Optische In-Situ-Messmodule für die Mikroverfahrenstechnik

Im Vordergrund eines neuen FuE-Projektes des CiS Institut für Mikrosensorik gGmbH aus Erfurt steht die Entwicklung von mikrooptischen Sensormodulen für Farbumschlags- und Trübungsmessungen in mikrofluidischen Systemen. Ziel ist es mittels Integration von LEDs und pin-Dioden in einem universellen, kompakten Sensormodul und dessen einfache Ankopplung an variable Mikrofluidikkomponenten spektralempfindliche, dynamisch photometrische und Streulichtmessungen mit hoher Genauigkeit in-line durchführen zu können.

Eine der Aufgaben, die die neuen Mikrofluikmessmodule zu lösen haben, wird darin bestehen, Haupt- und Nebenprodukte, die während chemischer oder biochemischer Reaktionen entstehen, quantitativ zu bestimmen. Die Messung erfolgt dabei in Transmission, Remission oder Reflexion.

Zu den großen Vorteilen der neuen Systeme gehören die kostengünstige Herstellung, die Variabilität bei der Auswahl der optimalen LED-Wellenlängen entsprechend der spezifischen Absorption der Bestandteile der Reaktionsmischung sowie die leichte Integration der Sensorkomponenten auf der Außenfläche der Mikrofluidikbauelemente, wobei es nicht erforderlich ist das Mikrofluidsystem zu unterbrechen und das Fluid zu berühren. Das neue CiS-Messmodul vermeidet somit Meßfehler, die durch Interaktionen in offenen, mikrofluidischen Systemen entstehen und nur durch zusätzliche Aufwendungen kontrolliert werden können. Damit reduzieren sich die Applikationsaufwendungen auf seiten des Systemintegrators. Das universell einsetzbare in-Situ-Mikrofluidik-Messmodul für optische Messungen im Wellenlängenbereich von 400-900 nm richtet sich als neues Angebot insbesondere an die industrielle und akademische Forschung. In spezifischen verfahrenstechnischen Anwendungen der Chemie und Biochemie übernimmt das Modul Aufgaben der Prozesskontrolle.

Hintergrundinformation:

Das vom BMWA unterstützte Vorhaben führt das CiS gemeinsam mit Fluidexperten der Firma Little Things Factory und Mikroreaktionstechnikern der Technischen Universität Ilmenau durch. Mikrofluidische Applikationen gehören seit einigen Jahren zu den innovativsten Gebieten in der Mikrosystemtechnik. Grund für dieses steigende Interesse ist das breite Anwendungsspektrum dieser Technologie. Grundsätzlich werden mikrofluidische Systeme für das Handling von Flüssigkeiten und Gasen benötigt. Durch mikrostrukturierte fluidische Elemente, wie z.B. Kanäle und Düsen, können Nano- und Pikolitervolumina mit hohem Integrations- und Miniaturisierungsgrad bei geringstem Energieverbrauch und mit hoher Präzision gehandhabt werden.

Anfragen nach Komponenten aber auch komplexen Systemen kommen heute aus der Biologie, der Pharmazie, der Medizin sowie der chemischen Analytik und Synthese. Zu den jüngsten und erfolgversprechensten Innovationsthemen weltweit zählen die Mikroverfahrenstechnik sowie die Mikroreaktionstechnik. Aktuelle Forschungsprojekte, die insbesondere von der chemischen Industrie und Biotechnologie initiiert werden, belegen diesen Trend.

Nach Angaben der Marktexperten der Firma Yole wächst der Mikrofluidikchip-Markt von 400 Mio $US im Jahr 2000 auf 2 Mrd. $US im Jahr 2005, mit einer Wachstumsrate von 40%.

Heute werden fluidische Komponenten vorwiegend auf der Basis von mikrostrukturierten Glas-, Silizium-, Keramik- und Kunststoffsubstraten realisiert. Während inzwischen selbst eine Vielzahl von unterschiedlichen Mikroreaktoren in den Laboren der Wissenschaftler entwickelt wurden, gibt es jedoch derzeit noch einen empfindlichen Mangel an Möglichkeiten zum In-Situ-Monitoring der ablaufenden Prozesse. So sind chemische Sensoren nur für ausgewählte Spezies verfügbar. Photometrische und spektroskopische Messungen können in der Regel nur ex-situ in entsprechenden, kostenintensiven Geräten durchgeführt werden.

Ausführliche Informationen: Herr Dipl.-Ing. Andreas Albrecht, aalbrecht@cismst.de

CiS Institut für Mikrosensorik gGmbH
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