Gassensorik am IHF: Aktuelle Arbeiten und Konzepte für optische Sensorsysteme

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1 Gassensorik am IHF: Aktuelle Arbeiten und Konzepte für optische ensorsysteme E. Becker, H.-H. Johannes, W. Kowalsky 1

2 ensor Topics Faseroptische/integriert-optische ensoren Gas-ensoren aus leitfähigen Polymeren JOMC: Optische ensorik für biogene Amine 2

3 Faseroptische ensoren C1a Arbeitsgruppe Dr. H.-H. Johannes Anwendung: zerstörungsfreie, kontinuierliche Überwachung von Betonbauten Messung von Feuchtigkeit, ph-wert, aggressiven Ionen (Cl -, O 4 2-, H 4+ ) Technologie ensitive Farbstoffe ändern ihre optischen Eigenschaft in Gegenwart des Analyten eine Technologie für viele verschiedene Messaufgaben optische ignalübertragung: keine EMI-Probleme 3

4 ph-ensor Based on Azo-Dye 2,5 OH O 2 R O - O 2 R absorption a.u. 1,5 1 IP ph 11 ph 9 0,5 ph nm nm 700 wavelength λ 4

5 Principle of Planar Transmission ensor white light transmitted & reflected light cut filled with sensor material species to detect (e.g. H 2 O, ph, Cl - ) glue encapsulated fiber sensing material fiber mirror metallized fiber end encapsulation of mirror 5

6 Covalent Bonding of Dyes O O x OH y z O O leachingpreventedby covalent bonding Ar Ar = OH HO OH 6

7 Messaufbau ensors Optical ystem Lichtquelle Light-source Coupler Fiber switch pectrometer Computer Data Monitoring Center 7

8 FB-Transferprojekt Integrierter mikro-optischer Reflexionssensor Messung der spektralen Absorptionsänderung bei bis zu drei diskreten Wellenlängen Kooperation mit dem Institut für Mikrosensorik (Ci, Erfurt) 8

9 Messprinzip MORE mit ensorfarbstoff 9

10 Datenauswertung bei diskreten Wellenlängen Messdaten aus Fasersensor für rel. Feuchte (Reichardts Farbstoff) 1,0 LED 1 LED 2 LED 3 0, ,4 Emission r.e. 0,6 0,4 0,2 r.e. 0,00-0,25-0,50 Absorption Rel. Luftfeuchtigkeit (%) ,3 0,2 0,1 Absorption (w.e.) 0, nm 800-0,75 0, Wellenlänge Zeit (td.) 10

11 Polymer Gas-ensoren Anwendungen: low-cost ensoren/detektoren for Gase und Dämpfe Ersatz für teure/energieintensive ensor-technologien Technologie: elektrochemische Deposition von leitfähigen Polymeren elektrischer Widerstand ändert sich in Gegenwart des Analyten 11

12 Polymer Gas-ensoren Elektrisch leitfähige Polymere (ICP): dotierte Polyene Ladungstransport Dotand π-ystem Elektropolymerisation auf Interdigital-Elektroden 12

13 ensor Mechanism Conductivity change of a polymer film in the presence of vapour/gas Δσ = 1 Δσ c Δσ h + 1 Δσ i Δσ c = Conformational changes of the polymer chain Δσ h = Change of coupling (carrier hopping) between polymer chains (swelling) Δσ i = Change of doping concentration CH 4 Examples for detectable gases: CH 4 H 3, H 2, CO, O x : Polypyrrol, Poly(3-methylthiophene) CO 2 : Polyaniline Methan: Poly[3',4'-dihexyl-4,4''-bis(pentyloxy)-2,2':5',2''-terthiophene] 13

14 Porphyrin-funktionalisierte Polythiophene C 6 H 13 O Lineare Anbindung: n i n eitliche Anbindung: n = 0,1 C 6 H 13 O i H 13 C 6 O OC 6 H 13 14

15 Porphyrin-funktionalisierte Polythiophene i H 13 C 6 O OC 6 H 13 Methan bis 5 % detektierbar CO bis 30 ppm detektierbar Alkan/CO Differenzierung möglich 15

16 Gammelfleisch Eine aktuelle Aufgabe für die Messtechnik Optische ensorik für biogene Amine in der Gasphase Anwendung: Lebensmittelkontrolle (Fleisch, Fisch) Braunschweiger Zeitung vom

17 Gammelfleisch Eine aktuelle Aufgabe für die Messtechnik ituation Kontrolleure müssen optische Veränderungen/Geruch erkennen Vor Ort nur subjektive Beurteilung möglich im Verdachtsfall: zeitaufwändige Analyse erforderlich Ziel achweis von Fleischverderb bevor optische/geruchsveränderungen auftreten schnelle Vor-Ort-Überprüfung von Fleisch und Fleischprodukten 17

18 Lösungsansatz JOMC-Ansatz: Detektion von charakteristischen ubstanzen aus verdorbenem Fleisch in der Gasphase Biogene Amine entstehen durch enzymatische Decarboxylierung von Aminosäuren beim mikrobiellen Verderb von Lebensmitteln Konzentrationen: ppm mit Verderb zunehmende Konzentration von H 2 H 2 H 2 H H 2 H 2 Putrescin Histamin mit Verderb abnehmende/konstante Konzentration von H 2 H H permin H 2 H 2 Cadaverin H H 2 permidin 18

19 Biogene Amine Indikatoren für die Frische von Fleisch und Fisch Biogenic Amine Index c Histamin + c Putrescin + c Cadaverin = frisches Fleisch BAI < 1 verdorbenes Fleisch BAI > c permidin + c permin (Karmas, 1981) Vorteil: ubstanzen können auch in verarbeitetem Fleisch (Wurst, Fertiggerichte) nachgewiesen werden bestehende Untersuchungsverfahren (z.b. amtliche Methode nach 35 LMBG 10.00): aufwendige Probenvorbereitung: Homogenisierung, Derivatisierung, Chromatographie (HPLC) nicht vor Ort/ als chnelltest einsetzbar 19

20 Optische Detektion von biogenen Aminen Herausforderungen: keine charakteristischen Absorptionsbanden im Vis-pektrum sehr ähnliche Molekülstrukturen Ansätze: selektive Adsorption auf Oberflächen (Evanescent Field ensor) Chromatographie-Methoden (GC, Ion Mobility pectroscopy) UV/IR-pektroskopie 20

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