Optische Sensorplattform zur schnellen und prozessintegrierten Brechzahlmessung

Die Brechzahl ist ein standardisierter Parameter in vielen chemischen und biotechnologischen Produktionsprozessen. Sie erlaubt zum Beispiel die Konzentrationsbestimmung von zweikomponentigen Flüssigkeitsgemischen. Aufgrund der unzureichenden Integrierbarkeit verfügbarer Systeme ist jedoch derzeit eine Messung innerhalb der Anlage und damit eine 100-Prozent-Prozessüberwachung nicht möglich.

Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS aus Dresden hat daher nun eine plasmonische Sensorplattform im Miniaturformat entwickelt. Das kompakte optische System besteht aus einer nanostrukturierten metallischen Sensoroberfläche, einer LED-Lichtquelle und einer optoelektronischen Abfrageelektronik. Da keine weiteren optischen Bauelemente benötigt werden, ist das System sehr justagetolerant und robust. Aktuelle Forschungen fokussieren z. B. auf die Inline-Prozessüberwachung von Gärtanks sowie die Vor-Ort-Analytik anthropogener Spurenschadstoffe in der Wasseraufbereitung.

Zweikanalige mikrofluidische Ausführung der plasmonischen Sensorplattform
© Foto Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS

Zweikanalige mikrofluidische Ausführung der plasmonischen Sensorplattform

Als sensorischer, brechzahlsensitiver Effekt wird die Oberflächenplasmonresonanz in einer Metallnanostruktur ausgenutzt. Die Strukturierung erlaubt es, mit direktem senkrechten Lichteinfall eine kollektive Elektronenschwingung (Plasmonschwingung) auf der Sensorfläche anzuregen. Die Resonanzfrequenz dieser Schwingung, d. h. letztlich die von der Metallstruktur bevorzugt transmittierte Farbe, hängt stark von der Brechzahl in der unmittelbaren Umgebung der Metallstruktur ab. Ändert sich die Brechzahl auf dem strukturierten Metallfilm, verändert sich auch das transmittierte Spektrum, das mit der Abfrageelektronik ausgewertet wird.

Die am Fraunhofer IKTS entwickelte inlinefähige plasmonische Sensorplattform zeichnet sich durch einen hohen Miniaturisierungsgrad aus, ist multiplex- und echtzeitfähig. Das derzeitige zweikanalige mikrofluidische System hat eine Baugröße von 7 x 7 x 7 cm3 und weist eine Brechzahlauflösung von 10-4 auf. Für multisensorische Messaufgaben kann das Sensor-Array flexibel erweitert und mit unterschiedlichen Oberflächenfunktionalisierungen konfiguriert werden. So können z. B. durch die Biofunktionalisierung mit Antikörpern Konzentrationen von Molekülen hochauflösend gemessen werden. Die neue Sensorplattform hat sich im Labor bereits bewährt und wird nun mit industriellen Partnern in verschiedene Anwendungen überführt.

Elektronenmikroskop-Aufnahme der nanostrukturierten metallischen Sensoroberfläche
© Foto Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS

Elektronenmikroskop-Aufnahme der nanostrukturierten metallischen Sensoroberfläche