English China

Lab-on-a-chip

Integrierte Flüssigkeitssensoren für Vor-Ort-Analysen

Seite: 2/3

Firmen zum Thema

Eine weitere Herausforderung bei der Miniaturisierung konventioneller Messsysteme stellt die Leitung des Lichts dar. Durch die monolithische Integration kann die Lichtführung zwischen diesen beiden Komponenten direkt am Chip erfolgen. Gleichzeitig kann ein solcher Lichtwellenleiter auch als Interaktionszone dienen. Dabei ist es wichtig, das Licht möglichst verlustarm zu führen und gleichzeitig stark mit der umgebenen Flüssigkeit interagieren zu lassen. Plasmonische Wellenleiter sind hervorragend für diesen Zweck geeignet. Diese so genannten Oberflächenplasmonen (Surface Plasmon Polaritons, SPPs) sind elektromagnetische Wellen, die sich an einer Grenzschicht zwischen einem Metall und einem Dielektrikum (z.B. Luft) ausbreiten [5]. Diese Oberflächenwellen kommen durch die Interaktion des Lichts mit der kollektiven Oszillation von freien Ladungsträgern im Metall zustande.

Im Gegensatz zu rein dielektrischen Wellenleitern (z.B. Glasfasern) wird bei Oberflächenplasmonen der größte Teil nicht im Inneren, sondern auf der Außenseite entlang der Metalloberfläche geführt. Genau dieser Effekt wird in dem hier gezeigten Konzept ausgenützt. Hohe Interaktion mit chemischen Substanzen, aber eine geringe Kopplung mit dem Detektor sind die Folge. Um die Kopplung zu erhöhen, wurde auf den plasmonischen Wellenleiter eine dünne Schicht eines Dielektrikums aufgebracht (siehe Abb. 3). Dieser so genannte „dielektrisch beladene“ plasmonische Wellenleiter staucht die Lichtmode um eine Größenordnung und erhöht dabei die Kopplung in den Detektor, ohne dabei die Interaktion mit der Umgebung wesentlich zu verringern (96 % der Mode ist außerhalb geführt). Als netter Nebeneffekt hat ein solcher Wellenleiter noch geringere Verluste und dadurch eine noch höhere maximale Ausbreitungslänge.

Bildergalerie

Ein monolithisch integrierter Flüssigkeitssensor

Mit der gleichzeitigen Fertigung von Laser, Detektor und Wellenleiter hat man alle notwendigen Komponenten für hochintegrierte Sensoren. Erste Experimente zeigen bereits das enorme Potenzial dieses Konzepts. Taucht man den Sensor in eine Flüssigkeit bestehend aus z.B. Wasser und Ethanol, so lässt sich die Wasserkonzentration über einen großen Bereich von 0-60 % bis auf 0.06 % genau bestimmen (siehe Abb. 4) [2]. Zu betonen ist, dass dieses Prototypexperiment nur die Funktion des Sensors zeigt und noch nicht das volle Potenzial ausschöpft. Mit ein paar weiteren Tricks und optimierter Messelektronik sollte sich die Genauigkeit noch weit verbessern lassen. Beispielsweise kann die Genauigkeit auf Kosten eines kleineren Messbereichs durch die Erhöhung der Interaktionslänge gesteigert werden. Das vorgestellte Sensorkonzept kann problemlos auf mehrere Wellenlängen erweitert werden, indem mehrere Laser-Wellenleiter-Detektoreinheiten mit verschiedenen Bragg-Gittern parallel auf demselben Chip gefertigt werden.

(ID:42779032)