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Lab-on-a-chip Integrierte Flüssigkeitssensoren für Vor-Ort-Analysen

Autor / Redakteur: Benedikt Schwarz*, Peter Reininger*, Hermann Detz* und Gottfried Strasser* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Ganze analytische Instrumente auf einem Chip unterbringen – das Konzept des Lab-on-a-chip bietet viele Vorteile. Was muss man tun, um IR-spektroskopische Untersuchungen im Rahmen von Vor-Ort-Analysen miniaturisiert durchzuführen?

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Abb. 1: Der On-Chip Sensor für Flüssigkeiten: Ein Tropfen der Flüssigkeit genügt, um die Zusammensetzung zu bestimmen.
Abb. 1: Der On-Chip Sensor für Flüssigkeiten: Ein Tropfen der Flüssigkeit genügt, um die Zusammensetzung zu bestimmen.
(Bild: B.Schwarz/TU Wien)

Eine Vielzahl organischer Substanzen kann durch ihr Absorptionsspektrum im mittleren Infrarotbereich identifiziert und quantifiziert werden. Durch die unterschiedlichen Vibrations- und Rotationsschwingungen verschiedener Moleküle hat jede chemische Substanz ihren einzigartigen molekularen Fingerabdruck. Da sich die meisten dieser Resonanzen im mittleren Infrarot befinden, ist genau dieser spektrale Bereich (3 bis 20 µm) für chemische Sensoren interessant und wird oft Fingerabdruckbereich genannt. Konventionelle Absorptionsspektroskopiesysteme bestehen aus einer Lichtquelle, einer Wellenlängenselektion, einer Interaktionszone und einem Photodetektor, welche als separate Bauelemente mittels präzise justierter Linsen und Spiegel verbunden werden.

Im Gegensatz zum sichtbaren oder nahem Infrarot sind die optischen Komponenten meist wesentlich kostspieliger. Im mittleren Infrarot werden meist thermische Breitbandquellen, Fourier-Spektrometer (FTIR) für die Wellenlängenselektion sowie Gas oder Flüssigkeitszellen und oft gekühlte Photodetektoren eingesetzt. Derartige Systeme dienen zwar als universelle Methode zur Analyse verschiedenster chemischer Substanzen im Labor, sind aber aufgrund ihrer Größe und mechanischen Sensibilität für den mobilen Einsatz nur bedingt einsetzbar. Zahlreiche Anwendungsgebiete in der Chemie, Biologie, Medizin und Umweltüberwachung würden von genau solchen kompakten und kostengünstigen Sensoren profitieren [1]. Diese immer größer werdende Nachfrage erfordert die Miniaturisierung und Integration all dieser Komponenten, vorzugsweise auf einem einzigen Chip. Dies reduziert nicht nur die Kosten, sondern hat vielmehr den Vorteil, dass damit kompakte, batteriebetriebene Systeme gebaut werden können. Als zentralen Vorteil für viele Anwendungsgebiete ermöglicht dies eine schnelle und einfache Vor-Ort-Analyse. Anstatt die Probe ins Labor zu transportieren, wo sie von Fachpersonal analysiert wird, kann ein mobiles Analysegerät vor Ort von einem Laien bedient oder als autonomes System in bestehende Prozesse integriert werden, womit das Ergebnis unmittelbar vorliegt.

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Monolithische Integration von Laser und Detektor

Die größte Schwierigkeit in der Entwicklung von kompakten Systemen ist die Integration aller notwendigen optischen Komponenten auf einem einzigen Chip. Dies erfordert im Speziellen zueinander kompatible Lichtquellen und Detektoren. Als wichtigste kompakte und leistungsfähige Quelle gelten die so genannten Quantenkaskadenlaser (QCLs), welche schon in zahlreichen Applikationen eingesetzt werden (siehe Kastentext QCL).

Geht man einen Schritt weiter, können QCLs auch in einer ganz speziellen Art und Weise aufgebaut werden, sodass sie auch als Lichtdetektoren verwendet werden können [3]. Die Schwierigkeit darin besteht nicht nur in der gleichzeitigen Optimierung beider Betriebsmodi, sondern vielmehr in der spektralen Überlappung des Laserlichts mit der spektralen Empfindlichkeit des Detektors. Abhängig von der Biasspannung schaltet solch eine bi-funktionale Quantenkaskadenstruktur zwischen Laser- und Detektorfunktion um.

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