Tissue Electronics WS 2023 L3 - Proteins and Principles of Biosensing PDF

Tissue electronics WS 2023 L3 – Proteins and principles of biosensing 24.10.2023 Prof. Dr.-Ing. Francesca Santoro Tissue Electronics Course Exam modality: Oral (in person only) 15 minutes (80%); Dates: 5-6.03.2024 and 26-27.03.2024, additional date in Feb -> 6.2.2024 One paper (of your choice) prese...

Tissue electronics WS 2023 L3 – Proteins and principles of biosensing 24.10.2023 Prof. Dr.-Ing. Francesca Santoro Tissue Electronics Course Exam modality: Oral (in person only) 15 minutes (80%); Dates: 5-6.03.2024 and 26-27.03.2024, additional date in Feb -> 6.2.2024 One paper (of your choice) presentation (20%, poster or slides) on 30.01.2024. Exam content for oral part: Major topics discussed in the lecture; Exercises and case studies discussed during exercises/tutorial sessions. 2 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Preparing for ‘your paper choice’ presentation 3 Team composition: 1-2ppl Power point presentation (10-15 slides) Poster (OnePager style, A3 print out) Templates available on Moodle Tutorial on 15.11 Exercise session Send paper title and presentation type by 19.12 by email. 1 Title of the paper, authors 2 Introduction/Motivation: state of the art and Hypothesis 3 Materials and Methods 4 Results and discussion 5 Conclusions and outlook 6 References 1 2 4 3 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen 5 6 Suggested papers and references You can select one from here or choose anything similar from literature accrding to lecture´s topics 4 https://www.science.org/doi/10.1126/science.adc9998 https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/tc/d2tc00826b https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adhm.202301194 https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2023/mh/d3mh00785e https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202300473 https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.2c20502 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400506006125 https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aat4253 https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl5068 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202200393 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/admt.202201911 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Outline of the topic Cell structure and proteins; Membrane proteins and biosensors Basics for understanding electrical/electrochemical transduction References: Fundamentals of Electric Circuits, Charles K. Alexander, Matthew N. O. Sadiku The Molecular Biology of the cell (Alberts, Lewis, Roberts, 4th edition&8th edition), Garland Science. Chapters 3 (proteins), DNA (4), 10 (membrane structure), Receptor (15). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405805X20300612 https://www.nature.com/articles/s44222-023-00032-w https://www.mdpi.com/1424-8220/22/19/7539 5 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen A trip across a cell 6 https://microbiologynote.com/cell-structure-and-functions/ Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Nucleotides Building blocks of DNA and RNA They are made up of a nitrogen-containing ring (BASE) linked to a 5-carbon SUGAR; Sugars can be either RIBOSE (giving ribonucleotide) or DEOXYRIBOSE (giving deoxyribonucleotides) and carry a phosphate group. Bases are classified as PURINES and PYRIMIDINES. 7 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen DNA DEOXYRIBOSE It is a monosaccharide with idealized formula H−(C=O)−(CH2)−(CHOH)3−H and it is the sugar backbone of DNA; To identify functional group attached to the sugar, carbons are numbered. The numbering of the carbon atoms runs clockwise. 8 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen DNA Structure and function A deoxyribonucleic acid (DNA) molecule consists of two long polynucleotide chains composed of four types of nucleotide subunits. Each of these chains is known as a DNA chain, or a DNA strand. The chains run antiparallel to each other, and hydrogen bonds between the base portions of the nucleotides hold the two chains together. Nucleotides are composed of a five-carbon sugar to which are attached one or more phosphate groups and a nitrogen-containing base. In the case of the nucleotides in DNA, the sugar is deoxyribose attached to a single phosphate group (hence the name deoxyribonucleic acid), and the base may be either adenine (A), cytosine (C), guanine (G), or thymine (T). 9 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen DNA Structure and function The nucleotides are covalently linked together in a chain through the sugars and phosphates, which thus form a “backbone” of alternating sugar–phosphate–sugar–phosphate. Because only the base differs in each of the four types of nucleotide subunit, each polynucleotide chain in DNA is analogous to a sugarphosphate necklace (the backbone), from which hang the four types of beads (the bases A, C, G, and T). These same symbols (A, C, G, and T) are commonly used to denote either the four bases or the four entire nucleotides—that is, the bases with their attached sugar and phosphate groups. 10 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen DNA Structure: directionality 11 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen DNA Structure and function The way in which the nucleotides are linked together gives a DNA strand a chemical polarity. If we think of each sugar as a block with a protruding knob (the 5ʹ phosphate) on one side and a hole (the 3ʹ hydroxyl) on the other (see Figure on the right), each completed chain, formed by interlocking knobs with holes, will have all its subunits lined up in the same orientation. Moreover, the two ends of the chain will be easily distinguishable, as one has a hole (the 3ʹ hydroxyl) and the other a knob (the 5ʹ phosphate) at its terminus. This polarity in a DNA chain is indicated by referring to one end as the 3ʹ end and the other as the 5ʹ end, names derived from the orientation of the deoxyribose sugar. 12 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen DNA Structure and function The three-dimensional structure of DNA—the DNA double helix—arises from the chemical and structural features of its two polynucleotide chains. Because these two chains are held together by hydrogenbonding between the bases on the different strands, all the bases are on the inside of the double helix, and the sugarphosphate backbones are on the outside (see Figure on the right). 13 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen DNA The relationship between genetic information carried in DNA and proteins The structure of DNA was determined that genes contain the instructions for producing proteins. If genes are made of DNA, the DNA must therefore somehow encode proteins. The exact correspondence between the four-letter nucleotide alphabet of DNA and the twenty-letter amino acid alphabet of proteins—the genetic code—is not at all obvious from the DNA structure, and it took over a decade after the discovery of the double helix before it was worked out. The complete store of information in an organism’s DNA is called its genome, and it specifies all the RNA molecules and protein that the organism will ever synthesize. Gene expression is the process through which a cell converts the nucleotide sequence of a gene first into the nucleotide sequence of an RNA molecule, and then into the amino acid sequence of a protein. 14 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Gene Expression Locations of gene regulation For a cell to function properly, necessary proteins must be synthesized at the proper time and place. All cells control or regulate the synthesis of proteins from information encoded in their DNA. The process of turning on a gene to produce RNA and protein is called gene expression. Whether in a simple unicellular organism or a complex multi-cellular organism, each cell controls when and how its genes are expressed. For this to occur, there must be internal chemical mechanisms that control when a gene is expressed to make RNA and protein, how much of the protein is made, and when it is time to stop making that protein because it is no longer needed. The regulation of gene expression conserves energy and space. It would require a significant amount of energy for an organism to always express every gene, so it is more energy efficient to turn on the genes only when they are required. In addition, only expressing a subset of genes in each cell saves space because DNA must be unwound from its tightly coiled structure to transcribe and translate the DNA. Cells would have to be enormous if every protein were expressed in every cell all the time. 15 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Gene Expression Regulation in eukaryotes In eukaryotic cells, the DNA is contained inside the cell’s nucleus and there it is transcribed into RNA. The newly synthesized RNA is then transported out of the nucleus into the cytoplasm, where ribosomes translate the RNA into protein. The processes of transcription and translation are physically separated by the nuclear membrane; transcription occurs only within the nucleus, and translation occurs only outside the nucleus in the cytoplasm. The regulation of gene expression can occur at all stages of the process. Regulation may occur when the DNA is uncoiled and loosened from nucleosomes to bind transcription factors (epigenetic level), when the RNA is transcribed (transcriptional level), when the RNA is processed and exported to the cytoplasm after it is transcribed (post-transcriptional level), when the RNA is translated into protein (translational level), or after the protein has been made (post-translational level). 16 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Proteins Shape and structure They are polypeptides (a peptide is a short chain of amino acids); Each protein has a unique sequence of (the 20) amino acids; The polar amino acid side chains tend to lie on the outside of the protein, where they can interact with water; the nonpolar amino acid side chains are buried on the inside forming a tightly packed hydrophobic core of atoms that are hidden from water. In this schematic drawing, the protein contains only about 35 amino acids. In this schematic drawing, the protein contains only about 35 amino acids. 17 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Proteins Folding Primary structure: it is simply the sequence of amino acids in a polypeptide chain; Secondary structure: local folded structures that form within a polypetide due to interactions between atoms of the backbone -> most common type are a-helix and b- plated sheet; Tertiary structure: 3D arrangement of the polypeptide because of R group of the amino acids in the protein Quaternary structure: 3D arrangement of multiple polypeptide chains (namely subunits). 18 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Enzymes 19 Enzymes are proteins that act as biological catalysts by accelerating chemical reactions. The molecules upon which enzymes may act are called substrates, and the enzyme converts the substrates into different molecules known as products; The “lock and key” model was first proposed in 1894. In this model, an enzyme’s active site is a specific shape, and only the substrate will fit into it, like a lock and key. A newer model, the induced-fit model, helps to account for reactions between substrates and active sites that are not exact fits. In this model, the active site changes shape as it interacts with the substrate. Once the substrate fully locks in and in the exact position, the catalysis can begin. Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Enzymes Redox Enzymes Redox enzymes are a general term for enzymes that catalyze the redox between two molecules. Among them, oxidase can catalyze the oxidation of substances by oxygen, and dehydrogenase can catalyze the removal of hydrogen from material molecule; Redox is a type of chemical reaction in which the oxidation states of substrate change. Oxidation is the loss of electrons or an increase in the oxidation state, while reduction is the gain of electrons or a decrease in the oxidation state. REDOX SPECIES: An element or atom in a compound can be oxidized by reaction with oxygen, while it can be reduced by reaction with hydrogen. An oxidized species may be formed also through the loss of electrons (either to the positive electrode in a cell, or through transfer to another atom or group of atoms). 20 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Membrane proteins Diverse association at the lipid bilayer Most membrane proteins are thought to extend across the bilayer as (1) a single α helix, (2) as multiple α helices, or (3) as a rolled-up β sheet (a β barrel). Some of these “single-pass” and “multipass” proteins have a covalently attached fatty acid chain inserted in the cytosolic lipid monolayer (1). Other membrane proteins are exposed at only one side of the membrane. (4) Some of these are anchored to the cytosolic surface by an amphiphilic α helix that partitions into the cytosolic monolayer of the lipid bilayer through the hydrophobic face of the helix. (5) Others are attached to the bilayer solely by a covalently bound lipid chain (7, 8) Finally, membrane associated proteins are attached to the membrane only by noncovalent interactions with other membrane proteins. 21 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Antibodies It is a large, Y-shaped protein with two identical antigenbinding site, one at the tip of each arm of the Y; Because of their two antigen-binding sites, they are described as bivalent; Each tip of the "Y" of an antibody contains a paratope (analogous to a lock) that is specific for one particular epitope (analogous to a key) on an antigen, allowing these two structures to bind together with precision. Using this binding mechanism, an antibody can tag a microbe or an infected cell for attack by other parts of the immune system, or can neutralize it directly (for example, by blocking a part of a virus that is essential for its invasion). antigen 22 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Antibodies Antibodies are glycoproteins produced by the immune system to identify and neutralize foreign substances to the body, known as antigens. Antigens are molecules or particles capable of initiating an immune response, therefore triggering the production of antibodies. antigen 23 The antibodies, in turn, identify and bind to antigens with extremely high specificity, and a minor change in the chemical structure of an antigen can dramatically reduce its affinity for an antibody. Thus, the antibody must be specific, have a stable and strong interaction with the antigen, and be able to detect the target analyte at the required concentration range, ensuring the sensitivity and reliability of an immunosensor. Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen From the outside to the inside of a cell Principles of cell signaling The plasma membrane is responsible to enclose the cell but also to regulate the information flow between the outside and the inside of the cell. Here, communication between cells in multicellular organisms is mediated mainly by extracellular signal molecules and the reception of these molecules by specific proteins at the plasma membrane. These proteins are called receptors. The signal molecule usually binds to a receptor protein that is embedded in the plasma membrane of the target cell. The receptor activates one or more intracellular signaling pathways, involving a series of signaling proteins. Finally, one or more of the intracellular signaling proteins alters the activity of effector proteins and thereby the behavior of the cell 24 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Receptors The binding of extracellular signal molecules to either cell-surface or intracellular receptors (A) Most signal molecules are hydrophilic and are therefore unable to cross the target cell’s plasma membrane directly; instead, they bind to cell-surface receptors, which in turn generate signals inside the target cell. (B) Some small signal molecules, by contrast, diffuse across the plasma membrane and bind to receptor proteins inside the target cell—either in the cytosol or in the nucleus (as shown here). Many of these small signal molecules are hydrophobic and poorly soluble in aqueous solutions; they are therefore transported in the bloodstream and other extracellular fluids bound to carrier proteins, from which they dissociate before entering the target cell. 25 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Biosensing exploiting the presence of enzymes, antibodies and membrane proteins 26 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Biosensors: the principles Signal in x(t) Black box h(t) y(t) = x(t) Signal out y(t) h(t) (Remember: this is a product in the frequency domain!) h(t) is determined by the operation principle/transducing mechanism of the biosensor. Source: Innovogene Biosensors: the principles How do we get the species of interest that are inside cells? Lysates A cell lysate is produced by enzymatic, osmotic or mechanical disruption of the plasma membrane of a population of cells. Cell lysis is utilized during the purification of cellular components such as DNA, RNA, proteins or whole organelles. 28 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Biosensors: the principles How do we get the species of interest that are inside cells? Lysates Detergents react with cell membrane forming pores on the surface of membrane resulting in release of intracellular components such as DNA, RNA, proteins, etc. 29 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 https://www.mdpi.com/2072-666X/8/3/83 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Biosensors: the principles There are however three basic elements all biosensors have: a bioreceptor: any biological compound capable of detecting the compound of interest (aka “analyte”, cf. figure). Typical examples include biomolecules such as enzymes, antibodies, but also living organisms such as cells. a signal processor: the part of the biosensor that will convert the physicochemical signal from the receptor to a quantifiable signal we can interpret. a transducer: the part of the biosensor that will link the bioreceptor detecting the compound to the signal processor. 30 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Natural products biosensors Sensing elements can also be categorized into three groups based on their mechanisms of interaction, which are biosystems, bioaffinitybiocomplexation, and biocatalytic categories. Label biosensors detect the presence and/or activity of molecules of interest thanks to a special tag, the label, that is attached to them. Label-free biosensors detect the presence and/or activity of molecules of interest based on their biophysical properties ( i.e., molecular weight). https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2405805X20300612 31 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Natural products biosensors What is label? Think of a label as a type of tag for molecules. When you go shopping, each clothing item has a tag with a barcode; this is necessary because a store usually has several copies of the same item. Tags with barcodes allow differentiation of identical items amongst each other, which thereby allows stores to keep track of the number of items they have and the location of each item. Labels in biosensors have a similar function: they help us follow or detect a molecule of interest, so we can distinguish it from the others. In biosensors, the most common way to label a molecule is by attaching a color tag or electroconductive elements. 32 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrical and electrochemical biosensors The electrochemical biosensor is one of the typical sensing devices based on transducing the biochemical events to electrical signals. In this type of sensor, an electrode is a key component that is employed as a solid support for immobilization of biomolecules and electron movement. 33 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 https://biomaterialsres.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40824-019-0181-y Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Q&A 34 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrotechnics basics ELECTRICITY: the set of physical phenomena associated with the presence and flow of electric charges. def ELECTRIC CHARGE def ELECTRIC CURRENT e- ee- 35 e- ee- Is a property of matter (at subatomic level - protons, electrons) that causes it to experience a force when kept in electric and magnetic fields. Measured in Coulomb (C). A movement or flow of electrically charged particles through a medium. By definition, the direction of the current iE is given by the direction of positive charges. Measured in Ampere (A). iE EXAMPLE: ions in an electrolyte can move creating a current as it happens in biological cells. Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrotechnics basics ELECTRIC CURRENT DIRECT (DC) ALTERNATING (AC) Unidirectional charges’ flow. Charges’ flow periodically reverses direction. The number of cycles per second is called frequency (Hz). iE iE iE (t) iE (t) t t Example: 300 mA DC currents can cause cardiac fibrillation. 36 Examples: 30 mA at 5 Hz AC currents can cause cardiac fibrillation. Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrotechnics basics ELECTRICITY: the set of physical phenomena associated with the presence and flow of electric charges. VOLTAGE ELECTRIC POWER P=VI def is the work associated with moving a unit charge between two points along a circuit. Measured in Volts (V). def is the rate at which work is done along a circuit. Measured in Watts (W). ≥ 0 Absorbed power < 0 Generated power 37 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrotechnics basics CIRCUIT ELEMENTS: the set of electrical components (typically 2-terminals) used for the analysis of electrical networks. 1 Electrical link (wire) Circuit element # Electrical link (wire) Circuit elements can generate energy (active elements, P0 independently of the signs of iR and vR (i.e., power is always absorbed); - The resistor dissipates the absorbed power as heat. 43 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrotechnics basics Kirchoff principles KCL) Current Law The algebraic sum of all currents at each node in a circuit is zero. KVL) Voltage Law The algebraic sum of all voltages around each closed path in a circuit is zero. 44 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen The impedance is not a simple resistance! The resistance is a measure of the ability of a circuit element to resist the flow of electrical current and can be defined by the Ohm’s law, but under ideal conditions: 1) The relationship between voltage and current is linear for all their values. 2) The relationship between voltage and current is independent from frequency. 3) Current and voltage are in phase with each other. The real circuit elements show a more complex behavior that cannot be reduced to that one of the resistance. In particular, the concept of impedance is used to substitute the ideal resistor with a more general and complex parameter to describe the ability to resist the flow of electrical current. Like resistance, impedance is a measure of the ability of a circuit to resist the flow of electrical current, but unlike resistance, it is not limited by the simplifying properties 45 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Circuit theory Differences between dc theory and ac theory If we focus on ac current, it could be interesting to analyze the response of a circuit to an alternating current or voltage as a function of frequency. A resistor is the only element that impedes the flow of electrons in a dc circuit: E=IR In ac theory, where the frequency is non-zero, the analogous equation is: E=IZ Where Z is called impedance. In alternation current (ac), capacitors and inductors impede the flow of electrons, in addition to resistors. Impedance values are also measured in ohms (W) as resistor. 46 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Vector analysis and complex numbers The “complex” or “imaginary” number (j) is a mathematical way of expressing and manipulating the impedance vector. A periodic or a sinusoidal signal can be expressed as complex number: 𝑧 = 𝑎 + 𝑗𝑏 where the a is the real part on the x-axis, b is the imaginary part on the y-axis, and j the imaginary unit, 𝑗 = −1. A complex number can also be expressed with respect to its magnitude, |z|, as 𝑧 = |𝑧|(cos𝜑 + 𝑗sin𝜑) Where 𝑎=|𝑧|cos𝜑 and 𝑏=|𝑧|sin(𝜑)  |𝑧| = 𝑎 + 𝑏 tan(𝜑) = 𝑏𝑎 and 𝜑 = tan − 1(𝑏𝑎) By using the Euler equation: 𝑒 ± 𝑗𝜑 = cos(𝜑) ± 𝑗sin(𝜑), in its exponential form as 𝑧 = |𝑧|𝑒𝑗𝜑 47 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Vector analysis and complex numbers Vector analysis provides a convenient method of characterizing an ac waveform. It lets you describe the wave in terms of its amplitude and phase characteristics. The current waveform vector can be graphically described in two ways. Complex number are used to describe these quantities (in this case ): Z = a + jb a and b represent the contributions of resistance and capacitance or inductance to the impedance. The amplitude and the phase could be calculated as: |Z| = 𝑎 + 𝑏 ɸ = atn (b/a) Charles K. Alexander, Matthew N. O. Sadiku, Fundamentals of Electric Circuits 48 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Passive Circuit Elements and Impedance Capacitors A capacitor is another primary type of physical component used in electronic circuits. It has two leads and is used to store and release electric charge. A capacitor's ability to store charge is referred to as its capacitance, measured in farads (F). A typical capacitor takes the form of two conductive plates separated by an insulator (dielectric). This type of circuit element cannot pass direct current (DC) because electrons cannot flow through the dielectric. However, a capacitor does pass alternating current (AC) because an alternating voltage causes the capacitor to repeatedly charge and discharge, storing and releasing energy. Indeed, one of the major uses of capacitors is to pass alternating current while blocking direct current, a function called 'AC coupling'. When a direct current flows into a capacitor, a positive charge rapidly builds up on the positive plate and a corresponding negative charge fills the negative plate. 49 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Passive Circuit Elements and Impedance Capacitors When an alternating current flows through the circuit, the result is quite different, though. Because the AC current is continuously changing, the capacitor is repeatedly charging and discharging. Even though the dielectric in the capacitor does not pass any electrons, a current—which in this case is called a displacement current—effectively moves through the capacitor. The capacitor's opposition to alternating current is called its capacitive reactance, which, like resistance, is measured in ohms (Ω). 50 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Passive Circuit Elements and Impedance Coils A coil, also called an inductor, is yet another primary type of physical component that is used in electronic circuits. It has two leads and is typically implemented as one or more windings (loops) of conductive wire. That wire is often but not necessarily formed around a core of iron or steel or some other magnetic material. Current through the coil induces a magnetic field that serves as a store of energy. Inductance is measured in henries (H). More specifically, a current flowing through a wire generates a magnetic field, the direction of which is to the right relative to the flow of the current, as described by the 'right-hand rule' (see Figure 4). If the wire is coiled, the fluxes are in alignment. According to Lenz's law, changes in the coil's magnetic field generate a counter-electromotive force (and an induced current) that opposes those changes. Thus, coils can be used in electronic circuits to restrict the flow of alternating current while allowing direct current to pass. Right-Hand Rule: Current (I) flowing through a conductor produces a magnetic field (B) that circles to the right around the conductor 51 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Passive Circuit Elements and Impedance Impedance can be expressed as a complex number, where the resistance is the real component and the combined capacitance and inductance is the imaginary component. Capacitors and inductors affect not only the magnitude of an alternating current but also its time-dependent characteristics – or phase. When most of the opposition to current flow comes from its capacitive reactance, a circuit is said to be largely capacitive and the current leads the applied voltage in phase angle. When most of the opposition to current flow comes from its inductive reactance, a circuit is said to be largely inductive and the current lags the applied voltage in phase angle. Charles K. Alexander, Matthew N. O. Sadiku, Fundamentals of Electric Circuits 52 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Passive Circuit Elements and Impedance If we apply an AC voltage to the ends of a resistor: a change (proportional to the conductance value) in the current amplitude IM will result; the phase of current and voltage will be the same. If we apply an AC voltage to the ends of a capacitor: a change (proportional to the frequency and capacity value) in its amplitude value IM will result; The phase shift of 90 degrees will result. Charles K. Alexander, Matthew N. O. Sadiku, Fundamentals of Electric Circuits 53 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Other circuit elements relevant to biosensing Filter circuits (HPFs and LPFs) A filter circuit is an electrical function made from connected elements that is used to eliminate unwanted electrical signals while allowing wanted signals of specific frequencies to pass. A common type of filter circuit, for example, is an RC-series circuit, in which a resistance and capacitance are connected in series. RC filters can implement either a high-pass filter (HPF) or a lowpass filter (LPF). An RC filter in which the voltage drop across the resistor (Vr) is taken as the output will pass the highfrequency voltage signals from the input, while filtering out (attenuating) the input's low frequencies. By contrast, an RC filter in which the voltage drop across the capacitor (Vc) is taken as the output will allow the low- frequency components of the input signal to get through, but reduce or eliminate the high frequencies 54 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Other circuit elements relevant to biosensing Semiconductors Between Conductors and Insulators Semiconductors are positioned midway between conductors and insulators. They are the materials―such as silicon (Si) and germanium (Ge)―that resist electric current better than metals like silver and aluminum, but not as well as insulators like quartz and ceramic. The resistivity of a material is dependent on the density of free electrons that can move readily when a voltage is applied. In general, this density can be engineered to any desired value by adding the appropriate impurities to a uniform material. This makes it possible to create semiconductors that provide just the right levels of conductivity for the purpose at hand. A semiconductor may be either N-type or P-type, in accordance with the way current flows through it. 55 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Other circuit elements relevant to biosensing How Current Moves Through a Semiconductor (1) N-Type Semiconductors The figure below illustrates a typical structure for an N-type semiconductor. This semiconductor consists of a silicon crystal that has been doped with atoms of phosphorus (P). A phosphorus atom has five valence electrons, four of which form strong covalent bonds with the adjacent silicon atoms, while the fifth remains free. At room temperatures, free electrons will often change places with nearby bound electrons; or, to put it another way, any given electron will sometimes be bound, and sometimes free. The result is that there is always a supply of free, mobile electrons available to carry a current. This kind of semiconductor is called "N-type" because it principally uses its (negatively charged) electrons to carry the current. Meanwhile, the donor (dopant) atoms that give up an electron to this process acquire positive charge. 56 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Other circuit elements relevant to biosensing How Current Moves Through a Semiconductor (2) P-Type Semiconductors Figure 2 illustrates the structure of a P-type semiconductor. In this case, silicon crystal has been doped with atoms of boron (B). Again, each silicon atom has four valence electrons; but the boron atoms, with only three, are "deficient." Only a small amount of kinetic energy is needed to free an electron from an adjacent silicon atom; this electron is then quickly "accepted" by the boron atom. The silicon atom, however, is now left with a "hole" that soon pulls in an electron from another nearby silicon atom. As the process continues, the holes "move," producing a current. This kind of semiconductor is called "P-type," as most of its current is carried by holes. The dopant atoms that accept an electron in this process become negatively charged. 57 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Other circuit elements relevant to biosensing Solid-State Transistor: A Core Component First Started in Use A bipolar transistor (as distinct from a field-effect transistor) consists of a P-type or N-type center sandwiched between N-type or P-type exteriors. There are two main types: NPN-type (with the P-type at the center) and PNP-type (with an N-type at the center). The figure below illustrates the operation of an NPN transistor. The base and emitter, taken together, have the same structure as a diode. In this example, application of a forward voltage (of about 0.7 V) causes base current (IB) to flow, so that many free electrons move from the emitter region into the base region. If the emitter is pumping out more carriers than can be recombined in the base region, the excess free electrons move into the collector area in accordance with applied voltage E2. 58 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Other circuit elements relevant to biosensing Solid-State Transistor: A Core Component First Started in Use In a typical application, the number of free electrons coming from the emitter will be 10 to 100 times the number that can recombine in the base region. The collector current (IC) will therefore exceed IB by the same factor (10 to 100). If IB is 0, then IC will also be 0, as the emitter will not be releasing any carriers. In other words, the forward current IB between the base and emitter effectively controls current IC between the emitter and the collector. Thanks to this feature, transistors can be used alone to implement switches and amplifiers, while they are also the most essential component in modern electronic circuitry. They can be combined in many different ways to create many complex circuits 59 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Other circuit elements relevant to biosensing Key Component of Integrated Circuits There are two main types of FETs (field-effect transistors): MOSFETs (metal- oxide-semiconductor FETs) and JFETS (junction FETs). MOSFETs, in particular, have a flatter structure than the bipolar transistors discussed above, can be placed closer together without suffering from cross-interference, and can operate at low power. They therefore support better integration and miniaturization and have become essential components of ICs and LSIs. Let's take a brief look at how a MOSFET works. The figure below shows an N-type MOSFET. It has a gate terminal ("G"), under which is an oxide film that serves as an insulator. There is also a source terminal ("S") to one side of G, and a drain terminal ("D") to the other side. When there no voltage between the gate and source, the P-type semiconductor separating the source and the drain acts as an insulator. So current does not flow between the source and the drain. 60 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Other circuit elements relevant to biosensing Key Component of Integrated Circuits When a voltage is applied at the gate, however, it attracts and pulls up free electrons that are just under the gate, resulting in an abundance of these electrons in the area between the source and the drain. These electrons form a channel over which current can now flow freely. In other words, the gate voltage is used to control the current flow between the source and the drain. MOSFETs are mainly used in switch circuits and amplifier circuits. They can also be used to provide a steady current, since application of a fixed voltage at the gate will generate a fixed current flow between source and drain. On an N-type MOSFET, the channel is N-type. On a P-type MOSFET, the channel is P- type. 61 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen FET- principles VGS > 0 ID ID VDS G Ohmic Region ON ID D S - - - - - - - - - - - P+ - - - - N OFF VGS P+ - - - Metal electrode Si substrate Silicon Oxide 62 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Saturation Region VGS = 0 VGS VDS FET- principles In a FET, an organic semiconductor film (the channel) is separated from a metal electrode (the gate) by a thin insulating layer (the gate dielectric). A voltage applied between the gate and the channel leads to field-effect doping of the semiconductor, that is, the accumulation of mobile electronic charge near the interface with the dielectric (figure, part a). The charge in the channel is compensated for by a sheet of charge at the gate electrode. The two sheets of charge form the two plates of a parallel plate capacitor. The amount of charge that is induced in the channel can be estimated by Q = C·V, where C is the capacitance of the dielectric and V is the gate voltage. The capacitance is inversely proportional to the distance between the two plates. Therefore, thin dielectric layers maximize the amount of induced charge and thus the drain current of the transistor. 63 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen FET- principles In an electrolyte-gated FET, a double-layer capacitor is formed at the electrolyte–channel interface (figure, part b). A sheet of ionic charge in the electrolyte compensates the induced sheet of electronic charge in the channel. This configuration can be considered an extreme case of FET, because the thickness of the dielectric is reduced to dimensions on a par with the ionic radius, resulting in high capacitance. 64 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Q&A 65 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen