Carbon-Based Nanomaterials for (Bio)Sensors Development

Carbon-based nanomaterials have been increasingly used in sensors and biosensors design due to their advantageous intrinsic properties, which include, but are not limited to, high electrical and thermal conductivity, chemical stability, optical properties, large specific surface, biocompatibility, and easy functionalization. The most commonly applied carbonaceous nanomaterials are carbon nanotubes (single- or multi-walled nanotubes) and graphene, but promising data have been also reported for (bio)sensors based on carbon quantum dots and nanocomposites, among others. The incorporation of carbon-based nanomaterials, independent of the detection scheme and developed platform type (optical, chemical, and biological, etc.), has a major beneficial effect on the (bio)sensor sensitivity, specificity, and overall performance. As a consequence, carbon-based nanomaterials have been promoting a revolution in the field of (bio)sensors with the development of increasingly sensitive devices. This Special Issue presents original research data and review articles that focus on (experimental or theoretical) advances, challenges, and outlooks concerning the preparation, characterization, and application of carbon-based nanomaterials for (bio)sensor development

Liquid Metal Printing with Scanning Probe Lithography for Printed Electronics

In den letzten Jahren hat das „Internet der Dinge“ (Englisch Internet of Things, abgekürzt IoT), das auch als Internet of Everything (Deutsch frei „Internet von Allem“) bezeichnet wird, mit dem Aufkommen der „Industrie 4.0“ einen Strom innovativer und intelligenter sensorgestützter Elektronik der neuen Generation in den Alltag gebracht. Dies erfordert auch die Herstellung einer riesigen Anzahl von elektronischen Bauteilen, einschließlich Sensoren, Aktoren und anderen Komponenten. Gleichzeitig ist die herkömmliche Elektronikfertigung zu einem hochkomplexen und investitionsintensiven Prozess geworden. In dem Maße, wie die Zahl der elektronischen Bauteile und die Nachfrage nach neuen, fortschrittlicheren elektronischen Bauteilen zunimmt, steigt auch die Notwendigkeit, effizientere und nachhaltigere Wege zur Herstellung dieser Bauteile zu finden. Die gedruckte Elektronik ist ein wachsender Markt, der diese Nachfrage befriedigen und die Zukunft der Herstellung von elektronischen Geräten neu gestalten könnte. Sie erlaubt eine einfache und kostengünstige Produktion und ermöglicht die Herstellung von Geräten auf Papier- oder Kunststoffsubstraten. Für die Herstellung gibt es dabei eine Vielzahl von Methoden. Techniken auf der Grundlage der Rastersondenlithografie waren dabei schon immer Teil der gedruckten Elektronik und haben zu Innovationen in diesem Bereich geführt. Obwohl die Technologie noch jung ist und der derzeitige Stand der gedruckten Elektronik im industriellen Maßstab, wie z. B. die Herstellung kompletter integrierter Schaltkreise, stark limitiert ist, sind die potenziellen Anwendungen enorm. Im Mittelpunkt der Entwicklung gedruckter elektronischer Schaltungen steht der Druck leitfähiger und anderer funktionaler Materialien. Die meisten der derzeit verfügbaren Arbeiten haben sich dabei auf die Verwendung von Tinten auf Nanopartikelbasis konzentriert. Die Herstellungsschritte auf der Grundlage von Tinten auf Nanopartikelbasis sind komplizierte Prozesse, da sie das Ausglühen (Englisch Annealing) und weitere Nachbearbeitungsschritte umfassen, um die gedruckten Muster leitfähig zu machen. Die Verwendung von Gallium-basierten, bei/nahe Raumtemperatur flüssigen Metallen und deren direktes Schreiben für vollständig gedruckte Elektronik ist immer noch ungewöhnlich, da die Kombination aus dem Vorhandensein einer Oxidschicht, hohen Oberflächenspannungen und Viskosität ihre Handhabung erschwert. Zu diesem Zweck zielt diese Arbeit darauf ab, Methoden zum Drucken von Materialien, einschließlich Flüssigmetallen, zu entwickeln, die mit den verfügbaren Druckmethoden nicht oder nur schwer gedruckt werden können und diese Methoden zur Herstellung vollständig gedruckter elektronischer Bauteile zu verwenden. Weiter werden Lösungen für Probleme während des Druckprozesses untersucht, wie z. B. die Haftung der Tinte auf dem Substrat und andere abscheidungsrelevante Aspekte. Es wird auch versucht, wissenschaftliche Fragen zur Stabilität von gedruckten elektronischen Bauelementen auf Flüssigmetallbasis zu beantworten. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine auf Glaskapillaren basierenden Direktschreibmethode für das Drucken von Flüssigmetallen, hier Galinstan, entwickelt. Die Methode wurde auf zwei unterschiedlichen Wegen implementiert: Einmal in einer „Hochleistungsversion“, basierend auf einem angepassten Nanolithographiegerät, aber ebenfalls in einer hochflexiblen, auf Mikromanipulatoren basierenden Version. Dieser Aufbau erlaubt einen on-the-fly („im Fluge“) kapillarbasierten Druck auf einer breiten Palette von Geometrien, wie am Beispiel von vertikalen, vertieften Oberflächen sowie gestapelten 3D-Gerüsten als schwer zugängliche Oberflächen gezeigt wird. Die Arbeit erkundet den potenziellen Einsatz dieser Methode für die Herstellung von vollständig gedruckten durch Flüssigmetall ermöglichten Bauteilen, einschließlich Widerständen, Mikroheizer, p-n-Dioden und Feldeffekttransistoren. Alle diese elektronischen Bauelemente werden ausführlich charakterisiert. Die hergestellten Mikroheizerstrukturen werden für temperaturgeschaltete Mikroventile eingesetzt, um den Flüssigkeitsstrom in einem Mikrokanal zu kontrollieren. Diese Demonstration und die einfache Herstellung zeigt, dass das Konzept auch auf andere Anwendungen, wie z.B. die bedarfsgerechte Herstellung von Mikroheizern für in-situ Rasterelektronenmikroskop-Experimente, ausgeweitet werden kann. Darüber hinaus zeigt diese Arbeit, wie PMMA-Verkapselung als effektive Barriere gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit fungiert und zusätzlich als brauchbarer mechanischer Schutz der auf Flüssigmetall basierenden gedruckten elektronischen Bauteile wirken kann. Insgesamt zeigen der alleinstehende, integrierte Herstellungsablauf und die Funktionalität der Geräte, dass das Potenzial des Flüssigmetall-Drucks in der gedruckten Elektronik viel größer ist als einzig die Verwendung zur Verbindung konventioneller elektronischer Bauteile. Neben der Entwicklung von Druckverfahren und der Herstellung elektronischer Bauteile befasst sich die Arbeit auch mit der Korrosion und der zusätzlichen Legierung von konventionellen Metallelektroden in Kontakt mit Flüssigmetallen, welche die Stabilität der Bauteil beinträchtigen könnten. Zu diesem Zweck wurde eine korrelierte Materialinteraktionsstudie von gedruckten Galinstan- und Goldelektroden durchgeführt. Durch die kombinierte Anwendung von optischer Mikroskopie, vertikaler Rasterinterferometrie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenphotonenspektroskopie und Rasterkraftmikroskopie konnte der Ausbreitungsprozess von Flüssigmetalllinien auf Goldfilmen eingehend charakterisiert werden. Diese Studie zeigt eine unterschiedliche Ausbreitung der verschiedenen Komponenten des Flüssigmetalls sowie die Bildung von intermetallischen Nanostrukturen auf der umgebenden Goldfilmoberfläche. Auf der Grundlage der erhaltenen zeitabhängigen, korrelierten Charakterisierungsergebnisse wird ein Modell für den Ausbreitungsprozess vorgeschlagen, das auf dem Eindringen des Flüssigmetalls in den Goldfilm basiert. Um eine ergänzende Perspektive auf die interne Nanostruktur zu erhalten, wurde die Röntgen-Nanotomographie eingesetzt, um die Verteilung von Gold, Galinstan und intermetallischen Phasen in einem in das Flüssigmetall getauchten Golddraht zu untersuchen. Schlussendlich werden Langzeitmessungen des Widerstands an Flüssigmetallleitungen, die Goldelektroden verbinden, durchgeführt, was dazu beiträgt, die Auswirkungen von Materialwechselwirkungen auf elektronische Anwendungen zu bewerten

Nanomaterials for Healthcare Biosensing Applications

In recent years, an increasing number of nanomaterials have been explored for their applications in biomedical diagnostics, making their applications in healthcare biosensing a rapidly evolving field. Nanomaterials introduce versatility to the sensing platforms and may even allow mobility between different detection mechanisms. The prospect of a combination of different nanomaterials allows an exploitation of their synergistic additive and novel properties for sensor development. This paper covers more than 290 research works since 2015, elaborating the diverse roles played by various nanomaterials in the biosensing field. Hence, we provide a comprehensive review of the healthcare sensing applications of nanomaterials, covering carbon allotrope-based, inorganic, and organic nanomaterials. These sensing systems are able to detect a wide variety of clinically relevant molecules, like nucleic acids, viruses, bacteria, cancer antigens, pharmaceuticals and narcotic drugs, toxins, contaminants, as well as entire cells in various sensing media, ranging from buffers to more complex environments such as urine, blood or sputum. Thus, the latest advancements reviewed in this paper hold tremendous potential for the application of nanomaterials in the early screening of diseases and point-of-care testing

The 1st International Electronic Conference on Chemical Sensors and Analytical Chemistry

The 1st International Electronic Conference on Chemical Sensors and Analytical Chemistry was held on 1–15 July 2021. The scope of this online conference was to gather experts that are well-known worldwide who are currently working in chemical sensor technologies and to provide an online forum for the presention and discussion of new results. Throughout this event, topics of interest included, but were not limited to, the following: electrochemical devices and sensors; optical chemical sensors; mass-sensitive sensors; materials for chemical sensing; nano- and micro-technologies for sensing; chemical assays and validation; chemical sensor applications; analytical methods; gas sensors and apparatuses; electronic noses; electronic tongues; microfluidic devices; lab-on-a-chip; single-molecule sensing; nanosensors; and medico-diagnostic testing

Polymeric Flexible Immunosensor Based on Piezoresistive Micro-Cantilever with PEDOT/PSS Conductive Layer

In this paper, a fully polymeric micro-cantilever with the surface passivation layer of parylene-C and the strain resistor of poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly (styrene sulfonate) (PEDOT/PSS) was proposed and demonstrated for immunoassays. By optimizing the design and fabrication of the polymeric micro-cantilever, a square resistance of 220 Ω/□ for PEDOT/PSS conductive layer have been obtained. The experimental spring constant and the deflection sensitivity were measured to be 0.017 N/m and 8.59 × 10−7 nm−1, respectively. The biological sensing performances of polymeric micro-cantilever were investigated by the immunoassay for human immunoglobulin G (IgG). The immunosensor was experimentally demonstrated to have a linear behavior for the detection of IgG within the concentrations of 10~100 ng/mL with a limit of detection (LOD) of 10 ng/mL. The experimental results indicate that the proposed polymeric flexible conductive layer-based sensors are capable of detecting trace biological substances

Polymeric Flexible Immunosensor Based on Piezoresistive Micro-Cantilever with PEDOT/PSS Conductive Layer

In this paper, a fully polymeric micro-cantilever with the surface passivation layer of parylene-C and the strain resistor of poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly (styrene sulfonate) (PEDOT/PSS) was proposed and demonstrated for immunoassays. By optimizing the design and fabrication of the polymeric micro-cantilever, a square resistance of 220 Ω/□ for PEDOT/PSS conductive layer have been obtained. The experimental spring constant and the deflection sensitivity were measured to be 0.017 N/m and 8.59 × 10−7 nm−1, respectively. The biological sensing performances of polymeric micro-cantilever were investigated by the immunoassay for human immunoglobulin G (IgG). The immunosensor was experimentally demonstrated to have a linear behavior for the detection of IgG within the concentrations of 10~100 ng/mL with a limit of detection (LOD) of 10 ng/mL. The experimental results indicate that the proposed polymeric flexible conductive layer-based sensors are capable of detecting trace biological substances

Environmental sensors based on geometrically modified magnetoelastic resonators functionalized with MOFs

250 p.La detección de compuestos tóxicos presentes en el agua y en el aire resulta crucial para asegurar la salud de la población. Los sensores magnetoelásticos permiten una detección rápida, precisa, barata y a distancia. Sin embargo, ciertas propiedades como la sensibilidad y la selectividad de los mismos deben ser optimizadas. La presente tesis doctoral se centra en mejorar las capacidades de este tipo de sensores. En primer lugar, se analiza el efecto de la geometría del resonador magnetoelástico en propiedades tales como la sensibilidad a la masa, observándose que ésta puede aumentar considerablemente utilizando sensores triangulares o romboédricos en lugar de rectangulares. En segundo lugar, se analiza la posibilidad de utilizar materiales de tipo MOF (Metal Organic Frameworks) como capa activa en estos sensores y se investigan distintos procesos de funcionalización para integrar estos materiales en los resonadores magnetoelásticos. Finalmente, se analiza el uso de los sensores desarrollados para la detección de ciertos compuestos como metales pesados o compuestos orgánicos volátiles. Los resultados obtenidos muestran una mejora en el funcionamiento de estos sensores al introducir estas modificaciones, lo que resulta crucial para el futuro desarrollo de sensores inalámbricos basados en resonadores magnetoelásticos para las llamadas ¿ciudades inteligentes¿, en línea con los objetivos planteados en el programa de investigación e innovación de la Unión Europea (Horizonte Europa) y en los de desarrollo sostenible (Agenda 2030).BC materials: Basque Center for materials applications & nanostructure

Environmental sensors based on geometrically modified magnetoelastic resonators functionalized with MOFs

250 p.La detección de compuestos tóxicos presentes en el agua y en el aire resulta crucial para asegurar la salud de la población. Los sensores magnetoelásticos permiten una detección rápida, precisa, barata y a distancia. Sin embargo, ciertas propiedades como la sensibilidad y la selectividad de los mismos deben ser optimizadas. La presente tesis doctoral se centra en mejorar las capacidades de este tipo de sensores. En primer lugar, se analiza el efecto de la geometría del resonador magnetoelástico en propiedades tales como la sensibilidad a la masa, observándose que ésta puede aumentar considerablemente utilizando sensores triangulares o romboédricos en lugar de rectangulares. En segundo lugar, se analiza la posibilidad de utilizar materiales de tipo MOF (Metal Organic Frameworks) como capa activa en estos sensores y se investigan distintos procesos de funcionalización para integrar estos materiales en los resonadores magnetoelásticos. Finalmente, se analiza el uso de los sensores desarrollados para la detección de ciertos compuestos como metales pesados o compuestos orgánicos volátiles. Los resultados obtenidos muestran una mejora en el funcionamiento de estos sensores al introducir estas modificaciones, lo que resulta crucial para el futuro desarrollo de sensores inalámbricos basados en resonadores magnetoelásticos para las llamadas ¿ciudades inteligentes¿, en línea con los objetivos planteados en el programa de investigación e innovación de la Unión Europea (Horizonte Europa) y en los de desarrollo sostenible (Agenda 2030).BC materials: Basque Center for materials applications & nanostructure