4 Massenempfindliche Sensoren BAW-Sensoren SAW-Sensoren...124

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1 1 Einleitung Sensoren und Sensorik Sensoren als technische Sinnesorgane Der Begriff Sensor Chemische Sensoren Was sind chemische Sensoren? Elemente chemischer Sensoren...7 Rezeptor...8 Transduktor Charakterisierung chemischer Sensoren...12 Bewertung von Analysenergebnissen...12 Kenngrößen von chemischen Sensoren Literatur Grundlagen Sensor-Physik Festkörper...15 Das Bändermodell des Festkörpers...16 Gitterdefekte, Ionenleitung, Hopping...18 Sperrschichten...20 Strukturen Optik und Spektroskopie...25 Wechselwirkung Strahlung und Materie...25 Reflexion und Brechung...29 Absorption, Photolumineszenz und Chemilumineszenz Piezoelektrizität und Pyroelektrizität Sensor-Chemie Chemisches Gleichgewicht Kinetik und Katalyse Elektrolytlösungen Säuren und Basen, Fällungen und Komplexe...42 Säuren und Basen...42 Fällungs- und Komplexbildungsreaktionen Redoxgleichgewichte Elektrochemie...52

2 VIII Inhalt Elektroden im Gleichgewicht...52 Elektrolyseprozesse Chemische Wechselwirkungen: Ionenaustausch; Extraktion; Adsorption...72 Ionenaustausch...73 Extraktion...75 Adsorption Besonderheiten biochemischer Reaktionen...78 Enzymatische Reaktionen...79 Immunologische Reaktionen...80 Reaktionen mit Nucleinsäuren Sensor-Technologien Dickschichttechnik Dünnfilmtechnologie und Strukturierungstechniken Oberflächenmodifizierung und geordnete Monoschichten...88 Oberflächenmodifizierung...88 Selbstorganisierende Monolagen (Self Assembled Monolayers; SAM)...94 Langmuir-Blodgett-Filme (LBL) Mikrosystem-Technologien...98 Integrierte Elektronik...99 Integrierte Optik Sensor-Messtechnik Elementare Sensor-Elektronik Elektrische Meßinstrumente Optische Meßinstrumente Spektrometer Interferometer und Fourier-Transform-Spektrometer Literatur Strukturierte Halbleiter als chemische Sensoren Literatur zu Kapitel Massenempfindliche Sensoren BAW-Sensoren SAW-Sensoren Leitfähigkeits- und Kapazitätssensoren Konduktometrische Sensoren Resistive und kapazitive Sensoren für Gase Gassensoren mit polykristallinen Halbleitern Gassensoren mit Polymeren und Gelen Resistive und kapazitive Sensoren für Flüssigkeiten Literatur...137

3 IX 6 Thermometrische und kalorimetrische Sensoren Sensoren mit Thermistoren und Pellistoren Pyroelektrische Sensoren Sensoren auf der Basis anderer thermischer Effekte Literatur Elektrochemische Sensoren Potentiometrische Sensoren Selektivität potentiometrischer Sensoren Ionenselektive Elektroden (ISE) Potentiometrische Sensoren mit Festkörpermembran Potentiometrische Sensoren mit Flüssigmembran Die Glaselektrode Die Lambda-Sonde Der ionenselektive Feldeffekttransistor (ISFET) Messungen mit potentiometrischen Sensoren Meßgeräte Experimentelle Bedingungen Kalibrierung Bestimmung des Selektivitätskoeffizienten Amperometrische Sensoren Selektivität amperometrischer Sensoren Bauformen und Beispiele Messungen mit amperometrischen Sensoren Sensoren auf der Basis anderer elektrochemischer Meßmethoden Elektrochemische Biosensoren Grundlagen Biologische Erkennung als Selektivitätsprinzip Immobilisierung bioaktiver Substanzen Arten elektrochemischer Biosensoren Enzymsensoren Immunosensoren Sensoren mit ganzen Zellen, Mikroorganismen und Organteilen Nucleinsäure-Sensoren Literatur Optische Sensoren Lichtleiter als Basis optischer Sensoren Fasersensoren ohne chemischen Rezeptor (Mediator) Optoden: Fasersensoren mit chemischem Rezeptor Übersicht Optoden mit einfachen Rezeptorschichten...217

4 X Inhalt Optoden mit komplexen Rezeptorschichten Sensoren mit planaren optischen Transduktoren Planare Wellenleiter Oberflächenplasmonenresonanz und Resonanzspiegel-Prismenkoppler Optische Biosensoren Grundlagen Optische Enzymsenoren Optische Bioaffinitätssensoren Optische DNA-Sensoren Sensorsysteme mit Integrierter Optik Literatur Chemische Sensoren als Detektoren und Indikatoren Indikatoren für Titrationsprozesse Durchflußdetektoren für kontinuierliche Analysatoren und für Trennmethoden Kontinuierliche Analysatoren Trennmethoden Chromatographie Kapillarelektrophorese Literatur Sensor-Arrays und miniaturisierte Totalanalysatoren Zwei Entwicklungsrichtungen und ihre Ursachen Intelligente Sensoren und Sensor-Arrays Intelligenz in Sensorsystemen Warum Intelligenz? Selbst-Test, Selbst-Diagnose und Selbst-Kalibrierung Sensor-Arrays Warum Sensor-Arrays? Mehrdimensionale und Mehrkomponenten-Analyse Elektronische Nasen, elektronische Zungen (ENoses; ETongues) Miniaturisierte Totalanalysatoren Entstehungsgeschichte Vorläufer µ-tas und Lab-on-a-Chip Technologien Charakteristische Operationen und Prozesse in Mikro-Total-Analysatoren Elektroosmose in Mikrokanälen Probenahme und Probenvorbehandlung Probeninjektion und Detektion...272

5 XI Beispiele für µ-tas Kapillar-Elektrophorese Titrationsvorrichtungen Literatur Stichwortverzeichnis...277