englisch
µ-SPIN

Neue Sensoren mit zerstörungs- und markierungsfreier Messung

Projektstatus
Begonnen
Unter anderem für den Einsatz an solchen Transformatoren entwickeln die Forscher die miniaturisierte Sensorplattform.
© SGB Regensburg
Unter anderem für den Einsatz an solchen Transformatoren entwickeln die Forscher die miniaturisierte Sensorplattform.
© SGB Regensburg

Ziel des Forschungsprojekts ist die Entwicklung einer miniaturisierten Sensorplattform, die mit dem Prinzip der Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) arbeitet. Dabei soll sie in der Lage sein, Änderungen der chemischen Zusammensetzung verschiedener Flüssigkeiten on- und inline zu erkennen. Bislang kommt die SPR-Technologie aufgrund ihrer Vorzüge der zerstörungs- und markierungsfreien Messung sowie der extremen Sensitivität sehr erfolgreich im Labormaßstab, beispielsweise in der Bioanalytik und dem Wirkstoffscreening, zum Einsatz. Diese Vorteile wollen die Entwickler jetzt auf ultrakompakte Sensoren übertragen.

Transformator - ausgestattet mit MR-Produkten
© Fa. Maschinenfabrik Reinhausen GmbH
Transformator - ausgestattet mit MR-Produkten
© Fa. Maschinenfabrik Reinhausen GmbH

Zwei Forschungsschwerpunkte stehen dabei im Mittelpunkt: Zum einen die Miniaturisierung und Integration der Messtechnik in eine ultrakompakte Einheit, die neben einer kostengünstigen Massenproduktion auch eine anwenderfreundliche Handhabung durch untrainiertes Personal ermöglicht. Zum anderen die Entwicklung einer ultradünnen, nur wenige Nanometer dicken chemosensitiven Schicht, die zudem auf einer Fläche von einigen Quadratmillimetern mehrere Sensorspots aufweist. Mit Hilfe von Mustererkennungen analog einer künstlichen Nase soll mit diesem Smart-Sensor zuverlässig in Echtzeit der Alterungszustand von Transformatorisolierölen überwacht werden.

Anforderungen zum Projektstart definiert

Auf dem Strahlteiler ist die Oberfläche des SPR-Sensor zu sehen. Dort ist der Trennsteg zwischen Messkammer und Referenz zu sehen, sowie eine Rezeptorfläche die ihre Reflektivität verändert hat. 
@ OTH Regensburg
Auf dem Strahlteiler ist die Oberfläche des SPR-Sensor zu sehen. Dort ist der Trennsteg zwischen Messkammer und Referenz zu sehen, sowie eine Rezeptorfläche die ihre Reflektivität verändert hat.
@ OTH Regensburg

In einem ersten Schritt haben die Forscher die Anforderungen an den Sensor definiert und daraus die späteren Spezifikationen abgeleitet und festgelegt. Dies war notwendig, damit die einzelnen Arbeitsgruppen unabhängig voneinander entwickeln können. Die Ergebnisse werden in einer Tabelle mit den Größen und Toleranzen der Materialien festgelegt. Ein Augenmerk soll vor allem darauf gerichtet werden, dass für die einzelnen Arbeitspakete genügend Freiheitsgrade bleiben und nur die Parameter exakt festgelegt werden, die mehrere Arbeitsgruppen benötigen. Ein weiterer elementarer Baustein ist die Konzeption eines Referenzmessplatzes. Dieser bildet den prinzipiellen Aufbau des Sensors im Labormaßstab nach und dient in den folgenden Entwicklungsschritten sowohl als Referenz als auch als Testplattform für einzelne Komponenten.

Die nachfolgende Abbildung zeigt den technischen Arbeitsplan von µ-SPIN. Nach der gemeinsamen Konzeptionierung und Spezifikationsanalyse wird gemäß den Anforderungen ein Referenzsystem im Labormaßstab erstellt, welches als Versuchs- und Testplattform für die folgenden Arbeitsschritte dient. Die Miniaturisierung  beginnt mit der Erstellung eines virtuellen Sensormodells und dessen Simulation. Für den weiteren Fortschritt werden parallel die Software und die Elektronik sowie die Mikrofluidik entwickelt. Das Rezeptordesign für die Analyt-Erkennung findet unabhängig von diesen Schritten statt. Im letzten Schritt werden die Ergebnisse der einzelnen Schritte in einem miniaturisierten Sensorsystem zusammengeführt und im Vergleich mit bestehenden Analytikmethoden ausführlichen Praxistests unterzogen.

Der Projektablaufplan zeigt die Verzahnung der einzelnen Arbeitspakete
Der Projektablaufplan zeigt die Verzahnung der einzelnen Arbeitspakete

Chemorezeptive Schicht

SPR-Referenzmessplatz
SPR-Referenzmessplatz
© Sensorik-Applikationszentrum

Die chemorezeptive Schicht besteht aus einem nur wenige Nanometer bis Mikrometer dünnen Film, der auf einer dünnen Metallschicht aufgebracht wird. Dieser Film kann selektiv bestimmte Inhaltsstoffe des zu analysierenden Materials binden und so seine Eigenschaften verändern. Damit einher geht eine lokale Änderung des Brechungsindex in unmittelbarer Nähe der Metallschicht. Das SPR-System reagiert äußerst sensitiv auf kleinste Änderungen im Brechungsindex. Die Schicht wird durch Selbstorganisation und durch die Implementierung von selektiven molekularen Erkennungsmotiven so gestaltet, dass Regionen unterschiedlicher Selektivität auf der Oberfläche vorhanden sind. Ein flächiges Auslesen der Signaländerung ermöglicht dann über Mustererkennung eine qualitative Änderung im Analyten festzustellen.

Rezeptoren für eine exakte Analyse der Daten

Prismen, auf denen im Reinraum mit einem Elektronenstrahlverdampfer eine SPR-sensitive Metall-Schicht aufgebracht wurde.
@ OTH Regensburg
Prismen, auf denen im Reinraum mit einem Elektronenstrahlverdampfer eine SPR-sensitive Metall-Schicht aufgebracht wurde.
@ OTH Regensburg

Um die Daten hinreichend genau analysieren zu können, arbeiten die Forscher mit unterschiedlichen Rezeptoren, die nach dem Ampelprinzip in drei Stufen kategorisiert sind. Die Rezeptoren arbeiten vergleichbar mit der menschlichen Zunge. Diese hat sechs verschiedene Geschmacksrezeptoren, kann aber nahezu unendlich viele Geschmäcker unterscheiden. Könnte die Zunge pro Grundgeschmack nur zehn Intensitätsstufen unterscheiden, so betrüge die Gesamtzahl an unterscheidbaren Aktivierungsmustern 106 = 1.000.000. Für die ersten Labormuster des SPR-Sensors sind vier Rezeptoren geplant, diese Rezeptoren werden nach dem Ampelprinzip in drei Stufen kategorisiert. So ergeben sich für das zu untersuchende Medium 34 = 81 zu unterscheidende Zustände. Fügt man noch zwei weitere Rezeptoren hinzu und unterteilt den Zustand der Rezeptoren in vier Kategorien so ergeben sich bereits 46 = 4.096 verschiedene Zustände für das zu analysierende Medium. Die so erkennbaren Muster werden in Feldversuchen dem Zustand des Transformators zugeordnet und ermöglichen dadurch eine Echtzeitüberwachung der Geräte.

Die Meilensteine im Überblick

  • Festlegung der Spezifikationen
  • Erstellung eines Referenzmessplatzes (Makro-Sensor)
  • Erstellung einer Sensoroberfläche mit Mikrofluidik
  • Steuerung und Signalauswertung des SPR-Sensors
  • Miniaturisierter Technologieträger
Sensorgehäuse mit Ansaugvorrichtung. Die Größe des Oberflächenplasmonenresonanzmesssystems wurde von 2 m^3 auf 0,005 m^2 reduziert.
@ OTH Regensburg
Sensorgehäuse mit Ansaugvorrichtung. Die Größe des Oberflächenplasmonenresonanzmesssystems wurde von 2 m^3 auf 0,005 m^2 reduziert.
@ OTH Regensburg

In µSPIN wurde ein hoch flexibler und vollautomatisierter Referenzmessplatz entwickelt. Dort werden alle Einzelkomponenten des miniaturisierten Sensorsystems getestet.  Bisher wurde die Sensoroberfläche auf einem Bildsensor mit 4 Mio. Pixel abgebildet. Dort wurden 100 Pixel benötigt um ein stabiles Signal zu erhalten. Theoretisch könnten also 40.000 Sensorspots parallel betrachtet werden. Wie hoch die Anzahl der Sensorpots in der Praxis, in einem miniaturisierten System sein könnte wird derzeit noch erprobt. Bisher wurde ein Rezeptor zur Immobilisierung von Nanopartikeln realisiert, für die restliche Projektlaufzeit sind noch weitere Parameter geplant. Damit das empfindliche Messsystem auch unter harschen Umgebungen, außerhalb des optischen Labors funktioniert wurde ein robustes Sensorgehäuse entwickelt, dass das SPR-System von sämtlichen relevanten Umgebungseinflüssen abschirmt.

Projektlaufzeit

08/2014 – 08/2017

Kontakt

Prof. Dr. Rudolf Bierl
Projektleiter
OTH Regensburg
Seybothstr. 2
93053 Regensburg
+49(0)941-943-9761
+49(0)941-943-1252

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.

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