Chemische Sensoren: Einführung; Elektroanalytische Methoden (Kap. 3 & 4)

• Erkennung
  • in einer sensitiven Schicht findet eine Wechselwirkung zwischen Analytmolekül und einer immobilisierten Erkennungskomponente (z.B. Ionophor, Enzym) statt
    • Ionophor: Molekül, dass Ionen durch eine Membran transportiert
• Transduktion
  • Änderung einer messbaren physikalischen Eigenschaft der sensitiven Schicht
• Sgnalwandlung
  • Änderung des Messsignals in ein elektrisches Signal

• Optisch
• Elektrisch
• Magnetisch
• thermisch
• Mechanisch
• Chemisch

• Einfache und kompakte Bauform; minaturisierbar
• vor Ort einsetzbar; kontinuierliche Messung und somit Überwachung und Regelung möglich
• Probenaufbereitung vielfach nicht nötig
• sehr selektive Messung, daher aber auch limitiertes Anwendungsspektrums eines Sensors
• kurze Ansprechzeit und schnelle Messung
• Bedienerfreundliche "plug n' Measure"

• BT
• LM
• Umwelt
• klinische Chemie
  • Cobas!!!
  • Accu check

• in-situ oder in-line
  • Sensor ist direkt im Prozess eingebaut (Bioreaktor)
  • hauptsächlicher Einsatz von Sensoren
• ex-situ oder near-line bzw. off-line
  • aus dem Prozess wird eine Probe gezogen und an einem Messgerät untersucht
  • Probe wird anschl. nicht mehr dem Prozess zugeführt
• nicht invasiv
  • Messungen, ohne das der Sensor in direktem Kontakt mit dem Messmedium steht

• Sensor
• Messkabel
• Armatur
• Messgerät (Transmitter)
• Wartungssystem für die automatische Reinigung und Kalibration des Sensors
• Aufzeichnungs- und Steuerungseinheit bzw. Prozessleitsystem

• KAtionen
  • Protonen, Ammonium, Lithium, Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Blei, Kufer, Zink, Silber, u.a.
• Anionen
  • Chlorid, Bromid, Nitrat, Nitrit, Carbonat, Sulfid u.a.
• Gase
  • Kohlendioxid, Sauerstoff, Ammoniak, flüchtige Amine, u.a.
• enzymatische Biosensoren oder Immunosensoren
  • Glucose, Glutamat, Harnstoff, Lactat, u.a.
  • Antibiotika, Alkaloide, Vitamine

• elektrische Messgrösse (Strom, Spannung) hängt direkt von der interessierenden Analytkonzentration ab
  • Umweg über eine physikalische MEssgrösse entfällt
• Instrumentierung und Minaturisierung ist einfach

• Konduktometrie
  • Anlegen einer Wechselspannung an Elektroden, Messung des Stroms zur BEstimmung der LEitfähigkeit von Elektrolyten
• Potentiometrie
  • Stromlose Messung der Portentialdifferenz zwischen zwei Elektroden (Mess- und Referenzelektrode)
  • Potentialdifferenz ist proportional zur Analytkonzentration => NErnst-Gleichung
• Amperometrie
  • Messung eines Stroms, der durch Anlgegen einer konstanten Spannung an eine elektrochemische Zelle (bzw. die dabei ablaufende elektrochemische Reaktion) entsteht

aufgrund der Anziehungskräfte in stärker konzentrierten Lösungen zwischen den Ionen, habe zur Folge, dass sich die gelösten Teilchen nicht mehr völlig unabhängig voneinander bewegen wie es für ideale Lösungen der Fall sein sollte und für sehr verdünnte Lösungen in guter Näherung erfüllt ist.

In einer ideal verdünnten Lösung eines Elektrolyten sollte die Wahrscheinlichkeit, in der Nähe eines Kations ein anderes Kation oder ein Anion anzutreffen, gleich groß sein, denn die Ionen beeinflussen sich dann gegenseitig nicht.

Mit steigender Konzentration beginnen sich nach und nach geordnetere Verhältnisse auszubilden, das heißt in der Nähe des Kations ist mit zunehmend höherer Wahrscheinlichkeit ein Anion anzutreffen, und umgekehrt

In realen Lösungen sind also die gelösten Teilchen nicht mehr völlig frei beweglich

Dadurch werden geringere Konzentrationen vorgetäusch

• Die Aktivität (a) bezeichnet man die wirkliche Konzentration => \(a = f * c\)
  • Aktivitätskoeffizienten (f): je verdünnter die Lösung, desto näher liegt f bei 1
• Konzentration (c) bezeichnet den Stoffgehalt in idealen Lösungen

• Chemische Sensoren erfassen die Aktivität des Analyten, im Gegensatz zu den meisten klassischen Analysemethoden, welche die Konzentration erfassen
• die Aktivitätsmessung in der klinischen Chemie kann ein Vorteil sein, da es den biologisch verfügbaren Anteil eines Analyten wiedergibt
• durch Zugabe eines konzentrierten Hintergrundelektrolyt blebt der Aktivitätskoeff. über einen grossen Konzentrationsbereich nahezu konstant

http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/vsc/de/ch/11/aac/vorlesung/kap_7/vlu/aktivitaet_konzentration.vlu.html