Das Ziel dieses Projektes ist die Implementation eines konzeptionell neuen Scher-Mikroresonators hoher Güte mit integrierter molekular geprägter Hydrogelschicht für die hochempfindliche und selektive Detektion chemischer in Flüssigkeit gelöster Komponenten. Die Vision ist, die Basis für ein chemisch selektives Mikrosensorkonzept zu schaffen, bei dem Analysen schnell und ohne großen Laboraufwand (Doping Tests, klinische Analysen, etc.) durchgeführt werden können. Stabile Randbedingungen und Wiederverwendbarkeit im Sensorbetrieb werden dadurch erreicht, dass eine Flüssigkeitszelle für die reproduzierbare Zuführung der Flüssigkeit sorgt.
Diese interdisziplinäre Forschungsaktivität erfordert die enge Zusammenarbeit von Physikern und Verfahrenstechnikern, um die dafür nötigen Forschungsfelder: 1) Mikroresonatoren auf Basis von MEMS-Prozessen mit extrem geringer Dämpfung (Qualitätsfaktor > 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 schon während der Synthese der Hydrogelschicht. Die selektive Aufnahme des zuvor geprägten Analyten im Hydrogel erhöht sowohl seine Gesamtmasse als auch seine Trägheit und führt zu einer nachweisbaren Frequenzverschiebung der Eigenfrequenzen des Mikroresonators. Aufgrund des neuen Konzeptes der partiellen Immersion durch Meniskusbildung ist diese Frequenz¬verschiebung erstmals in Flüssigkeiten sehr empfindlich nachweisbar. Die durch partielle Immersion erreichte Erhöhung des Qualitätsfaktors eines Cantilevers wurde durch einen der Antragsteller kürzlich demonstriert. Hier soll durch die Implementation eines neuartigen Scher-Mikroresonators die Güte weiter gesteigert werden. Im Rahmen des Projektes soll zusätzlich geklärt werden, ob der Sensor zur weiteren Erhöhung seiner Empfindlichkeit im Oszillatormode betrieben werden kann.
Die Selektivität, Sorptionsfähigkeit, Ansprechzeit und Sensitivität der ionischen und nicht-ionischen Hydrogele werden mittels ausgewählter Analyte als Modellsysteme optimiert, ehe man diese am Mikroresonator implementiert. Durch die Imprägnierung werden strukturspezifische 3D Hohlräume erzeugt, wobei zusätzlich noch chemische (H-Brückenbildung) und ionische (bei den ionischen Gelen) Interaktionen, quasi Schlüssel-Schloss Wechselwirkungen, erfolgen, die die Selektivität erhöhen. Das Diffusionsverhalten im Gel kann durch externe Stimuli (T, pH-Wert, etc.) beeinflusst werden, die ein Schwellen/Schrumpfen der Gele bewirken (gut nutzbar für Reinigungszwecke/Wiederverwendung). Zudem müssen mögliche Querempfindlichkeiten (z.B. gegenüber der Temperatur, Zusammensetzung der Flüssigkeit) untersucht werden, die die Nachweisgrenzen beeinflussen können. Das Verhalten der Hydrogele soll projektbegleitend durch eine theoretische Modellierung unterstützt werden, um eine gezielte Optimierung bzw. Wahl der idealen Einsatzbedingungen vornehmen zu können.

Mitarbeiter

Dipl. Chem. Julian Menges

An­trag­stel­ler

Professor Dr.-Ing. Hans-Jörg Bart
Technische Universität Kaiserslautern
Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik
Lehrstuhl für Thermische Verfahrenstechnik

Professor Dr. Egbert Oesterschulze
Technische Universität Kaiserslautern
Fachbereich Physik
Arbeitsgruppe Physik und Technologie der Nanostrukturen

Fachliche Zuordnung

Chemische und Thermische Verfahrenstechnik
Experimentelle Physik der kondensierten Materie

Förderung seit 2014