Peter Gründler. Chemische Sensoren. Eine Einführung für Naturwissenschaftler und Ingenieure. Mit 184 Abbildungen und 27 Tabellen.

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1 Peter Gründler Chemische Sensoren Eine Einführung für Naturwissenschaftler und Ingenieure Mit 184 Abbildungen und 27 Tabellen «Q» Springer

2 Inhalt 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 14 2 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

3 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 Oberflächenmodifizierung 88 Selbstorganisierende Monolagen (Seif 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 107 Spektrometer 107 Interferometer und Fourier-Transform-Spektrometer Literatur Strukturierte Halbleiter als chemische Sensoren 117 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

4 Inhalt 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) 147 Potentiometrische Sensoren mit Festkörpermembran 148 Potentiometrische Sensoren mit Flüssigmembran 153 Die Glaselektrode 159 Die Lambda-Sonde Der ionenselektive Feldeffekttransistor (ISFET) Messungen mit potentiometrischen Sensoren 168 Meßgeräte 168 Experimentelle Bedingungen 169 Kalibrierung 170 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 183 Biologische Erkennung als Selektivitätsprinzip 183 Immobilisierung bioaktiver Substanzen Arten elektrochemischer Biosensoren 187 Enzymsensoren 187 Immunosensoren 195 Sensoren mit ganzen Zellen, Mikroorganismen und Organteilen 197 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

5 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 245 Chromatographie 247 Kapillarelektrophorese Literatur Sensor-Arrays und miniaturisierte Totalanalysatoren Zwei Entwicklungsrichtungen und ihre Ursachen Intelligente Sensoren und Sensor-Arrays Intelligenz in Sensorsystemen 252 Warum Intelligenz? 252 Selbst-Test, Selbst-Diagnose und Selbst-Kalibrierung Sensor-Arrays 255 Warum Sensor-Arrays? 255 Mehrdimensionale und Mehrkomponenten-Analyse 256 Elektronische Nasen, elektronische Zungen (ENoses; ETongues) Miniaturisierte Totalanalysatoren Entstehungsgeschichte 264 Vorläufer 265 u-tas und Lab-on-a-Chip Technologien Charakteristische Operationen und Prozesse in Mikro-Total-Analysatoren 270 Elektroosmose in Mikrokanälen 270 Probenahme und Proben Vorbehandlung 270 Probeninjektion und Detektion 272

6 Inhalt XI Beispiele für u-tas 273 Kapillar-Elektrophorese 273 Titrationsvorrichtungen Literatur 275 Stichwortverzeichnis 277