SKIP-Symposium 8.4.2004
Manfred von Schickfus
Chemo- und Biosensorik mit akustischen Oberflächenwellen
Mitarbeiter
Swen Rupp Cheng Ping Luo
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
Analyte
Sensor film
Sensor film
gemessen wird aber die träge Masse, nicht die schwere Masse!
Basiert (bis auf eine Ausnahme) auf Bestimmung der Massenänderung:
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
Feder
Masse
Dieses Gebilde kann schwingen mit einer Frequenz
Man kann also Massenän-derungen über eine Frequenz-änderung bestimmen
D: Federkonstantem: Masse
Wie empfindlich ist ein Schwinger?
maßgeblich: f/m (Frequenzänderung/Massenänderung)
fmm
D
mdm
df
2
1
2
1
Ableitung von
Die Empfindlichkeit steigt bei abnehmender Masse und bei zunehmender Frequenz des Schwingers
Quarz-Mikrowaage
„Mutter“ aller akustischen Sensoren
QuarzmikrowaagezurSchichtdickenmessung
obere ElektrodeGegenseite metallisiert
Quarz-Mikrowaagen haben typische Betriebs-frequenzen von 5-20 MHz
üblicherweiseScherschwinger
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-WelleStandard in der Signalver-arbeitung (TV, Handies, ...)
Frequenz: 20...>1000 MHzWellenlänge 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
Frequenz MHz 400c
f
Wellenlänge µm 10
‚Klassisches‘ Oberflächenwellenbauelement
Verzögerungsleitung
Laufzeit: Ca. 2 sFrequenz: 360 MHzWellenlänge : 10 m
Nachteile: • Sockel notwendig• Empfindliche Bonddrähte• Offene elektrische Anschlüsse
Interdigitalwandler;einer sendet, einerempfängt
Induktiv gekoppeltes Bauelement
R F co n n ec tio n
p rim ary co il
ID T
ID T
m ag n e tic flu x
S AW -D ev ice (seco n d a ry co il)
Prinzip
Bauelement
Vorteile: Keine elektrischenKontakte
Kein SockelOberfläche leicht und jederzeit präparierbar
Ersatzschaltung
Induktiv gekoppeltes Bauelement
HF-Zuführung
SAW-Bauelement
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)
2v
f2πΔvΔ
RF o ut RF in
30 K€
1.) Phasenänderung
.. oder dedizierteElektronik!
Netzwerkanalysator
Geht auch mitinduktiv gekop-pelten Bauele-menten
: Distanz zwischen Transducern
Dedizierte Elektronik
Puls-Echo-Verfahren im ZeitbereichEmpfindlichkeit wie NetzwerkanalysatorGröße ca. 12x6,5x5,5 cmMicroprozessor einge-baut
Hergestellt in der Elektronikwerkstatt
Wie misst man die Änderung der Geschwindigkeit? (2)
2.) Oszillatorschaltung
v
Δv
f
Δf
Recht einfach, bei Flüssigkeiten noch kaum angewandt
Unsere Projekte
• Gassensorik mit halbleitender Sensorschicht (beendet)
• Gassensorik mit massenempfindlicher Sensorschicht
• Sensorik in Flüssigkeiten: BiosensorBewertung von (Schmier-)
Öl
Leitfähigkeit und Oberflächenwellen
Ein elektrisches Feld läuft mit der Welle -in der Sensorschicht werden Ströme induziert
vv
Kv CS
S S
2 2
2 2 22
Dämpfung:
K vC
v CS S
S S
2 2
2 2 22
S
S
Schichtleitfähigkeit
K Piezoelektr Kopplungsfaktor
C Kapazitä t Fingerlänge
:
: .
: /
Schallgeschwindigkeit:
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
200 250 300 350 400-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2Toluol in S ticks toff
BT 41 i q315440 2000-200 ppm02.02.2000 0,2 l/mi n Tenax_0.opj
Pha
se [
°]
Zeit [Min]
0 500 1000 1500 20000
2
4
6
8
10
12
14
16
BT 41 i q315440 2000-200 ppm02.02.2000 0,2 l/mi n Tenax_0.opj
Toluol in S ticks toff
= -0.4 2+0.0080 c
Ph
asen
hu
b [
°]
Konzentration [ppm]
Konzentration zwischen 2000 ppm und 200 ppm
Linearität desSensors
Diskontinuierliche Messung mit Vorkonzentration
Der Konzentrator ist mit Tenax gefülltDas Testgas wird adsorbiert und periodisch durch Erwärmen ausgetrieben. Der Gasfluß kann während des Aufheizens unterbrochen werden
Ergebnis mit Vorkonzentration
-3 0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
104 00 ppm Toluol in S tickstoff
23. 02.00 B T41 i q 315440 PIB Tenax29.opj300 m g Tenax; 0.2l/ min Toluol (400 ppm ) i n N
2
Pha
se [
°]
Zeit [Min]
500, 95 490, 97 492, 02 504, 72 491, 74494, 42494, 19
Empfindlichkeit um Faktor 25 gesteigert
Vorteile: Empfindlichkeit Keine Drift dadurch eventuell Verzicht auf Temperaturregelung
Frequenzabhängigkeit
100 1000
1E-3
0,01
dS/dF= 2.099 °/(ppm MHz)
sen
sitiv
ity [
°/pp
m]
frequency [MHz]
die Empfindlichkeit steigt wie vorausgesagt mit dem Quadrat der Betriebsfrequenz
Bau von Sensoren mit Frequenz 1 GHz
Sensorik in Flüssigkeiten (Biosensorik)
elektrische Isolation von Zuführungen und Transducern notwendig chem. Unempfindlichkeit gegenüber Flüssigkeit durch Materialwahl (z.B. Gold) oder Schutzbeschichtung
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)
flüssig
fest
Volumenwellein der Flüssigkeit
Oberflächenwelle
Oberflächen-Schermoden
Rayleighwelle
Schermode
nur noch viskose Ankopplung an die Flüssigkeit –geringe Dämpfung
Anregung wie gewohnt durch Interdigitalwandler, aber anderer Kristallschnitt
Schutz vor der Flüssigkeit
•Induktiv gekoppelte Bauelemente (keine Zuleitungen)
•Beschichtung des Bauelements, z.B. mit 1 µm SiO2 oder Polymer
•Lokalisieren der Flüssigkeit im Bereich der akustischen Laufstrecke (z.B. durch Wall aus Silikonkautschuk oder Oberflächenspannung)
Beschichtung der Laufstrecke und der Wandler mit Gold (auf dem SiO2)
Beschichtetes Bauelement
Die SiO2-Schicht schützt die Transducer (IDTs) vor der Flüssigkeit und führt die Welle (Love-Welle)
Probenflüssigkeit
Lokalisierung des Tropfens durchOberflächenspannung, oder Wall aus SilikonkautschukHydrophobisierung der übrigen Flächen
Durchflusszelle für kontinuierliche Zufuhr (Schema)
bisher kein systematischer Einsatz
Probenauslass
Substrat
Schutzschicht
Träger
Dichtung
Probeneinlass
Deckel
TransducerinduktiveKopplung
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
In unseren Experimenten sind die Antigene ebenfalls Antikörper, aber von fremden Spezies, z.B.
Sensorschicht: Ziege gegen Kaninchen Nachzuweisen: Kaninchen gegen Pferd
Als Sensorschicht werden Antikörper aufgebracht (`immobilisiert‘), die das zu detektierende Antigen binden können
Die Proteine werden durch Auftropfen in Pufferlösung aufgebracht
Präparation des Biosensors
Au
+ Polyvinylamin (PVAm)
CH2 CH
NH2n
Mercaptoethanol Silan
+
SH
OH
+
Si
O
O
MeO
CH3
(CH2)3 NH2
CH3
2
Antikörper
Glutaraldehyd+
H H
O O
Aktivierung
Vernetzung
Chemische Immobilisierung von Antikörpern
Sensorantwort auf die Immobilisierung
Aufpippettieren der Lösung
Ziege gegen Kaninchen1,2 mg/ml
Sensorantwort: Immunoreaktion
Spezifische Reaktion
Unspezifische Reaktion
Antikörperlösung(Kaninchen gegen Pferd) 1.2 mg/ml
Antikörperlösung (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
0 10 20 30 40 50 60 70-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6PG E
2/anti-PG E
2
anti-PG E2
Pha
se [°
]
Zeit [min]
Prostaglandin (PGE) wird immobilisiertdann Mischung PGE/anti PGEdanach reines anti-PGE
mit kompetitiven Reaktionen können leichteProteine nachgewiesen werden