SKIP-Symposium 8.4.2004

Manfred von Schickfus

Chemo- und Biosensorik mit akustischen Oberflächenwellen 

Mitarbeiter

Swen Rupp Cheng Ping Luo

Jens Wagner Sensorik an organischen Dämpfen

Philipp von Bülow ... und viele Vorgänger

Biosensorik

Charakterisierung von viskosen Flüssigkeiten

Etwas zur Sache

(Chemo-) Sensorik ist heute unentbehrlich für

•Optimierung von Verbrennungsvorgängen

•Optimierung von chemischen Prozessen

•Vermeidung von gesundheitlichen Risiken

•Diagnose von Krankheiten

... und viele andere Anwendungen

Akustische Chemosensorik

Analyte

Sensor film

Sensor film

gemessen wird aber die träge Masse, nicht die schwere Masse!

Basiert (bis auf eine Ausnahme) auf Bestimmung der Massenänderung:

Wie misst man kleine Massen?

Abschätzung: Fläche des Sensors: 10 mm²

eine Monolage Antikörper: 2,5 ng/mm² zu detektierende Massenänderung: < 25 ng

Geht nicht mit konventioneller Waage (“schwere Masse“)

Messung der trägen Masse

Mikrowaage

Messung der trägen Masse

Feder

Masse

Dieses Gebilde kann schwingen mit einer Frequenz

Man kann also Massenän-derungen über eine Frequenz-änderung bestimmen

D: Federkonstantem: Masse

Wie empfindlich ist ein Schwinger?

maßgeblich: f/m (Frequenzänderung/Massenänderung)

fmm

D

mdm

df

2

1

2

1

Ableitung von

Die Empfindlichkeit steigt bei abnehmender Masse und bei zunehmender Frequenz des Schwingers

Quarz-Mikrowaage

„Mutter“ aller akustischen Sensoren

QuarzmikrowaagezurSchichtdickenmessung

obere ElektrodeGegenseite metallisiert

Quarz-Mikrowaagen haben typische Betriebs-frequenzen von 5-20 MHz

üblicherweiseScherschwinger

Vom Schwinger zur Welle

Quarz-Schwinger können nur bis zu Frequenzen

von ca. 20 MHz hergestellt werden.

Für höhere Frequenzen Oberwellen, aber df/dm

bleibt gleich -Empfindlichkeit also limitiert!

Lösung: Übergang zu propagierenden Oberflächenwellen

Halbunendliches Kontinuum

Randbedingung: oberer Halbraum Kräfte- und Verzerrungsfrei

wegen der fehlenden Rückstellkräfte niedrigere Schallgeschwindigkeit an der Oberfläche

neue Schall-Moden, die an der Oberfläche lokalisiert sind

Rayleigh-Welle

Rayleigh-Welle

Rayleigh-WelleStandard in der Signalver-arbeitung (TV, Handies, ...)

Frequenz: 20...>1000 MHzWellenlänge bei 400 MHz: ca. 10µm

Eindringtiefe Wellenlänge

empfindlich wie ein Quarz-Schwinger bei dieser Frequenz

Erzeugung von Oberflächenwellen

Alternierend gepolte Finger verformen über den piezo-elektrischen Effekt die Ober-fläche. Wenn an die Finger ein Hoch-frequenzsignal mit der Fre-quenz f=v/ angelegt wird, wird eine Oberflächenwelle angeregt.

z.B. Quarz, LiNbO3, LiTaO3

Frequenz MHz 400c

f

Wellenlänge µm 10

‚Klassisches‘ Oberflächenwellenbauelement

Verzögerungsleitung

Laufzeit: Ca. 2 sFrequenz: 360 MHzWellenlänge : 10 m

Nachteile: • Sockel notwendig• Empfindliche Bonddrähte• Offene elektrische Anschlüsse

Interdigitalwandler;einer sendet, einerempfängt

Induktiv gekoppeltes Bauelement

R F co n n ec tio n

p rim ary co il

ID T

ID T

m ag n e tic flu x

S AW -D ev ice (seco n d a ry co il)

Prinzip

Bauelement

Vorteile: Keine elektrischenKontakte

Kein SockelOberfläche leicht und jederzeit präparierbar

Ersatzschaltung

Induktiv gekoppeltes Bauelement

HF-Zuführung

SAW-Bauelement

Koppelschleife Leiterplatte

andere Bauformen

Was bringt die induktive Kopplung

Vorteile:

einfache Herstellung des Bauelements (kein Sockel, kein Bonden) leichter Wechsel des Bauelements Beschichtung des gesamten Bauelements jederzeit möglich unproblematische Reinigung des Bauteils Betrieb in leitfähigen Flüssigkeiten möglich

Probleme: elektrische Anpassung schwieriger externe Anpassungsschaltung nötig ohm‘sche Verluste in der “Spule“ auf dem Bauelement

Wie misst man die Änderung der Geschwindigkeit? (1)

2v

f2πΔvΔ

RF o ut RF in

30 K€

1.) Phasenänderung

.. oder dedizierteElektronik!

Netzwerkanalysator

Geht auch mitinduktiv gekop-pelten Bauele-menten

: Distanz zwischen Transducern

Dedizierte Elektronik

Puls-Echo-Verfahren im ZeitbereichEmpfindlichkeit wie NetzwerkanalysatorGröße ca. 12x6,5x5,5 cmMicroprozessor einge-baut

Hergestellt in der Elektronikwerkstatt

Wie misst man die Änderung der Geschwindigkeit? (2)

2.) Oszillatorschaltung

v

Δv

f

Δf

Recht einfach, bei Flüssigkeiten noch kaum angewandt

Unsere Projekte

• Gassensorik mit halbleitender Sensorschicht (beendet)

• Gassensorik mit massenempfindlicher Sensorschicht

• Sensorik in Flüssigkeiten: BiosensorBewertung von (Schmier-)

Öl

Leitfähigkeit und Oberflächenwellen

Ein elektrisches Feld läuft mit der Welle -in der Sensorschicht werden Ströme induziert

vv

Kv CS

S S

2 2

2 2 22

Dämpfung:

K vC

v CS S

S S

2 2

2 2 22

S

S

Schichtleitfähigkeit

K Piezoelektr Kopplungsfaktor

C Kapazitä t Fingerlänge

:

: .

: /

Schallgeschwindigkeit:

Problem bei Schallgeschwindigkeit: starke Temperaturabhängigkeit

genaue Temperaturregelung notwendig

Wie groß ist der Effekt?

Schallgeschwindigkeit, Dämpfung und Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Schichtleitfähigkeit

hier arbeiten wir etwa

Detektion von organischen Dämpfen

.. das bekannteste Anwendungsgebiet in der akustischen Sensorik

Beschichtung der Bauelemente mit Polymeren, z.B.

• Polyisobutylen (PIB)• Polyepichlorhydrin (PECH)• Polyäthylenimin (PEI)

bei uns: extrem kleine Schichtdicken 40 nm hergestellt durch Spincoating

Durch Kombination von mehreren Sensoren „elektronische Nase“

Detektion von Toluol

200 250 300 350 400-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2Toluol in S ticks toff

BT 41 i q315440 2000-200 ppm02.02.2000 0,2 l/mi n Tenax_0.opj

Pha

se [

°]

Zeit [Min]

0 500 1000 1500 20000

2

4

6

8

10

12

14

16

BT 41 i q315440 2000-200 ppm02.02.2000 0,2 l/mi n Tenax_0.opj

Toluol in S ticks toff

= -0.4 2+0.0080 c

Ph

asen

hu

b [

°]

Konzentration [ppm]

Konzentration zwischen 2000 ppm und 200 ppm

Linearität desSensors

Diskontinuierliche Messung mit Vorkonzentration

Der Konzentrator ist mit Tenax gefülltDas Testgas wird adsorbiert und periodisch durch Erwärmen ausgetrieben. Der Gasfluß kann während des Aufheizens unterbrochen werden

Ergebnis mit Vorkonzentration

-3 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

104 00 ppm Toluol in S tickstoff

23. 02.00 B T41 i q 315440 PIB Tenax29.opj300 m g Tenax; 0.2l/ min Toluol (400 ppm ) i n N

2

Pha

se [

°]

Zeit [Min]

500, 95 490, 97 492, 02 504, 72 491, 74494, 42494, 19

Empfindlichkeit um Faktor 25 gesteigert

Vorteile: Empfindlichkeit Keine Drift dadurch eventuell Verzicht auf Temperaturregelung

Frequenzabhängigkeit

100 1000

1E-3

0,01

dS/dF= 2.099 °/(ppm MHz)

sen

sitiv

ity [

°/pp

m]

frequency [MHz]

die Empfindlichkeit steigt wie vorausgesagt mit dem Quadrat der Betriebsfrequenz

Bau von Sensoren mit Frequenz 1 GHz

Sensorik in Flüssigkeiten (Biosensorik)

elektrische Isolation von Zuführungen und Transducern notwendig chem. Unempfindlichkeit gegenüber Flüssigkeit durch Materialwahl (z.B. Gold) oder Schutzbeschichtung

Unterschiede zur Gassensorik:

die sonst übliche Rayleighwelle kann nicht verwendet werden (Dämpfung)

Oberflächen-Scherwellen verwenden

weiteres Problem:

Messung in leitfähigen und aggressiven Flüssigkeiten (z.B. Pufferlösungen)

flüssig

fest

Volumenwellein der Flüssigkeit

Oberflächenwelle

Oberflächen-Schermoden

Rayleighwelle

Schermode

nur noch viskose Ankopplung an die Flüssigkeit –geringe Dämpfung

Anregung wie gewohnt durch Interdigitalwandler, aber anderer Kristallschnitt

Schutz vor der Flüssigkeit

•Induktiv gekoppelte Bauelemente (keine Zuleitungen)

•Beschichtung des Bauelements, z.B. mit 1 µm SiO2 oder Polymer

•Lokalisieren der Flüssigkeit im Bereich der akustischen Laufstrecke (z.B. durch Wall aus Silikonkautschuk oder Oberflächenspannung)

Beschichtung der Laufstrecke und der Wandler mit Gold (auf dem SiO2)

Beschichtetes Bauelement

Die SiO2-Schicht schützt die Transducer (IDTs) vor der Flüssigkeit und führt die Welle (Love-Welle)

Probenflüssigkeit

Lokalisierung des Tropfens durchOberflächenspannung, oder Wall aus SilikonkautschukHydrophobisierung der übrigen Flächen

Durchflusszelle für kontinuierliche Zufuhr (Schema)

bisher kein systematischer Einsatz

Probenauslass

Substrat

Schutzschicht

Träger

Dichtung

Probeneinlass

Deckel

TransducerinduktiveKopplung

Antigen/Antikörper-Reaktion

Antikörper binden sehr selektiv an Antigene (körperfremde Proteine, z.B. von Infektionen) und sorgen für deren Zerstörung

Hypervariable Region

Konstante Region

Der Nachweis von Antikörpern über diese Bindung läßt z.B. den Schluß auf eine Infektion zu

Biosensor: Antikörper werden auf dem Sensor immobilisiert, die Bindung des Antigens wird detektiert –oder umgekehrt

Präparation des Biosensors

In unseren Experimenten sind die Antigene ebenfalls Antikörper, aber von fremden Spezies, z.B.

Sensorschicht: Ziege gegen Kaninchen Nachzuweisen: Kaninchen gegen Pferd

Als Sensorschicht werden Antikörper aufgebracht (`immobilisiert‘), die das zu detektierende Antigen binden können

Die Proteine werden durch Auftropfen in Pufferlösung aufgebracht

Präparation des Biosensors

Au

+ Polyvinylamin (PVAm)

CH2 CH

NH2n

Mercaptoethanol Silan

+

SH

OH

+

Si

O

O

MeO

CH3

(CH2)3 NH2

CH3

2

Antikörper

Glutaraldehyd+

H H

O O

Aktivierung

Vernetzung

Chemische Immobilisierung von Antikörpern

Sensorantwort auf die Immobilisierung

Aufpippettieren der Lösung

Ziege gegen Kaninchen1,2 mg/ml

Sensorantwort: Immunoreaktion

Spezifische Reaktion

Unspezifische Reaktion

Antikörperlösung(Kaninchen gegen Pferd) 1.2 mg/ml

Antikörperlösung (Ziege gegen Maus) 1.2 mg/ml

Fibrinogenlösung (aus menschlichem Plasma) 4 mg/ml

Empfindlichkeit

5x10-3 g/l nachweisbar

Zum Schluß ...

Sensorik mit akustischen Oberflächenwellen

• misst unmittelbar physikalisch-chemische Vorgänge über Massenänderung

• erlaubt, auch zeitabhängige Vorgänge zu untersuchen, z.B. Diffusion

• kann einfacher, schneller und empfindlicher sein, als etablierte Techniken

• kann billiger sein

• hat noch ein großes Entwicklungspotential

Kompetitive Reaktion

0 10 20 30 40 50 60 70-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6PG E

2/anti-PG E

2

anti-PG E2

Pha

se [°

]

Zeit [min]

Prostaglandin (PGE) wird immobilisiertdann Mischung PGE/anti PGEdanach reines anti-PGE

mit kompetitiven Reaktionen können leichteProteine nachgewiesen werden