Plattform für resonante chemische Sensoren und Biosensoren auf der Basis phononischer Kristalle

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Sören Hirsch; Professor Dr. Ralf Lucklum
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254691483

Das Projektziel ist die Entwicklung einer Plattform für chemische und Biosensoren, die fünf Merkmale kombiniert und eine bestehen Lücke an Sensoren für mikrofluidische Systeme füllt: - Sensor für flüssige Phasen- Sensor zur Beobachtung von chemischen/biochemischen Prozessen im freien Volumen und physiologischer Umgebung- Messraum unter 1 µl- Robust, rein akustisch in der Messumgebung- Integration von Sensor, Mikromechanik/Mikrofluidik.Das Messprinzip besitzt zwei wichtige Alleinstellungsmerkmale, über die klassische resonante Sensoren nicht verfügen:- Messung der volumetrischen Größe Schallgeschwindigkeit des Analyten im Messraum- Direkte Verknüpfung der Messgröße Schallgeschwindigkeit mit molekularen Eigenschaften und Wechelwirkungen im Analyten. Die Entwicklung der Sensorplattform zielt deshalb auf die Anwendung in der Flüssigkeitsanalytik und für biophysikalische Untersuchungen. Die Demonstratoren sind die Blutzuckerbestimmung in der Medizintechnik und die Analyse der Hydrogenolyse von Bio-Glycerin zu 1,2-Propanediol im Bereich der Biodieselproduktion. Das Sensorprinzip beruht auf den in der Ultraschallspektroskopie genutzten physikalischen Effekten. Der Sensor nutzt resonante Eigenschaften von einem zielgerichtet in einen phononischen Kristall eingebrachten Defekt. Der Defekt ist gleichzeitig die Messzelle eines mikrofluidischen Systems. Design und Dimensionierung des phononischen Kristalls berücksichtigen die Anforderungen hinsichtlich Sensitivität des Sensors, typische Dimensionen von mikrofluidischen Systemen und die Volumenviskosität des Analyten. Das Wandlungsschema des Sensors ist 2-stufig:1. die Veränderung der Schallgeschwindigkeit und Schalldämpfung der sich durch den Analyten ausbreitenden Ultraschallwelle infolge einer spezifischen (bio)chemischen Reaktion, einer spezifischen (bio)physikalischen Veränderung des Analyten oder Konzentrationsänderung einer bestimmten Komponente im Stoffgemisch in der Messzelle.2. die unspezifische Wandlung der Veränderung der Schallgeschwindigkeit und Schalldämpfung durch den Analyten in eine Frequenzverschiebung und Änderung der Amplitude der Resonanz. Der Sensorentwurf und die Optimierung und technologische Umsetzung des Wandlers im Sinne hoher Sensitivität und Zuverlässigkeit sind Hauptinhalt des Projektantrags und unabdingbare Voraussetzung für die Anwendung des Sensors in den perspektivischen Anwendungsfeldern Chemo- und Biosensorik und Medizintechnik.Der Neuwert der wissenschaftlichen Beiträge besteht im Entwurf geeigneter Designs des phononischen Kristalls unter Einbeziehung einer Flüssigkeit mit den gewünschten Sensoreigenschaften, dem Nachweis und der Optimierung des volumetrischen Sensoreffekts anhand zweier Demonstratoren, der Entwicklung geeigneter Fertigungstechnologien für piezoelektrische Substrate, der Ermittlung von akustischen Eigenschaften ausgewählter Stoffsysteme bei Ultraschallfrequenzen sowie der Korrelation zu den für den Anwender relevanten Größen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Griechenland, Kanada
• Beteiligte Institution: SAW Components Dresden GmbH
• Beteiligte Personen: Professorin Dr. Electra Gizeli; Professor Dr. Michael Thompson