Ionensensor Ionensensoren mit organischen Transistoren

Mit organischer Elektronik zur verlässlichen, flexiblen und günstigen Kontrolle von Wasserqualität und Co: Gemeinsam ist es Forschern der TU Graz und des Nano-Tec-Center Weiz erstmals gelungen, mit einem neuartigen Ionen-Sensor basierend auf organischer Elektronik sehr kleine Konzentrationen von biomedizinisch relevanten Natrium-Ionen in wässrigen Medien gezielt nachzuweisen. Der Einsatz organischer Transistoren erlaubt die kostengünstige Herstellung der flexibel kombinierbaren Sensoren, etwa durch Tintenstrahldruck.

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Graz/Österreich – Die Kontrolle der Wasserqualität, Blutanalysen oder auch die Lebensmittelüberwachung sind auf verlässliche Messmethoden zur Ionen-Konzentrationsbestimmung angewiesen. Die bislang verwendeten ionenselektiven Elektroden sind sehr groß und starr. Als bessere Alternative dazu bietet sich das am Nano-Tec-Center Weiz und der TU Graz entwickelte neue Sensorkonzept an: Die Forscher haben erstmalig einen Ionensensor mit organischen Transistoren kombiniert – ein System, das auch im direkten Kontakt mit Flüssigkeiten sehr stabil funktioniert.

Wasserkontakt der Ionensensoren erwünscht

Das erstmals vorgestellte miniaturisierbare und integrationsfähige Sensorkonzept erlaubt die kostengünstige Detektion von extrem kleinen Ionen-Konzentrationen im Bereich von rund 100.000stel Gramm pro Liter. „Im Gegensatz zur konventionellen Elektronik, wo Kontakt mit Wasser zu vermeiden ist und großer Aufwand betrieben wird, um die elektrischen Bauteile von störenden Umwelteinflüssen abzukapseln, nutzen wir mit dem neuen Sensorkonzept gerade den direkten Kontakt mit Wasser aus“, erklären Kerstin Schmoltner und Johannes Kofler vom Nano-Tec-Center Weiz und Doktoranden am Institut für Festkörperphysik der TU Graz. Innovative Neuheit birgt hier der Einsatz von organischen Materialien und selektiven Membranen, die eine kostengünstige Herstellung, beispielsweise mittels Tintenstrahldruck auf dünnen flexiblen Folien, ermöglichen. Zusätzlich lassen sich die Eigenschaften dieser oft biokompatiblen Materialien je nach Anforderungen anpassen.

„Die Verwendung von organischen Transistoren als aktive Sensoreinheit, mit denen wir uns schon seit Jahren beschäftigen, zeigt sich als eine nahezu ideale Lösung, da Sensor und Verstärker in einem Bauteil vereint sind und die weitere Signalverarbeitung dadurch erleichtert wird“, erläutert Co-Autor Andreas Klug vom Nano-Tec-Center Weiz.

„Künstliche Zunge“ durch Kombination mehrerer Ionensensoren

Ein weiterer großer Vorteil des Sensors ist der modulare Aufbau, der einen einfachen Austausch verschiedener selektiver Membranen möglich macht. In weiterer Folge lassen sich so mehrere Sensoren zu einer "künstlichen Zunge" kombinieren, die die gleichzeitige Detektion unterschiedlicher Ionen erlaubt. Auch wenn die Realisierung eines derartigen Systems noch einiges an Forschungsarbeit erfordert, sind die weiteren Schritte bereits geplant: Zum einen wollen die steirischen Forscher einen entsprechenden Schwermetall-Ionensensor für Wasserqualitätskontrollen realisieren, mit dem noch kleinere Ionen-Konzentrationen detektiert werden können. „Darüber hinaus stellt die Konzentrations-Überwachung lebensnotwendiger Ionen im Blut direkt im Körper, also in-situ, eine weitere Herausforderung dar, der wir uns stellen“, ergänzt Emil List-Kratochvil, Professor am Institut für Festkörperphysik der TU Graz und Geschäftsführer des Nano-Tec-Center Weiz.

Die Arbeit zum neuartigen Ionen-Sensorkonzept wurden durch das Land Steiermark im Rahmen des Projekts „BioOFET 2“ und „MIEC-DEVs“ finanziell unterstützt.

Originalpublikation: K. Schmoltner, J. Kofler, A. Klug, E. J. W. List-Kratochvil: Electrolyte-gated field-effect transistor for selective and reversible ion detection. Advanced Materials, Vol. 25, Issue 47, 6895-6899, Dezember 17, 2013

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