Elektro-chemischer Sensor
Chemical Sensing für Flüssigkeiten im Internet-of-Things (IoT) steckt aufgrund der hohen Preise für z. B. Ionenmessungen mit kommerziellen Sensorsystemen heute noch in den Kinderschuhen. Eine Ausnahme sind Gassensoren: Kostengünstige CO-Sensoren sind bereits auf einem technischen und preislichen Niveau, um in fast jedem Gebäude eingesetzt zu werden und Schäden durch Brände in bewohnten Häusern zu verhindern. Für Flüssigkeitssensoren hingegen ist eine solche durchschlagende Anwendung für einen Massenmarkt noch nicht etabliert. Der Goldstandard, ionenselektive Elektroden (ISE), sind immer noch laborgebunden, eingeschränkt durch den Bedarf an geschulten Technikern und Kalibrierung, makroskopisch und damit unrentabel für das IoT und die vielen möglichen Anwendungen, die sich im nächsten Jahrzehnt eröffnen.
Sowohl der Mangel an kostengünstigen und zuverlässigen Fertigungsmethoden, als auch die kurzen Lebensdauern elektrochemischer Sensoren führen zu einer Vernachlässigung der chemischen Sensorik von Flüssigkeiten - trotz vielfältiger Anwendungsmöglichkeiten in Haushalt, Biotechnologie, Life Science, Landwirtschaft und Pharmaforschung. Additive Fertigung verspricht kostengünstige individuelle Sensoren. Jüngste Fortschritte in der additiven Fertigung eröffneten die Möglichkeit der Einzelionensensorik mit einer potentiometrischen Methode [1] sowie einem impedimetrischen Ansatz [2]. Im Gegensatz dazu wird die Multi-Ionen-Sensorik [3], [4] immer noch mit konventionellen PVC-Membranen durchgeführt, die Nachteile in Bezug auf Zuverlässigkeit, Empfindlichkeit und Wiederholbarkeit der Herstellung aufweisen. Acrylat-basierte Tinten bieten höchste Homogenität, mögliche Feinabstimmung und sind prädestiniert für die additive Fertigung in kleinen Stückzahlen.
Durch die Verbesserung der Herstellungsmethode möchten wir diese Grenzen verschieben. Wir wählen fortschrittliche Druckverfahren, die wesentlich präzisere und damit wiederholbare Ergebnisse ermöglichen als der bisherige Goldstandard der Tauchbeschichtung [8]. Im Gegensatz zur Lithographie bietet das Drucken einen größeren Bereich im nutzbaren Parameterraum, um z. B. mehrere Materialien zu unterstützen oder mehrschichtige Strukturen schnell und kostengünstig zu erzeugen.
(b) Additiv gefertigter Sensor Prototyp.
(c) Impedanzantwort des Natriumsensors.
(d) FEM Simulation von Feldgradienten einer Sensorstruktur.
Im Vergleich zu anderen ionenselektiven Systemen [6-11] bietet unser impediometrischer Ansatz, der mit modernen Drucktechniken deutlich verbessert wurde, einen attraktiven Weg zu homogeneren ionenselektiven Membranen (ISM), die leicht herzustellen und skalierbar sind und, wenn sie auf einer CMOS Wafer-Oberfläche druckbar sind, einen kostengünstigen und kompatiblen Weg zur Integration in ein einfach zu verwendendes integriertes Schaltungssystem darstellen.
Im Allgemeinen muss ein Kompromiss zwischen (i) Größe, (ii) Auflösung/Leistung und (iii) Kosten gefunden werden. Bei IoT-Anwendungen muss eine klare Priorität auf den Kosten der Sensoren liegen, da es nicht erschwinglich ist, teure Sensoren überall in unserer Umgebung zu platzieren. Bei elektrochemischen, auf Mikro-Ionen-Selektiv-Membranen basierenden Sensoren mangelt es jedoch oft an der Kostenskalierbarkeit des Herstellungsverfahrens.
In einer kürzlich eingereichten Arbeit haben wir einen additiven Herstellungsweg für kostengünstige elektrochemische Sensoren vorgestellt (Abb. 1). Hierfür müssen die Elektroden und die dielektrische, ionenselektive Membran druckbar sein. Gängige Membranen auf Basis von Polyvinylchlorid (PVC) sind im Mikrometermaßstab sehr schwierig zu drucken. Unser großes Ziel sind Anwendungen in der Medizintechnik, in der Wasserqualitätsanalyse sowie im landwirtschaftlichen Sektor mithilfe unser kostengünstigen Sensorsysteme zu realisieren.
[1] Christian Pfeffer, Sabine Zips, Ernst Muellner, Markus Hefele, Franz Kreupl, Bernhard Wolf, Bernhard Wolfrum, Yue Liang and Ralf Brederlow A 3D-Printable, Impedimetric Na+-Sensor for Fluids, to be published at IEEE Sensors.
[2] L. Grob, H. Yamamoto, S. Zips, P. Rinklin, A. Hirano‐Iwata, B. Wolfrum: Printed 3D Electrode Arrays with Micrometer‐Scale Lateral Resolution for Extracellular Recording of Action Potentials. Advanced Materials Technologies 5 (3) 1900517 (2020).
[3] S. Zips, L. Grob, P. Rinklin, K. Terkan, N.Y. Adly, L.J.K. Weiß, D. Mayer, B. Wolfrum: Fully Printed μ-Needle Electrode Array from Conductive Polymer Ink for Bioelectronic Applications. ACS applied materials & interfaces 11 (36), 32778-32786 (2019).
[4] P. Rinklin, T.-M. Tseng, C. Liu, M. Li, K. Terkan, L. Grob, N. Adly, S. Zips, L. Weiß, U. Schlichtmann*, B. Wolfrum: Electronic design automation for increased robustness in inkjet-printed electronics. Flexible and Printed Electronics 4 (4), (2019).
[5] N. Adly, S. Weidlich, S. Seyock, F. Brings, A. Yakushenko, A. Offenhäusser, B. Wolfrum: Printed microelectrode arrays on soft materials: from PDMS to hydrogels. npj Flexible Electronics 2 (15), 1-9 (2018).
[6] J. Schnitker, N. Adly, S. Seyock, B. Bachmann, A. Yakushenko, B. Wolfrum A. Offenhäusser*: Rapid Prototyping of Ultralow‐Cost, Inkjet‐Printed Carbon Microelectrodes for Flexible Bioelectronic Devices. Advanced Biosystems 2 (3), 1700136 (2018).
[7] B. Bachmann, N. Adly, J. Schnitker, A. Yakushenko, P. Rinklin, A. Offenhäusser, B. Wolfrum*: All-inkjet printed gold microelectrode arrays for extracellular recording of action potentials. Flexible and Printed Electronics 2, 035003 (2017).
[8] N. Adly, L. Feng, K.J. Krause, D. Mayer, A. Yakushenko, A. Offenhäusser, B. Wolfrum: Flexible Microgap Electrodes by Direct Inkjet Printing for Biosensing Application. Advanced Biosystems 1, 1600016 1-8 (2017).
[9] D. Kireev, S.Seyock, J. Lewen, V. Maybeck, B. Wolfrum, A. Offenhäusser: Graphene Multielectrode Arrays as a Versatile Tool for Extracellular Measurements. Advanced Healthcare Materials 6, 01601433 1-9 (2017).
[10] N.Y. Adly, B. Bachmann, K.J. Krause, A. Offenhäusser, B. Wolfrum, A. Yakushenko: Three-dimensional inkjet-printed redox cycling sensor. RSC Advances 7 (9), 5473-5479 (2017).
[11] B. Wolfrum, E. Kätelhön, A. Yakushenko, K.J. Krause, N. Adly, M. Hüske, and P. Rinklin: Nanoscale Electrochemical Sensor Arrays: Redox Cycling Amplification in Dual-Electrode Systems. Accounts of Chemical Research 49, 2031–2040 (2016).