Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Chemischer Sensor auf einem Chip

11.06.2014

An der TU Wien ist es gelungen, mit miniaturisierter Lasertechnik auf einem wenige Millimeter großen Chip einen Sensor zu bauen, der die chemische Zusammensetzung von Flüssigkeiten messen kann.

Man kann sie nicht sehen, aber sie eignen sich perfekt zur Untersuchung von Flüssigkeiten und Gasen: Laserstrahlen im Infrarotbereich werden von unterschiedlichen Molekülen unterschiedlich stark absorbiert. Dieser Effekt wird beispielsweise bei der Messung der Sauerstoffkonzentration in Blut verwendet. An der TU Wien hat man dieses einfache Prinzip aufgegriffen und auf dieser Basis einen neuen Sensor-Prototyp realisiert.


Ein Tropfen der Flüssigkeit genügt, um die Zusammensetzung zu bestimmen.

TU Wien


Das Licht gelangt vom Laser (oben) außen am plasmonischen Wellenleiter (blaues Band) zum Detektor (unten rechts). Dabei wird es, je nach Zusammensetzung der Flüssigkeit, unterschiedlich absorbiert.

TU Wien

Speziell designte Quantenkaskaden-Laser und Lichtdetektoren werden an der TU Wien im selben Herstellungsprozess auf einem Chip gefertigt. Der Abstand zwischen Laser und Detektor beträgt nur 50 Mikrometer. Dieser wird mit einem sogenannten Oberflächenplasmonen-Wellenleiter aus Gold und Siliziumnitrid überbrückt. Dieser neue Ansatz ermöglicht die einfache und kostengünstige Produktion winziger Flüssigkeitssensoren für verschiedenste Einsatzzwecke.

Laser und Detektor

Gewöhnliche Kristall-Laser, etwa der bekannte rote Rubinlaser, bestehen aus nur einem bestimmten Material. Quantenkaskaden-Laser hingegen sind aus einer perfekt optimierten Abfolge unterschiedlicher Materialschichten zusammengesetzt. Dadurch kann man wichtige Eigenschaften des Lasers gezielt steuern, etwa die Wellenlänge seines Lichts. Wenn man an die künstlich erzeugte Schichtstruktur eine elektrische Spannung anlegt, beginnt der Laser zu leuchten. Man kann die Schichtstruktur allerdings auch in umgekehrter Richtung als Detektor verwenden: Wenn man sie mit Licht bestrahlt, entsteht ein elektrisches Signal.

An der TU Wien wurde eine Methode entwickelt, aus derselben Schichtfolge einen Laser und einen Detektor gleichzeitig auf einem Chip herzustellen – und zwar so, dass die Wellenlänge des Laserlichtes genau der Wellenlänge des Detektors entspricht. Dieses bifunktionale Material wird am Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen der TU Wien Atomlage für Atomlage mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt. "Durch die gemeinsame Fertigung muss man den Laser und den Detektor nicht justieren – sie sind von Anfang an auf dem selben Chip optimal platziert", sagt Benedikt Schwarz vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien.

Licht-Führung vom Laser zum Detektor

Bei herkömmlichen optischen Systemen muss das erzeugte Laserlicht mit Hilfe genau justierter Linsen zum Detektor geführt werden. Auch Glasfasern können verwendet werden, allerdings transportieren sie das Licht normalerweise bloß in ihrem Inneren, bringen es also nicht in Kontakt mit der Umgebung und eignen sich dann auch nicht als Sensoren.

Bei dem neuen Bauelement, das vom Forschungsteam der TU Wien vorgestellt wurde, funktioniert die optische Verbindung zwischen Quantenkaskaden-Laser und Detektor völlig anders. Sie ist ein plasmonischer Wellenleiter, bestehend aus Gold und Siliziumoxid. „Das Licht wechselwirkt mit den Elektronen im Metall auf eine ganz besondere Weise, sodass das Licht an der Außenseite der Goldoberfläche geführt wird“, erklärt Benedikt Schwarz. „Dadurch kann das Licht von Molekülen auf dem Weg zwischen Laser und Detektor absorbiert werden.“

Der fertige Sensor-Chip kann in eine Flüssigkeit getaucht werden. Aus der Abschwächung des Lichtsignals durch absorbierende Moleküle kann dann auf die Zusammensetzung der Flüssigkeit geschlossen werden. Getestet wurde dieser Sensor mit einer Lösung aus Wasser und Alkohol. Die Wasserkonzentration lässt sich auf diese Weise bis auf 0.06% genau messen. 

Durch die Möglichkeit die Wellenlänge durch das Design der Schichtfolge einzustellen, kann das Sensorkonzept auf eine breite Palette von Molekülen wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffe oder auch Proteine für verschiedenste Anwendungen in der chemischen, biologischen oder medizinischen Analyse angewandt werden.

Die Forschungsergebnisse wurden nun im Journal „Nature Communications“ veröffentlicht.
Nature Communications 5, 4085.
doi: 10.1038/ncomms5085

Rückfragehinweis:
Dipl.-Ing. Benedikt Schwarz
Institut für Festkörperelektronik,
Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen
Technische Universität Wien
Floragasse 7, 1040 Wien
T: +43-1-58801-36227
benedikt.schwarz@tuwien.ac.at

Prof. Gottfried Strasser
Institut für Festkörperelektronik,
Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen
Technische Universität Wien
Floragasse 7, 1040 Wien
T: +43-1-58801-36230
gottfried.strasser@tuwien.ac.at

Weitere Informationen:

http://www.nature.com/ncomms/2014/140606/ncomms5085/full/ncomms5085.html Originalpublikation

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern
17.08.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Im Focus: Exotic quantum states made from light: Physicists create optical “wells” for a super-photon

Physicists at the University of Bonn have managed to create optical hollows and more complex patterns into which the light of a Bose-Einstein condensate flows. The creation of such highly low-loss structures for light is a prerequisite for complex light circuits, such as for quantum information processing for a new generation of computers. The researchers are now presenting their results in the journal Nature Photonics.

Light particles (photons) occur as tiny, indivisible portions. Many thousands of these light portions can be merged to form a single super-photon if they are...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

Sensibilisierungskampagne zu Pilzinfektionen

15.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern

17.08.2017 | Physik Astronomie

Fake News finden und bekämpfen

17.08.2017 | Interdisziplinäre Forschung

Effizienz steigern, Kosten senken!

17.08.2017 | Messenachrichten