Ein Tropfen der Flüssigkeit genügt, um die Zusammensetzung zu bestimmen.

Chemischer Sensor auf einem Chip

01.09.2022 - Österreich

Man kann sie nicht sehen, aber sie eignen sich perfekt zur Untersuchung von Flüssigkeiten und Gasen: Laserstrahlen im Infrarotbereich werden von unterschiedlichen Molekülen unterschiedlich stark absorbiert. Dieser Effekt wird beispielsweise bei der Messung der Sauerstoffkonzentration in Blut verwendet. An der TU Wien hat man dieses einfache Prinzip aufgegriffen und auf dieser Basis einen neuen Sensor-Prototyp realisiert.

Speziell designte Quantenkaskaden-Laser und Lichtdetektoren werden an der TU Wien im selben Herstellungsprozess auf einem Chip gefertigt. Der Abstand zwischen Laser und Detektor beträgt nur 50 Mikrometer. Dieser wird mit einem sogenannten Oberflächenplasmonen-Wellenleiter aus Gold und Siliziumnitrid überbrückt. Dieser neue Ansatz ermöglicht die einfache und kostengünstige Produktion winziger Flüssigkeitssensoren für verschiedenste Einsatzzwecke.

Laser und Detektor
Gewöhnliche Kristall-Laser, etwa der bekannte rote Rubinlaser, bestehen aus nur einem bestimmten Material. Quantenkaskaden-Laser hingegen sind aus einer perfekt optimierten Abfolge unterschiedlicher Materialschichten zusammengesetzt. Dadurch kann man wichtige Eigenschaften des Lasers gezielt steuern, etwa die Wellenlänge seines Lichts. Wenn man an die künstlich erzeugte Schichtstruktur eine elektrische Spannung anlegt, beginnt der Laser zu leuchten. Man kann die Schichtstruktur allerdings auch in umgekehrter Richtung als Detektor verwenden: Wenn man sie mit Licht bestrahlt, entsteht ein elektrisches Signal.

An der TU Wien wurde eine Methode entwickelt, aus derselben Schichtfolge einen Laser und einen Detektor gleichzeitig auf einem Chip herzustellen – und zwar so, dass die Wellenlänge des Laserlichtes genau der Wellenlänge des Detektors entspricht. Dieses bifunktionale Material wird am Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen der TU Wien Atomlage für Atomlage mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt. "Durch die gemeinsame Fertigung muss man den Laser und den Detektor nicht justieren – sie sind von Anfang an auf dem selben Chip optimal platziert", sagt Benedikt Schwarz vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien.

Licht-Führung vom Laser zum Detektor
Bei herkömmlichen optischen Systemen muss das erzeugte Laserlicht mit Hilfe genau justierter Linsen zum Detektor geführt werden. Auch Glasfasern können verwendet werden, allerdings transportieren sie das Licht normalerweise bloß in ihrem Inneren, bringen es also nicht in Kontakt mit der Umgebung und eignen sich dann auch nicht als Sensoren.

Bei dem neuen Bauelement, das vom Forschungsteam der TU Wien vorgestellt wurde, funktioniert die optische Verbindung zwischen Quantenkaskaden-Laser und Detektor völlig anders. Sie ist ein plasmonischer Wellenleiter, bestehend aus Gold und Siliziumnitrid. „Das Licht wechselwirkt mit den Elektronen im Metall auf eine ganz besondere Weise, sodass das Licht an der Außenseite der Goldoberfläche geführt wird“, erklärt Benedikt Schwarz. „Dadurch kann das Licht von Molekülen auf dem Weg zwischen Laser und Detektor absorbiert werden.“

Der fertige Sensor-Chip kann in eine Flüssigkeit getaucht werden. Aus der Abschwächung des Lichtsignals durch absorbierende Moleküle kann dann auf die Zusammensetzung der Flüssigkeit geschlossen werden. Getestet wurde dieser Sensor mit einer Lösung aus Wasser und Alkohol. Die Wasserkonzentration lässt sich auf diese Weise bis auf 0.06% genau messen.
Durch die Möglichkeit die Wellenlänge durch das Design der Schichtfolge einzustellen, kann das Sensorkonzept auf eine breite Palette von Molekülen wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffe oder auch Proteine für verschiedenste Anwendungen in der chemischen, biologischen oder medizinischen Analyse angewandt werden.

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