Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

Fizika, Elektronikai technológia és anyagtudomány

A kötelező előtanulmányi rend az adott szak honlapján és képzési programjában található.

A tárgy célja a hallgató bevezetése a nanométeres méretskálán jellemző effektusok és speciális tulajdonságokat mutató anyagok világába. A hallgató megismerkedik a nano- és bioérzékelők főbb építőelemeivel, azok működési elveivel és alkalmazási lehetőségeivel. A tárgy szintén megismerteti a hallgatót a nanométeres tartományban történő anyagvizsgálat (metrológia) alapjaival. Az erősen multi-diszciplináris tematika végigtanulmányozása során a hallgató naprakész ismeretekre tesz szert a 21. század jövőbeli eszközeit meghatározó működési elvekről és technológiákról.

Előadások tematikája:

1. hét:
Bevezetés: a bioérzékelők és nanoérzékelők definíciója. A bioérzékelők csoportosítása (affinitás és katalitikus típus; DNS alapú, immunoérzékelő, enzim alapú és élő sejt alapú érzékelők). Nano-méreteffektusok és kihasználásuk érzékelő és beavatkozó elemekben.

2. hét:
Jelölést alkalmazó bioérzékelő jelkiolvasási technikák. Jelölőmolekulák működése és típusaik. Elterjedt megoldások (pl. assay-k, ELIZA, DNS-chip).

3. hét:
Jelölésmentes bioérzékelő jelkiolvasási technikák. Fontosabb jelkiolvasási (transzducer) eljárások (elektrokémia, optikai, akusztikus hullám alapú, félvezető alapú módszerek).

4. hét:
A bioérzékelőkben használt szerves nanoszerkezetek (DNS és fehérjék) alapvető tulajdonságai.

5. hét:
Önszerveződő rendszerek. Szerves, önszerveződő funkcionális rétegek (SAM, Self Assembled Monolayers) valamint bevonatok (pl. Langmuir-Blodgett) és alkalmazásuk. Előállítási technológiák, nanostruktúra optimalizálás, felhasználásuk szenzorokban.

6. hét:
Bioreceptor rétegek immobilizációs és regenerációs technikái.

7. hét:
Elektrokémiai alapfogalmak. A fontosabb nanoszenzorokban alkalmazott elektrokémiai eljárások (potenciometria, amperometria, voltammetria, coulombmetria, elektrokémiai impedancia spektroszkópia).

8. hét:
Elektrokémiai elvű bioszenzorok. A jelgenerálás elektrokémiai elvei bioérzékelők esetén, alternatív jelátalakítási technikák (pl. nanopórusok).

9. hét:
Enzimatikus elvű bioérzékelők.

10. hét:
Nanooptika, plazmonika. Optikai tulajdonságok változása a nano méretskálán. Plazmonok, plazmon rezonancia (SPR), lokalizált plazmon rezonancia (LSPR). Az optikai közeltér (evaneszcens régió) tulajdonságai és kiaknázása érzékelőkben.

11. hét:
Felületi plazmon rezonanciás képalkotás, mint bioérzékelő kiolvasási mechanizmus (SPRi).  Nanoszerkezeteken lokalizált plazmonok alkalmazása érzékelőkben. SPRi rendszerfejlesztés és alkalmazási példák.

12. hét:
A nanoszenzorika építőelemei. Top-bottom bottom-up építkezések és technológiák (gőzfázisú, folyadékfázisú és szilárd fázisú módszerek). Fémes anyagok és nanoszerkezetek. A) fém nanorészecskék és nanovezetékek, B) fém nanorétegek és rétegszerkezetek valamint bevonatok, C) nanokristályos fémek és ötvözetek. Előállítási technológiák, tulajdonságok és alkalmazások érzékelőkben.

13. hét:
A szenzorok fontosabb paramétereinek (detektálási küszöb, érzékenység, szelektivitás, élettartam, regenerálhatóság stb.) javítása a különböző anyagcsaládokba tartozó nano-építőelemek felhasználásával. Klasszikus konstrukciók módosítása nano-anyagokkal.

14. hét:
Mikro- és nanofluidika. alapelvek, építőelemek, technológiák. A folyadékminta-kezelés evolúciójának öt állomása orvosbiológiai point-of-care eszközökben.

Gyakorlatok tematikája:

Gyakorlat I:
Létező érzékelő konstrukciók fontosabb tulajdonságainak (pl. érzékenység, detektálási küszöb) javítása nano-anyagok alkalmazásával, gyakorlati példákon keresztül.

Gyakorlat II:
Komplex bioérzékelő rendszerek fejlesztése – esettanulmányok 1. Mélyvénás trombózis veszélyeztetettségének megállapítása hordozható elektrokémiai bioérzékelőkkel.

Gyakorlat III:
Komplex bioérzékelő rendszerek fejlesztése – esettanulmányok 2. Ivóvízhálózat monitorozása DNS chippel, baktériumok és vírusok detektálására.

Gyakorlat IV:
Komplex bioérzékelő rendszerek fejlesztése – esettanulmányok 3. Véranalízis egy csepp vérből és fejlődő országokban gyakori betegségek (HIV, hepatitis, szifilisz, stb.) kimutatása optikai, SPR alapú bioérzékelőkkel.

Gyakorlat V:
Pásztázó szondás mérési módszerek bemutatása. Az atomerő mikroszkópia különböző üzemmódjainak alkalmazása nano/bio-anyagok és bioérzékelő szerkezetek komplex vizsgálatára. Alkalmazási példák bioreceptor felületek AFM-es karakterizációjára. 

Gyakorlat VI:
Komplex bioérzékelő rendszerek fejlesztése – esettanulmányok 4. Arzéndetektálás fejlődő országok ivóvíz hálózatában integrált mikrofluidikai rendszerrel.

Gyakorlat VII:
A folyadékminta-kezelés gyakorlati problémái mikrofluidikai rendszerekben és point-of-care eszközökben. Mikrofluidikai elemek előállítási technológiái, laboratóriumi demonstrációval.

A szorgalmi időszakban: egy sikeres nagyzárthelyi megírása a 8. héten. Ennek eredménye a félév végi osztályzatba 30%-os súllyal kerül beszámításra.

A vizsgaidőszakban: a tantárgy írásbeli vizsgával zárul.

A zh pótlását egy alkalommal biztosítjuk a szorgalmi időszakban. Pót-pót ZH főszabály szerint nincs.

Igény szerint, egyeztetett időpontban.

Mojzes Imre, Molnár László Milán: Nanotechnológia

Konczos Géza: Bevezetés a nanoszerkezetű anyagok világába

Harsányi Gábor: Érzékelők az orvosbiológiában

Bharat Bhushan: Springer Handbook of Nanotechnology

Bharat Bhusnan: Handbook of Micro/Nano Tribology (CRC)