Chemische Sensorik mit neuen Beschichtungen für die Flüssigphase

Abstract

In dieser Arbeit wurde ein Sensorsystem basierend auf einem Array aus vier Schwingquarzen für die Flüssigphase entwickelt. Für die mechanisch instabilen Sensoren, welche dünne Quarzscheiben darstellen (170µm dick), wurden stabile Einsätze entwickelt, welche die Sensoren in Form von Chips nutzbar machen. Mit Hilfe einer softwaregesteuerten Fließinjektionsanalyse-Anlage wurden verschiedene Beschichtungssysteme hinsichtlich Stabilität, Selektivität und Sensitivität untersucht. Die Schwingquarzsensoren stellen Dickenscherschwinger dar, welche mit einer Resonanzfrequenz von 10 MHz schwingen. Die Schwingfrequenz des Sensors ist abhängig von der auf der Oberfläche befindlichen Masse. Änderungen der Frequenz basieren auf Änderungen dieser abgeschiedenen Masse sowie Viskositäts- und Dichteänderungen in der angrenzenden Schicht. Als sensitive Schichten wurden einerseits Copolymere aus Kohlenmonoxid und Olefinen einer Multikomponentenanalyse verschiedener Analytmischungen unterzogen. Qualitative und quantitative Bestimmungen unterschiedlicher Analytgemische waren möglich. Des weiteren wurden cyclische Käfigstrukturen, basierend auf Cyclohexapeptiden hinsichtlich ihrer Sensitivität und Selektivität auf unterschiedliche Aminosäuren in verschiedenen Puffermedien und verschiedenen pH-Werten untersucht. Sensorsignale waren stark abhängig von der Art des Puffers und pH-Wertes, insbesondere von der Anwesenheit stark geladener Ionen im Medium. Diese Einflüsse konnten mit Hilfe von Kraftfeldrechnungen bestätigt werden. Als praxisorientierte Anwendung wurden Antigen-Antikörper-Wechselwirkungen für eine Blutgruppenbestimmung untersucht.

In this work, a sensor system based on four quartz crystal microbalances (QCM) was developed for the use in liquid media. The sensors were thin quartz plates of 170 µm thickness, which were fixed in mechanically stable chip-holders. Different coatings were investigated in a flow injection analysis system in terms of sensitivity, selectivity, and stability. QCM-sensors are thickness shear mode resonators operated at a fundamental frequency of 10 MHz. The resonance frequency is linearly dependent on the mass adsorbed on the surface of the sensor. The resonance frequency also depends the viscosity and density at the surface interface. Furthermore, changes in the viscoelastic properties of thick polymer layers lead to shifts in the frequency of the quartz. Different sensitive layers were tested: A multi-component-analysis was performed for copolymers from olefins and carbon monoxide. Qualitative and quantitative discrimination of analyte mixtures was possible. Furthermore, molecular recognition structures based on cyclic hexapeptides were examined in terms of sensitivity and selectivity for different aminoacids in three buffers at various pH-values. The influence of the different operating conditions were compared with forcefield calculations. As an example of a field application, a determination of blood group was performed.