Chemo- und Biosensoren

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1 Chemo- und Biosensoren V5-1 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)

2 Anwendungsgebiete von Chemound Biosensoren (I) V5-2 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-kompatibel Integration von Signalverarbeitung Lab-on-Chip On-line-Messung (in-situ Prozess- und Umwelt-Messtechnik in vivo-medizinische Diagnostik Steuerung/Automatisierung

3 Anwendungsgebiete von Chemound Biosensoren (II) V5-3 Probleme: Langzeitstabilität Selektivität (große Vielfalt chemischer Verbindungen und biochemischer Reaktionen) Beispiele für Massenanwendungen (in Mio. Stückzahl): SnO 2 Leitfähigkeits-Gassensoren Taguchi-Sensor zur Überwachung von Verbrennungsanlagen (CO, CH 4 ) Zr0 2 Festelektrolyt-pO 2 -Sensoren in Gasen λ-sonde zur Gemischregelung in Kfz-Motoren viele Chemo- und insbesondere Biosensoren sind noch im Forschungsstadium oder Prototypen-Test

4 Charakteristische Sensoreigenschaften V5-4 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

5 Leitfähigkeits-Gassensoren Taguchi-Sensor Zinnoxid-Gassensor auf der Basis von Leitfähigkeitsänderungen durch Chemisorption von O 2 -Molekülen der Luft bei T 400 C Nachweis reduzierender oder oxydierender Gase in der Luft: H 2 S undotiertes SnO 2 als Sensormaterial: V5-5 CO, CH 4 Cu- oder Pt-dotiertes SnO 2 Empfindlichkeit einige 0,1 ppm Au- Elektrode polykristallines gesintertes SnO2 Au- Elektrode Anwendung: Überwachung von Verbrennungsprozessen, Feuer- und Heizgas-Warnung Heizdraht Querempfindlichkeit von CO zu CH 4

6 Zur Funktionsweise von Halbleiter-Gassensoren V5-6 Gasmoleküle, die an der Oberfläche eines Metalloxid-Halbleiters (z.b. n-dotiertes SnO 2, ZnO, Fe 2 O 3 ) adsorbiert werden, ändern dessen Leitfähigkeit: O 2 -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. NO 2, Cl 2, führen zu weiterer Leitfähigkeitsabnahme. Reduzierende Gase, z.b. CO, CH 4, H 2, 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

7 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 O 2 O H 2 O + 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 U P 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) O 2 -Durchtrittsreaktion begrenzt Diffusionsstrom I: I = (z F D A / δ) c F = 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 (O 2 ) V5-7

8 Amperometrie (Clark-Sensor) Messaufbau-Schema V5-8 c O2 in mg/l: Bezugselektrode BE kompensiert den durch zunehmende AgCl- Belegung verursachten zusätzlichen Spannungsabfall U P Strom-Spannungs-Kennlinien des Clark-Sensors bei verschiedenen Sauerstoff-Konzentrationen c O2

9 Sauerstoff-Sensor Konstruktions-Schema V5-9 Ag Bezugselektrode BE Elektrolyt Ag Gegenelektrode GE Au Messelektrode ME O 2 -durchlässige Membran (z.b. Teflon-Folie) Anwendung: Medizintechnik p O2 -Messung im Blut

10 Festelektrolyt-Sensoren λ-sonde V5-10 Gas-sensitive Elektrode für O 2 (potentiometrischer Sensor), angewendet für Gemisch-Regelung im Verbrennungsmotor: λ = (zugeführte Luftmenge/theoretischer Luftbedarf) = p O2 (Gemisch)/p O2 (ideal) λ < 1 : fettes Gemisch; λ > 1 : mageres Gemisch Polykristallines ZrO 2 ( mit 15% Y 2 O 3 ) ist geeigneter Ionenleiter für Sauerstoff (stabile Sauerstoff-Leerstellen, die bei T > 350 C beweglich werden und O 2- -Ionen durch das Kristallgitter transportieren können) Ionenleitfähigkeit wird um Größenordnungen höher als Elektronen-Leitfähigkeit. Oberflächen der ZrO 2 -Ionenleiter-Membran sind mit porösen O 2 -durchlässigen Pt-Schichten überzogen, an denen die Oxydations- und Reduktions-Reaktionen mit O 2 -Molekülen ablaufen: O e - 2 O 2- O 2- -Ionen diffundieren durch Innenleiter in Richtung Konzentrationsgefälle zwischen Mess-Gas und Referenz-Gas es entsteht Potential-Differenz U 12 zwischen den Pt-Elektroden: U 12 = (R T)/(z F) ln(p M /p B ) = 0,0496 T lg(p B /p M ) in mv/k R - universelle Gas-Konstante; p M -O 2 -Partialdruck im Messgas; p B dto. im Bezugs-Volumen

11 λ-sonde Messaufbau-Schema V5-11 U 12 ~ p B /p M Poröse Pt-Schicht p M p B - Sauerstoff-Partialdruck im Messgas - Sauerstoff-Partialdruck im Referenzgas (Außen-Luft) U 12 /mv U p M 600 C ZrO 2 :Y 2 O 3 p B U 12 Fettes Gemisch, praktisch sauerstofffrei Steigender O 2 -Partialdruck im Abgas x Potentialverlauf U über die Elektroden Sondenspannung U 12 in Abhängigkeit vom λ-wert λ

12 Aufbau einer λ-sonde V5-12 Abgas (Auspuff) p M Luft (Umgebung) p B U 12 Poröse Pt-Schichten: Elektrode + Katalysator zur Rest-Oxydation Auf Abgas-Seite: zusätzliche poröse Keramik-Schutzschicht

13 Funktion der λ-sonde am Kfz-Katalysator V5-13 Idealer p O2 -Partialdruck im Abgas: solcher p O2 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 + O 2 2 CO 2 2 C 2 H O 2 4 CO H 2 O 2 NO + 2 CO N CO 2 Summenformel (qualitativ): C x H y + CO + NO z N 2 + H 2 O + CO 2

14 Chemisch-sensitive Feldeffekt-Transistoren Ionen-Sensitiver Feld-Effekt-Transistor = ISFET Si-SiO 2 -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 U T und Source-Drain-Strom I SD. I SD Mess- Flüssigkeit U G Durchlässige Gate- Elektrode ISD Ionen-selektive Membran Mit Ionen Ohne Ionen V5-14 SiO 2 U T U T Anwendungen: ph-messung Ta 2 O 5 -Membran Messung von Alkali-, Ammonium- und Halogenid-Ionen in Lösungen

15 I SD Gas-ISFET für H 2 -Detektion I SD V5-15 Pd-Schicht als Gate- Elektrode SiO 2 Pd-Schicht bewirkt katalytische Dissoziation von H 2 H + -Ionen werden im Pd-Gitter aufgenommen und diffundieren zur Pd-SiO 2 -Grenzschicht, wo sie das innere elektrische Feld in MOS-Kondensator ändern. Sehr empfindliche und selektive H 2 -Sensoren Anwendung: Überwachung von H 2 -Leitungen, -Tanks

16 a) Draufsicht Struktur eines Multi-ISFET-Chip V5-16 Beispiel eines Multisensors zur gleichzeitigen Bestimmung von H + -Ionen (ph-wert) K + -Ionen Na + -Ionen in einem Blutstropfen. b) Querschnitt NAS Natrium-Aluminium-Silikat

17 Bio-Sensor: Schematischer Aufbau V5-17

18 Biosensor: Enzym-selektiver FET V5-18

19 Mögliche Anordnungen von Bioelektroden V5-19

20 Beispiele von Bioelektroden für bestimmte Analyte V5-20 Analyt Rezeptor Sensor Glucose Ethanol D-Aminosäuren L-Glutamin Penicillin G Harnstoff Hepatitis Peroxidase Glucoseoxidase Alkoholoxidase D-Aminooxidase L-Glutaminase Penicillinase Urease Anti-H BsAg Antihepatitis surface antigen Con A ph-, O 2 -, H 2 O 2 -Elektrode O 2 -Elektrode NH 4+ -Elektrode NH 4+ -Elektrode ph-elektrode NH 4+ -, ph-elektrode GOD + O 2 -Elektrode Ag/AgCl-Elektrode H 2 O 2 -Elektrode

21 Prinzipien von Biosensoren V Affinitätssensor 2. Metabolismussensor Veränderung der Elektronendichte Substratverbrauch und Produktbildung Rezeptor R Chemisches Signal S Rezeptor R Chemisches Signal S Farbstoff Lecitin Apoenzym Antikörper Rezeptor Protein Glycoprotein Prosthetische Gruppe Antigen, Hapten Hormon Enzym Organelle Zelle Gewebeschnitt Substart Cofaktor Effektor Enzymaktivität 3. Gekoppelte und Hybridsysteme 4. Biomimetische Sensoren Sequenz Konkurrenz Antiinterferenz Verstärkung Rezeptor R Trägerenzym Chemisches Signal S Schall Dehnung Licht

22 Erkennungs- Systeme Biochemische Sensorsysteme Signalwandler (Transducer) Messwert / Auswertung Konfiguration V5-22 Biologisch Enzyme (Polyidonale) Antikörper Rezeptoren Nukleinsäuren Zellen Biotechnologisch Designte Enzyme Transgene Zellen Antikörpervarianten Biomimetisch Hochaffine Aptamere PNS Ribozyme Synthetisch Synzyme Imprints Host-Guest-Paare Ionophore Elektrochemisch Amperometrisch Potentiometrisch Konduktometrisch Kapazitiv ISFET Optisch Photometer Interferometer Refraktometer Fluorimeter Luminometer Mechanisch / thermodynamisch Thermistor Viskosimeter Schwingquarz Magnetisch Toroid Schwellenwert Analog/visuell Digitale (Einzel-) Konzentration Biologische Wirkung Substanz- Muster (Plattern) Sensor ( Probe ) Mikro-Analysen- System (μ-tas) Hoch-parallele Mikro- Reaktoren ( Array on chip )

23 Kapazitive Feuchtesensoren Kapazität C eines Kondensator der Plattenfläche A und Plattenabstand d: C = ε r ε 0 A / d Bei Eindringen von Wasserdampf (Feuchte) in eine Polymerschicht (z.b. Polyimid) : Änderung ΔC der Kondensator-Kapazität durch Änderung Δε r der relativen Dielektrizitäts-Konstanten. Empfindlicher Nachweis dieser variablen Sensorkapazität durch Schwingkreis Änderung der Resonanzfrequenz Hochfrequenz-Messbrücke analoge Brückenverstimmung Auf Silizium-Substart monolithische Integration der Signal-Verarbeitung preiswerter miniaturisierter Feuchtesensor V5-23 Messbereiche: % rh (relative Feuchte = Anteil von gesättigterfeuchte) im Temperaturbereich C ε r ε 0 - Relative Dielektrizitätskonstante - Dielektrizitätskonstante des Vakuum ε 0 = 8, As/Vm

24 Planarer kapazitiver Feuchtesensor V5-24 Feuchte-adsorbierende dielektrische Polymerschicht Substrat Interdigitale Elektroden Kapazitätsmessung in der Ebene der Adsorber-Schicht

25 Feuchtesensor in Sandwich -Anordnung V5-25 Obere Au- Elektrode Poröse dielektrische Al 2 O 3 -Schicht Untere Al- Elektrode Substrat Kapazitätsmessung in der Ebene senkrecht zur Adsorber-Schicht Dünne Au-Schicht als feuchte-durchlässige Elektrode

26 Zur Feuchte-Bestimmung wird die Temperatur gemessen, bei der Wasserdampf kondensiert = Taupunkt-Temperatur ϑ T Taupunkt-Sensor V5-26 Sensor wird durch Peltier- Element abgekühlt, bis ϑ T erreicht wird (H 2 O-Tröpfchen kondensieren auf der Oberfläche) Nachweisprinzip: Kapazitäts- oder Leitfähigkeitsänderung Relative Feuchte rh = p D (ϑ) / p DS (ϑ) = p DS (ϑ Τ ) / p DS (ϑ) p D - Wasserdampf-Partialdruck, Index S - Sättigungswert; Temperatur ϑ; p DS (ϑ) - Tabellenwerte

27 Optochemische Effekte V5-27 Optochemische Sensoren Faseroptische chemische und biochemische Sensoren

28 Gas-Opt(r)oden V5-28 Spezies Detektionsprinzip Typischer Messbereich Sauerstoff CO 2 SO 2 Chlor Wasserstoff Fluoreszenzlöschung Phosphoreszenzlöschung Via ph-messung in internem Puffer Fluoreszenzlöschung Eigenabsorption Interferometrisch 0, Torr 0, ,1 Torr 0, Torr 70 ppm... 5 % 0, % ppm Beispiel: Faseroptischer Miniatursensor für die kontinuierliche Erfassung von ph, p O2 und p CO2 (medizinischer in-vivo -Blutgassensor)

29 Faseroptischer in-vivo Blut-Sauerstoff-Sensor V5-29 Reflexionsmessungen bei 2 Wellenlängen: rot (λ r = 680 nm) und infrarot (λ ir = 950 nm) R(λ r ) steigt mit wachsender Sauerstoff- Sättigung HbO 2 des Hämoglobin Hb Optische Faserbündel Blut Detektor

30 Optochemische Sensoren Elektrolyt-Opt(r)oden V5-30 Spezies Detektionsprinzip Typischer Messbereich H + Cu 2+ Al 3+ K +, Cu 2+ Na + Halogenide Reflektometrie Fluoreszenz Eigenabsorption bei λ = 820 nm Fluoreszenz des Morin-Komplexes Optische Potential-Messung Reflektometrie Fluoreszenz Fluoreszenzlöschung 2, ph-einheiten ph-einheiten mmol µmol 0, mmol mmol mmol mmol

31 Prinzip der Reflexions- Abstandsmessung a) 1 Faser + Faserkoppler b) 2 parallele Fasern V5-31 Quelle, I 0 2R f Detektor, I(L) L L I(L) ~ I 0 [R f /(R f + L NA) ]² NA=0,15 NA=0, L/R f Charakteristik hängt ab von: - Numerische Apertur - Faserradius - Faserabstand L/mm 5

32 Anwendung: Medizinischer Hirndruck-Sensor V5-32 Fa. Camino/USA

33 Anwendung: Medizinischer Herzdruck-Sensor V5-33 Fa. Camino/USA

34 Faseroptischer Feuchtesensor (I) V5-34 I 0 d, n Gitter CCD Zeile n H n Low I R I T LED LWL Teilreflektierende Spiegel I R Polychromator Fabry-Perot Sonde Λ min ~ d, n λ 1 mm Freier Spektralbereich > spektrale LED Breite!

35 Poröse Sensorschicht auf der Faserendfläche: Feuchte-Sensor V5-35 Nano-poröse dünne Schicht H 2 O Dampf Optische Faser 200 µm Reflectivity Wellenlänge [nm] Reflektions-Spektrum 1,0 0,5 H 2 0 gefüllte Poren Trockene Poren 0, Wellenlänge [nm] Sensor-Charakteristik Taupunkt [ C]

36 Anwendungen für faseroptischen Feuchtesensor V5-36 On-line Messung der Restfeuchte in Gasen (Erdgas, Reinstgase) und in organischen Flüssigkeiten Messbereich: Taupunkt TDP = - 80 C +20 C = Partialdruck p(h 2 O) = Pa Hygrometer (BARTEC GmbH) Erdgas-Trocknerstation (German Verbundnetz Gas AG) Sensor

37 UV-Faser Evaneszent-Feld-Absorptions- Spektroskopie (EFAS) Sensoren In-situ Nachweis organischer Verunreinigungen (BTEX, PAK) in Wasser, Erde oder in Luft, unter Nutzung permeabler optischer Polymer-Cladding- Materialien V5-37 Transmission 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Xylen Toluen Benzen Petrol Naphta Wellenlänge [nm] Cladding Analyt (Luft, Wasser) BTEX (Benzen, Toluen, Ethylbenzen, Xylen) Spektren in Wasser BTEX Nachweisgrenzen in Luft Substanz Nachweis- Grenze Max. erlaubte (ml/m 3 ) Konzentration Benzen 3 1 Toluen Xylen

38 UV-EFAS faseroptischer Kohlenwasserstoff-Sensor V5-38 Sensor-Faser: 200 μm Quarz / 20 μm dickes PDMS Cladding (Länge 1 m) Lichtquelle: Xenon Blitzlampe Spektrometer: MMS (Carl Zeiss), UV MINOS (IPHT) Schema: Sensorfaser Sonde Test-Instrumentierung für Erdreich-Messung: Faserkabel Steuerung Batterie UV-Spektrometer UV-Lampe Stromversorgung

39 Faseroptische UV-Absorptions-Sensorik von BTEX in Wasser: Langzeit-Feldtest in der Grundwasser-Reinigung V5-39 1,0 0,8 Transmission 0,6 0,4 0,2 0,0 Benzen Toluen Xylen Gasolin Diesel Wellenlänge [nm] Partner: DBI Gas- und Umwelttechnik GmbH Leipzig Faserspule

40 Faseroptischer Kohlenwasserstoff- Sensor: Anwendung Kalibrierung des UV Spektrometers mit Standard-BTEX-Testsubstanzen: 50% Benzen, 30% Toluen, 5% Ethylbenzen, 15% Xylen, verdünnt in 1 l Wasser: Anwendungsbeispiel: V5-40 In-situ Filterprozess-Steuerung in der Grundwasser-Reinigung (Lauchhammer/Sachsen) Wellenlänge [nm]

41 Spektrale In-situ Nährstoff-Analyse in Binnen- und Meer-Wasser Analyte Analyse-Methoden Messbereich Nitrate UV Spektrophotometer 0,5 150 µmol/l NO - 3 o-phosphat FIA mit Fluoreszenz-Nachweis 0,05 5 µmol/l PO 43 - Ammonium FIA mit Fluoreszenz-Nachweis 0,1 20 µmol/l NH + 4 V5-41 Meer-Test an Bord der Fähre Duchess of Scandinavia : Messung des Nitrat-Konzentrations-Profils in der Nordsee 500 Ferry route Harwich (GB)-Cuxhaven (D) NO 3 -N [µg/l] Harwich harbour Elbe estuary Journey tim e [h] Messdaten: Institut für Meeresforschung, GKSS,

42 FBG Evaneszent-Feld Chemische Sensorik: Refraktometrie V5-42 Analyt Evaneszentes Feld Optionale Sensorschicht Temperatur-Referenz Sensor-FBG Refraktometrische Prozess- Kontrolle von Benzinprodukten: Refraktometrische Bragg-Verschiebung: Side-polished optical fibre embedded in silica block coating 839,0 Λ Bragg Wavelength [nm] 838,8 838,6 838,4 838,2 838,0 Analyt n A Δλ B = 2 Δn eff (n A ) Λ 837,8 1,30 1,35 1,40 1,45 n A H2 O Ethanol 26%NaCl/H 2 O OZ91 OZ98 SPO LMO DAO

43 Evaneszentes Feld T-Referenz (FBG) Analyt (Gas, flüssig) FBG Chemo- und Bio-Sensorik Bragg-Verschiebung: Δλ B = 2 Δn eff (n A ) Λ Quarzglas Sensor-FBG Transducer-Schicht (optional) Monomodefaser (seitlich poliert) Coating Prozess-Kontrolle von Benzinen Bragg-Wellenlänge [nm] 838,23 838,22 838,21 TE Polarisation TM Polarisation S4 838,20 S3 S1 S2 838,19 1,40 1,41 1,42 1,43 1,44 1,45 Analyt-Brechungsindex n A V5-43 H 2 Gas-Nachweis mit 200 nm Pd Bragg-Wellenlänge [nm] 828,00 H 2 - Konzentration in Argon-Gas 827,96 827,92 0 % 1 % 1 % 2 % Zeit [min] Sensitive Dünnschicht-Überzüge: 2 % SPR Biochemie-Sensorik mit 30nm Au Bragg-Wellenlänge [nm] 831,70 831,60 831,50 831,40 Partner: IREE Prag TE TM 1,40 1,42 1,44 1,46 Brechungsindex n A

44 Faseroptische Chemo- und Bio- Sensorik-Konzepte mit funktionalisierten Mikro-/Nano-Strukturen V5-44 Mikro-strukturierte optische Faser: PCF- Preform Photonische Kristall-Faser Hohlkernfaser Optischer Fasertaper 2.8 µm Miniaturisierte Analyseinstrumente für Zellen and andere Mikrostrukturen Verstärkte Evaneszent-Feld-Wechselwirkung Nanodrähte Integration von Wellenleitung und Kapillarstrukturen lange Wechselwirkungsstrecken Erhöhte Analyse-Empfindlichkeit in kleinen Probenvolumina (Gase und Flüssigkeiten) Effiziente Licht-Materie-Wechselwirkung (Absorption, Fluoreszenz, Raman/SERS)

45 Erhöhte Evaneszent-Feld-Absorption in PCF im Vergleich zur Quarzglasfaser a) Standard Quarzglas Permeables Polymer-Coating absorbance [dbm -1 ] 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 absorbance max at 592 nm Chemische Sensorik in Photonischer Kristallfaser (PCF) wavelength [nm] PCF Standard EFAS fiber Kern = 200 µm α solid fiber -1 Quarzfaser < 0,14 dbm -1 b) Mikrostrukturierte PCF core = 23.8 µm d = µm Λ = 6 µm V5-45 Spektrale Absorbanz von Eosin-Lösung, Gemessen im evaneszenten Feld der Faser α PCF = 2,53 dbm -1 Empfindlichkeit : PCF als EFA Sensor 20 x höher als für 200 µm Quarzfaser

46 FBG Plasmonen-Biosensorik mit metallischen Nanopartikeln V5-46 DNA markierte Au-Nano-Kugeln, 30 nm DN-Rezeptoren Sensor-FBG, Periode Λ Δλ B = 2 Δn eff (n A ) Λ Beispiel: Faseroptischer Evaneszent-Feld DNA-Nachweis Bragg-Verschiebung Δλ B durch lokalisierte Oberflächen-Plasmonen- Resonanz (SPR) von adsorbierten DNA-markierten Au-Nano-Kugeln Hohe Empfindlichkeit, Multiplex-Fähigkeit

47 Perspektiven V5-47 Faseroptik + Sub-Wellenlängen-Nano-Strukturen : Mikro-/Nano-Integration + Kopplung zur Makro-Welt Photonische Sensorik in molekularen Abmessungen mit äußerst hoher Empfindlichkeit, räumlicher und zeitlicher Auflösung Intrazellularer Fasertaper-Nano- Biosensor (schematisch) SiO 2 Nanodraht auf einem Menschenhaar (L.Tong/E.Mazur, Zhejiang/Harvard Univ.)