Chemisch selektiver Mikroresonator durch imprägnierte Hydrogele

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Hans-Jörg Bart; Professor Dr. Egbert Oesterschulze
• Fachliche Zuordnung: Chemische und Thermische Verfahrenstechnik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 259794448

Das Ziel dieses Projektes ist die Implementation eines adaptierten Scher-Mikroresonators hoher Güte mit integrierter molekular geprägter Hydrogelschicht für die hochempfindliche selektive Detektion chemischer in Flüssigkeit gelöster Komponenten. Die Vision ist ein chemisch selektives Mikrosensorkonzept, bei dem Analysen schnell und ohne großen Laboraufwand (Doping Tests, klinische Analysen, etc.) durchgeführt werden können. Stabile Randbedingungen und Wiederverwendbarkeit im Sensorbetrieb erfordern zusätzlich die künftige Implementation einer Flüssigkeitszelle für die reproduzierbare Zuführung der Flüssigkeit.Diese interdisziplinäre Forschungsaktivität erfordert die enge Zusammenarbeit von Physikern und Verfahrenstechnikern, um die dafür nötigen Forschungsfelder: 1) Mikroresonatoren auf Basis von mikroelektrisch-mechanischen Systemen mit geringer Dämpfung (Qualitätsfaktor besser als 100) in viskosen Flüssigkeiten und 2) molekular geprägte Hydrogele für die chemische Analytik mit hoher Selektivität zu verknüpfen. Die chemische Selektivität basiert auf dem molekularen Prägeprozess während der Synthese der Hydrogelschicht. Die Analytaufnahme im Hydrogel erhöht seine Gesamtmasse/Trägheit und führt zu einer nachweisbaren Eigenfrequenzverschiebung. Aufgrund des patentierten Konzeptes der partiellen Immersion ist diese Frequenzverschiebung in Flüssigkeiten sehr empfindlich nachweisbar. Die dadurch erzielte Erhöhung des Qualitätsfaktors von Mikroresonatoren wurde kürzlich von uns für einen adaptierten Brückenresonator demonstriert. Hier soll in Zukunft durch die Implementation des Oszillationsmodus die Nachweisempfindlichkeit und Zeitauflösung weiter gesteigert werden. Auf Basis der Synthese UV-polymerisierbarer Gelmaterialien ist die Integration homogener responsiver Gelschichten erfolgreich mittels geeigneter Trockenätzprozesse demonstriert worden: ein wesentlicher Schritt zur zukünftigen Integration des Dünnschichtgelmaterials in einem reproduzierbaren Herstellungsprozess.Für die Realisierung der chemischen Selektivität des Resonators müssen in der Verlängerungsphase diese Hydrogelschichten zusätzlich molekular geprägt werden. Durch die Prägung mit Analytmolekülen werden strukturspezifische 3D-Hohlräume mit passenden intermolekularen Wechselwirkungen (z.B. Wasserstoffbrückenbindungen), quasi Schlüssel-Schloss Wechselwirkungen, synthetisiert. Dies erfordert eine materialspezifische Anpassung unserer erarbeiteten Synthesevorschriften. Wir konzentrieren uns dabei auf ein aus Vorarbeiten gut bekanntes Modellsystem von Xantinderivate, Coffein und Cefasolin (Theophyllin). An Hand dieses Modelsystems werden die Grenzen der sensorischen Eigenschaften, wie Selektivität, Sensitivität, Querempfindlichkeit und Zeitverhalten, analysiert. Um dabei die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse garantieren zu können, muss der Mikrosensor bei Aufrechterhaltung der partiellen Benetzung in einer optimierten Fluidzellenumgebung integriert und betrieben werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen