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Progress in the development of chemo- and biosensors based on multiple monolayers

Marlies Schlauf

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Chemie

Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)

Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Chemie)

Betreuer*innen

Thomas Schalkhammer ,

Peter Lieberzeit

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DOI

10.25365/thesis.72983

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-13169.58358.722669-7

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Organische und anorganische Dünnschichten und daraus aufgebaute Mehrschichtstrukturen stellen vielseitige Werkzeuge für die Funktionalisierung von Oberflächen dar. Sie finden heutzutage z.B. in Anti-Reflex-Beschichtungen oder als Strukturen zur kontrollierten Freisetzung von Medikamenten Anwendung. Diese Doktorarbeit behandelt eine spezielle Art solcher funktionellen Mehrschichtaufbauten, sogenannte Resonanz-verstärkte Absorptions (REA)-Farb-Beschichtungen. Bei REA-Beschichtungen handelt es sich prinzipiell um Stapel aus metallischen, organischen und keramischen Dünnschichten, die wie Interferenzfilter agieren. Aufgrund dessen zeigen mit diesen Beschichtungen ausgestattete Materialien (= „REA-Materialien“) charakteristische, bleichstabile Farben. Varianten dieser Beschichtung reagieren auf externe Stumuli (wie Feuchtigkeit oder pH-Änderungen) sogar mit einer Farbänderung. Die Technologie hat sich in vielen Bereichen, von Design und Architektur bis hin zur medizinischen Analytik, bereits als nützlich erwiesen. Allerdings behinderten der komplexe Herstellungsprozess und die begrenzte Stabilität von REA-Beschichtungen bisher deren Kommerzialisierung. Ziel dieses Projekts war die Entwicklung und Optimierung von Beschichtungsverfahren für die großtechnische Herstellung von REA-Materialien, insbesondere von sensorischen REA-Folien und –Pigmenten für die Detektion von Feuchtigkeit. Parallel dazu sollte die Stabilität dieser REA Feuchtesensor-Materialien (= „RHS-Materialien“) verbessert werden. Hierfür sollten Alterungsprozesse, die zu einer Abnahme des Ansprechverhaltens dieser Materialien führen, untersucht werden. Außerdem sollten neue Funktionen für REA-Materialien und die Sensitivität von Sensoraufbauten, die auf REA-Technologie basieren, sollte gesteigert werden. Ein bedeutender Erfolg des Projekts war die Entwicklung eines Prozesses für die Abscheidung von RHS-Beschichtungen auf dünne Plastikfilme. Ein entsprechendes Beschichtungssystem wurde entworfen, mittels dessen alle erforderlichen nasschemischen Abscheidungsschritte durchgeführt werden können. Die Ursachen für Beschichtungsdefekte, die beim vorherigen Beschichtungsprozess auftraten, wurden aufgeklärt. Darüber hinaus, wurden einige Faktoren, die bei der Alterung von Feuchte-Sensor-REA-Beschichtungen involviert sind, konnten identifiziert werden. Ein neuer nasschemischer Prozess für die Abscheidung eines Hauptbestandteils von REA-Beschichtungen, der sogenannten Metall-Cluster-Schicht, auf Partikelmaterialien wurde ebenfalls ausgearbeitet. Um die Einsatzbereiche von REA- und RHS-Folien zu erweitern, wurden Strukturierungstechniken für beide Folienvarianten etabliert. Darüber hinaus wurde eine Signalverstärkungstechnologie für REA-basierte medizinische Schnelltests entwickelt, wodurch die Sensitivität dieser Tests signifikant gesteigert werden konnte.

Abstract

(Englisch)

Organic and inorganic thin films and multilayer structures thereof are powerful tools for the functionalization of surfaces. Nowadays, they find application in anti-reflective coatings and or as controlled release structures, for instance. This thesis deals with a special type of such functional multilayer coatings, so-called resonance enhanced absorption (REA) color coatings. REA coatings are basically stacks of metallic, organic and ceramic thin films, which operate like interference filters. As a result, materials equipped with these coatings (= “REA materials”) exhibit characteristic, bleaching-stable colors. Variants of the coatings even change their color in response to external stimuli (such as humidity or pH-changes). The technology has proven useful in a broad range of fields, from design and architecture to medical analytics. However, the commercialization of REA coatings and materials has been impeded so far by the complex manufacturing process and the limited stability of the structures. The aim of this doctoral project was to develop and optimize coating procedures for the large scale production of REA materials, especially of REA sensor films and pigments for humidity detection. In parallel, the stability of such REA humidity sensor materials (= “RHS materials”) should be improved. For this purpose, “aging” processes leading to a loss of sensitivity of the materials should be studied. In addition, new features should be worked out for REA materials and the sensitivity of REA-based bioassays should be enhanced. A major success of the project was the development of an optimized process for the deposition of RHS coatings on thin plastic films. A corresponding coating system for medium-scale production of RHS films was designed, in which all required wet-chemical deposition steps can be performed. The causes of coating defects that occurred in the previously used coating process were revealed. Moreover, several factors involved in the aging of RHS coatings could be identified. A novel process for the deposition of a main component of REA coatings, the so-called metal clusters layer, on particulate materials was also worked out. To broaden the fields of application of REA and RHS films, patterning techniques for the two film types were established. In addition, a signal-enhancement technology for REA-based rapid diagnostic tests was developed, whereby the sensitivity of these assays could be increased significantly.

Autor*innen

Marlies Schlauf

Haupttitel (Englisch)

Progress in the development of chemo- and biosensors based on multiple monolayers

Paralleltitel (Deutsch)

Fortschritte bei der Entwicklung von auf multiplen Monoschichten basierenden Chemo- und Biosensoren

Publikationsjahr

2017

Umfangsangabe

II, 191 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Wolfgang Kautek ,

Felix Plamper

Klassifikationen

30 Naturwissenschaften allgemein > 30.03 Methoden und Techniken in den Naturwissenschaften ,

30 Naturwissenschaften allgemein > 30.99 Naturwissenschaften allgemein: Sonstiges

AC Nummer

AC14541289

Utheses ID

44902

Studienkennzahl

UA | 796 | 605 | 419 |

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