Mess- und Funktionsprinzipien, Aufbau von Sensoren

Beschreibt den Zusammenhang zwischen gemessenem Potential und Aktivität des Analytions.

Referenzelektrode: Potential der Referenzelektrode unabhängig von Probe Zeitlich konstant

Messelektrode: Potential der Messelektrode abhängig von Probe

Potential in mV

H⁺ Ionen dringen in äussere Quellschicht der Glasmembran ein. Auf der Innenseite findet der gleiche Prozess statt, dort ist pH 7 vom Innenelektrolyt. Jetzt entsteht eine messbare Potentialdifferenz, weil H⁺ Konzentrationen der inneren Quellschicht und H⁺ verschiedene Ladungen aufweisen, wenn pH nicht 7 ist.

Siehe Movie: https://www.youtube.com/watch?v=q81vFygEE8M

Siehe Bild

Unabhängig von Messlösung immer gleiches Signal

Referenzableitung (=Stäbchen), Referenzelektrolyt und Diaphragma

Bei der Ag/AgCl-Referenzelektrode taucht ein mit Silberchlorid beschichteter Silberdraht in eine Lösung, die Chloridionen enthält. Der potentialbestimmende Schritt ist der Übergang von Silber aus der Elektrode in Lösung.

Ag -> Ag⁺ + e^-

Somit bestimmt die Silberionenaktivität das Potential der Elektrode. Damit dieses Potential konstant bleibt, muss also die Silberionenaktivität konstant gehalten werden.

• Temperaturabhängigkeit der Steilheit
• Temperaturverhalten des Messmediums
• Lage des Isothermenschnittpunktes

= Ionenselektive Feldeffekttransistoren = Halbleiterbauelemente

• ISFETs sind ähnlich aufgebaut wie MOSFETs
• ISFETs  besitzen eine pH-sensitive Schicht, wenn H+ Ionen mit dieser sensitiven Schicht wechselwirken, hat dies einen vergleichbaren Effekt wie Anlegen einer Gate-Spannung
• Es resultiert ein vom pH-Wert abhängiger Drainstrom

Anwendung: überall wo Glas nicht erwünscht ist wie Lebensmitteltechnologie oder Medizintechnik

Vorteile:

• Kontaktlose Steckverbindungen möglich
• Weniger anfällig auf elektromagnetische Störungen
• Statische und dynamische Daten können gespeichert werden -> Rückverfolgbarkeit
• Drahtlose Signalübertragung
• nebst Messdaten können weitere Informationen ausgetauscht werden
• können mit dem PC verbunden werden

Nachteil:

• Teure Anschaffung
• Sensoren funktionieren nur dann, wenn sie an geeignete Messgeräte vom gleichen Hersteller angeschlossen werden

Konduktiv:

Leitfähigkeit wird über elektrische Widerstandsmessung bestimmt

Wechselspannung wird an Elektroden angelegt

Ionen des Elektrolyten bewirken Strom berechnet Messgerät unter Berücksichtigung der Zellkonstante die Leitfähigkeit.

Induktiv:

Indirekte Messung der Leitfähigkeit

Die Messung beruht auf einem im Messmedium induzierten Strom

Etc…

guter Movie: https://www.youtube.com/watch?v=TGtfXEaL2wM

Ionenselektive Teil kann aus folgende Stoffe bestehen:

• Einkristall
• Polykristall
• Kristallinen Niederschlag in einer inerten Matrix

Elektrische Leitfähigkeit von Kristallen ist relativ GERING. Wenn Kristall aber Ion besitzt, welcher in fester Phase beweglich ist, können sie als Membranelektroden eingesetzt werden. Geeignet für diesen Typ ISE sind deshalb schwerlösliche Verbindungen mit einer gewissen Ionenleitfähigkeit.

Das Potential einer Festkörpermembranelektrode entsteht auf ähnliche Weise wie bei einer pH-sensitiven Glasmembran. An den beiden Grenzschichten der Membran entsteht durch Abgabe von Ionen eine Ladung auf der Membranoberfläche.

Die Messprinzipien der optischen Sensoren beruhen auf:

Absorbanz

Lumineszenzemission

Brechungsindex

Diese ändern sich mit Wechselwirkungen mit den Analytmolekül. Um dies bei optischen Senoren zu Nutze zu machen müssen optische Komponenten physikalisch oder chemisch an Trägermaterial gebunden oder in Mikrokapseln immobilisiert werden.

LED als Lichtquele

2 Photodioden

2 Filter

Über die Lebensdauer der Fluoreszenz

Vorteil:    

• Spezifität

Nachteil:

• Lebensdauer Enzyme
• Mangelnde Langzeitstabilität
• Interferenzen
• Sterilisierbarkeit
• Kosten

2 Wirkprinzipien bei Biosensoren:

• Biokatalytisch
• Bioaffinitätssensoren

Biokatalytisch:

Verwenden Enzyme z.B. Glucoseoxidase die als selektive Katalysatoren an Oberflächen immobilisiert sind.

Hier wird vorwiegend die amperometrische Transduktion benutzt.

Bioaffinitätssensoren:

Nutzen Wechselwirkungen zwischen biologische Komponenten, die an Sensoroberfläche immobilisiert ist und Probemolekül.

Es bildet sich ein KOMPLEX welcher an Oberfläche fixiert bleibt und Eigenschaften wie Brechungsindex, Fluoreszenzemission an Sensoroberfläche ändert

Biologische Komponenten können sein:

• Enzyme
• Antikörper
• Bruchstücke von Viren

Hier können vielfältige Transduktionsprinzipien eingesetzt werden.

• Trinkwasser
• Glucose
• Laktat
• Ethanol

Glucose wird durch katalytische Oxidation mittels Glucoseoxidase zu Gluconolacton umgesetzt.

Es bildet sich Wasserstoffperoxid, welches mit dem Farbstoff reagiert.

Ist nicht reversibel und in diesem Sinne kein richtiger Biosensor!

Mögliche Interferenzen sind:

• Bei Blutglucosewertmessung erhöhter Vitamin C Gehalt
• Polycarbonatschicht

Vitamin C:

Ein Reduktionsmittel (wie z.B. Ascorbinsäure) kann die Reaktion stören, indem es Wasserstoffperoxid reduziert. Die Peroxidase kann dann entsprechend weniger H2O2 umsetzen; die Folge sind zu tiefe gemessene Glucose Konzentrationen.

Polycarbonatschicht:

Wird als Diffusionssperre in Glucose-Sensoren 1. Generation eingebaut und verlängert die Ansprechzeit.