L4 - Electrical and Electrochemical Biosensors WS 2023 PDF
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RWTH Aachen University
2023
Francesca Santoro
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Summary
These lecture notes cover electrical and electrochemical biosensors, including topics such as biosensor sensitivity, dynamic range, specificity, and classification. They also contain information on amperometric and voltammetric biosensors.
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Tissue electronics WS 2023 L4 – Electrical and electrochemical biosensors: types and examples 31.10.2023 Prof. Dr.-Ing. Francesca Santoro Tissue Electronics Course Outline Principles of biosensing; Amperometric, Potentiometric, Impedimetric, FET-based sensors with examples; Cellular development and...
Tissue electronics WS 2023 L4 – Electrical and electrochemical biosensors: types and examples 31.10.2023 Prof. Dr.-Ing. Francesca Santoro Tissue Electronics Course Outline Principles of biosensing; Amperometric, Potentiometric, Impedimetric, FET-based sensors with examples; Cellular development and proliferation; Sensing in cell layers. References for studying Slides and references in the slides The Molecular Biology of the cell (Alberts, Lewis, Roberts, 4th edition&8th edition), Garland Science. Chapters 3 (proteins) 10 (membrane structure). 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 Biosensors: classification Biosensors: sensitivity Biosensor sensitivity = the response signal for every unit of the target sample’s concentration. The typical standard curve of the biosensing response for the target detection with a dose–response fitting is shown in figure. In this curve, a pM unit of concentration is assumed. The slope of the linear region determines the sensitivity (s) in the fitting curve, which is the value of the signal magnitude (y) divided by the unit concentration (x) of the response slope. The higher y value in the response of the similar x value indicates the better sensitivity performance of the biosensor. In principle, the sensitivity can be enhanced by improving the biosensors' signal-to-noise ratio (SNR). https://www.mdpi.com/2227-9040/9/11/299 Biosensors: dynamic range Dynamic range = concentration window between the maximum and minimum usable indication of the signal response. Technically, the dynamic range is calculated from the detection limit to the saturation level of the biosensor signal. Nevertheless, in the dynamic range, the signal response does not always increase proportionally to the target concentration, particularly in the extremely low or high concentration target. Therefore, another term that biosensor experts use is the linear dynamic range to determine the biosensor signal response in the linear region of the fitting curve. Consequently, the linear range is a trade-off parameter compared with the sensitivity (i.e., when the sensitivity value is high, the detection range will be small, since the saturation level will be reached at a lower target concentration). On the other hand, if the application requires a large linear range performance, the sensitivity of the biosensor will be lower. https://www.mdpi.com/2227-9040/9/11/299 Biosensors: specificity The general concept of sensing is distinguishing a particular substance from others (selective) and capturing a particular target (specific). Therefore, the biosensing system should be configured to detect a specific target by binding with the specific biorecognition element through strong and selective affinity. The quality of the biological components will determine the specificity and, consequently, the sensitivity of the developed detection strategy. For the evaluation of the specificity performance, the measurement of the noncomplementary samples should be compared to the specific target. Ideally, the non-specific target’s resulting signal level is like the zero-concentration measurement of the biosensor. Nevertheless, in the high concentration of non-specific targets, the false positive or drift signal can appear due to non-specific bindings and interferences. https://www.mdpi.com/2227-9040/9/11/299 Electrical and electrochemical biosensors Classification and operation In electrochemical biosensors, the signal is typically triggered by electron or ion transfer on a conductive transducer through a biorecognition process. Signals can involve current (i), potential (E), impedance, conductivity, capacitance and light (I). Amperometric and voltammetric biosensors: they are operated with a three-electrode system, which contains a biosensor as a working electrode (WE) for target recognition, counter electrode as the current source, and a reference electrode to apply a stable potential. Current signals are generated by electrochemical reactions on the WE under an applied potential for target quantification. The difference between the two techniques is their applied potential, which is constant for amperometric measurements and variable for voltammetric detection. 7 https://www.nature.com/articles/s44222-023-00032-w 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 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128245545000185 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrical and electrochemical biosensors Classification and operation Amperometric and voltammetric biosensors: Principally, a minimum of two electrodes are required for the estimation. Practically, it is troublesome to regulate a steady potential of an electrode with the passage of current. The utilization of the three electrodes permits an exact enforcement of the potentials and the current estimation. The role of the reference electrode is to measure and regulate the potential of the working electrode. This is accomplished by allowing much less or negligible current via the reference electrode. The auxiliary electrode thereby permits all the current along the working electrode. The given external potential expedites the electron transfer mechanism in the analyte. 8 https://www.nature.com/articles/s44222-023-00032-w 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 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128245545000185 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrical and electrochemical biosensors Amperometric biosensors The determined current is representative of the degree of the electron transfer reaction in an electrochemical process. Amperometric sensors estimate the current output for detecting the amount of an analyte by maintaining constant potential. A voltage is given between the two electrodes at the time of the analysis. A working potential is given only for a small duration to avoid any harm to the electrode. The current is determined exclusively when the potential is given. 9 https://www.nature.com/articles/s44222-023-00032-w 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 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128245545000185 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrical and electrochemical biosensors Amperometric biosensors: Enzymes and Electron Transfer (ET) An essential prerequisite for the development of amperometric biosensors with high sensitivity and fast response characteristics is to establish a fast electron transfer (ET) from the biological component to the electrode; Redox species in the sensing layer are oxidized or reduced at the transducer surface generating a current through the electrode; 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). 10 https://www.nature.com/articles/s44222-023-00032-w 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 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128245545000185 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen https://link.springer.com/article/10.1007/s002160051551 Electrical and electrochemical biosensors Amperometric biosensors: Enzymes and Electron Transfer (ET) 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 molecules. The main aim in the design of optimized amperometric biosensors is to ensure fast ET processes based on electrode architectures with predefined ET pathways interconnecting the redox site within the enzyme and the electrode surface. 11 https://www.nature.com/articles/s44222-023-00032-w 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 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128245545000185 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen https://link.springer.com/article/10.1007/s002160051551 Electrical and electrochemical biosensors Amperometric biosensors- Example Glucose Biosensor Glucose degradation is the most universal metabolic process. In addition to its breakdown in glycolysis, glucose can also be directly oxidized by a number of enzymes. Glucose oxidase (GOx) is an important oxidoreductase enzyme with many important roles in biological processes. It is considered an “ideal enzyme” and is often called an oxidase “Ferrari” because of its fast mechanism of action, high stability and specificity. The oxidases use a two-step mechanism in which a bound flavin adenine dinucleotide (FAD) co-factor is used to oxidize glucose to form glucono-δ-lactone and an enzyme-FADH2 intermediate followed by electron transfer to O2 to form H2O2. 12 https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/d0cs00304b 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 Amperometric biosensors- Example Glucose Biosensor 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 Electrical and electrochemical biosensors Amperometric biosensors- Example Glucose Biosensor 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 Electrical and electrochemical biosensors Amperometric biosensors- Example Glucose Biosensor First generation glucose biosensors exploit the hydrogen peroxide production by glucose oxidase utilizing dissolved oxygen. DRAWBACKS: enzyme activity might be affects by hydrogen peroxide; Restricted solubility of oxygen in biological fluids; High operational voltages (approx. 0.6 V). 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 Electrical and electrochemical biosensors Amperometric biosensors- Example Glucose Biosensor The current change is proportional to the hydrogen peroxide produced by the enzyme activity (and thus to the glucose concentration). 16 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cs/d0cs00304b 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 Potentiometric biosensors Potentiometric biosensors are typically operated with a two-electrode system consisting of a sensing electrode and a reference electrode, allowing direct detection of targets by measuring the potential signal related to the change of surface charge upon target recognition on the sensing electrode; The surface of the sensing electrode can be modified for selectivity to specific species (ions, molecules, etc.); The modification might also include a membrane which select specific ions (i.e., by size based on the membrane porosity). 17 https://www.nature.com/articles/s44222-023-00032-w 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 Potentiometric biosensors Potentiometric methods are those based on voltage (Ecel) measurements of a galvanic cell. The potential difference between two electrodes such as Ebios and Eref: immersed in an analyte solution occurs under a nearly zero-current condition using high input impedance equipment (potentiometer or pH meter). The biosensor (Ebios: biosensor (indicator electrode)), combining a biorecognition element (e.g., enzymes, antibodies, antigens, organisms, animal and plant tissues, cells, organelles, and so on) with a transducer, which converts biochemical events into electrical signals. The obtained cell potential (Ecel) being logarithmically correlated with the analyte activity (ai) (Nernst equation), since the reference electrode (Eref) and liquid junction (Ej) potentials are constants. 18 https://www.nature.com/articles/s44222-023-00032-w 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 Potentiometric biosensors The signal of a general potentiometric sensor is based on the Nernst equation. This equation predicts a linear dependence of the sensor response, E, on the logarithm of a function of the activity of the ion in solution: where E is the potential (V), R is the gas coefficient (8.314 J/K), F is the faraday constant (96,500 C/mol), n is the number of electrons, and ai is the activity of the principal ion. E° is the standard potential; E is the potential difference for the electrochemical cell composed of the ion-selective and reference electrode; n is the charge numbers of the primary ion. 19 https://www.nature.com/articles/s44222-023-00032-w 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 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B978012384862800008X Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrical and electrochemical biosensors Potentiometric biosensors However, when more than one ion is present in the sample, the overall signal is the result of the contribution of each ion (also called interfering species), multiplied by a selectivity coefficient, k. Thus, the previous equation may be written as: This type of sensor suffers from two main drawbacks. First, the signal is strictly related on temperature. Second, the membrane potential is affected by the adsorption of solution components Furthermore, potentiometric sensors can detect only free ions and require frequent calibration. 20 https://www.nature.com/articles/s44222-023-00032-w 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 https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B978012384862800008X Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrical and electrochemical biosensors Potentiometric biosensors - example First potentiometric sensor (1969): Urea sensor Urea is a waste product of metabolism that is excreted by the kidneys in urine. The biosensor exploits the immobilization of the urease enzyme on a Nylon membrane-supported polyacrylamide matrix directly on an NH4+ selective glass electrode. When the electrode is immersed in a solution containing urea, the urea diffuses into the gel layer containing the urease enzyme (urea aminohydrolase), catalyzing the hydrolysis reaction of this substrate, as shown here: 21 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/ja01036a083 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 Potentiometric biosensors - example First potentiometric sensor (1969): Urea sensor The potential of the electrode is measured after allowing sufficient time for the diffusion process to reach the steady state. This interval varies from about 25-60 seconds for 98% of the steady state response, depending also on the thickness of the gel membrane. 22 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 https://pubs.acs.org/doi/epdf/10.1021/ja01036a083 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 Impedimetric biosensors These sensor detect the interaction with a natural product/analyte through the monitoring of the impedance change at the electrode and the bioreceptor response; The electrode response is monitored in a range of frequencies of interest; Representation of real and imaginary part of the impedance can by done with Bode and Nyquist plots; Data interpretation equivalent circuit fitting. 23 require electrical Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 https://journals.asm.org/doi/10.1128/cmr.00120-13 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 Meaning of the impedance in biological systems Biological systems are mainly made of ionic solutions separated by membranes at each level (from cell to organ). The presence of charges means that a stimulus voltage can elicit electrochemical currents. The electrical impedance of a cell, tissue, organ or the entire organism varies with the frequency of the administered current. In particular. bioelectrical impedance decreases with increasing frequency. Since the contribution of resistance does not change with frequency, the finding of a change in impedance is attributable to biological structures that can be likened to capacitors. Let us now suppose that we measure the impedance of an electrical circuit for values of frequency between O and infinity to represent the values thus obtained on the complex plane. The curve formed by these values represents an impedance locus, the shape of which depends on the characteristics of the circuit under consideration (Lofgren, 1951). This represents the fundament of the bioelectronic impedance spectroscopy. 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 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) EIS is one of the most important electrochemical techniques where the impedance in a circuit is measured by ohms (as resistance unit). Over the other electrochemical technique, EIS offers several advantages: 1) it is a steady-state technique; 2) it utilizes small signal analysis; 3) it is able to sense signal relaxations over a very wide range of applied frequency, from less than 1 mHz to greater than 1 MHz, using commercially available electrochemical working stations (potentiostat). 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 Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) Electrochemical impedance is normally measured using a small excitation signal. The response of the biological signal (for istance a cell) is pseudo-linear. In a linear (or pseudo-linear) system the current response to a sinusoidal potential will be a sinusoid at the same frequency but shifted in phase. Note: 1) The electrochemical impedance spectroscopy is useful many applications in which electrochemical currents are involved, not only for biological systems. We can think of electrode-electrolyte interfaces. 2) The main advantage of this technique is the possibility to treat electrochemical systems as an electrical equivalent circuit. 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 EIS measurements In a conventional electrochemical cell, matter–(redox species)– electrode interactions involve: - the concentration of electroactive species, - charge-transfer, - mass-transfer from the bulk solution to the electrode surface in addition to the resistance of the electrolyte. Each of these features is characterized by an electrical circuit that can be explored by using EIS. Accordingly, the EIS can study intrinsic material properties or specific processes that could influence conductance, resistance, or capacitance of an electrochemical system. Wang, Shangshang, et al. “Electrochemical Impedance Spectroscopy.” Nature Reviews Methods Primers, vol. 1, no. 1, June 2021, pp. 1–21, https://doi.org/10.1038/s43586-021-00039-w. 27 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 EIS measurements EIS is a type of transfer-function measurement, commonly used in the analysis of linear time-invariant systems. In the case of an electrochemical system, there is a working electrode (WE), a counter electrode (CE) and a reference electrode (RE). The potential E(t) is applied between the working and reference electrode, and the resulting current is measured at location (A) main difficulty is that the system must remain in a stationary state throughout the measurement. Wang, Shangshang, et al. “Electrochemical Impedance Spectroscopy.” Nature Reviews Methods Primers, vol. 1, no. 1, June 2021, pp. 1–21, https://doi.org/10.1038/s43586-021-00039-w. 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 EIS measurements: the analysis of spectra The potentiostat collects the data as potential vs. time and the current vs. time at each frequency. Then Fast Fourier Transform (FFT) is applied to the data. The FFT converts the potential vs. time and current vs. time into potential magnitude vs. frequency and current magnitude vs. frequency. https://pineresearch.com/shop/kb/theory/eis-theory/eis-basics 29 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 EIS measurements: perturbation signal A small signal excitation is applied for measuring the impedance response. The electrochemical cell response is pseudo-linear in which a phase-shift is acquired while the current response to a sinusoidal potential is a sinusoid at the applied frequency. Thus, the excitation signal is presented as a function of time: 𝐸 = 𝐸 · sin(𝜔𝑡) where 𝐸 is the potential at time t, 𝐸 is the amplitude of the signal, and ω is the radial frequency. Wang, Shangshang, et al. “Electrochemical Impedance Spectroscopy.” Nature Reviews Methods Primers, vol. 1, no. 1, June 2021, pp. 1–21, https://doi.org/10.1038/s43586-021-00039-w. 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 EIS measurements: perturbation signal In a linear system, the signal is shifted in phase (Φ) and has a different amplitude than 𝐼 : 𝐼 = 𝐼 sin(𝜔𝑡 + Φ) The result of plotting the input and output signals on a single current vs. potential graph is called a Lissajous plot. Wang, Shangshang, et al. “Electrochemical Impedance Spectroscopy.” Nature Reviews Methods Primers, vol. 1, no. 1, June 2021, pp. 1–21, https://doi.org/10.1038/s43586-021-00039-w. 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 EIS measurements: the Lissajous plot The shape of the current vs. potential Lissajous plot is a straight line if the input and output signals are inphase, or if Φ = 0. If the input and output signals are out of phase, the shape of the Lissajous plot appears as a tilted oval. The width of the oval is indicative of the output signal phase angle. If the Lissajous plot looks like a perfect circle, it means the output signal is completely out of phase (i.e., ±90°) with respect to the input signal. REF. Electrochemical Impedance Spectroscopy─A Tutorial, Alexandros Ch. Lazanas and Mamas I. Prodromidis, ACS Measurement Science Au 0, 0, pp DOI: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00070 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 EIS measurements Thus, the impedance of the whole system can be obtained from: 𝐸 𝑍 = = 𝑍 exp 𝑖Φ = 𝑍 cosΦ + 𝑖𝑠𝑖𝑛Φ 𝐼 The impedance is expressed in terms of a magnitude, 𝑍 , and a phase shift, Φ. When the real part (Zreal) is plotted on the X-axis and the imaginary part (Zimag) is plotted on the Yaxis, a “Nyquist Plot” is formed. Each point on the Nyquist plot is an impedance value at a frequency point, while the Zimag is negative. At the X-axis, impedance at the right side of the plot is conducted with low frequency, while, at the higher frequencies, their generated impedances are exerted on the left. Moreover, on a Nyquist plot, impedance can be represented as a vector (arrow) of length |Z|. The angle between this arrow and the X-axis is called the “phase angle”. Another way to express the impedance results is to use what is called a Bode plot, which comprises two separate logarithmic plots: magnitude vs. frequency and phase vs. frequency. Wang, Shangshang, et al. “Electrochemical Impedance Spectroscopy.” Nature Reviews Methods Primers, vol. 1, no. 1, June 2021, pp. 1–21, https://doi.org/10.1038/s43586-021-00039-w. 33 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 Analysis of EIS data by fitting an equivalent circuit model EIS data are commonly analyzed by fitting to an equivalent electrical circuit model. Most of the circuit elements in the model are common electrical elements such as resistors, capacitors, and inductors. To be useful, the elements in the model should have a basis in the physical electrochemistry of the system. As an example, most models contain a resistor that models the cell's solution resistance. Very few electrochemical cells can be modeled using a single equivalent circuit element. Instead, EIS models usually consist of a number of elements in a network. Both serial and parallel combinations of elements occur. 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 Equivalent circuit elements based on physical electrochemistry Electrolyte resistance Solution resistance is often a significant factor in the impedance of an electrochemical cell. Any solution resistance between the reference electrode and the working electrode must be considered when you model your cell. The resistance of an ionic solution depends on the ionic concentration, type of ions, temperature, and the geometry of the area in which current is carried. In a bounded area with area, A, and length, l, carrying a uniform current, the resistance is: 𝑙 𝑅=𝜌 𝐴 Most electrochemical cells do not have uniform current distribution through a definite electrolyte area. The major problem in calculating solution resistance therefore concerns determination of the current flow path and the geometry of the electrolyte that carries the current. 35 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 Equivalent circuit elements based on physical electrochemistry Double Layer capacitance An electrical double layer exists on the interface between an electrode and its surrounding electrolyte. This double layer is formed as ions from the solution adsorb onto the electrode surface. The charged electrode is separated from the charged ions by an insulating space, often on the order of angstroms. Charges separated by an insulator form a capacitor so a bare metal immersed in an electrolyte will be have like a capacitor. You can estimate that there will be 20 to 60 μF of capacitance for every 1 cm2 of electrode area though the value of the double layer capacitance depends on many variables, such as: - electrode potential; - temperature; - ionic concentrations; - types of ions; - oxide layers; - electrode roughness; - impurity adsorption. 36 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 Equivalent circuit elements based on physical electrochemistry Polarization resistance When an electrode is polarized, it can cause current to flow through electrochemical reactions that occur at the electrode surface. The amount of current is controlled by the kinetics of the reactions and the diffusion of reactants both towards and away from the electrode. In cells where an electrode undergoes uniform corrosion at open circuit, the open circuit potential is controlled by the equilibrium between two different electrochemical reactions. One of the reactions generates cathodic current and the other generates anodic current. The open circuit potential equilibrates at the potential where the cathodic and anodic currents are equal. It is referred to as a mixed potential. If the electrode is actively corroding, the value of the current for either of the reactions is known as the corrosion current. Charge transfer resistance A similar resistance is formed by a single, kinetically-controlled electrochemical reaction. In this case we do not have a mixed potential, but rather a single reaction at equilibrium. 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 Equivalent circuit elements based on physical electrochemistry Diffusion Diffusion also can create an impedance called a Warburg impedance. The impedance depends on the frequency of the potential perturbation. At high frequencies, the Warburg impedance is small since diffusing reactants don't have to move very far. At low frequencies, the reactants must diffuse farther, increasing the Warburg-impedance. The equation for the "infinite" Warburg impedance is: where σ depends on the radial frequency, the diffusion coefficients of the oxidant and the reductant, the surface area of the electrode and the number of electrons involved. On a Nyquist Plot the Warburg impedance appears as a diagonal line with a slope of 45°. On a Bode Plot, the Warburg impedance exhibits a phase shift of 45°. 38 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 Equivalent circuit elements based on physical electrochemistry Diffusion with a trasmissive boundary The previous form of the Warburg impedance is only valid if the diffusion layer has an infinite thickness. If the diffusion layer is bounded (as in thin-layer cell or coated samples), the impedance at lower frequencies no longer obeys the equation above. Instead, we get the form: with δ = Nernst diffusion layer thickness. 39 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 Equivalent circuit elements based on physical electrochemistry Coating capacitance and constant phase element A capacitor is formed when two conducting plates are separated by a non-conducting media, called the dielectric. The value of the capacitance depends on the size of the plates, the distance between the plates and the properties of the dielectric. In the ideal capacitor, the relationship is, Capacitors in EIS experiments often do not behave ideally. Instead, they act like a constant phase element. Then, the impedance of a capacitor can be expressed as: where Yo is the value of the capacitance in ideal conditions and: α = 1, in case of pure capacitor; α < 1, in case of constant phase element. 40 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 Electrochemical impedance spectroscopy The Nyquist plot could be used to extract information from EIS measurements. The real part is plotted on the X-axis and the imaginary part is plotted on the Y-axis of a chart. Notice that in this plot the Y-axis is negative and that each point on the Nyquist Plot is the impedance at one frequency. Example of RC circuital model The semicircle is characteristic of a single "time constant". The capacitor (C) represents the electrochemical double layer, which can only store charge. The resistor (R) represents the charge transfer resistance. This is the resistance for the electron to change the phase from the electrode into the solution or to be more precise to a species solved in the solution. 41 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 Electrochemical impedance spectroscopy In the Bode graph, the impedance is plotted with log frequency on the X-axis and both the absolute values of the impedance (|Z|=Z0) and the phase-shift on the Y-axis. Unlike the Nyquist Plot, the Bode Plot does show frequency information. Example of RC circuital model 42 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 Equivalent circuit models used to interpret EIS data Purely capacitive coating: used for undamaged coating of metals. REF. Electrochemical Impedance Spectroscopy─A Tutorial, Alexandros Ch. Lazanas and Mamas I. Prodromidis, ACS Measurement Science Au 0, 0, pp DOI: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00070 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 Equivalent circuit models used to interpret EIS data Constant phase element In the case of the blocking electrode, RuCdl, the impedimetric spectrum is tilted by an angle θ (A), while in the case of a Ru(CdlRct) electrochemical cell the semicircle is depressed (B). REF. Electrochemical Impedance Spectroscopy─A Tutorial, Alexandros Ch. Lazanas and Mamas I. Prodromidis, ACS Measurement Science Au 0, 0, pp DOI: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00070 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 Equivalent circuit models used to interpret EIS data Simplified Randles Cell: one of most common cell models. It includes a solution resistance, a double layer capacitor and a charge transfer (or polarization resistance). The double-layer capacitance is in parallel with the charge-transfer resistance. In addition to being a useful model in its own right, the Simplified Randles Cell is the starting point for other more complex models. REF. Electrochemical Impedance Spectroscopy─A Tutorial, Alexandros Ch. Lazanas and Mamas I. Prodromidis, ACS Measurement Science Au 0, 0, pp DOI: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00070 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 Equivalent circuit models used to interpret EIS data Randles Cell In real electrochemical systems, the pattern of the Nyquist plot for a faradaic impedance spectrum over a wide range of frequencies usually involves both the semicircle (at this frequency region the electrochemical process is controlled by charge transfer phenomena) and the straight line (at this frequency region the electrochemical process is controlled by mass transfer phenomena) parts which can differ depending on the respective values of Cdl, Rct, and ZW. REF. Electrochemical Impedance Spectroscopy─A Tutorial, Alexandros Ch. Lazanas and Mamas I. Prodromidis, ACS Measurement Science Au 0, 0, pp DOI: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00070 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 Equivalent circuit models used to interpret EIS data Randles Cell with different Rct values and at different Cdl The effect of Rct, in relation to the heterogeneous transfer kinetics rate k0 of the redox species in the solution, as well as of Cdl are shown at the simulated Nyquist plots. REF. Electrochemical Impedance Spectroscopy─A Tutorial, Alexandros Ch. Lazanas and Mamas I. Prodromidis, ACS Measurement Science Au 0, 0, pp DOI: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00070 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 Equivalent circuit models used to interpret EIS data Transmissive boundaries The impedance profile of Zo at low frequencies tends to that of ZW (until the entering species diffuse completely across the film). At decreasing frequencies a semicircle is obtained indicating that the diffusing species has exited the finite length diffusing layer and a dc current flow within the film. It is noted that the thicker the film the lower the frequency at which the curvature of the impedance spectrum is observed. Electrochemical Impedance Spectroscopy─A Tutorial, Alexandros Ch. Lazanas and Mamas I. Prodromidis, ACS Measurement Science Au 0, 0, pp DOI: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00070 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 Equivalent circuit models used to interpret EIS data Transmissive boundaries The concentration gradient of the redox species is zero and thus no charge transfer is possible. Typical examples of finite diffusion with reflective boundary include lithium diffusion in thin solid state oxide films, hydrogen diffusion into thin films of various hydrogen absorbing materials or mass transport of charge carriers at redox polymer filmcoated electrodes etc. Elecrochemical Impedance Spectroscopy─A Tutorial, Alexandros Ch. Lazanas and Mamas I. Prodromidis, ACS Measurement Science Au 0, 0, pp DOI: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00070 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 Electrical and electrochemical biosensors Impedimetric biosensors - setup Generally, there are two categories in impedance measurement: electrical and electrochemical impedance. Electrical impedance (EI) is a two-electrode measurement performed using a lock-in amplifier and function generator or frequency response analyzer (FRA) with a pair of electrodes, the working electrode (WE) and counter electrode (CE), which may be of equal or different areas. Electrochemical impedance (ECI) (three-electrode measurement) performed using similar instruments along with a front-end potentiostat. The electrode arrangement includes an additional electrode, the reference electrode (RE), which contributes a half-cell potential, to which the potentiostat references its interrogating voltage. Figure on the right shows the schematic setup for the measurement of EI and ECI. In both cases the instrumentation delivers a sinusoidally varying and interrogating potential of specified frequency to the CE and the ensuing AC current is measured at the WE. 50 The transfer function, the ratio of V/I in the complex plane, allows a measure of the impedance of the device under test (DUT). The basic instrumental setup for the measurement of electrical impedance and/or electrochemical impedance spectroscopies and impedimetry https://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-0-387-48998-8_686 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 Impedimetric biosensors - devices For integration with micro- and nanofluidics, a suitable format for the two- and three-electrode arrangements used in impedimetry is that based on the microlithographically fabricated, co-planer, interdigitated microsensor electrode array (IME or IDA). Each sensor element of the array consists of a pair of opposing platinum, gold, or indium tin oxide (ITO) electrodes of 1-5 mm digit length and of digit width and separation that may be equal or unequal in the range 100 nm- 10um. These dimensions serve to define the serpentine length (width of the channel), the interdigit space (length of the channel), and the overall area of interdigitation. In the case of the impedimetric IME sensor, the two sets of electrodes of the IME can be two poles in a two-electrode configuration for electrical impedance measurements. 51 https://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-0-387-48998-8_686 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 Example of impedimetric sensor design. Electrical and electrochemical biosensors Impedimetric biosensors - bioimmmobilization Biospecificity is the property of the biorecognition membrane of the biotransducer that is conferred by the purposeful use of a bioactive receptor. There exists a wide range of possible approaches to the conferment of biospecificity to impedimetric array biosensors. These methods vary somewhat depending upon the bioactive receptor to be immobilized (molecule, subcellular fragment, cell, or tissue). However, these methods have one major purpose: to confer the molecular recognition and specificity inherent to the bioactive receptor to the biotransducer in a manner that maximizes the sensitivity of the physicochemical transducer that lies beneath. Amongst the various bioimmobilization approaches are: adsorption (physical, chemical, and electrostatic), adsorption followed by covalent cross-linking ,covalent tethering, and entrapment (physical or covalent) within host matrices (e. g., polymers, polymeric hydrogels, and sol–gels). 52 https://link.springer.com/referenceworkentry/10.1007/978-0-387-48998-8_686 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 Impedimetric biosensors - example Immunoglobulin (IgG) assay Immunoglobulin G is a type of antibody. Representing approximately 75% of serum antibodies in humans, IgG is the most common type of antibody found in blood circulation; Firstly, IgG neutralizes pathogens such as viruses and bacteria by binding to key pathogen surface proteins and preventing interaction of the pathogen with host cells. In doing so, the antibody neutralizes the ability of the pathogen to enter host cells and replicate; Elevated IgG can be seen in acute infections, chronic liver diseases, autoimmune disorders. 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 Electrical and electrochemical biosensors Impedimetric biosensors - example Immunoglobulin G (IgG) assay Gold electrodes (interdigitated) with surface functionalization (called self assembled monolayer – SAM) for specific interaction and biding with IgG; 54 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen https://www.mdpi.com/2076-3417/10/11/4012 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Electrical and electrochemical biosensors Impedimetric biosensors - example Figure on right shows the equivalent circuit model of impedance data fitting. The dashed line and solid line represent the Nyquist plot of the measured impedance and the comparison of the fitted data according to the equivalent circuit. The two curves are highly coincident and have a good fitting effect. This circuit consists of five circuit elements: Solution resistance Rs, constant phase elements CPE1 and CPE2, constant resistance Ra and charge transfer resistance Rct. It can be understood here that we divide the surface of the electrode into an internal SAM layer and external biomolecules (antigen and antibody). The internal part is composed of a constant resistance and a constant phase element CPE2, and the external part is composed of a charge transfer resistance Rct and another constant-phase CPE1, and Rs represents the resistance of the electrolyte solution. 55 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen https://www.mdpi.com/2076-3417/10/11/4012 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 Zeilen | Die Fußzeile bietet Platz für 3 Zeilen Bio-FETs Definition A field-effect transistor-based biosensor, also known as a biosensor fieldeffect transistor (Bio-FET or BioFET), field-effect biosensor (FEB), or biosensor MOSFET, is a field-effect transistor that is gated by changes in the surface potential induced by the binding of molecules. When charged molecules, such as biomolecules, bind to the FET gate, which is usually a dielectric material, they can change the charge distribution of the underlying semiconductor material resulting in a change in conductance of the FET channel. A Bio-FET consists of two main compartments: one is the biological recognition element and the other is the field-effect transistor. The BioFET structure is largely based on the ion-sensitive field-effect transistor (ISFET), a type of metal–oxide–semiconductor field-effect transistor (MOSFET) where the metal gate is replaced by an ion-sensitive membrane, electrolyte solution, and reference electrode. 56 Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 https://link.springer.com/article/10.1007/s13534-021-00187-8 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 Bio-FETs Example SARS-CoV-2 biosensor Graphene transistor with surface functionalization of channel with spike protein antibody; Transistor channel variation proportional to amount of detected protein. (remember Exercise Session on 17.10) 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 Q&A 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 Cell types: examples 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 From the plasma membrane to the cell inside All spatial and mechanical function of the cell are developed to a very high degree in eucaryotic cells through a complex system of filaments called the cytoskeleton; Specific proteins assemble into structured filaments; These are: actin filaments, intermediate filaments and microtubules. They might have also some anchoring sites at the plasma membrane for modulating the cell arrangement, membrane curvature and bending. 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 The cytoskeleton scaffolding 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 Intermediate filaments (IFs) and microtubules (MTs) 62 IFs are rope-like fibers with a diameter of about 10 nm; they are made of intermediate filament proteins, which constitute a large and heterogeneous family. One type of intermediate filament forms a meshwork called the nuclear lamina just beneath the inner nuclear membrane. Other types extend across the cytoplasm, giving cells mechanical strength MTs are long, hollow cylinders made of the protein tubulin. With an outer diameter of 25 nm, they are much more rigid than actin filaments. They are long and straight and frequently have one end attached to a microtubule-organizing center (MTOC) called a centrosome. 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 Actin filaments Actin filaments underlie the plasma membrane of animal cells, providing strength and shape to its thin lipid bilayer; They (also known as microfilaments) are helical polymers of the protein actin; They are flexible structures with a diameter of 8 nm that organize into a variety of linear bundles, two-dimensional networks, and three-dimensional gels; Although actin filaments are dispersed throughout the cell, they are most highly concentrated in the cortex, just beneath the plasma membrane; Actin often undergoes a polymerization process is a reversible process, in which monomers both associate with and dissociate from the ends of actin filaments. This is necessary to dynamically adapt to mechanical changing boudaries; The first step in actin polymerization is known as ‘nucleation’: this step sees the formation of an actin nucleus, which is essentially a complex of three actin monomers, from which an actin filament may elongate. 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 Actin filaments and cell protrusions Filopodia 64 1.Under resting conditions, actin nucleators (blue and green crosses), filament bundling and crosslinking proteins (grey crosses), and membrane curvature–sensing proteins (purple and orange curved lines) reside in the cytosol and preserve a base-line level of filamentous (F-) actin (red lines). Black dots denote plasma membrane microdomains rich in specific lipids and transmembrane proteins. 2. Upon signaling nucleators are activated and, together with elongation factors, promote rapid actin polymerization and actin patch formation. 3. Filaments extend rapidly towards the membrane, and changes in membrane curvature are sensed and/or induced by curvature-sensing proteins. 4. A growing filopodium has established a mixture of unbundled and bundled or crosslinked actin filaments. It is conceivable that different sets of nucleators and elongators may contribute to increased actin polymerization. Other proteins that uncap or cap barbed ends or proteins that sever filaments at the root of filopodia may regulate filament turnover during this process. 5. In a “mature” filopodium, additional signals may guide microtubule invasion in order to stabilize the nascent filopodium into a branch. Titel der Präsentation | Name des Vortragenden | Organisationseinheit | 00.00.2000 | Die Fußzeile bietet Platz für einen Text über 3 https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.1002241 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 Cell polarity Cell polarity refers to the intrinsic asymmetry observed in cells, either in their shape, structure, or organization of cellular components. A Model to Explain How Actin Waves Contribute to Cell Polarization and Migration. (A) Actin filaments (or actin arrays) self-assemble in random orientations, and undergo polymerization and depolymerization within cells (red arrows). (B and C) If they become anchored to the plasma membrane via clutch molecules, they will migrate on the membrane toward the polymerizing ends (green arrows). (D) The actin arrays translocated to the cell's edge are aligned polymerizingend-outward. Actin waves further translocate laterally along the cell's edge depending on their angle of polymerization with respect to the edge (black arrows). (E) They assemble into larger arrays and generate force that pushes the membrane (blue arrows). (F) The cell polarizes morphologically, and actin arrays at the cell's leading edge generate force for cell migration (blue arrows). 65 https://www.cell.com/action/showPdf?pii=S0962-8924%2817%2930027-2 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 The crawling cell (fibroblast) has a polarized, dynamic actin cytoskeleton (shown in red) that assembles lamellipodia and filopodia to push its leading edge toward the right. The polarization of the actin cytoskeleton is assisted by the microtubule cytoskeleton (green), consisting of long microtubules that emanate from a single microtubule organizing center located in front of the nucleus. When the cell divides, the polarized microtubule array rearranges to form a bipolar mitotic spindle, which is responsible for aligning and then segregating the duplicated chromosomes (brown). The actin filaments form a contractile ring at the center of the cell that pinches the cell in two after the chromosome segregation. After cell division is complete, the two daughter cells reorganize both the microtubule and actin cytoskeletons into smaller versions of those that were present in the mother cell, enabling them to crawl their separate ways. 66 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 Courtesy of Francesco Pasqualini - Uni Pavia 67 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 Cell proliferation Cell proliferation is the process by which a cell grows and divides to produce two daughter cells; It leads to an exponential increase in cell number and is therefore a rapid mechanism of tissue growth; It requires both cell growth and cell division to occur at the same time, such that the average size of cells remains constant in the population. Cell division can occur without cell growth, producing many progressively smaller, while cell growth can occur without cell division to produce a single larger cell. Thus, cell proliferation is not synonymous with either cell growth or cell division 68 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 ‘Sticky hand’ behavior 69 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 Cell confluency In cell culture biology, confluence refers to the percentage of the surface of a culture dish that is covered by adherent cells. For example, 50 percent confluence means roughly half of the surface is covered, while 100 percent confluence means the surface is completely covered by the cells, and no more room is left for the cells to grow as a monolayer. Confluency describes the density of adherent cells and it is used as a measure of their proliferation. 70 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 Cell-cell interaction Tight junctions (A) The sealing strands hold adjacent plasma membranes together. The strands are composed of transmembrane proteins that make contact across the intercellular space and create a seal. (B) The molecular composition of a sealing strand. The major extracellular components of the tight junction are members of a family of proteins with four transmembrane domains. One of these proteins, claudin, is the most important for the assembly and structure of the sealing strands, whereas the related protein occludin has the less critical role of determining junction permeability. The two termini of these proteins are both on the cytoplasmic side of the membrane, where they interact with large scaffolding proteins that organize the sealing strands and link the tight junction to the actin cytoskeleton. 71 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 Monitoring cell proliferation, spreading and junctions 72 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 Cell layer biosensing Impedance-based sensors These biosensors allow for the monitoring of: 1) number of cells and proliferation rate; 2) formation of tight junctions (resistive component); 3) permeability of cell layer to certain molecules of interest. 73 It takes into account the simplified electrical equivalent model of the plasma membrane as a barrier mainly dominated by its capacitive effect. 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 Cell layer biosensing Impedance-based sensors It measures the change in impedance of a small electrode to AC current flow over time. The current flows between an electrode and a larger counter electrode, using standard culture medium as the electrolyte. After inoculating cells into a well, cells anchor and spread on the base of the well and onto the electrode. The insulating plasma membranes of the cells on the electrode constrain the electrode’s electrical current and force the current to flow in regions beneath and between the cells. This convoluted current path causes large changes in the measured impedance. With the confluent cell layer in place, the resistance reaches a plateau. The AC current used to make the impedance measurements has no detectable effects upon the cells. This means that the measurements are non-invasive. 74 Source: Ibidi 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 Cell layer biosensing Cell proliferation EIS measurement Morphological changes of C2C12 cells at various time point. a) 3 h, b) 6 h, c) 18 h, d) 32 h, e) 48 h, and f )72 h; Scale bar 20 μm. 75 https://jast-journal.springeropen.com/articles/10.1186/s40543-020-00223-9 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 Cell layer biosensing Transepithelial/transendothelial electrical resistance (TEER) measurement It is the measurement of electrical resistance across a cellular monolayer and is a very sensitive and reliable method to confirm the integrity and permeability of the monolayer. 76 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 77 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
