Immobilisierung von ionischen Flüssigkeiten in mikrofluidischen Papieren als Basis für elektrochemische Sensoren

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Biesalski; Professor Dr.-Ing. Bastian Etzold
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 405553381

Das Ziel des Projektes ist es, funktionale Komposite aus IL (ionische Flüssigkeiten, engl. ionic liquids) und mikrofluidischem Papier als neue Plattform für elektrochemische Anwendungen, vor allem Sensoren, zu entwickeln. Diese Komposite haben das Potential, die Nachteile von Systemen basierend auf wässrigen Elektrolyten (geringes Potentialfenster, Verdampfungsverluste und daraus resultierende Messfehler) zu umgehen und können zusätzlich die Löslichkeitseigenschaften der IL zur selektiven Anreicherung von Analyten nutzen. Als konkretes Anwendungsbeispiel wird sich auf die qualitative und quantitative Analyse von Schwermetallionen fokussiert. Schwermetallkontaminationen können nicht biologisch abgebaut werden und stellen damit ein langfristiges Problem für das Ökosystem dar. Gegenwärtige Standardprozeduren für die Analyse von solchen Belastungen erfordern aufwendige Laboruntersuchungen. Einfache, mit wenig apparativem Aufwand durchführbare Methoden zur Vor-Ort-Diagnose, wie papierbasierte elektrochemische Sensoren, haben deswegen enormes Innovationspotential. Durch die Möglichkeit der lokalen Steuerung der Papiereigenschaften wie z.B. der Oberflächenfunktionalisierung oder Porosität kann in mikrofluidischen Papieren ein definierter Flüssigkeitstransport für die Sensoren realisiert werden. Während die Nutzung von ILs anstatt wässriger Elektrolyte mehrere Vorteile bietet, ergeben sich für IL-Papiersensoren mehrere fundamentale wissenschaftliche Kernfragen, welche die Interaktion der IL mit dem Papiersubstrat (i), dem Elektrokatalysator (ii) sowie dem Analyten (iii) betreffen, und die bis heute unverstanden sind:- Wie verhalten sich ILs hinsichtlich der Fluiddynamik im porösen Papiervlies und welche Papier-intrinsischen sowie -extrinsischen Parameter haben hierauf einen Einfluss?- Lassen sich im Folgenden durch ein rationales Design der mikrofluidischen Papiere der Kapillarfluss von IL in den Papieren einstellen und wie kann man dies zur Steuerung nachfolgender Prozesse nutzen?- Welche fördernden/begrenzenden/vergiftenden Eigenschaften der ILs beeinflussen die elektrochemische Detektion?- Kann das Lösungs- bzw. Diffusionsverhalten zur selektiven Extraktion und Selektivitätssteigerung in der Mehrkomponentenanalytik genutzt werden?Indem die grundlegenden Mechanismen der Interaktion von IL mit dem Papiersubstrat, dem Elektrokatalysator und Analyt einerseits in generischen Experimenten untersucht und andererseits deren Kopplung im kompletten mikrofluidischen Sensorsystem betrachtet werden, sollen Grundlagen zu diesen Fragestellungen erarbeitet werden. Dies ist durch die gemeinsame Antragstellung in hervorragender Weise möglich. Kollege Biesalski hat eine ausgewiesene Expertise auf der Strukturierung und materialtechnischen, wie auch fluiddynamischen Charakterisierung von mikrofluidische Papiere und Kollege Etzold beschäftigt sich intensiv mit der Immobilisierung von ILs in porösen Strukturen wie auch mit elektrokatalytischen Materialien und Systemen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen