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Sensorentwicklung

Durch die Entwicklung mobiler Endgeräte inkl. Steuerung und Auswertung von Daten mit Apps ist die elektrochemische Sensorik in unseren Alltag eingedrungen. Elektrochemische Sensoren haben die Funktion, eine vorhandene, chemisch nachweisbare Substanz durch die Umwandlung in ein elektrisches Signal qualitativ oder quantitativ bestimmbar zu machen.

Sensortechnik kann heute vollständig unplugged betrieben werden.

Wie funktionieren elektrochemische Sensoren?

Ein Sensor benötigt grundsätzlich zwei funktionelle Einheiten:

  1. Rezeptor, der die „chemische Information“ als Energie an den
  2. Wandler („Transduktor“) weitergeben kann, der daraus ein elektrisches, verwertbares Signal erzeugt. Das zu messende System soll bei diesem Vorgang nicht verändert werden.
Mehrkanalpotentiostat - EKTechnologies
Abb. 1: Schematischer Aufbau

Durch die Entwicklung mobiler Endgeräte inkl. Steuerung und Auswertung von Daten mit Apps ist die elektrochemische Sensorik in unseren Alltag eingedrungen. Sie kann heute vollständig unplugged betrieben werden beispielsweise in folgenden Bereichen:


  • Point-of-Care-Testing (POCT: Diagnostik direkt beim Arzt oder auch Zuhause)
  • Wearables (am Körper tragbare oder in Kleidung integrierte Sensorsysteme, z.B. Smartwatch)
  • Point-of-Use (PoU, netzunabhängiges Monitoring von Umweltdaten oder z.B. Gaswarngeräte vor Ort)
  • IoT (Internet of Things) – Smart Home etc.
  • und OEM-Produkte (Original Equipment Manufacturer: Herstellung von Originalteilen unter fremdem Label)

Am Anfang der Sensorentwicklung steht zunächst die Suche nach der geeigneten elektrochemischen Reaktion und die Wahl der elektrochemischen Methode. Es folgt die Miniaturisierung und schließlich die Überführung des Proof-of-Principle in ein zuverlässiges, alltagstaugliches System, das in einem kostengünstigen industriellen Prozess gefertigt werden kann.

Welche elektrochemischen Messmethoden gibt es?

Die drei grundlegendsten Methoden sind Potentiometrie, Amperometrie und Impedanzmessung, von denen es zahlreichen Varianten gibt.

Methode Wandlerprinzip Messgröße
Potentiometrie Energieumwandlung Spannung (hohe Impedanz)
Amperometrie + Coulometrie Grenzstrom Strom + Ladung (niedrige Impedanz)
Leitfähigkeits- / Impedanzmessung Widerstand Ohmscher oder komplexer Widerstand
Potentiometrie

Mit einem sehr hochohmigen (GΩ) Voltmeter misst man (fast) stromlos die Spannung zwischen der Sensorelektrode und einer Referenzelektrode, deren Potential immer ganz stabil bleibt. Es interessieren dabei nur Potentialänderungen, die durch die Wechselwirkungen des Analyten an der Grenzfläche zwischen Sensorelektrode und Probenlösung auftreten. Die Messzelle muss also so konzipiert werden, dass alle anderen Potentiale bei der Messung unverändert bleiben.

Amperometrie

Bei diesem Messprinzip wird an der Sensorelektrode eine Gleich- oder Wechselspannung angelegt, so dass eine elektrochemische Umsetzung des Analyten stattfinden kann. Vorteilhaft ist, dass die Elektrode nicht im thermodynamischen Gleichgewicht sein muss, und die Antwortzeit deshalb sehr kurz ist. Der Messaufbau kann auch leichter miniaturisiert werden.

Impedanzmessung

Bei der elektrochemischen Impedanzspektroskopie stört man die Redoxgleichgewichte nur ein klein wenig (linearer Bereich) durch eine sinusförmige Wechselspannung oder einen Wechselstrom. Dies kann über ein weites Frequenzspektrum getan werden, wodurch sich die Impedanz charakteristisch mit der Frequenz ändert.

Dieses Verfahren ist zerstörungsfrei und kann „label-free“, also ohne ein weiteres Element zur Signalerzeugung (Redoxreaktion, fluoreszierendes Molekül etc.), besonders vorteilhaft in der Biosensorik eingesetzt werden.

Welche Anwendungsgebiete gibt es für elektrochemische Sensoren?

Neben den wenigen Nachteilen wie limitierter Temperaturbereich oder Sensitivität auf Verunreinigungen, gibt es unzählige Vorteile wie


  • Geringer Energieverbrauch
  • Robustheit, Spezifität, leichte Handhabung
  • Schnelle Messungen vor Ort
  • Günstiger Preis
  • Für Gase, Flüssigkeiten und Feststoffe geeignet
  • Starke Miniaturisierung möglich

Die Vorteile führen zu mannigfaltigen Anwendungen z.B.


  • In Gassensoren (Sauerstoff, Kohlendioxid, Ozon etc.)
  • In der Überwachung von Umweltparametern (Schwermetalle, Nitrat etc.)
  • In der Medizin(-technik) (Nachweis von Stoffwechselprodukten, Antibiotika etc.)
  • In der Qualitäts- und Prozesskontrolle (Überwachung von biotechnologischen Wachstumsprozessen)
  • Detektion von organischen Substanzen wie Alkohol, Ketonen etc.

Hierbei haben „Screen-Printed-Electrodes“ (SPEs) für die mobile und schnelle Analytik zunehmend an Bedeutung gewonnen. SPEs sind Einmalelektrodenstreifen, die dank der einfachen Handhabung und einem sehr günstigen Preis massentauglich anwendbar sind. Verfügbar sind auch elektrochemische Sensorgeräte, in die lediglich die für den Zielanalyten richtige SPEs eingesteckt und z.B. ein Tropfen der flüssigen Probe aufgetropft werden muss. Diese Verfahren sind so ausgereift, dass weder toxische Chemikalien noch Probenaufbereitung benötigt werden und auch ungeschultes Personal die Messung durchführen kann. Häufig erscheint das Ergebnis so in wenigen Minuten auf dem Bildschirm des Smartphones. Eines unserer besonders erfolgreichen Produktbeispiele hierfür ist der Sensit Smart von PalmSens.

Für die elektrochemische Sensorentwicklung ist es von außerordentlicher Wichtigkeit, das Zusammenspiel aller elektronischen Komponenten und die zugrundeliegenden Reaktionen zu verstehen – mit anderen Worten: die Elektrochemie.

Da die Forschung aus dem schier unendlichen Vorrat chemischer Reaktionen schöpfen kann, werden auch ständig neue elektrochemische Sensorprinzipien entdeckt und entwickelt. Hinzu kommen die unzähligen Möglichkeiten der Nanostrukturierung der Elektroden. Für diese Grundlagenforschung werden zunächst zahlreiche elektroanalytische Methoden angewandt: Cyclovoltammetrie, Chronocoulometrie, Impedanzspektroskopie etc., um schließlich ein möglichst vereinfachtes, praxistaugliches Messprotokoll für einen dedizierten Sensor zu etablieren. Häufig müssen dabei sehr kleine Ströme im nA- oder pA-Bereich messbar sein.

Solche höchsten Anforderungen erfüllen in unserem Produktportfolio die Potentiostaten/Galvanostaten von PalmSens und Ivium. Diese Instrumente beherrschen sämtliche elektroanalytischen Methoden und sind für Impedanzmessungen mit hoher Präzision über einen breiten Frequenzbereich ausgelegt.

Speziell für die Lehre gibt es von PalmSens ein „Educational Kit“ sowie kompakte und sehr preiswerte Geräte aus der EmStat-Serie [Link]. Palmsens hat sich der Sensorentwicklung von Beginn an verpflichtet und ist heute führend im Bereich miniaturisierter, portabler Geräte mit weiteren Funktionen wie Bluetooth oder auch Screen-printed Elektroden z. B. der PalmSens4 mit Sensit Smart.

Für Hochdurchsatztests, z.B. zur Optimierung von Materialien und Messparametern führen wir ein umfangreiches Programm an Multikanallösungen: Multiplexer, Polypotentiostaten, Multikanalpotentiostaten/-galvanostaten etc..

Zudem finden Sie in unserem Online-Shop ein umfangreiches Angebot verschiedenster Elektrodentypen, elektrochemischer Zellen und Zubehör.

EKTechnologies ist nach fast 30 Jahren Partnerschaft zu zahlreichen Forschungseinrichtungen und großen industriellen Playern Ihr Experte für Fragen rund um die elektrochemischen Sensorentwicklung.

Eine besondere Herausforderung ist stets die Überführung des Proof-of-Principle in eine marktreife Anwendung. Wir begleiten und unterstützen Sie auf der gesamten Wegstrecke mit den für Sie besten Lösungen und kompetenter Beratung!