manner similar to removing an AFM cantilever from a wafer.
  • the partially free-standing tube can be moved onto or into the liquid with a simple movement and the sample carrier can be withdrawn.
  • the micro- and / or nanotube may be hydrophilic or hydrophobic and therefore either dipped in the liquid or placed on its surface, as outlined accordingly in Fig. 2b and Fig. 2c. This makes it possible to measure the liquid properties of the volume and the surface of liquids. Furthermore, as in Figure 2f, micro- and / or nanotubes can also be placed on the surface of wetted areas / thin liquid films, which further extends the range of applications of the tubular multifunction sensor.
  • the micro- and / or nanotube rotates by a magnetic field applied externally, in particular via a rotary magnet 12, whereby other types of rotary magnetic fields can also be used.
  • a magnetic field applied externally in particular via a rotary magnet 12, whereby other types of rotary magnetic fields can also be used.
  • the rotational dynamics of the actively rotating magnetic micro and / or nanotubes can be monitored with a video camera and appropriate image acquisition software installed in an optical microscope 13, preferably a high speed camera.
  • a simple method for determining the average rotational reaction velocity of a magnetic nanotube provides the asymmetric structure of such a tube.
  • the value of the maximum of the reaction frequency depends on the amplitude of the applied magnetic field as well as the physical parameters of both the particles and the liquid medium. Changes in the volume or shape of the particle can change this value. Changes in the liquid which have an influence on the rotational resistance of the object can also shift the maximum of the reaction frequency, in particular changes in the dynamic viscosity of the liquid or a surface shear action can change this value. If the amplitude of the magnetic field remains constant and the tube structure remains the same in all measurements, changes in the value of the maximum of the reaction frequency always correspond to changes in the physical properties of the surrounding fluid, in particular changes in the viscosity.
  • the detection of a particle and / or an organism also causes a change in the maximum response frequency of the sensor due to a change in the shape and volume of the rotation system now emerging from the tubular multifunction sensor in the particle consists.
  • the thin films of the three-layered Pd / Ni8oFe2o / Pd system are applied by means of an electron beam deposition apparatus to a substrate which is disposed at an angle of 70 ° to the vapor stream of the material, the substrate being a Si wafer lithographically coated with ALLRESIST photoresist ARP®. 3510 is pre-structured via a spin-coat process.
  • the photoresist served as the sacrificial layer, while the Pd layers act as oxidation protection layers for the ferromagnetic permalloy (Ni 8 oFe 2 O) layer.
  • the thicknesses of the photoresist, Pd, and permalloy layers were 2 ⁇ m, 3 nm, and 10 nm.
  • Fig. 3 shows an SEM image of an ordered array of uniform, well-positioned microtubes with average lengths and diameters of 60 ⁇ m and 4.5 ⁇ m.
  • the single Pd / Ni 8 oFe 2 O / Pd microtube was placed on a slide on top of the drop of 99.9 percent Merck glycine solution.
  • the slide was placed on a conventional hot paddle stirrer, which allowed the microtube to actively spin and change the temperature of the liquid medium.
  • the amplitude of the magnetic field was about 12 mT, and for rotation of the microtube frequencies of 0.3 Hz to 8.3 Hz were applied.
  • the rotation dynamics were recorded with a high-speed camera installed in an optical microscope with appropriate image acquisition software.
  • the orientation of the microtube was recorded in a certain time and the rotational response frequency was calculated from the average frame rate time the microtube needed to make a rotation.
  • the average rotational reaction frequency of the tube is related to the rotational speed of the external field.
  • the sudden drop in the linear response is indicated by a dashed line, with a maximum of the reaction frequency of about 2 Hz being observed at these particular conditions for the system.
  • Fig. 5 shows the results of the calculated maxima of the reaction frequencies for each temperature. The maximum of the reaction frequency changes to higher values with increasing temperature, which corresponds to the changes in the viscosity of the glycerin.

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Abstract

The invention relates to the field of micro- and nano-technology and a multifunction sensor, of application, for example, in medicine. The aim of the invention is the production of a novel type of ferromagnetic micro-/nano-objects, which can be used as sensors in fluid flow. Said aim is achieved by means of a method, comprising a. application of a sacrificial layer to a substrate, b. application of a thin layer made of at least one ferromagnetic material to the sacrificial layer, c. selective etching of the sacrificial layer such that the thin layer rolls up and forms a micro- and/or nano- tube and then the micro- and/or nano-tube is mechanically removed from the substrate and transferred into or onto a fluid medium in an individual and controlled manner. The aim is further achieved by means of the tubular multifunction sensor produced by the above method which is made of at least one micro- or nano-tube and at least one ferromagnetic material.

Description

Röhrenförmiger Multifunktionssensor in Flüssigkeiten, Verfahren zur seiner Herstellung und Verwendung Tubular multifunction sensor in liquids, process for its manufacture and use
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Mikro- und Nanotechnologie und betrifft einen magnetischen, röhrenförmiger Multifunktionssensor in Flüssigkeiten, der in verschiedenen Bereichen, unter anderem auf den Gebieten der Medizin, Biologie, Rheologie eingesetzt werden kann, beispielsweise als magnetischer Mikroröhrchenoszillator zur Erfassung der Viskositäten im Volumen und/oder an der Oberfläche einer Flüssigkeit sowie zur Detektion von Organismen oder Partikeln. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines röhrenförmigen Sensors, der empfindlich auf die Viskosität von Flüssigkeiten reagiert, indem seine Rotationsreaktion in einem magnetisch rotierenden Magnetfeld gemessen wird.The invention relates to the field of micro- and nanotechnology and relates to a magnetic, tubular multifunctional sensor in liquids, which can be used in various fields, including in the fields of medicine, biology, rheology, for example as a magnetic microtube oscillator for detecting the viscosities in the volume and / or on the surface of a liquid as well as for the detection of organisms or particles. More particularly, the present invention relates to a method of manufacturing a tubular sensor that is sensitive to the viscosity of liquids by measuring its rotational response in a magnetically rotating magnetic field.
Mikro-/Nanoobjekte mit magnetischen Eigenschaften werden in der Mikro- und Nanotechnologie immer wichtiger, weil sie in einzigartiger weise in biologischen Systemen eingesetzt werden können, z. B. chemische Sensoren in Flüssigkeiten oder Zellen durch farbstoffummantelte magnetische Partikel (US20060008924) und automatisierte Zelltrennungen durch zellgebundene magnetische Beads (US7166443B2). Solche Partikel und/oder Beads können auch mit nichttoxischen, organischen Schichten zu verbesserten Bioprozeduren stabilisiert werden (z. B. Fermentierungsprozesse) (US7208134B2). Aufgerollte Mikro-/Nanoröhren [YA. Prinz et al., Physica E 6 (2000) 168]; O. G. Schmidt et al, Nature 410, 168 (2001 )] könnten zur Realisierung der vorgenannten möglichen Anwendungen verbessert beitragen, da Funktionsschichten mit einer Vielzahl verschiedener Materialien, u. a. magnetische Schichten, in solche Röhren auf einem einzigen Wafer mit eindeutig definierten Durchmessern und Längen leicht integriert herstellbar sind.Micro / nanoobjects with magnetic properties are becoming more and more important in micro and nanotechnology because they can be used uniquely in biological systems, e.g. B. chemical sensors in liquids or cells by dye-coated magnetic particles (US20060008924) and automated cell separations by cell-bound magnetic beads (US7166443B2). Such particles and / or beads can also be improved with non-toxic, organic layers Bioprocedures are stabilized (eg, fermentation processes) (US7208134B2). Coiled Micro / Nanotubes [YA. Prinz et al., Physica E 6 (2000) 168]; OG Schmidt et al, Nature 410, 168 (2001)] could contribute to the realization of the aforesaid possible applications in an improved way, since functional layers with a multiplicity of different materials, including magnetic layers, are easily integrated into such tubes on a single wafer with clearly defined diameters and lengths can be produced.
Durch das Anlegen externer magnetischer Felder können ferromagnetische Partikel in einem flüssigen Medium von außen manipuliert werden, d. h. sie können ausgerichtet und neu in Richtung eines angelegten magnetischen Feldes bewegt werden. Valberg et al, Biophysical Journal 52 (1987), 537-550, offenbaren den theoretischen Hintergrund für die Rotationsdynamik extern rotierter, ferromagnetischer Partikel. Die Geschwindigkeit, mit der sich das Partikel an das externe Feld angleicht, hängt von Teilchenmerkmalen wie dem magnetischen Moment und den Abmessungen des Teilchens, der Amplitude des angelegten magnetischen Feldes und auch von der Viskosität der Umgebungsflüssigkeit ab. Die Rotationsgeschwindigkeit der Teilchen kann also zur Messung der Viskosität der Umgebungsflüssigkeit herangezogen werden.By applying external magnetic fields, ferromagnetic particles can be manipulated from outside in a liquid medium, i. H. they can be aligned and moved anew in the direction of an applied magnetic field. Valberg et al, Biophysical Journal 52 (1987), 537-550, disclose the theoretical background for the rotational dynamics of externally rotated ferromagnetic particles. The rate at which the particle adjusts to the external field depends on particle characteristics such as the magnetic moment and dimensions of the particle, the amplitude of the applied magnetic field, and also the viscosity of the ambient fluid. The rotational speed of the particles can thus be used to measure the viscosity of the surrounding liquid.
Das US 2006000892 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Brownschen und magnetisch modulierten optischen Nanosonden (MagMOONs), das unter anderem für die Messung der Viskosität von Lösungen und unter Anwendung des von Valberg et al eingeführten Konzepts für die Messung eines an die Sonde gebundenen Teilchens verwenden werden kann. MagMOONs werden grundsätzlich durch zwei Verfahren gewonnen, einerseits durch die Beschichtung der einen Halbschale von fluoreszierenden Polystyrol-Nano- oder Mikrokugeln, die ein ferromagnetisches Material enthalten, mit einer reflektierenden Metallschicht; die zweite Methode besteht darin, mittels eines Dampfabscheidungsverfahrens auf regelmäßige, nichtmagnetische Polystyrol-Nano- oder Mikrokugeln eine gleichmäßige, magnetische Schicht als Halbschale und/oder eine zusätzlich reflektierenden Metallschicht aufzubringen; beide Verfahren ergeben optisch asymmetrische Nano- oder Mikrokugeln. Bei anderen Ausführungen werden durch Deformieren von Kugeln in Scheiben- oder röhrenförmige Teilchen strukturell asymmetrische MagMOONs hergestellt.US 2006000892 A1 discloses a method for the production of Brownian and magnetically modulated optical nanoprobes (MagMOONs) which, inter alia, for the measurement of the viscosity of solutions and using the concept introduced by Valberg et al., For the measurement of a particle bound to the probe can be. MagMOONs are basically obtained by two methods, on the one hand by coating the one half-shell of fluorescent polystyrene nano or microspheres containing a ferromagnetic material with a reflective metal layer; the second method is to apply by means of a vapor deposition process to regular, non-magnetic polystyrene nano- or microspheres a uniform, magnetic layer as a half-shell and / or an additional reflective metal layer; both methods yield optically asymmetric nano or microspheres. In other embodiments, structurally asymmetric MagMOONs are produced by deforming spheres into disc or tubular particles.
Um solche Magnetteilchen als Viskositätssonden zu verwenden, müssen sie entweder in einer flüssigen Suspension eingebracht werden, oder eine Vielzahl von ihnen werden als ein bürstenähnliches Werkzeug verwendet; damit sind beide Verfahren mit Verschmutzungen oder mit einer Beeinträchtigung der Eigenschaften der zu untersuchenden Flüssigkeiten verbunden.To use such magnetic particles as viscosity probes, they must either be in a liquid suspension, or a plurality of them are used as a brush-like tool; Thus, both methods are associated with contamination or with an impairment of the properties of the liquids to be examined.
Viskositätsmessungen werden normalerweise so durchgeführt, dass die entsprechenden Sonden von außen mit einem rotierenden magnetischen Feld moduliert und die Reflexions- oder Fluoreszenzstärke in der Zeit der Spektren von den optisch asymmetrischen Strukturen aufgezeichnet werden und dann die Analyse zur Abschätzung der mittleren Reaktionsgeschwindigkeit der Kugeln durchgeführt wird. Das Verfahren zur Messung der Ausrichtung der Teilchen erfordert neben einem herkömmlichen optischen Mikroskop noch weitere Bauteile und Bildgebungstechniken.Viscosity measurements are usually made by externally modulating the respective probes with a rotating magnetic field and recording the reflectance or fluorescence intensity in the time of the spectra from the optically asymmetric structures and then performing the analysis to estimate the average reaction velocity of the spheres. The method for measuring the orientation of the particles requires, in addition to a conventional optical microscope, further components and imaging techniques.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines magnetischen, röhrenförmigen Multifunktionssensor in Flüssigkeiten und eines Verfahren zur Herstellung eines neuen Typs von ferromagnetischen Mikro-/Nanoobjekten, die als Sensoren in Flüssigkeiten eingesetzt werden können. Dabei soll ein Verfahren zur Herstellung von ferromagnetischen, röhrenförmigen Strukturen angegeben werden, die mit einer hohen Präzision der Steuerung der Abmessungen und des magnetischen Gehalts eingesetzt werden können, wobei die Möglichkeit entscheidend ist, sie mittels Verfahren, wie sie generell in der Mikrofertigung angewendet werden, auf einem Substrat aufzubringen, so dass eine kostengünstige Serienproduktion mit einer verbesserten und zuverlässigeren Versorgung an Messsonden möglich wird.The object of the present invention is to provide a magnetic, tubular multifunction sensor in liquids and a method for producing a new type of ferromagnetic micro / nano-objects, which can be used as sensors in liquids. The aim is to provide a process for the production of ferromagnetic tubular structures which can be used with a high degree of precision in the control of the dimensions and the magnetic content, the possibility of using them by methods generally used in microfabrication. on a substrate, so that a cost-effective mass production with an improved and more reliable supply of probes is possible.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the invention specified in the claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von röhrenförmigen Multifunktionssensoren besteht aus den Verfahrensschritten: a. Aufbringen einer Opferschicht auf ein Substrat, b. Aufbringen einer Dünnschicht, die aus mindestens einem ferromagnetischen Material besteht, auf die Opferschicht, c. selektives Ätzen der Opferschicht, so dass sich die Dünnschicht aufrollt und eine Mikro- oder Nanoröhre bildet, und dann die Mikro- oder Nanoröhre mechanisch vom Substrat entfernt und auf oder in ein flüssiges Medium positioniert wird.The method according to the invention for the production of tubular multifunction sensors consists of the method steps: a. Applying a sacrificial layer to a substrate, b. Applying a thin film consisting of at least one ferromagnetic material to the sacrificial layer, c. selectively etching the sacrificial layer such that the thin film curls up to form a micro- or nanotube and then mechanically removes the micro- or nanotube from the substrate and onto or into a liquid medium is positioned.
Es ist vorteilhaft, dass ein Substrat eingesetzt wird, das aus Si, GaAs, Glas oder Kunststoff besteht.It is advantageous that a substrate is used, which consists of Si, GaAs, glass or plastic.
Es ist weiter vorteilhaft, dass eine Opferschicht eingesetzt wird, die im Wesentlichen aus einem Polymer, Salz, Ge, AIAs oder AIGaAs besteht.It is further advantageous that a sacrificial layer is used which consists essentially of a polymer, salt, Ge, AIAs or AIGaAs.
Es ist ferner vorteilhaft, dass ein Substrat eingesetzt wird, welches vorher modifiziert und zu einem Probenträger geformt ist.It is also advantageous that a substrate is used which has been previously modified and shaped into a sample carrier.
Es ist auch ein Vorteil, dass ein Substrat eingesetzt wird, welches modifiziert und zu einem Probenträger geformt ist, nachdem die Dünnschicht aufgebracht worden ist.It is also an advantage that a substrate is used which is modified and shaped into a sample carrier after the thin film has been applied.
Es ist ein Vorteil, dass ein Substrat eingesetzt wird, welches modifiziert und zu einem Probenträger geformt ist, nachdem sich die Dünnschicht zu einer Mikro- oder Nanoröhre aufgerollt hat.It is an advantage that a substrate is used which is modified and shaped into a sample carrier after the thin film has rolled up into a micro or nanotube.
Es ist ferner vorteilhaft, dass die Mikro- oder Nanoröhre teilweise freistehend über einem Bereich des Substrates platziert ist, insbesondere auf einem Probenträger.It is also advantageous that the micro- or nanotube is placed partially free-standing over a region of the substrate, in particular on a sample carrier.
Es ist ein weiterer Vorteil, dass die Mikro- oder Nanoröhre mit einem spitzen, nadelähnlichen Instrument aufgenommen und in ein flüssiges Medium überführt wird.It is a further advantage that the micro- or nanotube is picked up with a sharp, needle-like instrument and transferred into a liquid medium.
Auch vorteilhaft ist es, dass die Mikro- oder Nanoröhre auf der Oberseite eines Probenträgers durch das vorherige Aufnehmen des Probenträgers vom Substrat in eine Flüssigkeit überführt wird.It is also advantageous that the micro- or nanotube on the top of a sample carrier is transferred by the previous recording of the sample carrier from the substrate into a liquid.
Der erfindungsgemäße nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte röhrenförmige Multifunktionssensor in Flüssigkeiten besteht aus mindestens einer Mikro- oder Nanoröhre aus mindestens einem ferromagnetischen Material.The tubular multifunctional sensor in liquids produced by the method according to the invention consists of at least one micro- or nanotube made of at least one ferromagnetic material.
Es ist von Vorteil, dass die Mikro- oder Nanoröhre aus einem hart- oder weichmagnetischen Material besteht. Es ist weiter von Vorteil, dass das magnetische Material Fe, Co oder Ni oder Zusammensetzung davon ist, wobei noch vorteilhafterweise die Zusammensetzung NiSoFe2O , Co9oFei0 ist.It is advantageous that the micro- or nanotube consists of a hard or soft magnetic material. It is further advantageous that the magnetic material is Fe, Co or Ni or a composition thereof, and still more advantageously the composition is NiSoFe 2 O, Co 9 oFei 0 .
Es ist ferner von Vorteil, dass der Durchmesser der Mikro- oder Nanoröhre im Bereich von 20 nm bis 30 μm, noch vorteilhafterweise zwischen > 100 nm und 30 μm, liegt.It is also advantageous that the diameter of the micro- or nanotube is in the range of 20 nm to 30 μm, more advantageously between> 100 nm and 30 μm.
Es ist auch von Vorteil, dass die Länge des Mikro- oder Nanoröhre im Bereich von 100 nm bis 5 mm liegt.It is also advantageous that the length of the micro- or nanotube is in the range of 100 nm to 5 mm.
Es ist weiter von Vorteil, dass die Mikro- oder Nanoröhre aus mehr als einem Material besteht.It is further advantageous that the micro- or nanotube consists of more than one material.
Vorteilhafterweise beinhaltet die Mikro- oder Nanoröhre weitere Materialien, die physikalische und/oder chemische Funktionen aufweisen, wobei noch vorteilhafterweise als Matehalen mit physikalischen Funktionen fluoreszierende, hochreflektierende und/oder Oxidationsschutz-Matehalen und/oder Matehalen mit chemischen Funktionen anisotrope, hydrophile, hydrophobe und/oder katalytische Matehalen und/oder Markierungen für das Targeting von Organismen und/oder Partikeln vorhanden sind, und wobei weiterhin vorteilhafterweise als hochreflektierende Materialen Ag und/oder Au und/oder bei dem als Oxidationsschutz-Matehalen Pd, Pt, Ta und/oder Au vorhanden sind, und wobei ebenfalls vorteilhafterweise diese zusätzlichen Funktionsmaterialen vor oder nach dem magnetischen Material eingebracht worden sind.Advantageously, the micro- or nanotube contains further materials which have physical and / or chemical functions, wherein even more advantageously as matehals with physical functions fluorescent, highly reflective and / or oxidation protection matehals and / or matehals with chemical functions anisotropic, hydrophilic, hydrophobic and / or catalytic Matehalen and / or markers for the targeting of organisms and / or particles are present, and further advantageously as high-reflective materials Ag and / or Au and / or in the oxidation protection Matehalen Pd, Pt, Ta and / or Au present and, advantageously, these additional functional materials have also been introduced before or after the magnetic material.
Die erfindungsgemäße Verwendung des erfindungsgemäßen röhrenförmigen Multifunktionssensors, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, erfolgt für die Erfassung der Flüssigkeitseigenschaften durch Messung der Rotationsdynamik von Mikro- und/oder Nanoröhren.The inventive use of the tubular multifunctional sensor according to the invention, which is produced by the method according to the invention, is carried out for the detection of the liquid properties by measuring the rotational dynamics of micro and / or nanotubes.
Es ist vorteilhaft, dass der röhrenförmige Multifunktionssensor zur Messung mit einer Vergrößerungslinse, insbesondere einem optischen Mikroskop, vorteilhafterweise mit einer Bilderfassungshard- und -Software, die im optischen Mikroskop enthalten ist, und/oder mit einer im optischen Mikroskop enthaltenen Hochgeschwindigkeitskamera, verwendet wird.It is advantageous that the tubular multifunction sensor for measurement with a magnifying lens, in particular an optical microscope, is advantageously used with image acquisition hardware and software contained in the optical microscope and / or with a high-speed camera contained in the optical microscope.
Es ist auch vorteilhaft, dass der röhrenförmige Multifunktionssensor zur Messung der maximalen Reaktionsfrequenz des Sensors zur Bestimmung der physikalischen oder chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit, der Flüssigkeit in der Umgebung des untersuchten Objektes oder der angrenzenden organischen Teile in der Flüssigkeit verwendet wird.It is also advantageous that the tubular multifunction sensor for measuring the maximum response frequency of the sensor is used to determine the physical or chemical properties of the fluid used in the environment of the object under investigation or of the adjacent organic parts in the fluid.
Das hier vorgestellte erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Sensors basiert auf dem Konzept der bereits bekannten Aufrollnanotechnologie für Dünnschichten nach ihrer Ablösung von einem Substrat, wobei ein solches Verfahren mit den Standardverarbeitungsverfahren der Halbleitertechnik kompatibel ist, wie schon beschrieben bei O. G. Schmidt et al, Advanced Materials 13 (10) 756-759 (2001 ).The inventive method for producing the sensor presented here is based on the concept of the already known thin film winding nanotechnology after its detachment from a substrate, such a method being compatible with the standard processing methods of semiconductor technology, as already described in OG Schmidt et al, Advanced Materials 13 (10) 756-759 (2001).
Das allgemeine Aufrollkonzept besteht darin, Dünnschichten von einem Substrat abzulösen, indem eine darunterliegende Opferschicht selektiv abgeätzt wird, wobei allerdings erforderlich ist, dass die Dünnschicht einem internen Verspannungsgradienten ausgesetzt wird, wie dies im Allgemeinen bei durch Dampf abgeschiedenen oder aufgesputterten Materialschichten der Fall ist. Beim Entfernen der Opferschicht formen sich die Dünnschichten von selbst zu röhrenförmigen Strukturen mit Durchmessern zwischen einigen Zehn Nanometern bis einigen Zehn Mikrometern, in Abhängigkeit von der Dicke und dem Verspannungsgradienten der Schichten. Die Längen und Anordnungen solcher Mikro- und/oder Nanoröhren kann über Dünnfilmverfahren, wie z. B. Lithografietechniken, sehr gut definiert werden.The general roll-up concept is to strip thin films from a substrate by selectively etching away an underlying sacrificial layer, however, requiring that the thin film be subjected to an internal strain gradient, as is generally the case with vapor deposited or sputtered material layers. Upon removal of the sacrificial layer, the films form themselves into tubular structures having diameters ranging from several tens of nanometers to tens of microns, depending on the thickness and strain gradient of the layers. The lengths and arrangements of such micro and / or nanotubes can thin film methods, such as. As lithography techniques, are very well defined.
Im Fall von ferromagnetischen Dünnschichten bietet das Aufrollkonzept eine ganz neue Möglichkeit, gut positionierte erfindungsgemäße Mikro- und/oder Nanoröhren herzustellen. Mit ihrer niedrigen Dichte, hohlen Form und der leichten Manipulationsmöglichkeit von außen sind sie ideal für Anwendungen in Flüssigkeiten aus dem Bereich der Medizin und Biologie, wo sie bei richtiger Funktionalisierung als magnetische Träger oder für das Targeting von Organismen/Partikeln eingesetzt werden können. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine Verwendung von ferromagnetischen, röhrenförmigen Multifunktionssensoren als magnetische Mikro- bzw. Nano-Oszillatoren in flüssigen Medien durch die Analyse ihrer Rotationsreaktion bei Anlegen eines externen rotierenden magnetischen Feldes. Bei Frequenzen unter dem Maximum der Reaktionsfrequenz kann das magnetische Röhrchen der Rotationsgeschwindigkeit des externen Felds folgen, geht aber nach dieser Frequenz in eine nichtlineare Betriebsart über, die durch eine Verzögerung der Bewegung (entgegen der Rotationsrichtung) charakterisiert ist. Die Zell- oder Organismenadhäsion und -Überwachung kann durch Anpassung der physikalischen und chemischen Eigenschaften der Innen- und Außenflächen der aufgerollten Mikro oder Nanoröhre erreicht werden. Die richtige Funktionalisierung der Innen- und Außenflächen der aufgerollten Mikro- oder Nanoröhre ermöglicht das Targeting von Organismen oder Partikeln sowie die Überwachung des Wachstums des Organismus, indem eine Messung der Rotationsgeschwindigkeiten der röhrenförmigen Sensors in einer Flüssigkeit erfolgt, die Zellen, Organismen oder sonstige Teilchenarten enthält.In the case of ferromagnetic thin films, the roll-up concept offers a completely new possibility of producing well-positioned micro- and / or nanotubes according to the invention. With their low density, hollow shape and easy manipulation from the outside, they are ideal for applications in medical and biological fluids where, when properly functionalized, they can be used as magnetic carriers or for targeting organisms / particles. The present invention allows for use of ferromagnetic tubular multifunction sensors as magnetic micro- or nano-oscillators in liquid media by analyzing their rotational response upon application of an external rotating magnetic field. At frequencies below the maximum of the response frequency, the magnetic tube may follow the rotational velocity of the external field, but after that frequency, transitions to a non-linear mode characterized by a delay in movement (contrary to the direction of rotation). Cell or organism adhesion and monitoring can be achieved by adjusting the physical and chemical properties of the inner and outer surfaces of the rolled-up micro or nanotube. Proper functionalization of the inner and outer surfaces of the rolled-up micro- or nanotube enables the targeting of organisms or particles as well as monitoring the growth of the organism by measuring the rotational speeds of the tubular sensor in a liquid containing cells, organisms or other particle species ,
Das allgemeine Konzept der Erfindung ist ein röhrenförmiger Multifunktionssensor in Flüssigkeiten aus mindestens einem ferromagnetischen Material, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensors. Der röhrenförmige Multifunktionssensor wird vorzugsweise hergestellt, indem eine Dünnschicht, die aus mindestens einem ferromagnetischen Material besteht, auf eine Opferschicht aufgebracht wird, mit der vorher ein Substrat beschichtet wurde und die anschließend durch Ätzen oder Lösen teilweise vom Substrat entfernt wird. Ist die aufgetragene Dünnschicht so beschaffen, dass die Schicht einen internen Verspannungsgradienten aufweist, wird sich der Film von selbst spontan in eine Mikro- oder Nanoröhre aufrollen.The general concept of the invention is a tubular multifunction sensor in liquids of at least one ferromagnetic material, as well as a method of manufacturing such a sensor. The tubular multifunction sensor is preferably made by applying a thin film consisting of at least one ferromagnetic material to a sacrificial layer previously coated on a substrate and subsequently partially removed from the substrate by etching or dissolution. If the applied thin film is such that the film has an internal strain gradient, the film will naturally spontaneously roll up into a micro- or nanotube.
Die vorgespannte Dünnschicht kann aus einer oder mehreren Materialschichten bestehen; es ist dabei nur wichtig, dass mindestens eine der Schichten aus einem ferromagnetischen Material besteht. Es können zusätzlich Schichten mit anderen spezifischen Funktionalitäten enthalten sein, zum Beispiel Oxidationsschutzschichten für die ferromagnetischen Materialien, hochreflektive oder fluoreszierende Matehalen, die die Sensoreigenschaften fördern, sowie besondere Marker zum Targeting von Organismen oder von Teilchenbindungen. Es können auch hydrophile oder hydrophobe Materialien eingebracht werden, vor oder nach der Röhrenherstellung, so dass sich die Sensoren besser zur Messung der Eigenschaften im Innern oder auf der Oberfläche einer Flüssigkeit eignen.The prestressed thin film may consist of one or more layers of material; it is only important that at least one of the layers consists of a ferromagnetic material. In addition, layers with other specific functionalities may be included, for example, oxidation-resistant layers for the ferromagnetic materials, highly reflective or fluorescent matehals that promote sensor properties, and particular markers for targeting organisms or particle bonds. Hydrophilic or hydrophobic materials can also be incorporated before or after tube fabrication so that the sensors are better suited for measuring the properties inside or on the surface of a fluid.
Die Durchmesser der aufgerollten Mikro- oder Nanoröhren kann von einigen Zehn Nanometern oder größer hundert Nanometer bis auf mehrere Zehn Mikrometer eingestellt werden, indem die Schichtdicke und der Verspannungsgradienten der Schicht entsprechend eingestellt wird; die Längen der Röhren können mit herkömmlichen Lithografietechniken präzise definiert werden. Auf diese Weise hergestellte Mikro- und/oder Nanoröhren können ganz genau auf einem herkömmlichen Substrat oder Probenträger positioniert und damit als einzelne Multifunktionsmesssensoren verwendet werden, die sich in direkter und herkömmlicher Weise in ein gewünschtes flüssiges Medium einsetzen lassen, indem einfach der Probenträger herangeführt und die Probe mit der Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird.The diameters of the rolled-up micro- or nanotubes can be adjusted from a few tens of nanometers or greater than a hundred nanometers to several tens of micrometers by adjusting the layer thickness and the strain gradient of the layer accordingly; the lengths of the tubes can be precisely defined using conventional lithographic techniques. Micro- and / or nanotubes made in this manner can be accurately positioned on a conventional substrate or sample carrier and thus used as single multifunction measuring sensors that can be directly and conventionally inserted into a desired liquid medium, simply by bringing the sample carrier up and running Sample is brought into contact with the liquid.
Wenn die Röhre in die Flüssigkeit selbst getaucht oder an ihre Oberfläche gebracht wird, kann das Röhrchen aktiv gedreht werden, indem an den erfindungsgemäßen Sensor ein externes magnetisches Feld angelegt wird. Die Rotationsreaktion kann unter anderem dadurch gemessen werden, dass die Ausrichtung der Röhre in einem Zeitintervall bestimmt wird; diese einfache Methode ist aufgrund der maßgeschneiderten stark asymmetrischen Form der Röhre möglich.When the tube is dipped in the liquid itself or brought to its surface, the tube can be actively rotated by applying an external magnetic field to the sensor according to the invention. The rotation reaction can be measured inter alia by determining the orientation of the tube in a time interval; this simple method is possible due to the tailor-made strongly asymmetrical shape of the tube.
Es gibt mehrere Vorteile der vorliegenden Erfindung gegenüber dem bisherigen Stand der Technik. Der Hauptvorteil ist, dass das besondere Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Mikro- oder Nanoröhre ermöglicht, die Messsonden leicht in ein Substrat oder auf einen Probenträger aufzubringen, damit sie als einzelne tragbare Sensoren dienen können; damit sind sie ideal für Anwendungen, bei denen die Messungen vor Ort vorgezogen werden. Eine Verschmutzung der Flüssigkeit durch das Einbringen von zusätzlichen Flüssigkeiten oder anderen Materialien kann vermieden werden, indem der Sensor so zugeführt wird, dass nur eine einzige Mikro- oder Nanoröhre in die zu untersuchende Flüssigkeit gelegt wird; gemäß dem derzeitigen Stand der Technik werden Partikel in der Regel so zugeführt, dass sie mit einer feuchten Pinsel vom Substrat entnommen oder in einer flüssigen Lösung aufgelöst werden, was in beiden Fällen zu Verunreinigungen der Probe und einer Beeinflussung ihrer Eigenschaften führen kann.There are several advantages of the present invention over the prior art. The main advantage is that the particular method of making the micro- or nanotube of the present invention allows the probes to be easily applied to a substrate or to a sample carrier to serve as individual portable sensors; This makes them ideal for applications where on-site measurements are preferred. Contamination of the liquid by the introduction of additional liquids or other materials can be avoided by feeding the sensor so that only a single micro or nanotube is placed in the liquid to be examined; According to the current state of the art, particles are usually supplied in such a way that they are removed from the substrate with a moist brush or dissolved in a liquid solution, which in both cases can lead to contamination of the sample and an influence on its properties.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass das Verfahren aus Verfahrensschritten nach herkömmlichen Dünnfilm- undAnother important advantage of the present invention is that the method consists of steps according to conventional thin film and
Lithografieverfahrenstechniken besteht und daher die Abmessungen der Röhrensensoren genau kontrolliert und für besondere Anwendungen eingestellt werden können. Die Rotationsreaktion des Sensors in einer spezifischen Umgebung mit einer Anzahl von genau definierten Parametern hängt von der Größe des Sensors ab und kann beispielsweise durch die Änderung der Länge der Mikro- oder Nanoröhre und/oder das Maximum der Reaktionsfrequenz je nach Erfordernissen exakt eingestellt werden.Lithography process techniques exists and therefore the dimensions of the tube sensors can be precisely controlled and adjusted for specific applications. The rotational response of the sensor in a specific environment with a number of well-defined parameters depends on the size of the sensor and can be determined, for example, by changing the length of the micro- or nanotube and / or the Maximum of the reaction frequency can be set exactly as required.
Der erfindungsgemäße röhrenförmige Multifunktionssensor hat das besondere Merkmal einer großen Oberfläche; damit ist der verfügbare Raum zur Erfassung von Organismen und/oder Partikeln größer als zum Beispiel bei einer Kugel, Scheibe oder einem Zylinder ähnlich wie einem Partikel. Das ist ebenfalls günstig, wenn der Sensor als Träger in einem flüssigen Medium eingesetzt wird, so dass beispielsweise Medikamente innen oder außen an den röhrenförmigen Multifunktionssensor ankoppeln können.The tubular multifunctional sensor according to the invention has the particular feature of a large surface area; Thus, the available space for detecting organisms and / or particles is greater than, for example, a ball, disc or a cylinder similar to a particle. This is also favorable if the sensor is used as a carrier in a liquid medium, so that, for example, medicaments can be coupled inside or outside to the tubular multifunction sensor.
Nachfolgend sind beispielhafte und bevorzugte Ausführungen der röhrenförmigen Multifunktionssensoren sowie des Verfahrens zu ihrer Herstellung und Verwendung als Sensoren in Flüssigkeiten erläutert. Ein Fachmann wird erkennen, dass die Strukturen und die Aspekte der vorliegenden Erfindung auch über andere geeignete Verfahren erzeugt werden können und nicht als erschöpfende Auflistung gewertet werden können.Exemplary and preferred embodiments of the tubular multi-functional sensors and of the method for their production and use as sensors in liquids are explained below. One skilled in the art will recognize that the structures and aspects of the present invention may be generated by other suitable methods and may not be taken as an exhaustive list.
Die Abbildungen zeigen:The pictures show:
FIG 1 eine bevorzugte Ausführung der Herstellung von aufgerollten Mikro- oder1 shows a preferred embodiment of the production of rolled-up micro- or
Nanoröhren,nanotubes,
FIGI a Aufsicht auf ein Silizium-auf-lsolator (SOI) Wafer-Substrat,FIG. 1 a top view of a silicon-on-insulator (SOI) wafer substrate, FIG.
FIGI b Aufsicht auf das Substrat nach Aufbringung eines Schutzlacks in Form einesFIG. 2b is a plan view of the substrate after the application of a protective lacquer in the form of a protective coating
Probenträgers und anschließendes reaktives lonenätzen, um die freigelegte Si-Schicht zu entfernen,Sample and subsequent reactive ion etching to remove the exposed Si layer,
FIGI c Aufsicht auf ein Substrat nach Beschichtung mit Siθ2 ,FIG. C shows a plan view of a substrate after coating with SiO 2,
FIGId Unteransicht des Substrates nach seiner Beschichtung und Bildung einerFIG. 3: Bottom view of the substrate after its coating and formation of a
Schutzlackschicht,Protective lacquer layer,
FIGI e Unteransicht des Substrates nach dem Ätzen der Si-Schicht mit tiefem reaktivem lonenätzen (DRIE),FIG. 1 is a bottom view of the substrate after etching the Si layer with deep reactive ion etching (DRIE), FIG.
FIGIf Aufsicht auf den fertigen Sensorträger nach Entfernen der freigelegten Siθ2- Schichten durch HF-Ätzen,FIG. 1 shows a plan view of the finished sensor carrier after removal of the exposed SiO 2 Layers by HF etching,
FIGIg das Aufbringen oder die Beschichtung mit einer Opferschicht an einem ausgewählten Bereich des Probenträgers,FIG. 5 shows the application or coating with a sacrificial layer on a selected region of the sample carrier, FIG.
FIGI h das Aufbringen oder die Beschichtung einer Dünnschicht auf dieFIGH h the application or coating of a thin film on the
Opferschicht ,Sacrificial layer,
FIGI i Aufsicht auf den Probenträger mit einer Mikro- oder Nanoröhre, die nach dem Ablösen der Dünnschicht gebildet wurde,FIG. 1 is a plan view of the sample carrier with a micro- or nanotube formed after detachment of the thin-film layer, FIG.
FIGIj Aufsicht auf eine Vielzahl von Probenträgern, die auf einem größerenFIGIj supervision on a variety of sample slides on a larger
Bereich eines Wafer-Substrats hergestellt wurden,Area of a wafer substrate were produced,
FIG2 eine vorteilhafte Ausführungsform für den Transport und Einsatz einer Mikro- oder Nanoröhre als röhrenförmiger Multifunktionssensor in Flüssigkeiten,FIG. 2 shows an advantageous embodiment for the transport and use of a micro- or nanotube as a tubular multifunction sensor in liquids, FIG.
FIG 2a Heranführen einer Glasmikrokapillare an eine Mikro- oder Nanoröhre auf einem Substrat mit einem Mikromanipulator,FIG. 2 a, leading a glass microcapillary to a micro- or nanotube on a substrate with a micromanipulator, FIG.
FIG 2b Positionierung einer Mikro- oder Nanoröhre durch Heranführen einerFIG. 2b Positioning of a micro- or nanotube by introducing a
Glasmikrokapillare an ein flüssiges Medium,Glass microcapillary to a liquid medium,
FIG 2c Positionierung einer Mikro- oder Nanoröhre durch Heranführen desFIG 2c positioning of a micro or nanotube by bringing the
Probenträgers an ein flüssiges Medium,Sample carrier to a liquid medium,
FIG 2d Beispiel einer Mikro- oder Nanoröhre in einem flüssigen Medium,FIG. 2 d shows a sample of a micro- or nanotube in a liquid medium, FIG.
FIG 2e Beispiel einer Mikro- oder Nanoröhre auf der Oberfläche eines flüssigen2 e example of a micro- or nanotube on the surface of a liquid
Mediums,medium,
FIG 2f Beispiel einer Mikro- oder Nanoröhre auf der Oberfläche einer benetztenFIG 2f example of a micro- or nanotube on the surface of a wetted
Oberfläche/eines dünnen Flüssigkeitsfilms,Surface / a thin liquid film,
FIG 2g Darstellung eines beispielhaften Experimentaufbaus zur Messung der Rotationsdynamik einer Mikro- oder Nanoröhre; die externe Rotation erfolgt mit einem Rotationsmagneten 9 und die Beobachtung und Bilderfassung über ein optisches Mikroskop 10 mit eingebauter VideokameraFIG 2g representation of an exemplary experiment setup for measuring the Rotational dynamics of a micro- or nanotube; the external rotation takes place with a rotary magnet 9 and the observation and image acquisition via an optical microscope 10 with built-in video camera
FIG 3 SEM-Aufnahme eines periodicshen Feldes von gleichförmigen, gut platzierten Mikroröhren mit Durchmessern und Längen von jeweils 4.5 μm und 60 μm3 shows a SEM image of a periodic field of uniform, well-placed microtubes with diameters and lengths of 4.5 μm and 60 μm, respectively
FIG 4 Graph der Reaktionsfrequenz und der Rotationsrate des externen Felds bei einer ferromagnetischen Mikroröhre in Glyzerinlösung4 shows graph of the reaction frequency and the rotation rate of the external field in a ferromagnetic microtube in glycerol solution
FIG 5 Graph des Maximums der Reaktionsfrequenz einer ferromagnetischen5 shows graph of the maximum of the reaction frequency of a ferromagnetic
Mikroröhre bei verschiedenen Temperaturen des Glyzerins.Microtube at different temperatures of glycerin.
Eine beispielhafte Ausführung der vorliegenden Erfindung ist ein Substrat mit einem Schutzlack zu beschichten und darauf mit lithografischen Techniken Strukturierungen zu erzeugen. Dann wird per Dampfabscheidung mit einem Elektronenstrahl- bedampfungsgerät eine Dünnschicht oder ein Dünnschichtsystem, die aus mindestens einem ferromagnetischen Material bestehen, aufgetragen, wobei das Substrat einen Winkel in Bezug auf den Materialdampffluss aufweist. Der Schutzlack dient als Opferschicht. Nach der Beschichtung wird das Dünnschichtsystem vom Substrat durch selektives Ätzen oder Lösen der Schutzlackunterschicht getrennt. Bei diesem Ablösevorgang formt sich das Schichtsystem selbst zu einer Mikro- oder Nanoröhre. Zum Beispiel können mit lithografischen Verfahren eine Vielzahl von aufgerollten Röhrchen parallel hergestellt werden.An exemplary embodiment of the present invention is to coat a substrate with a resist and then to form patterns therewith by lithographic techniques. Then, by vapor deposition with an electron beam evaporation apparatus, a thin film or a thin film system consisting of at least one ferromagnetic material is applied, the substrate having an angle with respect to the material vapor flow. The protective lacquer serves as a sacrificial layer. After coating, the thin film system is separated from the substrate by selectively etching or dissolving the resist underlayer. In this detachment process, the layer system itself forms into a micro- or nanotube. For example, by lithographic methods, a plurality of coiled tubes can be made in parallel.
Eine besondere Ausführung der vorliegenden Erfindung besteht in der Herstellung einer aufgerollten Mikro- oder Nanoröhre auf einem Probenträger mit einem Verfahren, mit dem nicht nur eine genaue Positionierung der Röhre erzielt wird, sondern sogar ein Probenträger, der einen einfachen und geeigneten Transport des Sensors in das zu untersuchende flüssige Medium gewährleistet. Dieses Verfahren wird in Fig. 1 vollständig wiedergegeben.A particular embodiment of the present invention is to produce a rolled-up micro- or nanotube on a sample carrier by a method that achieves not only accurate tube positioning, but even a sample carrier that facilitates easy and proper transport of the sensor into the tube guaranteed to be examined liquid medium. This process is completely reproduced in FIG.
Auf einem Silizium-auf-lsolator (SOI) Wafer-Substrat, siehe Fig. 1 a, welches aus einer Dünnschicht aus Si 1 a auf einer Dünnschicht aus SiO2 2a besteht, die über einer Dickschicht aus Silizium 1 b angeordnet ist, wird ein Schutzlack 3 mittels Lithografietechnik aufgebracht und damit Strukturierungen erzeugt. Die besonders gestalteten Strukturierungen für den Probenträger werden dann mit RIE-Verfahren, wie in Fig. 1 b gezeigt, auf die oberste Si-Schicht 1 a übertragen.On a silicon on insulator (SOI) wafer substrate, see Fig. 1 a, which consists of a Thin film of Si 1 a on a thin film of SiO 2 consists of 2a, which is disposed over a thick film of silicon 1 b, a resist 3 is applied by means of lithographic technology and thus structurings produced. The specially designed structurings for the sample carrier are then transferred to the uppermost Si layer 1 a using RIE methods, as shown in FIG. 1 b.
Nach Entfernen des Schutzlacks 3 wird oben auf der strukturierten Si-Schicht 1 a gemäß Fig. 1 c eine zusätzliche Siθ2-Schicht 2b aufgetragen, so dass der Probenträger gegen weitere Beschädigungen durch die nächsten Bearbeitungsschritten geschützt ist. Auf die Siθ2-Schicht wird eine Schicht aus Schutzlack 3 auf der Rückseite der dickeren Si-Schicht 1 b mittels spin-coating aufgebracht, wie in Fig. 1d zu sehen ist. Die Schutzlackschicht 3 wird so mit Strukturierungen überzogen, dass bestimmte Bereiche der Si-Schicht 1 b, wie ebenfalls in Fig. 1 e gezeigt, mit dem DRIE-Verfahren weggeätzt werden können, so dass die dünne Siθ2-Schicht 2a freigelegt wird.After removal of the protective varnish 3, an additional SiO 2 layer 2 b is applied on top of the structured Si layer 1 a according to FIG. 1 c, so that the sample carrier is protected against further damage by the next processing steps. On the SiO 2 layer, a layer of protective lacquer 3 on the back of the thicker Si layer 1 b is applied by spin-coating, as shown in Fig. 1d. The protective lacquer layer 3 is coated with structurings such that certain regions of the Si layer 1b, as also shown in FIG. 1e, can be etched away by the DRIE method, so that the thin SiO.sub.2 layer 2a is exposed.
Im letzten Arbeitsschritt der Probenträgerfabrikation erfolgt ein nasschemischer Ätzvorgang mit Flusssäure (HF) zum Wegätzen der Siθ2-Schichten 2. Fig. 1f zeigt als Endprodukt nach dem nasschemischen Ätzvorgang einen Probenträger, der an zwei Armen in der Mitte des ursprünglichen SOI-Substrats hängt.In the last step of the sample carrier fabrication, a wet-chemical etching with hydrofluoric acid (HF) is carried out for etching away the SiO 2 layers 2. FIG. 1f shows as end product after the wet-chemical etching a sample carrier which hangs on two arms in the center of the original SOI substrate.
Ein solcher Probenträger ist noch ein Teil des Originalsubstrats, so dass die Herstellung der aufgerollten Mikro- oder Nanoröhren an diesem Substrat auch noch durchgeführt werden kann, so wie es in der Beispielausführung erläutert ist. Das Substrat kann alternativ auch nach Auftragen der Dünnschicht oder nach der Mikro- oder Nanoröhrenbildung zu einem Probenträger geformt werden.Such a sample carrier is still a part of the original substrate, so that the preparation of the rolled-up micro- or nanotubes on this substrate can still be carried out, as it is explained in the example embodiment. Alternatively, the substrate can also be formed after application of the thin layer or after micro or nanotube formation to form a sample carrier.
Wie in Fig. 1g gezeigt, wird zuerst eine Opferschicht 4 auf einen kleinen Bereich des Probenträgers aufgetragen und dann eine oder mehrere Dünnschichten aufgetragen, wobei mindestens eine dieser Schichten aus einem magnetischen Material bestehen muss, wie in Fig. 1 h gezeigt wird.As shown in FIG. 1g, first a sacrificial layer 4 is applied to a small area of the sample carrier and then one or more thin layers are deposited, wherein at least one of these layers must be made of a magnetic material, as shown in FIG. 1h.
Nach Herstellung der Dünnschicht wird die Opferschicht selektiv weggeätzt und legt dabei die aufgetragene(n) Schicht(en) teilweise frei, so dass sie sich wie in Fig. 1 i zum Ende des Probenträgers hin zu Mikro- oder Nanoröhren (6) aufrollen können, wobei der weiße Pfeil die Rollrichtung anzeigt. In dieser Ausführung ragen die Endbereiche der Mikro- oder Nanoröhre 6 über den Rand des Sensorträgers hinaus und können daher als teilweise auf dem Substrat frei stehend betrachtet werden. Die Form, die die aufgerollte Röhre annimmt, ergibt sich aus der Geometrie der vorher festgelegten Rollbereichs, während die Rollrichtung zum Beispiel durch bevorzugte kristallografische Rollrichtungen der Schichten oder über den Winkel der Materialaufbringung gesteuert werden kann.After the thin film has been produced, the sacrificial layer is selectively etched away, thereby partially exposing the applied layer (s) so that they can roll up to the end of the sample carrier toward micro or nanotubes (6) as in FIG. the white arrow indicating the direction of roll. In this embodiment, the end portions of the micro or protrude Nanotube 6 beyond the edge of the sensor carrier and can therefore be considered as partially standing on the substrate. The shape that the rolled-up tube assumes derives from the geometry of the predetermined roll area, while the roll direction can be controlled, for example, by preferred crystallographic roll directions of the layers or by the angle of material application.
Mit diesem Verfahren wird eine einzige Mikro- oder Nanoröhre auf einem Probenträger erhalten, die mechanisch vom Wafer-Substrat abgenommen und somit direkt weiter in das zu untersuchende Medium transportieren werden kann. Das Verfahren kann ferner über herkömmliche Dünnfilmverarbeitungstechniken so entwickelt werden, dass die Probenträger wie in Fig. 1j regelmäßig über große Flächen eines Wafers hergestellt werden und damit in geeigneter Weise eine Vielzahl einzelner Sensoren für die jeweiligen Anwendungen produziert werden können.With this method, a single micro- or nanotube is obtained on a sample carrier, which can be mechanically removed from the wafer substrate and thus transported directly into the medium to be examined. The method may also be developed via conventional thin film processing techniques such that the sample carriers are produced regularly over large areas of a wafer as in Fig. 1j and thus suitably produced a plurality of individual sensors for the respective applications.
Nach der Herstellung kann eine einzelne Mikro- und/oder Nanoröhre beispielsweise mit einem spitzen, nadeiförmigen Objekt, etwa Glas-Mikrokapillaren oder AFM-Spitzen, auf die Oberfläche eines flüssigen Mediums gelegt oder darin eingetaucht werden, um die Strukturen zu manipulieren oder den in der vorgenannten besonderen Ausführung gewonnenen Probenträger zu verwenden. Fig. 2 zeigt zwei Beispiele der Ausführungen der Möglichkeiten des Transports.After fabrication, a single micro- and / or nanotube, for example, with a pointed needle-shaped object, such as glass microcapillaries or AFM tips, may be placed on or immersed in the surface of a liquid medium to manipulate or manipulate the structures to use the above-mentioned special design sample carrier. Fig. 2 shows two examples of the embodiments of the possibilities of transport.
Spitze Glas-Mikrokapillaren können beispielsweise hergestellt werden, indem eine dünne Glaskapillare auseinander gezogen wird, die im Mittelbereich mittels eines heißen Wolframglühdrahts erhitzt wird; damit können nadelähnliche Spitzen mit Durchmessern von ca. 3 μm erzielt werden. Wie in Fig. 2a und 2b gezeigt, kann die Glaskapillare 7 dann mittels einer in einem optischen Mikroskop eingebauten Mikromanipulatorstufe so manipuliert werden, dass sie mit Hilfe physikalischer oder chemischer Interaktion zwischen der Kapillare und dem Röhrchen, zum Beispiel elektrostatischer Wirkung oder Kapillarkraft von einer benetzten Oberfläche, vom Substrat 8 einzelne Mikro- oder Nanoröhren berührt und aufnimmt. Danach kann die Mikro- und/oder Nanoröhre auf die Oberfläche der zu untersuchenden Flüssigkeit 9, die auf einem Substrat oder einem Träger 10, also einem Objektträger aus Glas, aufgetragen ist, gelegt oder darin eingetaucht werden.For example, tip glass microcapillaries can be made by pulling apart a thin glass capillary which is heated in the central region by means of a hot tungsten filament; this needle-like tips can be achieved with diameters of about 3 microns. As shown in FIGS. 2a and 2b, the glass capillary 7 may then be manipulated by means of a micromanipulator stage incorporated in an optical microscope so as to be wetted by physical or chemical interaction between the capillary and the tube, for example electrostatic action or capillary force Surface, 8 touches and receives individual micro or nanotubes from the substrate. Thereafter, the micro- and / or nanotube can be placed on the surface of the liquid to be examined 9, which is applied to a substrate or a carrier 10, ie a glass slide, or immersed therein.
Als zweites Beispiel kann eine Mikro- und/oder Nanoröhre, die wie oben auf einem Probenträger hergestellt wurde, in noch einfacherer und bequemerer Art transportiert werden. Nach seiner Herstellung wird der Probenträger an nur zwei dünnen Armen am ursprünglichen Substrat gehalten und kann von dort mechanisch in ähnlicher Weise wie beim Abnehmen eines AFM-Cantilevers von einem Wafer abgenommen werden. Wenn dann die zu untersuchende Flüssigkeit 7 auf einem Substrat oder einen Träger 8 herangeführt wird wie in Fig. 2c, kann die teilweise frei stehende Röhre mit einer einfachen Bewegung auf oder in die Flüssigkeit bewegt und der Probenträger zurückgezogen werden.As a second example, a micro- and / or nanotube fabricated as above on a sample carrier may be transported in an even simpler and more convenient manner become. Once fabricated, the sample carrier is held to the original substrate by only two thin arms and can be mechanically removed therefrom in a manner similar to removing an AFM cantilever from a wafer. Then, when the liquid 7 to be examined is introduced onto a substrate or a carrier 8 as in FIG. 2c, the partially free-standing tube can be moved onto or into the liquid with a simple movement and the sample carrier can be withdrawn.
Je nach den Matehalen und Schichten des hergestellten Messsensors kann die Mikro- und/oder Nanoröhre hydrophil oder hydrophob sein und daher entweder in die Flüssigkeit getaucht oder auf ihre Oberfläche gelegt werden, wie entsprechend in Fig. 2b und Fig. 2c skizziert. Damit lassen sich die Flüssigkeitseigenschaften des Volumens und der Oberfläche von Flüssigkeiten messen. Ferner können Mikro- und/oder Nanoröhren wie in Fig. 2f auch auf die Oberfläche von benetzten Flächen/dünnen Flüssigkeitsfilmen gelegt werden, was die Bandbreite der Anwendungen des röhrenförmigen Multifunktionssensors noch erweitert.Depending on the materials and layers of the manufactured measuring sensor, the micro- and / or nanotube may be hydrophilic or hydrophobic and therefore either dipped in the liquid or placed on its surface, as outlined accordingly in Fig. 2b and Fig. 2c. This makes it possible to measure the liquid properties of the volume and the surface of liquids. Furthermore, as in Figure 2f, micro- and / or nanotubes can also be placed on the surface of wetted areas / thin liquid films, which further extends the range of applications of the tubular multifunction sensor.
Damit Mikro- und/oder Nanoröhren als röhrenförmige Multifunktionssensoren in Flüssigkeiten eingesetzt werden können, kann die Messung der Rotationsreaktion der Mikro- und/oder Nanoröhren wie in Fig. 2g erfolgen.In order to be able to use micro- and / or nanotubes as tubular multi-functional sensors in liquids, the measurement of the rotational reaction of the micro- and / or nanotubes can take place as in FIG. 2g.
Zunächst rotiert die Mikro- und/oder Nanoröhre durch ein insbesondere über einen Drehmagneten 12 extern angelegtes magnetisches Feld, wobei auch andere Arten von rotationsmagnetischen Feldern einsetzbar sind. Die Rotationsdynamik der aktiv rotierenden magnetischen Mikro- und/oder Nanoröhren kann zum Beispiel mit einer Videokamera überwacht und eine entsprechende Bilderfassungssoftware in einem optischen Mikroskop 13 installiert werden, und zwar bevorzugt eine Hochgeschwindigkeitskamera. Eine einfache Methode zur Bestimmung der durchschnittlichen Rotationsreaktionsgeschwindigkeit einer magnetischen Nanoröhre bietet die asymmetrische Struktur einer solchen Röhre. Es genügt, die Zahl von Einzelbildern, die die Röhre benötigt, um n Drehungen zu vollführen, durch n zu teilen, was die durchschnittliche Anzahl Einzelbilder pro Drehung ergibt, sowie diesen Wert mit der von den Kamerawerten erzielten Zeit zwischen aufeinander folgenden Einzelbildern zu multiplizieren, so dass der entsprechende reziproke Wert die durchschnittliche Rotationsfrequenzreaktion des röhrenförmigen Multifunktionssensors ergibt. Der Wert des Maximums der Reaktionsfrequenz hängt von der Amplitude des angelegten magnetischen Feldes sowie den physikalischen Parametern sowohl der Teilchen als auch des flüssigen Mediums ab. Änderungen im Volumen oder in der Form des Teilchens können diesen Wert verändern. Änderungen in der Flüssigkeit, die einen Einfluss auf den Rotationswiderstand des Objekts haben, können das Maximum der Reaktionsfrequenz ebenfalls verschieben, insbesondere können Änderungen der dynamischen Viskosität der Flüssigkeit oder eine Oberflächenscherwirkung diesen Wert verändern. Wenn die Amplitude des magnetischen Feldes konstant und die Röhrenstruktur bei allen Messungen gleich bleibt, entsprechen Änderungen des Wertes des Maximums der Reaktionsfrequenz stets Änderungen der physikalischen Eigenschaften der Umgebungsflüssigkeit, insbesondere Änderungen der Viskosität.First, the micro- and / or nanotube rotates by a magnetic field applied externally, in particular via a rotary magnet 12, whereby other types of rotary magnetic fields can also be used. For example, the rotational dynamics of the actively rotating magnetic micro and / or nanotubes can be monitored with a video camera and appropriate image acquisition software installed in an optical microscope 13, preferably a high speed camera. A simple method for determining the average rotational reaction velocity of a magnetic nanotube provides the asymmetric structure of such a tube. It suffices to divide by n the number of frames needed by the tube to make n rotations, which gives the average number of frames per rotation, and to multiply this value by the time taken between camera frames between successive frames, such that the corresponding reciprocal value gives the average rotational frequency response of the tubular multifunction sensor. The value of the maximum of the reaction frequency depends on the amplitude of the applied magnetic field as well as the physical parameters of both the particles and the liquid medium. Changes in the volume or shape of the particle can change this value. Changes in the liquid which have an influence on the rotational resistance of the object can also shift the maximum of the reaction frequency, in particular changes in the dynamic viscosity of the liquid or a surface shear action can change this value. If the amplitude of the magnetic field remains constant and the tube structure remains the same in all measurements, changes in the value of the maximum of the reaction frequency always correspond to changes in the physical properties of the surrounding fluid, in particular changes in the viscosity.
Wenn funktionelle Marker in die Dünnschichtsysteme eingebracht werden, verursacht die Detektion eines Teilchens und/oder eines Organismus ebenfalls eine Änderung des Maximums der Reaktionsfrequenz des Sensors auf Grund einer Änderung in der Form und im Volumen des Rotationssystems, das nun aus dem röhrenförmige Multifunktionssensor in dem Teilchen besteht.When functional markers are introduced into the thin film systems, the detection of a particle and / or an organism also causes a change in the maximum response frequency of the sensor due to a change in the shape and volume of the rotation system now emerging from the tubular multifunction sensor in the particle consists.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to an example.
Beispielexample
Das nun folgende Beispiel soll bestimmte bevorzugte Verfahren und äußere Formen der vorliegenden Erfindung in nicht erschöpfender Auflistung seiner Möglichkeiten darstellen.The following example is intended to depict certain preferred methods and outer forms of the present invention in a non-exhaustive listing of its capabilities.
Die Dünnschichten des dreischichtigen Pd/Ni8oFe2o/Pd-Systems werden mittels einer Elektronenstrahlbedampfungsanlage auf ein Substrat aufgebracht, welches in einem Winkel von 70° zum Dampfstrom des Materials angeordnet ist, wobei das Substrat ein Si- Wafer ist, der lithografisch mit ALLRESIST Photoresist ARP-3510 über ein Spin-Coat- Verfahren vorstrukturiert ist. Dabei diente der Photoresist als Opferschicht, während die Pd-Schichten als Oxidationsschutzschichten für die ferromagnetische Permalloy(Ni8oFe2o)- Schicht fungieren. Die Dicken des Photoresists, der Pd- und der Permalloy-Schichten betrugen 2 μm, 3 nm und 10 nm. Nach der Beschichtung wurde das Dreischichtsystem vom Substrat abgelöst, indem die Photoresistunterlage mit einer Azetonlösung selektiv entfernt wurde. Bei dieser Ablösung rollte sich der Dreischichtmaterialaufbau selbst zu einer Mikroröhre auf. Fig. 3 zeigt eine SEM-Aufnahme eines geordneten Feldes von gleichförmigen, gut positionierten Mikroröhren mit durchschnittlichen Längen und Durchmessern von 60 μm und 4,5 μm.The thin films of the three-layered Pd / Ni8oFe2o / Pd system are applied by means of an electron beam deposition apparatus to a substrate which is disposed at an angle of 70 ° to the vapor stream of the material, the substrate being a Si wafer lithographically coated with ALLRESIST photoresist ARP®. 3510 is pre-structured via a spin-coat process. The photoresist served as the sacrificial layer, while the Pd layers act as oxidation protection layers for the ferromagnetic permalloy (Ni 8 oFe 2 O) layer. The thicknesses of the photoresist, Pd, and permalloy layers were 2 μm, 3 nm, and 10 nm. After the coating, the three-layer system was peeled from the substrate by selectively selecting the photoresist undercoat with an acetone solution was removed. In this detachment, the three-layer material structure itself rolled up into a microtube. Fig. 3 shows an SEM image of an ordered array of uniform, well-positioned microtubes with average lengths and diameters of 60 μm and 4.5 μm.
Anschließend werden mit einem NARISHIGE PC-10 Kapillarziehgerät spitze Glasmikrokapillaren und daraus nadelähnliche Spitzen mit Durchmessern von ca. 3 μm hergestellt. Die Glaskapillare wurde an eine Mikromanipulatorstufe in einem optischen Mikroskop installiert und an das Substrat angenähert, um eine einzelne Mikroröhre aufzunehmen.Then, with a NARISHIGE PC-10 capillary pulling device, pointed glass microcapillaries and needle-like tips with diameters of approx. 3 μm are produced. The glass capillary was installed on a micromanipulator stage in an optical microscope and approximated to the substrate to receive a single microtube.
Die einzelne Pd/Ni8oFe2o/Pd-Mikroröhre wurde auf einem Objektträger oben auf den Tropfen einer 99,9-prozentigen Merck-Glyzehnlösung gelegt. Der Objektträger wurde auf einen herkömmlichen heißen Flachrührer gelegt, mit dem die Mikroröhre aktiv in Rotation versetzt und die Temperatur des flüssigen Mediums verändert werden konnte. Die Amplitude des magnetischen Feldes betrug ca. 12 mT, und zur Rotation der Mikroröhre wurden Frequenzen von 0,3 Hz bis 8,3 Hz angelegt.The single Pd / Ni 8 oFe 2 O / Pd microtube was placed on a slide on top of the drop of 99.9 percent Merck glycine solution. The slide was placed on a conventional hot paddle stirrer, which allowed the microtube to actively spin and change the temperature of the liquid medium. The amplitude of the magnetic field was about 12 mT, and for rotation of the microtube frequencies of 0.3 Hz to 8.3 Hz were applied.
Die Rotationsdynamik wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet, die in einem optischen Mikroskop mit entsprechender Bilderfassungssoftware installiert war. Die Ausrichtung der Mikroröhre wurde in einer bestimmten Zeit aufgezeichnet und die Rotationsreaktionsfrequenz aus der durchschnittlichen Bildfrequenzzeit, die die Mikroröhre benötigte, um eine Rotation zu vollführen, errechnet. In Fig. 4 wird die durchschnittliche Rotationsreaktionsfrequenz der Röhre in Beziehung gesetzt zur Rotationsgeschwindigkeit des externen Felds. Der plötzliche Abfall der linearen Reaktion ist mit einer gestrichelten Linie angegeben, wobei ein Maximum der Reaktionsfrequenz von ca. 2 Hz bei diesen besonderen Bedingungen für das System beobachtet wurde.The rotation dynamics were recorded with a high-speed camera installed in an optical microscope with appropriate image acquisition software. The orientation of the microtube was recorded in a certain time and the rotational response frequency was calculated from the average frame rate time the microtube needed to make a rotation. In Fig. 4, the average rotational reaction frequency of the tube is related to the rotational speed of the external field. The sudden drop in the linear response is indicated by a dashed line, with a maximum of the reaction frequency of about 2 Hz being observed at these particular conditions for the system.
Wird die Temperatur in der Glyzerinlösung erhöht, nimmt die Viskosität der Flüssigkeit ab. Die Messungen der Rotationsreaktion, wie in Fig. 4, wurden bei Temperaturen von 26°C, 35°C, 410C, 510C, 66°C und 810C durchgeführt. Fig. 5 zeigt die Ergebnisse der daraus errechneten Maxima der Reaktionsfrequenzen für jede Temperatur. Das Maximum der Reaktionsfrequenz geht mit wachsender Temperatur in höhere Werte über, was den Änderungen in der Viskosität des Glyzerins entspricht. As the temperature in the glycerin solution increases, the viscosity of the fluid decreases. The measurements of the rotation reaction, as in Fig. 4, were carried out at temperatures of 26 ° C, 35 ° C, 41 0 C, 51 0 C, 66 ° C and 81 0 C. Fig. 5 shows the results of the calculated maxima of the reaction frequencies for each temperature. The maximum of the reaction frequency changes to higher values with increasing temperature, which corresponds to the changes in the viscosity of the glycerin.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Herstellung von röhrenförmigen Multifunktionssensoren, bestehend aus den Verfahrensschritten: a. Aufbringen einer Opferschicht auf ein Substrat, b. Aufbringen einer Dünnschicht, die aus mindestens einem ferromagnetischen Material besteht, auf die Opferschicht, c. selektiven Ätzen der Opferschicht, so dass sich die Dünnschicht aufrollt und eine Mikro- oder Nanoröhre bildet, und dann die Mikro- oder Nanoröhre mechanisch vom Substrat entfernt und auf oder in ein flüssiges Medium positioniert wird.1. A method for producing tubular multifunction sensors, comprising the steps of: a. Applying a sacrificial layer to a substrate, b. Applying a thin film consisting of at least one ferromagnetic material to the sacrificial layer, c. selectively etching the sacrificial layer such that the thin film curls up to form a micro- or nanotube and then mechanically removes the micro- or nanotube from the substrate and positions it on or in a liquid medium.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem ein Substrat eingesetzt wird, das aus Si, GaAs, Glas oder Kunststoff besteht.2. The method of claim 1, wherein a substrate is used, which consists of Si, GaAs, glass or plastic.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem eine Opferschicht eingesetzt wird, die im Wesentlichen aus einem Polymer, Salz, Ge, AIAs oder AIGaAs besteht.3. The method of claim 1, wherein a sacrificial layer is used, which consists essentially of a polymer, salt, Ge, AIAs or AIGaAs.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem ein Substrat eingesetzt wird, welches vorher modifiziert und zu einem Probenträger geformt ist.4. The method of claim 1, wherein a substrate is used, which is previously modified and molded into a sample carrier.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem ein Substrat eingesetzt wird, welches modifiziert und zu einem Probenträger geformt ist, nachdem die Dünnschicht aufgebracht worden ist.5. The method of claim 1, wherein a substrate is used, which is modified and formed into a sample carrier after the thin film has been applied.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem ein Substrat eingesetzt wird, welches modifiziert und zu einem Probenträger geformt ist, nachdem sich die Dünnschicht zu einer Mikro- oder Nanoröhre aufgerollt hat.6. The method of claim 1, wherein a substrate is used, which is modified and shaped into a sample carrier, after the thin film has rolled up to a micro or nanotube.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Mikro- oder Nanoröhre teilweise freistehend über einem Bereich des Substrates platziert ist, insbesondere auf einem Probenträger. 7. The method of claim 1, wherein the micro- or nanotube is placed partially free-standing over a region of the substrate, in particular on a sample carrier.
8. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Mikro- oder Nanoröhre mit einem spitzen, nadelähnlichen Instrument aufgenommen und in ein flüssiges Medium überführt wird.8. The method of claim 1, wherein the micro- or nanotube is picked up with a sharp, needle-like instrument and transferred into a liquid medium.
9. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem die Mikro- oder Nanoröhre auf die Oberseite eines Probenträgers gemäß den Ansprüchen 4, 5 und/oder 6 durch das vorherige Aufnehmen des Probenträgers vom Substrat in eine Flüssigkeit überführt wird.9. The method of claim 1, wherein the micro- or nanotube is transferred to the top of a sample carrier according to claims 4, 5 and / or 6 by the previous recording of the sample carrier from the substrate into a liquid.
10. Röhrenförmiger Multifunktionssensor in Flüssigkeiten hergestellt nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, bestehend aus mindestens einer Mikro- oder Nanoröhre aus mindestens einem ferromagnetischen Material.10. Tubular multifunction sensor in liquids produced according to at least one of claims 1 to 9, consisting of at least one micro- or nanotube of at least one ferromagnetic material.
11.Sensor nach Anspruch 10, bei dem die Mikro- oder Nanoröhre aus einem hart- oder weichmagnetischen Material besteht.11.Sensor according to claim 10, wherein the micro- or nanotube consists of a hard or soft magnetic material.
12. Sensor nach Anspruch 10, bei dem das magnetische Material Fe, Co oder Ni oder Zusammensetzungen davon ist.A sensor according to claim 10, wherein the magnetic material is Fe, Co or Ni or compositions thereof.
13. Sensor nach Anspruch 12, bei dem die Zusammensetzung NisoFe2o, CogoFeio ist.The sensor of claim 12, wherein the composition is NisoFe2o, CogoFeio.
14. Sensor nach Anspruch 10, bei dem der Durchmesser der Mikro- oder Nanoröhre im Bereich von 20 nm bis 30 μm liegt.14. Sensor according to claim 10, wherein the diameter of the micro- or nanotube in the range of 20 nm to 30 microns.
15. Sensor nach Anspruch 14, bei dem der Durchmesser der Mikro- oder Nanoröhre im Bereich von > 100 nm bis 30 μm liegt.15. Sensor according to claim 14, wherein the diameter of the micro- or nanotube in the range of> 100 nm to 30 microns.
16. Sensor nach Anspruch 10, bei dem die Länge der Mikro- oder Nanoröhre im Bereich von 100 nm bis 5 mm liegt.16. A sensor according to claim 10, wherein the length of the micro- or nanotube is in the range of 100 nm to 5 mm.
17. Sensor nach Anspruch 10, bei dem die Mikro- oder Nanoröhre aus mehr als einem Material besteht.17. Sensor according to claim 10, wherein the micro- or nanotube consists of more than one material.
18. Sensor nach Anspruch 10, bei dem die Mikro- oder Nanoröhre weitere Materialien beinhaltet, die physikalische und/oder chemische Funktion aufweisen. 18. The sensor of claim 10, wherein the micro- or nanotube includes other materials having physical and / or chemical function.
19. Sensor nach Anspruch 18, bei dem als Materialien mit physikalischen Funktionen fluoreszierende, hochreflektierende und/oder Oxidationsschutz-Materialien und/oder als Materialien mit chemischen Funktionen anisotrope, hydrophile, hydrophobe und/oder katalytische Materialien und/oder Markierungen für das Targeting von Organismen und/oder Partikeln vorhanden sind.19. A sensor according to claim 18, wherein as materials having physical functions fluorescent, highly reflective and / or oxidation protection materials and / or as materials having chemical functions anisotropic, hydrophilic, hydrophobic and / or catalytic materials and / or markers for the targeting of organisms and / or particles are present.
20. Sensor nach Anspruch 19, bei dem als hochreflektierende Materialien Ag und/oder Au und/oder bei dem als Oxidationsschutz-Materialien Pd, Pt, Ta und/oder Au vorhanden sind.20. Sensor according to claim 19, in which are present as highly reflective materials Ag and / or Au and / or in which as oxidation protection materials Pd, Pt, Ta and / or Au.
21. Sensor nach Anspruch 18, bei dem diese zusätzlichen Funktionsmaterialien vor oder nach dem magnetischen Material eingebracht worden sind.21. Sensor according to claim 18, wherein these additional functional materials have been introduced before or after the magnetic material.
22. Verwendung eines röhrenförmigen Multifunktionssensors nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 21 und hergestellt nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Erfassung von Flüssigkeitseigenschaften durch Messung der Rotationsdynamik von Mikro- und/oder Nanoröhren.22. Use of a tubular multifunction sensor according to at least one of claims 10 to 21 and produced according to at least one of claims 1 to 9 for the detection of liquid properties by measuring the rotational dynamics of micro and / or nanotubes.
23. Verwendung nach Anspruch 22 zur Messung mit einer Vergrößerungslinse, insbesondere einem optischen Mikroskop.23. Use according to claim 22 for the measurement with a magnifying lens, in particular an optical microscope.
24. Verwendung nach Anspruch 23 mit einer Bilderfassungshard- und -Software, die in dem optischen Mikroskop enthalten ist.Use according to claim 23, including image capture hardware and software included in the optical microscope.
25. Verwendung nach Anspruch 23 mit einer Hochgeschwindigkeitskamera, die Bestandteil des optischen Mikroskops ist.25. Use according to claim 23 with a high-speed camera which is part of the optical microscope.
26. Verwendung nach Anspruch 22 zur Messung der maximalen Reaktionsfrequenz des Sensors zur Untersuchung der physikalischen oder chemischen Eigenschaften der Flüssigkeit, der Flüssigkeit in der Umgebung des untersuchten Objektes oder der angrenzenden organischen Teile in der Flüssigkeit. 26. Use according to claim 22 for measuring the maximum reaction frequency of the sensor for examining the physical or chemical properties of the liquid, the liquid in the vicinity of the object under investigation or the adjacent organic parts in the liquid.
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