4.2.1 Lateral Field Excited Sensors for Pharmaceutial Applications.
- Event
- 16. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme 2012
2012-05-22 - 2012-05-23
Nürnberg, Germany - Chapter
- 4.2 Akustische Sensoren
- Author(s)
- R. Lucklum - Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg, R. Neubert - Martin-Luther-Universität,. Halle-Wittenberg
- Pages
- 443 - 452
- DOI
- 10.5162/sensoren2012/4.2.1
- ISBN
- 978-3-9813484-0-8
- Price
- free
Abstract
Akustische Mikrosensoren beruhen auf der Änderung der Ausbreitung von akustischen Wellen im Sensor durch Änderung der Bedingungen an der Grenzfläche des Sensors zum zu untersuchende Medium (Analyt). Dadurch sind sie empfindlich gegenüber angelagerter Masse, Dichte und Schichtdicke, Viskosität oder Viskoselastizität. Ihre Einsatzbereiche liegen neben der seit Jahrzehnten genutzen Schichtdickenmessung in Beschichtungsanlagen z. B. in der Mikroelektronik mit einem Messbereich von Angström bis einigen Mikrometern vorwiegend in der Chemie, Pharmazie, Medizin und Biotechnologie. Ein akustischer Mikrosensor besteht im Allgemeinen aus einem piezoelektrischen Material mit einer oder mehreren Elektroden an der Oberfläche. Es werden akustische Wellen, sowohl Volumen- als auch Oberflächenwellen, im Bereich von 1 MHz bis einige 100 MHz erzeugt. Elektrische Eigenschaften des Analyten können die Übertragungseigenschaften von sogenannten SAW-Sensoren (von Surface Acoustic Wave) auf Grund von Ladungen beinflussen, die entlang des Ausbreitungsweges auf dem Sensor infolge des piezoelektrischen Effektes entstehen. Die sogenannten QCM-Sensoren (von Quartz Crystal Microbalance) sind gegenüber elektrischen Eigenschaften des Analyten nicht empfindlich, wenn sie korrekt aufgebaut sind. Die geerdete Elektrode, die bei Sensoren größer als die AC-Elektrode ist und die gesamte Wechselwirkungsfläche einnimmt, schirmt den Analyten elektrisch ab.
Beim sogenannten LFE-Sensor (von Lateral Field Excitation) werden in Gegensatz zur TFE (von Thickness Field Excitation) die Elektroden auf einer Seite des Schwingquarzes abgeschieden. Die Elektroden haben die Form von Halbkreisen, getrennt durch einen schmalen Spalt. Das Design beruht auf Arbeiten von Vig and Ballato. Vetelino et al. studierten die Lateralfeldanregung für Sensoren.
Die Besonderheit besteht darin, dass eine Oberfläche von Elektroden frei bleibt. Sie dient als Sensoroberfläche. Aus Anwendersicht besteht der immense Vorteil darin, dass die Quarzglasoberfläche um ein Vielfaches robuster als die dünne Goldelektrode ist. Glas ist mit vielen Prozessen in der chemischen oder Lebensmittelindustrie kompatibel und kann ebenso im medizinischen Bereich problemlos eingesetzt werden. Die von den Autoren gezeigte etwas erhöhte Sensitivität der LFESensoren gegenüber traditionellen QCM-Sensoren mit TFE-Anregung ist für pharmazeutische Anwendungen weniger bedeutend als die nun auftretende deutliche Sensitivität gegenüber elektrischen Eigenschaften (Leitfähigkeit, Permittivität). Die Ursache dieser Empfindlichkeit liegt in der fehlenden Abschirmung des Analyten gegenüber dem anregenden elektrischen Feld. Das elektrische Feld breitet sich nicht ausschließlich im Schwingquarz aus, sondern dringt partiell in den Analyten ein. Aus der Überlagerung der lateralen Komponente des elektrischen Feldes mit einer normalen Komponente und der Änderung der Stärke dieser Komponenten resultiert ein elektroakustischer Effekt, der sich als Frequenzverschiebung der Resonanzfrequenz des Schwingquarzes äußert.