FACH HOCH SCHULE Chemo- und Biosensoren JENA...

V5-1

FACHHOCHSCHULEJENA

UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES

Chemo- und Biosensoren

• Leitfähigkeitssensoren: Taguchi-Gassensor• Flüssigelektrolyt-Sensoren:

Clark-Zelle (amperometrischer Sensor)• Festelektrolyt-Sensoren:

λ-Sonde (potentiometrischer Sensor)• CHEMisch sensitive Feld-Effekt-Transistoren (CHEMFET):

Ionen-Sensitiver FET (lSFET)ENzym-sensitiver FET (ENFET)

• Kapazitive Feuchtesensoren• Biosensoren• Optochemische Sensoren (Optoden)

V5-2

FACHHOCHSCHULEJENA


Anwendungsgebiete von Chemo-und Biosensoren (I)

• Chemische und pharmazeutische Industrie• Steuerung und Überwachung von Verbrennungsprozessen

(Kfz, Kraftwerke, Metallurgie)• Umweltmesstechnik• Arbeitsschutz (Schadstoffe in Luft und Wasser)• Medizintechnik• Biotechnologie

Chemische Labormesstechnik/Analytik: teuer, groß, keine on-line-Messtechnik

stark wachsende Bedeutung von Chemo- und Biosensoren:

• Preiswert, miniaturisiert, Mikroelektronik-kompatibelIntegration von Signalverarbeitung „Lab-on-Chip“

• On-line-Messung (in-situ Prozess- und Umwelt-Messtechnikin vivo-medizinische DiagnostikSteuerung/Automatisierung

V5-3

FACHHOCHSCHULEJENA


Anwendungsgebiete von Chemo-und Biosensoren (II)

Probleme:• Langzeitstabilität• Selektivität

(große Vielfalt chemischer Verbindungen und biochemischer Reaktionen)

Beispiele für Massenanwendungen (in Mio. Stückzahl):• SnO2 Leitfähigkeits-Gassensoren „Taguchi-Sensor“

zur Überwachung von Verbrennungsanlagen (CO, CH4)• Zr02 Festelektrolyt-pO2-Sensoren in Gasen

λ-Sonde zur Gemischregelung in Kfz-Motoren

viele Chemo- und insbesondere Biosensoren sind noch im Forschungsstadium oder Prototypen-Test

V5-4

FACHHOCHSCHULEJENA


Charakteristische Sensoreigenschaften

Charakteristische Sensoreigenschaften, die in den chemischen Sensoren zur Detektion ausgenutzt werden

Flüssigkeitselektrolyt-Sensoren:

Festkörperelektrolyt-Sensoren:

Leitfähigkeitssensoren:

Feldeffektsensoren:

Kalorimetrische Sensoren:

Photochemische Sensoren:

Massensensitive Sensoren:

Elektrische Spannungen, Ströme, Leitfähigkeiten

Elektrische Spannungen, Ströme

Elektrische Leitfähigkeit

Potentiale

Adsorptions- oder Reaktionswärmen

Fluoreszenz, Lumineszenz

Adsorbierte Teilchenmasse

V5-5

FACHHOCHSCHULEJENA


Leitfähigkeits-Gassensoren„Taguchi-Sensor“

Zinnoxid-Gassensor auf der Basis von Leitfähigkeitsänderungen durch Chemisorption von O2-Molekülen der Luft bei T ≈ 400 °C

Nachweis reduzierender oder oxydierender Gase in der Luft: H2S undotiertes SnO2 als Sensormaterial:CO, CH4 Cu- oder Pt-dotiertes SnO2

Empfindlichkeit einige 0,1 ppm

Anwendung:• Überwachung von Verbrennungsprozessen, Feuer- und Heizgas-Warnung

Querempfindlichkeit von CO zu CH4

polykristallines gesintertes SnO2Au-

ElektrodeAu-

Elektrode

Heizdraht

V5-6

FACHHOCHSCHULEJENA


Zur Funktionsweise von Halbleiter-Gassensoren

Gasmoleküle, die an der Oberfläche eines Metalloxid-Halbleiters (z.B. n-dotiertes SnO2, ZnO, Fe2O3) adsorbiert werden, ändern dessen Leitfähigkeit:

• O2-Moleküle der Luft chemisorbieren und nehmen Leitungselektronen des Halbleiters auf es bildet sich an der Halbleiter-Oberfläche eine von Leitungselektronen verarmte Schicht Leitfähigkeit nimmt ab.Noch stärker oxidierende Fremdgase in Luft, z.B. NO2, Cl2, führen zu weiterer Leitfähigkeitsabnahme.

• Reduzierende Gase, z.B. CO, CH4, H2, reagieren an der Oberfläche mit dem chemisorbierten Sauerstoff es werden Leitungselektronen an den Halbleiter abgegeben Leitwert erhöht sich.

• Das reduzierende Gas kann auch mit dem im Halbleiter-Kristallgitter gebundenen Sauerstoff reagieren es entstehen negativ geladene Sauerstoff-Leerstellen diese diffundieren bei erhöhter Temperatur in das Innere des Halbleiters und erhöhen den Leitwert.

Sensor-Leitwert = Oberflächen- + Korngrenzen- + Volumen-Anteil

V5-7

FACHHOCHSCHULEJENA


Flüssig-Elektrolyt-Sensoren:Clark-Zelle

Amperometrischer Sensor zur Messung der Sauerstoff-Konzentration in flüssigem Elektrolyten:An der Gold-Kathode (Messelektrode ME): unter Elektronen-Aufnahme Reduktion von O2

O2 + 2 H2O + 4 e- 4 OH-

An Silber-Elektroden (Gegenelektrode GE + Bezugselektrode BE): unter Elektronen-Abgabe Oxydation von Ag

4 Ag + 4 Cl- 4 AgCl + 4 e-

Bei Erreichen der Polarisations-Spannung UP bildet sich ein Konzentrations-Gradient in dünner Grenzschicht zwischen ME und Elektrolyt, durch welche die beteiligten Reaktionspartner durchtreten müssen. Bei Amperometrie steuert der Diffusions-Vorgang die Stromstärke im Ionen-Leiter (KCl-Elektrolyt) O2-Durchtrittsreaktion begrenzt Diffusionsstrom I:

I = (z · F · D · A / δ) · cF = 9649 As/mol - Faraday-Konstante; z - Elementarladungen pro Messmolekül; A - Oberfläche der Messelektrode; δ - Dicke der Grenzschicht an der Messelektrode; D - Diffusions-Koeffizient; c - Konzentration des begrenzenden Reaktionspartners (O2)

V5-8

FACHHOCHSCHULEJENA


Amperometrie (Clark-Sensor)Messaufbau-Schema

Bezugselektrode BE kompensiert den durch zunehmende AgCl-Belegung verursachten zusätzlichen Spannungsabfall

UP

cO2 in mg/l:

Strom-Spannungs-Kennlinien des Clark-Sensors bei verschiedenen Sauerstoff-Konzentrationen cO2

V5-9

FACHHOCHSCHULEJENA


Sauerstoff-SensorKonstruktions-Schema

Anwendung: Medizintechnik – pO2-Messung im Blut

Ag Bezugselektrode BE

Ag Gegenelektrode GE

Au Messelektrode ME

Elektrolyt

O2-durchlässige Membran (z.B. Teflon-Folie)

V5-10

FACHHOCHSCHULEJENA


Festelektrolyt-Sensorenλ-Sonde

Gas-sensitive Elektrode für O2 (potentiometrischer Sensor), angewendet für Gemisch-Regelung im Verbrennungsmotor:λ = (zugeführte Luftmenge/theoretischer Luftbedarf) = pO2(Gemisch)/pO2(ideal)λ < 1 : fettes Gemisch; λ > 1 : mageres GemischPolykristallines ZrO2( mit 15% Y2O3) ist geeigneter Ionenleiter für Sauerstoff (stabile Sauerstoff-Leerstellen, die bei T > 350 °C beweglich werden und O2--Ionen durch das Kristallgitter transportieren können) Ionenleitfähigkeit wird um Größenordnungen höher als Elektronen-Leitfähigkeit.

Oberflächen der ZrO2-Ionenleiter-Membran sind mit porösen O2-durchlässigen Pt-Schichten überzogen, an denen die Oxydations- und Reduktions-Reaktionen mit O2-Molekülen ablaufen:

O2 + 4 e- ↔ 2 O2-

O2--Ionen diffundieren durch Innenleiter in Richtung Konzentrationsgefälle zwischen Mess-Gas und Referenz-Gas es entsteht Potential-Differenz U12 zwischen den Pt-Elektroden:

U12 = (R·T)/(z·F)·ln(pM/pB) = 0,0496·T·lg(pB/pM) in mV/KR - universelle Gas-Konstante; pM - O2-Partialdruck im Messgas; pB – dto. im Bezugs-Volumen

V5-11

FACHHOCHSCHULEJENA


λ-Sonde – Messaufbau-Schema

x

U

U12

U12 ~ pB/pM

600 °C

ZrO2:Y2O3

Poröse Pt-Schicht

pBpM

Potentialverlauf U über die Elektroden

pM - Sauerstoff-Partialdruck im MessgaspB - Sauerstoff-Partialdruck im Referenzgas

(Außen-Luft)

Sondenspannung U12 in Abhängigkeit vom λ-Wert

λ

U12/mV

Fettes Gemisch, praktisch sauerstofffrei

Steigender O2-Partialdruck im Abgas

V5-12

FACHHOCHSCHULEJENA


Aufbau einer λ-Sonde

Abgas (Auspuff)pM

Luft (Umgebung)pB

Poröse Pt-Schichten:Elektrode + Katalysator zur Rest-Oxydation

Auf Abgas-Seite: zusätzliche poröse Keramik-Schutzschicht

U12

V5-13

FACHHOCHSCHULEJENA


Funktion der λ-Sonde am Kfz-Katalysator

Idealer pO2-Partialdruck im Abgas:solcher pO2 im Gemisch, bei dem alle C- und H-Atome des Kraftstoffs oxydiert werden, und noch keine Stickoxide gebildet werden.Dieser λ-Punkt wird durch die λ-Sonde gemessen und durch gesteuerte Luftzufuhr auf λ = 1 eingeregelt.Dazu laufen im Katalysator auf Pt- und Rh-Oberflächen folgende Redox-Reaktionen (Beispiele) ab:

2 CO + O2 2 CO22 C2H6 + 7 O2 4 CO2 + 6 H2O2 NO + 2 CO N2 + 2 CO2

Summenformel (qualitativ): CxHy + CO + NOz N2 + H2O + CO2

V5-14

FACHHOCHSCHULEJENA


Chemisch-sensitive Feldeffekt-Transistoren

Ionen-Sensitiver Feld-Effekt-Transistor = ISFETSi-SiO2-MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) mit ionenselektiver Membran auf der Gate-Elektrode

Ionen bewirken Feldänderung zwischen Gate und Halbleiter-Substrat Änderung von Schwellspannung UT und Source-Drain-Strom ISD.

ISD ISD

UGMess-

FlüssigkeitDurchlässige Gate-

Elektrode

SiO2

Ionen-selektive Membran

UT‘ UT

Ohne Ionen

Mit Ionen

Anwendungen: • pH-Messung –Ta2O5-Membran• Messung von Alkali-, Ammonium- und Halogenid-Ionen in Lösungen

V5-15

FACHHOCHSCHULEJENA


Gas-ISFET für H2-Detektion

ISDISD

Pd-Schicht als Gate-Elektrode

SiO2

Pd-Schicht bewirkt katalytische Dissoziation von H2 H+-Ionen werden im Pd-Gitter aufgenommen und diffundieren zur Pd-SiO2-Grenzschicht, wo sie das innere elektrische Feld in MOS-Kondensator ändern.

Sehr empfindliche und selektive H2-Sensoren

Anwendung: Überwachung von H2-Leitungen, -Tanks

V5-16

FACHHOCHSCHULEJENA


Struktur eines Multi-ISFET-Chip

b) Querschnitt

a) Draufsicht

Beispiel eines Multisensors zur gleichzeitigen Bestimmung von

H+-Ionen (pH-Wert)K+-IonenNa+-Ionen

in einem Blutstropfen.

NAS – Natrium-Aluminium-Silikat

V5-17

FACHHOCHSCHULEJENA


Bio-Sensor: Schematischer Aufbau

V5-18

FACHHOCHSCHULEJENA


Biosensor: Enzym-selektiver FET

V5-19

FACHHOCHSCHULEJENA


Mögliche Anordnungen von Bioelektroden

V5-20

FACHHOCHSCHULEJENA


Beispiele von Bioelektroden für bestimmte Analyte

Analyt Rezeptor Sensor

GlucoseoxidaseAlkoholoxidaseD-AminooxidaseL-GlutaminasePenicillinaseUreaseAnti-H BsAgAntihepatitis surface antigenCon A

pH-, O2-, H2O2-ElektrodeO2-ElektrodeNH4

+-ElektrodeNH4

+-ElektrodepH-ElektrodeNH4

+-, pH-ElektrodeGOD + O2-ElektrodeAg/AgCl-ElektrodeH2O2-Elektrode

GlucoseEthanolD-AminosäurenL-GlutaminPenicillin GHarnstoffHepatitis

Peroxidase

V5-21

FACHHOCHSCHULEJENA


Prinzipien von Biosensoren

1. Affinitätssensor 2. Metabolismussensor

Veränderung der Elektronendichte Substratverbrauch und Produktbildung

Rezeptor R Chemisches Signal S Rezeptor R Chemisches Signal S

FarbstoffLecitinApoenzymAntikörperRezeptor

ProteinGlycoproteinProsthetische GruppeAntigen, HaptenHormon

EnzymOrganelleZelleGewebeschnitt

SubstartCofaktorEffektorEnzymaktivität

SequenzKonkurrenzAntiinterferenzVerstärkung

Trägerenzym SchallDehnungLicht

Rezeptor R Chemisches Signal S

3. Gekoppelte und Hybridsysteme 4. Biomimetische Sensoren

V5-22

FACHHOCHSCHULEJENA


Biochemische Sensorsysteme

Erkennungs-Systeme

Signalwandler (Transducer)

Messwert / Auswertung

Konfiguration

BiotechnologischDesignte EnzymeTransgene Zellen

Antikörpervarianten

OptischPhotometer

InterferometerRefraktometer

FluorimeterLuminometer

BiomimetischHochaffine Aptamere

PNSRibozyme

Mechanisch / thermodynamisch

ThermistorViskosimeter

Schwingquarz

SynthetischSynzymeImprints

Host-Guest-PaareIonophore

MagnetischToroid

Sensor(„Probe“)

Mikro-Analysen-System(μ-TAS)

Hoch-parallele Mikro-Reaktoren

(„Array on chip“)

SchwellenwertAnalog/visuell

Digitale (Einzel-) Konzentration

Biologische Wirkung

Substanz-“Muster“(Plattern)

ElektrochemischAmperometrischPotentiometrisch

KonduktometrischKapazitiv

ISFET

BiologischEnzyme

(Polyidonale) AntikörperRezeptoren

NukleinsäurenZellen

V5-23

FACHHOCHSCHULEJENA


Kapazitive Feuchtesensoren

Kapazität C eines Kondensator der Plattenfläche A und Plattenabstand d:

C = εr · ε0 · A / dBei Eindringen von Wasserdampf (Feuchte) in eine Polymerschicht (z.B. Polyimid) :

Änderung ΔC der Kondensator-Kapazität durch Änderung Δεr der relativen Dielektrizitäts-Konstanten.

Empfindlicher Nachweis dieser variablen Sensorkapazität durch Schwingkreis – Änderung der ResonanzfrequenzHochfrequenz-Messbrücke – analoge Brückenverstimmung

Auf Silizium-Substart monolithische Integration der Signal-Verarbeitungpreiswerter miniaturisierter Feuchtesensor

Messbereiche: 0 ... 100% rH (relative Feuchte = Anteil von gesättigterFeuchte) im Temperaturbereich –80 ... + 175 °C

εr - Relative Dielektrizitätskonstanteε0 - Dielektrizitätskonstante des Vakuum

ε0 = 8,854·10-12 As/Vm

V5-24

FACHHOCHSCHULEJENA


Planarer kapazitiver Feuchtesensor

Feuchte-adsorbierende dielektrische Polymerschicht

Interdigitale Elektroden

Substrat

Kapazitätsmessung in der Ebene der Adsorber-Schicht

V5-25

FACHHOCHSCHULEJENA


Feuchtesensor in „Sandwich“-Anordnung

Kapazitätsmessung in der Ebene senkrecht zur Adsorber-SchichtDünne Au-Schicht als feuchte-durchlässige Elektrode

Obere Au-Elektrode

Poröse dielektrische Al2O3-Schicht

Untere Al-Elektrode

Substrat

V5-26

FACHHOCHSCHULEJENA


Taupunkt-Sensor

Zur Feuchte-Bestimmung wird die Temperatur gemessen, bei der Wasserdampf kondensiert = Taupunkt-Temperatur ϑT

Sensor wird durch Peltier-Element abgekühlt, bis ϑTerreicht wird (H2O-Tröpfchen kondensieren auf der Oberfläche)

Nachweisprinzip:Kapazitäts- oder Leitfähigkeitsänderung

Relative Feuchte rH = pD(ϑ) / pDS(ϑ) = pDS(ϑΤ) / pDS(ϑ)pD - Wasserdampf-Partialdruck, Index S - Sättigungswert; Temperatur ϑ; pDS(ϑ) - Tabellenwerte

V5-27

FACHHOCHSCHULEJENA


Optochemische Effekte

Optochemische Sensoren

Faseroptische chemische und biochemische Sensoren

V5-28

FACHHOCHSCHULEJENA


Gas-Opt(r)oden

Beispiel: Faseroptischer Miniatursensor für die kontinuierliche Erfassung von pH, pO2 und pCO2 (medizinischer „in-vivo“-Blutgassensor)

Spezies Detektionsprinzip Typischer MessbereichFluoreszenzlöschungPhosphoreszenzlöschungVia pH-Messung in internem PufferFluoreszenzlöschungEigenabsorptionInterferometrisch

0,5 ... 300 Torr0,0005 ... 0,1 Torr0,5 ... 100 Torr70 ppm ... 5 %0,01 ... 5 %5 ... 2000 ppm

Sauerstoff

CO2SO2ChlorWasserstoff

V5-29

FACHHOCHSCHULEJENA


Faseroptischer in-vivo Blut-Sauerstoff-Sensor

Reflexionsmessungen bei 2 Wellenlängen:

rot (λr = 680 nm) und infrarot (λir = 950 nm)

R(λr) steigt mit wachsender Sauerstoff-Sättigung HbO2 des Hämoglobin Hb

Optische Faserbündel

BlutDetektor

V5-30

FACHHOCHSCHULEJENA


Optochemische Sensoren Elektrolyt-Opt(r)oden

Spezies Detektionsprinzip Typischer MessbereichReflektometrieFluoreszenzEigenabsorption bei λ = 820 nmFluoreszenz des Morin-KomplexesOptische Potential-MessungReflektometrieFluoreszenzFluoreszenzlöschung

2,5 ... 3 pH-Einheiten4 ... 5 pH-Einheiten50 ... 500 mMol1 ... 100 µMol0,001 ... 100 mMol5 ... 50 mMol20 ... 200 mMol15 ... 200 mMol

H+

Cu2+

Al3+

K+, Cu2+

Na+

Halogenide

V5-31

FACHHOCHSCHULEJENA


Prinzip der Reflexions-Abstandsmessung

a) 1 Faser + Faserkoppler b) 2 parallele Fasern

L

2RfQuelle, I0 Detektor, I(L)

I(L) ~ I0· [ Rf/(Rf + L·NA) ]²

0 2 4 6 8 100

0.2

0.4

0.6

0.8

1

L/Rf

NA=0,15

NA=0,25

0 2.5 L/mm 5

L

Charakteristik hängt ab von:

- Numerische Apertur- Faserradius- Faserabstand

V5-32

FACHHOCHSCHULEJENA


Anwendung: Medizinischer Hirndruck-Sensor

Fa. Camino/USA

V5-33

FACHHOCHSCHULEJENA


Anwendung: Medizinischer Herzdruck-Sensor

Fa. Camino/USA

V5-34

FACHHOCHSCHULEJENA


Faseroptischer Feuchtesensor (I)

1 mm

Fabry-Perot Sonde

I0 d, n

IR

IT

Teilreflektierende SpiegelPolychromator

GitternLow

CCD Zeile

LEDLWL

nH

IR

λ

Freier Spektralbereich > spektrale LED Breite !

Λmin~ d, n

V5-35

FACHHOCHSCHULEJENA


Poröse Sensorschicht auf der Faserendfläche: Feuchte-Sensor

600 700 800 900 10000,0

0,5

1,0 H20 gefüllte PorenTrockene Poren

Ref

lect

ivity

Wellenlänge [nm]

Optische Faser∅ ≈ 200 µm

Nano-poröse dünne Schicht Reflektions-SpektrumH2O Dampf

Taupunkt [°C]

Wel

lenl

änge

[nm

]

-60 -30 0 30-90792

812

802

Sensor-Charakteristik

V5-36

FACHHOCHSCHULEJENA


Anwendungen für faseroptischen Feuchtesensor

Hygrometer (BARTEC GmbH)

SensorErdgas-Trocknerstation (German Verbundnetz Gas AG)

On-line Messung der Restfeuchte in Gasen (Erdgas, Reinstgase) und in organischen Flüssigkeiten

Messbereich:

Taupunkt TDP = - 80 °C…+20 °C

= Partialdruck p(H2O) = 10-2 … 103 Pa

V5-37

FACHHOCHSCHULEJENA


UV-Faser Evaneszent-Feld-Absorptions-Spektroskopie (EFAS) Sensoren

SubstanzNachweis-Grenze (ml/m3)

Max. erlaubte Konzentration

Benzen 3 1Toluen 10 50Xylen 10 100

BTEX Nachweisgrenzen in Luft

250 300 350 400 450

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Xylen Toluen Benzen

Petrol Naphta

Tran

smis

sion

Wellenlänge [nm]

Analyt (Luft, Wasser)

BTEX (Benzen, Toluen, Ethylbenzen, Xylen)Spektren in Wasser

Cladding

In-situ Nachweis organischer Verunreinigungen (BTEX, PAK) in Wasser, Erde oder in Luft, unter Nutzung permeabler optischer Polymer-Cladding-Materialien

V5-38

FACHHOCHSCHULEJENA


UV-EFAS faseroptischer Kohlenwasserstoff-Sensor

Schema:

Steuerung

StromversorgungBatterieUV-Lampe

UV-Spektrometer

Faserkabel

SondeSensorfaser

Test-Instrumentierung für Erdreich-Messung:

• Sensor-Faser: ∅ 200 μm Quarz / 20 μm dickes PDMS Cladding (Länge 1 m)

• Lichtquelle: Xenon Blitzlampe

• Spektrometer: MMS (Carl Zeiss), UV MINOS (IPHT)

V5-39

FACHHOCHSCHULEJENA


Faseroptische UV-Absorptions-Sensorik von BTEX in Wasser: Langzeit-Feldtest

in der Grundwasser-Reinigung

Partner:DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH Leipzig

250 300 350 400 4500,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Benzen Toluen Xylen Gasolin Diesel Tr

ansm

issi

on

Wellenlänge [nm]

Faserspule

V5-40

FACHHOCHSCHULEJENA


Faseroptischer Kohlenwasserstoff-Sensor: Anwendung

Anwendungsbeispiel:

In-situ Filterprozess-Steuerungin der Grundwasser-Reinigung (Lauchhammer/Sachsen)

Kalibrierung des UV Spektrometers mit Standard-BTEX-Testsubstanzen:

50% Benzen, 30% Toluen, 5% Ethylbenzen, 15% Xylen,

verdünnt in 1 l Wasser:

Wellenlänge [nm]

V5-41

FACHHOCHSCHULEJENA


Spektrale In-situ Nährstoff-Analyse in Binnen- und Meer-Wasser

Meer-Test an Bord der Fähre „Duchess of Scandinavia“ :Messung des Nitrat-Konzentrations-Profils in der Nordsee

Messdaten: Institut für Meeresforschung, GKSS, 01.-02.06.2006

0 2 4 6 8 1 2 1 4 1 6 1 80

1 0 0

2 0 0

3 0 0

4 0 0

5 0 0 E lb ee s tu a ry

H a rw ic hh a rb o u r

NO

3-N [µ

g/l]

J o u rn e y t im e [h ]

Ferry routeHarwich (GB)-Cuxhaven (D)

Analyte Analyse-Methoden MessbereichNitrate UV Spektrophotometer 0,5 – 150 µmol/l NO3

-

o-Phosphat FIA mit Fluoreszenz-Nachweis 0,05 –5 µmol/l PO43-

Ammonium FIA mit Fluoreszenz-Nachweis 0,1 – 20 µmol/l NH4+

V5-42

FACHHOCHSCHULEJENA


FBG Evaneszent-Feld Chemische Sensorik: Refraktometrie

Analyt nA

Refraktometrische Bragg-Verschiebung:

ΔλB = 2·Δneff(nA)·Λ

Refraktometrische Prozess-Kontrolle von Benzinprodukten:

Analyt

Temperatur-Referenz

coating

Evaneszentes Feld

ΛSensor-FBG

Side-polished optical fibre embedded insilica block

Optionale Sensorschicht

1,30 1,35 1,40 1,45837,8

838,0

838,2

838,4

838,6

838,8

839,0

26%NaCl/H2O

EthanolLMO

DAO

SPOOZ98

OZ91nA H2O

Brag

g W

avel

engt

h [n

m]

V5-43

FACHHOCHSCHULEJENA


FBG Chemo- und Bio-Sensorik

Analyt (Gas, flüssig)

Transducer-Schicht (optional)

T-Referenz (FBG)

Quarzglas Coating

Monomodefaser (seitlich poliert)

Evaneszentes Feld

Sensor-FBG

Sensitive Dünnschicht-Überzüge:

0 40 80 120

827,92

827,96

828,00 H2 -Konzentrationin Argon-Gas

2 %2 %

1 %1 %

0 %Bra

gg-W

elle

nlän

ge [n

m]

Zeit [min]

H2 Gas-Nachweis mit 200 nm Pd

1,40 1,42 1,44 1,46

831,40

831,50

831,60

831,70

TM

TE

Bra

gg-W

elle

nlän

ge [n

m]

Brechungsindex nAPartner: IREE Prag

ΔλB = 2·Δneff(nA)·ΛBragg-Verschiebung:

SPR Biochemie-Sensorik mit 30nm Au

Bra

gg-W

elle

nlän

ge [n

m]

Analyt-Brechungsindex nA

1,40 1,41 1,42 1,43 1,44 1,45

838,20

838,21

838,22

838,23

S4

S3S2S1

TE Polarisation

TM Polarisation

838,19

Prozess-Kontrolle von Benzinen

V5-44

FACHHOCHSCHULEJENA


Faseroptische Chemo- und Bio-Sensorik-Konzepte mit funktionalisierten

Mikro-/Nano-Strukturen

2.8 µm

Optischer Fasertaper

Miniaturisierte Analyseinstrumente für Zellen and andere Mikrostrukturen

Verstärkte Evaneszent-Feld-Wechselwirkung

Nanodrähte

Photonische Kristall-FaserHohlkernfaser

Mikro-strukturierte optische Faser:

Integration von Wellenleitung und Kapillarstrukturen → lange Wechselwirkungsstrecken

Erhöhte Analyse-Empfindlichkeit in kleinen Probenvolumina (Gase und Flüssigkeiten)

Effiziente Licht-Materie-Wechselwirkung (Absorption, Fluoreszenz, Raman/SERS)

PCF-Preform

V5-45

FACHHOCHSCHULEJENA


∅core = 23.8 µmd = 4 .. 6 µmΛ = 6 µm

Empfindlichkeit : PCF als EFA Sensor → 20 x höher als für 200 µm Quarzfaser

α PCF = 2,53 dBm-1

α solid fiber < 0,14 dBm-1

a) Standard Quarzglas

∅core = 23.8 µmd = 4 .. 6 µmΛ = 6 µm

α PCF = 2,53 dBm-1

α Quarzfaser < 0,14 dBm-1

b) Mikrostrukturierte PCF

Permeables Polymer-Coating

∅Kern = 200 µm

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

550 570 590 610 630 650 670 690wavelength [nm]

abso

rban

ce [d

Bm

-1] PCF

Standard EFAS fiber

absorbance max at 592 nm

Erhöhte Evaneszent-Feld-Absorption in PCF im Vergleich zur Quarzglasfaser

Spektrale Absorbanz von Eosin-Lösung,Gemessen im evaneszenten Feld der Faser

Chemische Sensorik in Photonischer Kristallfaser (PCF)

V5-46

FACHHOCHSCHULEJENA


FBG Plasmonen-Biosensorik mit metallischen Nanopartikeln

Beispiel: Faseroptischer Evaneszent-Feld DNA-Nachweis

→ Bragg-Verschiebung ΔλB durch lokalisierte Oberflächen-Plasmonen-Resonanz (SPR) von adsorbierten DNA-markierten Au-Nano-Kugeln

→ Hohe Empfindlichkeit, Multiplex-Fähigkeit

Sensor-FBG, Periode Λ

DN-Rezeptoren

DNA markierte Au-Nano-Kugeln, ∅ 30 nm

ΔλB = 2·Δneff(nA)·Λ

V5-47

FACHHOCHSCHULEJENA


Perspektiven

Intrazellularer Fasertaper-Nano-Biosensor(schematisch)

SiO2 Nanodraht auf einem Menschenhaar(L.Tong/E.Mazur, Zhejiang/Harvard Univ.)

Faseroptik + Sub-Wellenlängen-Nano-Strukturen :• Mikro-/Nano-Integration + Kopplung zur Makro-Welt

• Photonische Sensorik in molekularen Abmessungen mitäußerst hoher Empfindlichkeit, räumlicher und zeitlicher Auflösung

FACH HOCH SCHULE Chemo- und Biosensoren JENA...

Documents

Transcript of FACH HOCH SCHULE Chemo- und Biosensoren JENA...