Chemo- und Biosensorik mit akustischen Oberflächenwellen SKIP-Symposium 8.4.2004 Manfred von Schickfus Chemo- und Biosensorik mit akustischen Oberflächenwellen 

Mitarbeiter Swen Rupp Cheng Ping Luo Biosensorik Jens Wagner Sensorik an organischen Dämpfen Philipp von Bülow ... und viele Vorgänger Biosensorik Charakterisierung von viskosen Flüssigkeiten

Etwas zur Sache (Chemo-) Sensorik ist heute unentbehrlich für Optimierung von Verbrennungsvorgängen Optimierung von chemischen Prozessen Vermeidung von gesundheitlichen Risiken Diagnose von Krankheiten ... und viele andere Anwendungen

Akustische Chemosensorik Basiert (bis auf eine Ausnahme) auf Bestimmung der Massenänderung: Sensor film Analyte Sensor film gemessen wird aber die träge Masse, nicht die schwere Masse!

Wie misst man kleine Massen? Abschätzung: Fläche des Sensors: 10 mm² eine Monolage Antikörper: 2,5 ng/mm² zu detektierende Massenänderung: < 25 ng Geht nicht mit konventioneller Waage (“schwere Masse“) Messung der trägen Masse Mikrowaage

Messung der trägen Masse Dieses Gebilde kann schwingen mit einer Frequenz Feder D: Federkonstante m: Masse Man kann also Massenän-derungen über eine Frequenz-änderung bestimmen Masse

Wie empfindlich ist ein Schwinger? maßgeblich: f/m (Frequenzänderung/Massenänderung) Ableitung von Die Empfindlichkeit steigt bei abnehmender Masse und bei zunehmender Frequenz des Schwingers

Quarz-Mikrowaage „Mutter“ aller akustischen Sensoren zur Schichtdickenmessung üblicherweise Scherschwinger obere Elektrode Gegenseite metallisiert Quarz-Mikrowaagen haben typische Betriebs-frequenzen von 5-20 MHz

Vom Schwinger zur Welle Quarz-Schwinger können nur bis zu Frequenzen von ca. 20 MHz hergestellt werden. Für höhere Frequenzen Oberwellen, aber df/dm bleibt gleich -Empfindlichkeit also limitiert! Lösung: Übergang zu propagierenden Oberflächenwellen

Halbunendliches Kontinuum Randbedingung: oberer Halbraum Kräfte- und Verzerrungsfrei wegen der fehlenden Rückstellkräfte niedrigere Schallgeschwindigkeit an der Oberfläche neue Schall-Moden, die an der Oberfläche lokalisiert sind Rayleigh-Welle

Rayleigh-Welle Rayleigh-Welle Standard in der Signalver-arbeitung (TV, Handies, ...) Frequenz: 20...>1000 MHz Wellenlänge bei 400 MHz: ca. 10µm Eindringtiefe  Wellenlänge empfindlich wie ein Quarz-Schwinger bei dieser Frequenz

Erzeugung von Oberflächenwellen Alternierend gepolte Finger verformen über den piezo-elektrischen Effekt die Ober-fläche. Wenn an die Finger ein Hoch-frequenzsignal mit der Fre-quenz f=v/ angelegt wird, wird eine Oberflächenwelle angeregt. z.B. Quarz, LiNbO3, LiTaO3 Wellenlänge Frequenz

‚Klassisches‘ Oberflächenwellenbauelement Verzögerungsleitung Laufzeit: Ca. 2 s Frequenz: 360 MHz Wellenlänge : 10 m Nachteile: Sockel notwendig Empfindliche Bonddrähte Offene elektrische Anschlüsse Interdigitalwandler; einer sendet, einer empfängt

Induktiv gekoppeltes Bauelement Prinzip Bauelement Vorteile: Keine elektrischenKontakte Kein Sockel Oberfläche leicht und jederzeit präparierbar Ersatzschaltung

Induktiv gekoppeltes Bauelement SAW-Bauelement HF-Zuführung Koppelschleife Leiterplatte andere Bauformen

Was bringt die induktive Kopplung Vorteile:  einfache Herstellung des Bauelements (kein Sockel, kein Bonden)  leichter Wechsel des Bauelements  Beschichtung des gesamten Bauelements jederzeit möglich  unproblematische Reinigung des Bauteils  Betrieb in leitfähigen Flüssigkeiten möglich Probleme:  elektrische Anpassung schwieriger  externe Anpassungsschaltung nötig  ohm‘sche Verluste in der “Spule“ auf dem Bauelement

Wie misst man die Änderung der Geschwindigkeit? (1) 1.) Phasenänderung Netzwerkanalysator  30 K€ : Distanz zwischen Transducern Geht auch mit induktiv gekop- pelten Bauele-menten .. oder dedizierte Elektronik!

Dedizierte Elektronik Hergestellt in der Elektronikwerkstatt Puls-Echo-Verfahren im Zeitbereich Empfindlichkeit wie Netzwerkanalysator Größe ca. 12x6,5x5,5 cm Microprozessor einge-baut

Wie misst man die Änderung der Geschwindigkeit? (2) 2.) Oszillatorschaltung Recht einfach, bei Flüssigkeiten noch kaum angewandt

Unsere Projekte Gassensorik mit halbleitender Sensorschicht (beendet) Gassensorik mit massenempfindlicher Sensorschicht Sensorik in Flüssigkeiten: Biosensor Bewertung von (Schmier-) Öl

Leitfähigkeit und Oberflächenwellen Ein elektrisches Feld läuft mit der Welle -in der Sensorschicht werden Ströme induziert Schallgeschwindigkeit: Dämpfung: Problem bei Schallgeschwindigkeit: starke Temperaturabhängigkeit genaue Temperaturregelung notwendig

Wie groß ist der Effekt? Schallgeschwindigkeit, Dämpfung und Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Schichtleitfähigkeit hier arbeiten wir etwa

Detektion von organischen Dämpfen .. das bekannteste Anwendungsgebiet in der akustischen Sensorik Beschichtung der Bauelemente mit Polymeren, z.B. Polyisobutylen (PIB) Polyepichlorhydrin (PECH) Polyäthylenimin (PEI)  bei uns: extrem kleine Schichtdicken 40 nm hergestellt durch Spincoating Durch Kombination von mehreren Sensoren „elektronische Nase“

Detektion von Toluol Konzentration zwischen 2000 ppm und 200 ppm Linearität des Sensors

Diskontinuierliche Messung mit Vorkonzentration Der Konzentrator ist mit Tenax gefüllt Das Testgas wird adsorbiert und periodisch durch Erwärmen ausgetrieben. Der Gasfluß kann während des Aufheizens unterbrochen werden

Ergebnis mit Vorkonzentration Empfindlichkeit um Faktor 25 gesteigert Vorteile: Empfindlichkeit Keine Drift dadurch eventuell Verzicht auf Temperaturregelung

Frequenzabhängigkeit die Empfindlichkeit steigt wie vorausgesagt mit dem Quadrat der Betriebsfrequenz Bau von Sensoren mit Frequenz  1 GHz

Sensorik in Flüssigkeiten (Biosensorik) flüssig fest Volumenwelle in der Flüssigkeit Oberflächenwelle  Unterschiede zur Gassensorik: die sonst übliche Rayleighwelle kann nicht verwendet werden (Dämpfung) Oberflächen-Scherwellen verwenden weiteres Problem: Messung in leitfähigen und aggressiven Flüssigkeiten (z.B. Pufferlösungen)  elektrische Isolation von Zuführungen und Transducern notwendig  chem. Unempfindlichkeit gegenüber Flüssigkeit durch Materialwahl (z.B. Gold) oder Schutzbeschichtung

Oberflächen-Schermoden Rayleighwelle Schermode Anregung wie gewohnt durch Interdigitalwandler, aber anderer Kristallschnitt nur noch viskose Ankopplung an die Flüssigkeit –geringe Dämpfung

Schutz vor der Flüssigkeit Induktiv gekoppelte Bauelemente (keine Zuleitungen) Beschichtung des Bauelements, z.B. mit 1 µm SiO2 oder Polymer Beschichtung der Laufstrecke und der Wandler mit Gold (auf dem SiO2) Lokalisieren der Flüssigkeit im Bereich der akustischen Laufstrecke (z.B. durch Wall aus Silikonkautschuk oder Oberflächenspannung)

Beschichtetes Bauelement Probenflüssigkeit Lokalisierung des Tropfens durch Oberflächenspannung, oder Wall aus Silikonkautschuk Hydrophobisierung der übrigen Flächen Die SiO2-Schicht schützt die Transducer (IDTs) vor der Flüssigkeit und führt die Welle (Love-Welle)

Durchflusszelle für kontinuierliche Zufuhr (Schema) Probenauslass Substrat Schutzschicht Träger Dichtung Probeneinlass Deckel Transducer induktive Kopplung bisher kein systematischer Einsatz

Antigen/Antikörper-Reaktion Antikörper binden sehr selektiv an Antigene (körperfremde Proteine, z.B. von Infektionen) und sorgen für deren Zerstörung Hypervariable Region Konstante Region Der Nachweis von Antikörpern über diese Bindung läßt z.B. den Schluß auf eine Infektion zu Biosensor: Antikörper werden auf dem Sensor immobilisiert, die Bindung des Antigens wird detektiert –oder umgekehrt

Präparation des Biosensors Als Sensorschicht werden Antikörper aufgebracht (`immobilisiert‘), die das zu detektierende Antigen binden können Die Proteine werden durch Auftropfen in Pufferlösung aufgebracht In unseren Experimenten sind die Antigene ebenfalls Antikörper, aber von fremden Spezies, z.B. Sensorschicht: Ziege gegen Kaninchen Nachzuweisen: Kaninchen gegen Pferd

Präparation des Biosensors Chemische Immobilisierung von Antikörpern Au Antikörper Glutaraldehyd + Aktivierung Vernetzung + Polyvinylamin (PVAm) Mercaptoethanol Silan +

Sensorantwort auf die Immobilisierung Aufpippettieren der Lösung Ziege gegen Kaninchen 1,2 mg/ml

Sensorantwort: Immunoreaktion Spezifische Reaktion Unspezifische Reaktion Antikörperlösung (Kaninchen gegen Pferd) 1.2 mg/ml (Ziege gegen Maus) 1.2 mg/ml Fibrinogenlösung (aus menschlichem Plasma) 4 mg/ml

Empfindlichkeit 5x10-3 g/l nachweisbar

Zum Schluß ... Sensorik mit akustischen Oberflächenwellen misst unmittelbar physikalisch-chemische Vorgänge über Massenänderung erlaubt, auch zeitabhängige Vorgänge zu untersuchen, z.B. Diffusion kann einfacher, schneller und empfindlicher sein, als etablierte Techniken kann billiger sein hat noch ein großes Entwicklungspotential

Kompetitive Reaktion mit kompetitiven Reaktionen können leichte Proteine nachgewiesen werden Prostaglandin (PGE) wird immobilisiert dann Mischung PGE/anti PGE danach reines anti-PGE