Eines der vorangigsten Ziele dieser Arbeit war das Bestimmen des Hysterese-und Umschaltverhaltens von einzelnen Magnetosomenketten mit Hilfe der Mikro-Hallmagnetometrie. Mit diesem Ziel waren mehrere nicht triviale und zum Teil sehr unkonventionelle Probleme zu l¨osen und Schwierigkeiten zu ¨uberwin-den, die im Rahmen der ¨ublichen Halbleiterprozessierung nicht auftraten. Das Verfahren der Mikrohallmagnetometrie ist am Lehrstuhl weiterentwickelt (sie-he [65]) und f¨ur verschiedene Anwendungen zur Vermessung von Magneten im Mikro- und Submikrometerbereich verwendet worden (siehe [46], [94]). Der biologische Bezug dieser Arbeit schaffte, im Kontrast dazu, neuartige Heraus-forderungen, deren L¨osungen in den folgenden Abschnitten vorgestellt werden sollen. Die grundlegendsten Probleme f¨ur den Probenpr¨aparationsprozess in dieser Arbeit waren:
1. Die exakte Positionierung von Bakterien und Magnetosomen auf der mikrostrukturierten Hallbar war das Hauptproblem dieser Arbeit. Um einzelne Magnete verschiedenster Form und Materialzusammensetzung auf die mikrostrukturierten Hallsensoren zu platzieren wurden meist elek-trolytische Abscheidevorg¨ange oder generell Lift-off-Prozesse angewandt.
Diese Methoden waren bei Bakterien nur eingeschr¨ankt oder gar nicht anwendbar. Etwa ein Mikrometer lange und ca. 50 nm breite magnetische Ketten mussten exakt auf die Mitte der Sensorfl¨ache positioniert werden.
Hier musste ein neuer Ansatz gefunden werden.
2. Die Haftung oder Adh¨asion von Bakterien auf Halbleiteroberfl¨achen bildet eine wichtige Grundlage f¨ur die Probenpr¨aparation. Die Oberfl¨ache muss so beschaffen sein, daß ein sicheres und gezieltes (eventuell auch selektives) Fixieren von Bakterien auf Halbleitern an den gew¨unschten Stellen gew¨ahrleistet ist.
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3. Die beiden Komponenten Halbleiter und biologische Proben (Bakterien, Kompartimente = Magnetosomenketten) m¨ussen auf eine, f¨ur beide Sei-ten vertr¨agliche Weise zusammengebracht werden. Dabei spielte insbe-sondere der Schutz der Halbleiteroberfl¨ache gegen¨uber dem Einwirken von Elektrolyten (Medium) und Zellwasser (abgeschiedene Bakterien) ei-ne entscheidende Rolle. Diese Aspekte fasst man allgemein unter dem Begriff der Biokompatibilit¨at zusammen.
4. Letztendlich mussten die Hallsensoren, insbesondere die aktive Fl¨ache so entwickelt und hergestellt werden, daß eine optimale Signaleinkopplung gew¨ahrleistet war. Die Gr¨oße der aktiven Fl¨ache ebenso wie die Form und Lage der Einschr¨ankungen musste auf die hier vorliegenden Verh¨altnisse optimiert und angepasst werden.
Auf diese einzelne Aspekte der Probenpr¨apration soll im Folgenden eingegangen werden. Zuerst sollen aber elementare Experimente zum kontrollierten Abschei-den dargestellt werAbschei-den, die Grundlage zum Verst¨andnis der oben erw¨ahnten Punkte lieferten. Anschließend wird auf die Fragenstellungen der Adh¨asion und Biokompatibilit¨at genauer eingegangen, die grundlegend f¨ur das Funktionieren der Folgeschritte sind.
4.1 Erste Abscheideversuche in K¨ afigstrukturen
Die ersten Versuche zum Abscheiden auf Halbleitern gingen, aufgrund von un-zureichender Erfahrung mit den Themen Biokompatibilit¨at und Adh¨asion von Bakterien auf Halbleitersubstraten, noch von vereinfachten Annahmen aus. Ob-wohl letztendlich dieseMethode des kontrollierten Abscheidensvon einer anderen, schließlich zum Erfolg f¨uhrende Probenpr¨aparation, abgel¨ost wurde, bildeten die ersten Versuche eine Grundlage und einen Gewinn an Erfahrungen, die sich als sehr wichtig und zum Teil als unverzichtbar f¨ur die schließlich ver-wendete Methode herausstellten. Aus diesem Grund soll in diesem Teilkapitel kurz auf diese erste Methode eingegangen werden. Nebenbei sind auch mit dieser Methode Anwendungen in anderem Zusammenhang denkbar, die ein gezieltes und geordnetes Abscheiden von Bakterien und Mikroorganismen, beispielsweise zur Untersuchung an einzelnen Bakterien notwendig machen. Bei diesen ersten Versuchen, Bakterien auf die Substrate gezielt abzuscheiden, wurde noch von folgenden Annahmen ausgegangen:
• Durch einfache Lackstrukturen, in der typischen Gr¨oßen der Bakterien direkt auf der aktiven Fl¨ache eines bereits eingeschr¨ankten Hallkreuzes,
wird eine ausreichende Positioniergenauigkeit der Magnetosomenketten auf der Mitte der aktiven Fl¨ache des Hallkreuzes erreicht.
• Die Haftf¨ahigkeit von Bakterien ist auf den verwendeten Substraten (GaAs terminierte Oberfl¨achen) ausreichend f¨ur die Experimente.
• Ein weiterer Schutz des Substrates ist nicht unbedingt notwendig.
Lack Mediumtropfen
Käfigstrukturen
Abscheiden durch Sedimentation Haftung beim Austrocknen
Abbildung 4.1: Darstellung der Mechanismen, die beim Abscheiden eine Rol-le spieRol-len. Ein Medientropfen wird auf den strukturierten Lack aufgebracht.
W¨ahrend des Austrocknens k¨onnen Bakterien durch Sedimentation in die Struk-turen fallen. Es konnte aber auch beobachtet werden, daß die Bakterien beim Austrocknen des Tropfens am Tropfenrand, an den Strukturen h¨angen bleiben, und in diese fallen. Die Bildfolge, aufgenommen lichtmikroskopisch im Hellfeld, zeigt wie ein Medientropfen auf der Probe langsam austrocknet. Dabei zieht er
¨uber die Probenstrukturen im PMMA-Lack hinweg (hier sternf¨ormige Teststruk-turen). Verunreinigungen und Bakterien bleiben an und in den Lackstrukturen zur¨uck. Die schwarzen Pfeile geben die Fließrichtung des Tropfens wieder.
Der Prozess zum kontrollierten Abscheiden von Bakterien teilt sich in zwei Schritte: Zun¨achst wird die Oberfl¨ache durch eine spezielle Modifizierung vor-bereitet, dann erfolgt die Abscheidung der Bakterien auf das vorbehandelte Substrat. Hinsichtlich der Vertr¨aglichkeit der jeweiligen Schritte mit dem Sub-strat m¨ussen einige Bedingungen beachtet werden. Das verwendete
Grundsub-Öffnen eines Lackfensters mit ESL
Aufbringen der Bakterien in flüssigem Medium mit Spritze auf Substrat
Austrocknen bei Raumtemperatur
Abscheiden der Bakterien in Strukturen oder auf Lack
Mehrmaliges Waschen in Reinstwasser/Ethanol + kurzer Ultraschalldip zum Entfernen
von Medienrückständen
Mikroskopkontrolle