Am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS wurde eine Technologie entwickelt, die pH-Messungen einfacher und zuverlässiger machen soll. Statt der oft fehleranfälligen Referenzelektroden kommt dabei ein widerstandsfähiger Chip zum Einsatz. Dieser lässt sich trocken lagern, ist unempfindlich gegenüber Druck und in kleine Geräte integrierbar. Erste Testkits stehen bereit, um die Technologie in Anwendungen der Medizin, Biologie, Landwirtschaft und Umweltanalytik einzusetzen.
Warum braucht man das?
Die Bestimmung des pH-Wertes ist in der Chemiesensorik wichtig. Bisher kamen dafür klassische Silber/Silberchlorid/Kaliumchlorid-Elektroden zum Einsatz. Sie liefern zwar ein stabiles Bezugspotenzial, sind jedoch zugleich sehr fehleranfällig. Verändert sich die Elektrolytkonzentration, verstopft die Membran oder trocknet sie aus, werden die Messwerte unzuverlässig.
Während die pH-sensitive Glaselektrode bereits durch Chips (ionensensitive Feldeffekttransistoren; ISFETs) ersetzt wurde, ist der Ersatz der empfindlichen Referenzelektrode jetzt am Fraunhofer IPMS durch einen Referenz-ISFET (REFET) gelungen. Die ISFETs vermeiden Probleme wie verstopfte oder aufgeladene Diaphragmen, Drift durch Konzentrationsänderungen oder Kontamination der Messlösung und eignen sie sich für mobile oder integrierte Messsysteme.
Wie funktioniert das?
Die Technologie zur pH-Messung nutzt anstelle der empfindlichen Referenzelektrode einen zweiten ISFET zusammen mit einem klassischen pH-ISFET. Dieser Referenz-ISFET zeigt eine signifikant kleinere pH-Steilheit, von beispielsweise 20 mV/pH, verglichen mit den üblichen 59 mV/pH bei 25°C, gemäß der Nernstschen Gleichung.
Die ISFETs sind mit dünnen Schichten aus Niobpentoxid (Nb₂O₅) oder Tantalpentoxid (Ta₂O₅) beschichtet. Diese Materialien verleihen den Sensoren Stabilität und erlauben einfache Handhabung und gute Lagerfähigkeit. Die beiden ISFETs werden gemeinsam über eine Hilfselektrode betrieben, sodass aus den gemessenen elektrischen Signalen der pH-Wert zuverlässig berechnet werden kann.
Das Konzept des ISFET-REFET wurde bereits in den 1980er Jahren von Professor Piet Bergveld, dem Erfinder des ISFET, und seinen Kollegen entwickelt. Jetzt wird es vom Fraunhofer IPMS genutzt.
Ausblick
Die pH-Messung ist zunächst im Bereich von etwa pH 4 bis pH 8 möglich, was für viele Anwendungen in Biologie, Medizin, Landwirtschaft und Umwelt den typischen Messanforderungen entspricht. Aktuell benötigt die Lösung noch zwei 5mm x 5mm große Chips, die eine gute Benetzung gewährleisten. Auf Anfrage können diese jedoch verkleinert werden. Künftig ist geplant beide Chips auf einen Chip derselben Größe mit integrierter Temperaturmessung zu reduzieren.
Voraussetzung für Langzeitmessungen nach einer 2- oder 3 Punkt-Kalibrierung ist die Beherrschung der Sensordriften, die bei Bedarf mit der Ansteuerelektronik kompensiert werden können. Die weitere Entwicklung am Fraunhofer IPMS fokussiert deshalb auf:
- pH-Bereich des REFET durch verbesserte Sensorschichten vergrößern
- REFET-Sensordrift reduzieren
- Integration auf einen Chip mit Temperaturmessung entwickeln
Es werden bereits Test-Kits angeboten.
