Neue Chiptechnologie für zuverlässige pH-Messungen

Forschende des Fraunhofer IPMS haben eine neue Chiptechnologie für pH-Messungen entwickelt. Statt empfindlicher Referenzelektroden nutzt das System einen Referenz-ISFET. Die Lösung könnte Messgeräte robuster, einfacher zu handhaben und besser für mobile Anwendungen in Medizin, Biologie und Umweltanalytik geeignet machen.

Die Bestimmung des pH-Wertes ist eine zentrale Aufgabe in der Chemiesensorik, etwa in der medizinischen Diagnostik, der Biologie, der Landwirtschaft oder der Umweltanalytik. Anstelle der bisher üblichen Referenzelektroden kommt ein widerstandsfähiger Sensorchip zum Einsatz. Erste Testkits stehen bereits zur Verfügung, um die Technologie in unterschiedlichen Anwendungen zu erproben.

Konventionelle pH-Messgeräte arbeiten mit Silber/Silberchlorid/Kaliumchlorid-Referenzelektroden. Obwohl diese ein stabiles Bezugspotenzial liefern, gelten sie als anfällig für Fehler. Veränderungen der Elektrolytkonzentration, verstopfte Membranen oder austrocknende Elektroden können die Messwerte beeinträchtigen.

Bereits seit einiger Zeit werden Ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFETs) als Ersatz für klassische Glaselektroden genutzt. Am Fraunhofer IPMS ist es nun gelungen, auch die empfindliche Referenzelektrode durch einen Referenz-ISFET (REFET) zu ersetzen.

Dr. Olaf Hild, Abteilungsleiter für chemische Sensoren und Systeme am Fraunhofer IPMS, erklärt: "Unsere ISFETs sind zuverlässig, stabil und strapazierfähig. Sie umgehen typische Probleme klassischer Referenzelektroden, wie verstopfte oder aufgeladene Diaphragmen, Drift durch Konzentrationsänderungen oder Kontamination der Messlösung."

Durch diese Eigenschaften eignen sich die Chips besonders für mobile Messsysteme oder kompakte Analysegeräte.

In der neuen Technologie wird ein klassischer pH-ISFET mit einem Referenz-ISFET kombiniert. Der Referenzsensor zeigt eine deutlich geringere pH-Steilheit – beispielsweise etwa 20 mV pro pH im Vergleich zu den üblichen 59 mV pro pH bei 25 °C gemäß der Nernstschen Gleichung.

Beide Sensorchips sind mit dünnen Schichten aus Niobpentoxid (Nb₂O₅) oder Tantalpentoxid (Ta₂O₅) beschichtet. Diese Materialien tragen zur Stabilität und zur guten Lagerfähigkeit der Sensoren bei.

Die beiden ISFETs werden gemeinsam über eine Hilfselektrode betrieben. Aus den gemessenen elektrischen Signalen lässt sich anschließend der pH-Wert berechnen.

Dr. Olaf Hild weist auf die historische Grundlage des Ansatzes hin: "Leider stammt dieses Konzept des ISFET-REFET nicht von uns, sondern wurde bereits in den 1980er Jahren von Professor Piet Bergveld, dem Erfinder des ISFET, und seinen Kollegen entwickelt. Bisher fand das Konzept aber keinen Weg in die kommerzielle Nutzung."

Mit der aktuellen Technologie lassen sich pH-Werte derzeit im Bereich von etwa pH 4 bis pH 8 messen. Dieser Bereich deckt viele typische Anwendungen ab, beispielsweise in:

• biologischen und medizinischen Analysen
• Umweltmonitoring
• landwirtschaftlichen Anwendungen
• integrierten Sensorsystemen

Derzeit werden noch zwei Chips mit jeweils 5 × 5 mm² Größe eingesetzt, um eine ausreichende Benetzung sicherzustellen. Perspektivisch sollen beide Sensoren auf einem einzigen Chip mit integrierter Temperaturmessung kombiniert werden.

Elektronikentwickler Hans-Georg Dallmann erläutert eine wichtige Voraussetzung für stabile Messungen: "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 Forschenden planen nun weitere Optimierungen, darunter die Erweiterung des pH-Messbereichs, die Reduzierung von Sensordrift und die vollständige Integration der Sensoren auf einem Chip.

COMPAMED.de; Quelle: Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS)