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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.

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.

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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.

Einsatz des Sensors auch bei gasförmigen Analyten möglich

Dies erlaubt die Abdeckung eines etwa 100 cm-1 breiten Spektralbereiches, passend zur jeweiligen Anwendung. Sensoren, welche die Absorption auf mehreren Wellenlängen analysieren, können zur eindeutigen Identifikation bestimmter Stoffe eingesetzt werden. Der Einsatzbereich optischer Sensoren im mittleren Infrarot-Bereich beschränkt sich nicht auf Flüssigkeiten. Auch gasförmige Analyten, wie etwa Abgase industrieller Prozesse, können verwendet werden, wobei die schärferen Absorptionslinien auch wohldefinierte QCL-Emissionswellenlängen benötigen.

Die Schwierigkeit bei der Analyse von Gasen ist jedoch deren weitaus geringere Absorptionsstärke, die die monolithische Integration zusätzlich erschwert.

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Perspektiven der QCL-basierten Sensoren

Konkrete Einsatzgebiete QCL-basierter chemischer Sensoren umfassen die optische Bestimmung des Blutzuckerspiegels oder den Nachweis von umweltgefährdenden Stoffen in industriellen Abwässern oder Abgasen. Interessant dabei ist beispielsweise die Inline-Prozesskontrolle, bei denen eine kontinuierliche Überwachung von Grenzwerten gefordert ist. Dies kann bis dato nur schwer mit den bestehenden Produkten erreicht werden. Ein miniaturisierter Sensor könnte fest in ein System integriert werden, damit entfällt die Entnahme und Analyse von Stichproben. Weitere Anwendungen wären die Qualitätskontrolle für Lösungsmittel (z.B. Pharmaindustrie) oder Treibstoffe. In der Medizin würde ein mobiles Gerät nicht nur schnellere Diagnosen ermöglichen, sondern wäre in zahlreichen Gebieten verwendbar, in denen die Kosten, Infrastruktur oder Hygienebedingungen für konventionelle Laboranalysesysteme fehlen.

Literatur:

[1] Mizaikoff B., Waveguide-enhanced mid-infrared chem/bio sensors, 2013, Chem Soc Rev. DOI: 10.1039/c3cs60173k

[2] Schwarz B. et al., Monolithically integrated mid-infrared lab-on-a-chip using plasmonics and quantum cascade structures, 2014, Nature Communications 5, 4085. DOI: 10.1038/ncomms5085

[3] Schwarz B. et al., A bi-functional quantum cascade device for same-frequency lasing and detection, 2012, Applied Physics Letters 101, 191109. DOI: 10.1063/1.4767128

[4] Faist J., Quantum Cascade Lasers, 2013 Oxford University Press

[5] Maier S., Plasmonics: Fundamentals and Applications, 2007, Springer

* B. Schwarz, P. Reininger, H. Detz und G. Strasser: Technische Universität Wien, Festkörperelektronik fke E362, Zentrum f. Mikro- und Nanostrukturen, 1040 Wien/Österreich, E-Mail: benedikt.schwarz@tuwien.ac.at

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