Optischer Sauerstoffsensor im Stiftformat

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Mettler-Toledo GmbH

Shimadzu Deutschland GmbH

C3 Prozess- und Analysentechnik GmbH

Institut für Photonische Technologien e.V.

Kern des Sensors ist ein integriertes miniaturisiertes optoelektronisches System für die Erfassung von Fluoreszenz- und Phosphoreszenzsignalen. Für die Bewertung der Qualität des optischen Systems kann das Detektionslimit für Fluoreszenzfarbstoffe herangezogen werden. Bereits bei Verwendung einer Standard-Photodiode als Detektor liegt das Quantifizierungslimit für den spektral passenden Farbstoff Fluoreszenz Rot unter 5 nmol/l bei einem Detektionsvolumen von nur 200 nl in einem Mikrokanal (s. Abb. 3).

Das Optiksystem wurde als Stabwellenleiter ausgelegt und nutzt Totalreflexion an seinen Außenflächen für die Strahlformung des Anregungslichtes und die Abbildung der Fluoreszenz- bzw. Phosphoreszenz-Emission auf den Fotodetektor. Anregungsquelle (LED) und Detektor sind auf der optischen Achse hintereinander angeordnet. Das vom Sensorfilm emittierte Licht wird mit hoher numerischer Apertur erfasst, an der Lichtquelle vorbei geführt und auf den Detektor abgebildet (s. Abb. 4).

Das Optikelement wurde mittels Präzisions-Spritzguss hergestellt. Damit gelingt es, die Fertigungskosten soweit zu senken, dass das System als Ersatz für die bislang genutzten elektrochemischen Sauerstoff-Sensoren (Clark-Elektrode) attraktiv wird und diese ersetzen kann. Zugleich kann das System als Optode für das Auslesen von Sauerstoffkonzentrationen aus Lab-on-a-Chip-Systemen genutzt werden. Dabei erlaubt die geringe Baugröße die Anordnung mehrerer Sensoren über verschiedenen Messpositionen eines mikrofluidischen Chips.

Kostengünstig und flexibel

Mit der Entwicklung des Sauerstoff-Sensors als integrierte optoelektronische Messsonde gelang die Umsetzung eines kostengünstigen, flexibel einsetzbaren Sensorsystems für die Messung und Überwachung von Sauerstoff-Konzentrationen in Flüssigkeiten sowie von Sauerstoff-Partialdrücken in Gasen. Die Verarbeitung der Sensor-Signale erfolgt komplett im Pen und die Messdaten werden über eine USB-Schnittstelle an ein Handgerät zum direkten Ablesen der Messwerte oder alternativ an einen Steuerrechner, ein Tablet oder Smartphone übertragen. Die Bauform orientiert sich an bislang verwendeten Clark-Elektroden. In Industrieanlagen können diese durch das entwickelte System ohne konstruktive Änderungen ersetzt werden. Gleichzeitig kommt die geringe Baugröße, die wasserdichte Ausführung des Systems (Druckstabil bis 10 bar/100 m Wassertiefe) und die Unabhängigkeit von externen Netzteilen (USB-gespeistes Messsystem) dem Einsatz bei Feldexperimenten als mobiles Mess- und Überwachungssystem entgegen.

Die Autoren danken dem Europäischen Fonds für Regionale Entwicklung EFRE und der Thüringer Aufbaubank für die finanzielle Unterstützung im Rahmen des Forschungsvorhabens oOPen, Förderkennzeichen FKZ 2012-VF-004, 2012-FE9011 und 2012-FE9012.

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