Mikrosystem. Konzentrationsangaben

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1 Mikrosystem mit chemischer Komponente R A L M G B N G opt. mech. therm. elektr. magn. chem. biolog. Analytkonditionierung A K A O R NOR phys. ffekt chem. WW P Z. C H N I L L N LINGLKRONIK ANALOG IGNAL- VRARBING DIGIAL IGNAL- VRARBING Y M R N G N R G I V R O R G N G KOMMNIKAION Z ANDRN YMN Konzentrationsangaben Partikelkonzentration n i /Σn i - Anzahl der Partikel n (des Gases) i pro Gesamtzahl der (Gas)partikel 1% = 1 : ppm = 1 : ppb = 1 : 10 9 Molarität n i /V - Anzahl der Mole n der Komponente i pro Volumen V (1 l) der Lösung Molalität n i /m - Anzahl der Mole n der Komponente i pro Masse m (1 kg) der Lösung Massekonzentration m i /V - Masse m des Gases i pro Volumen V (1 m 3 ) Molenbruch n i /Σn i - Anzahl der Mole n der Komponente i pro Gesamtzahl Volumenbruch v i /V - Volumen v der Komponente i pro Volumen V (1 l) der Lösung

2 Periodensystem der lemente Besonderheiten Chemischer ensoren mehrere tausend Analyte (nur ca. 100 physikalische ensoren) ebenso viele sensitive Materialien gasförmige, flüssige und feste Analte Wertebereich von ppb bis % chemische und physikalische Querempfindlichkeit stofflicher Kontakt zwischen ensor und Analyt mehrstufige ignalwandlung (bio-)chemische mpfindlichkeit durch dünne Funktionsschichten ggf. Probennahme, Probenaufbereitung schwierige mgebungsbedingungen (aggressive, brennbare oder explosive Medien, Verunreinigungen, großer emperatur- und Druckeinsatzbereich) Referenzelektroden

3 Anforderungen ensitivität elektivität Zustandsgrößen Geometrieverhältnisse Ansprechzeiten Zuverlässigkeit Langzeitstabilität Handhabung Kosten (mpfindlichkeit, Nachweisgrenze) (Querempfindlichkeit) (insatzbedingungen) (insatzbedingungen) (Dynamik) (Fehlertoleranz) (insatzdauer, Lagerfähigkeit) (Kalibrierung) (Geräte, Materialien) Anforderungen

4 Probleme und Lösungen elektivität ensitivität Genauigkeit tabilität und Zuverlässigkeit Dynamik Probenvorbehandlung rennschritte ensor als Detektor ensorarray mit Mustererkennungsverfahren molekulare rkennung (Biomoleküle, supramolekulare ubstanzen, MIP, Dotierung) Probenvorbehandlung und -anreicherung Funktionsschichtoptimierung (Dotierung, echnologie, Geometrie) tandardaddition oder subtraktion Kalibrierung elbsttest ensorarray (chem. und phys. ensoren) intelligente ensoren (elbsttest, elbstkalibrierung) Redundanz Fließinjektionsanalyse Minimierung von otvolumina und Diffusionsstrecken dynamische Fehlerkorrektur ignalauswertung Ingenieurtechnische Herausforderungen Funktionsprinzip Modellerstellung Komponentenentwicklung (ransducer, sensornahe lektronik, Datenverarbeitung, Kommunikation) elektrische Charakterisierung törgrößeneinfluss Produktbeschreibung (Leistungsbeschreibung und insatzgrenzen) Optimierung der Lebensdauer Zuverlässigkeit: Reproduzierbarkeit (wiederholte Probengabe, ensor-zu-ensor) Fehlertoleranz (Qualifizierung des Bedienpersonals) Kalibrierroutinen (ensorkalibrierung und Nachkalibrierung) Fertigungsstreuung Zulassung Produktionsausbeute, Herstellungskosten, Kompatibilität des Herstellungsverfahrens Packaging ystemoptimierung

5 ystematisierung nach Wirkprinzipien Flüssigelektrolytsensoren Festelektrolytsensoren Halbleitersensoren Feldeffektsensoren Kalorimetrische ensoren Optochemische ensoren Massesensitive ensoren Biosensoren potentiometrische Zellen amperometrische Zellen Leitfähigkeitssensoren Kapazitätssensoren chottky-übergang IF, CHMF katalytische ensoren Glasfasersensoren integrierte Optik resonante ensoren DNA-Chips Proteine als Funktionsmoleküle ystematisierung nach Wirkprinzipien canning Methoden pektroskopische Methoden Chromatographische Methoden AFM, Kelvin-Nanospitzen, unnelprinzip IR, V, M, HM, XP GC, HPLC BioMM Integrierte Optik NM Lab on a Chip beinhaltet biologische/biochemische Funktion oder Komponente beinhalten MOM, MOM als Komponente oder neues Prinzip komplette Analysesysteme mit mikrofluidischen und mikrosystemtechnischen Komponenten

6 Chemische ensoren Gleichgewichtssensoren kontrolliert durch: thermodynamisches Gleichgewicht ratenbestimmte ensoren kontrolliert durch: Kinetik inwegsensoren, Dosimeter irreversible Reaktionen Beispiele nachzuweisender Analyte log (Konzentration /mol l -1 ) Bioprozesskontrolle mweltanalytik Medizinische Diagnostik org. äuren Antibiotika Antikörper Proteine Kohlenhydrate Aminosäuren anorganische alze Hormone Vitamine oxine abbaubare org. Verbindungen anorganische Verbindungen polymere Naturstoffe mweltgifte Metabolite nzyme Hormone Glucose Harnstoff Lactat Creatinin alkalische ransaminasen Cortisol Insulin hyroxin Drogen oxine

7 Analytische Parameter Analyt Probenverdünnung Messbereich Glucose Lactat Harnsäure Cholin Glutamat Lysin accarose Lactose 1 : 50 1 : 50 1 : 20 1 : 20 1 : 20 1 : 20 1 : 20 1 : 100 0,6 45 0,6 30 0,1 5 0, ,4 40 0, tand: 1997 lektrodenpotentiale V Diaphragma lektrode lektrolyt, c 1 lektrolyt, c 2 lektrode elektrochemische Halbzelle elektrochemische Halbzelle elektrochemische Zelle

8 lektrodenpotentiale µ Mz (Lsg) > µ Mz (Metall) µ Mz (Lsg) < µ Mz (Metall) Doppelzellenelektrode V innere Referenz- Halbzelle Referenz- Halbzelle Glaskörper interne Lösungsfüllung Referenzelektrolyt ionenselektive Membran Diaphragma Probenlösung V = 0 R nf ln a ion

9 Doppelzellenelektrode - Potentiale V V = 0 R nf ln a ion ph - Meter Glaselektrode Referenzelektrode ϕ1 ϕ2 ϕ3 ϕ4 ϕ5 innere Bezugselektrode innere Membranoberfläche äussere Membranoberfläche Diffusionspotential Referenzelektrode ph - abhängig Ausführung und Anwendung Quelle:

10 Miniaturisierte elektrochemische ensoren Quelle: Georgia ec Quelle: Lambda onde 5 6 = a b ondespannung s 2 mv R ln po2 nf ,8 0,9 1 1,1 Luftzahl λ 1,2 1 ondenkeramik, ZrO2, 2 lektroden, Pt, 3 chutzschicht 4 Abgasrohr, 5 Abgas, 6 Außenluft 10

11 lektrodenprozesse Gleichgewichte in der Gasphase AO <==> A 1/2 O 2 Gasdiffusion in Poren Dissoziative Adsorption 1/2 O 2 (gas) ==> O (ads) Pt Oberflächendiffusion O (ads) Pt ==> O (ads) Pt/ZrO 2 Ladungsübergang O (ads) Pt/ZrO 2 2 e - ==> O 2 - ZrO 2 potentiometrisch - amperometrisch potentiometrisch: = ± (R/ nf)ln 0 a i a i Aktivität des Ions i F Faradaykonstante (F = C mol -1 ) n Anzahl der beteiligten lektronen R allgemeine Gaskonstante (R= J moll -1 K -1 ) emperatur amperometrisch: I = (nfada )/δ i A D δ lektrodenfläche Diffusionskoeffizient Dicke der Diffusionsschicht

12 MOF - IF ncapsulation Metal Contacts R gs ource Analyte H Drain gs N N I ds electrons [io 2 i 3 N 4 ] I ds P-type silicon Quelle: Mettler oledo IF Quelle: INP Grenoble

13 Microarray Market Pharma Human Diagnostics Biotech Agricultur/ Food Industry Drug Discovery & Validation (D,P) Identification of Biomarkers (D,P) Gene Identification (P,D) Pathogens: Resist Mechanisms (P,D) Pharma- Genometrics/ Proteomics Mutation creening (D) Immuno- Diagnostics (P) Protein Maps (P,D) Food/Air/Water afety (P,D) Lead Ident. & Validation (P,D) reatment & Prognosis (D,P) Antibody Production (P) Food Quality, Contamination (P,D) oxicity (D,P) Patogens: Mil./Civ. Defense (D,P) Protein Manufacture (P) Control of Breeding and Cloning (P,D) adapted from: H. Koivo, Helsinki niversity of echnology.