V5-1
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES
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
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Bio-Sensor: Schematischer Aufbau
V5-18
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Biosensor: Enzym-selektiver FET
V5-19
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Mögliche Anordnungen von Bioelektroden
V5-20
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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
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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
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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
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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
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Planarer kapazitiver Feuchtesensor
Feuchte-adsorbierende dielektrische Polymerschicht
Interdigitale Elektroden
Substrat
Kapazitätsmessung in der Ebene der Adsorber-Schicht
V5-25
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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
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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
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Optochemische Effekte
Optochemische Sensoren
Faseroptische chemische und biochemische Sensoren
V5-28
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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
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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
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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
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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
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Anwendung: Medizinischer Hirndruck-Sensor
Fa. Camino/USA
V5-33
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Anwendung: Medizinischer Herzdruck-Sensor
Fa. Camino/USA
V5-34
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES
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
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∅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
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UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES
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
UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES
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