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„Nichtisotherme chemische Sensoren“Arbeitsgruppe des Autors

Peter Gründler

I Einleitung

Chemische Sensoren übernehmen immer mehr Aufgaben, die traditionell der instrumentellen Analytik vorbehalten waren. Chemische Sensoren sollen klein, leicht und kostengünstig sein. Sie verhalten sich zum Teil wie "künstliche Sinnesorgane" mit den Funktionen "riechen" oder "schmecken", zum anderen Teil stellen sie echte Analyseninstrumente dar.
Chemische Sensoren müssen mindestens zwei Grundfunktionen erfüllen: Der Rezeptor muß in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Probe eine Eigenschaft so ändern, daß diese Änderung im nachgeschalteten Transduktor in ein elektrisches Signal umgesetzt werden kann. Elektrochemische Sensoren enthalten oft einen amperometrischen Transduktor, bei dem ein Elektrolysestrom gemessen wird, der linear von der Konzentration eines reduzierbaren bzw. oxydierbaren Probebestandteils abhängt. Diese wertvolle Besonderheit der Linearität rührt von den Eigenarten der sog. voltammetrischen Stromspannungskurven her, die u.U. so gestaltet werden können, daß sie die sigmoide Form annehmen. Der Diffusionsgrenzstrom IL solcher Kurven ist über viele Dekaden proportional zur Analytkonzentration.
Sigmoide voltammetrische Kurven mit den erwähnten Vorteilen erhält man entweder durch konstantes mechanisches Rühren oder durch Verwendung extrem kleiner Mikroelektroden. Eine weit weniger bekannte Möglichkeit ergibt sich durch die nichtisotherme Betriebsweise, d.h. durch die Heizung der Elektrode. Vorschläge hierfür gibt es schon lange Zeit. Häufig wurden Elektroden mit Laserimpulsen bestrahlt, auch Mikrowellenheizungen u.ä. sind bekannt. In den meisten Fällen lassen sich solche Anordnungen zwar vorteilhaft für Forschungszwecke, nicht aber für die chemische Sensorik anwenden. Ein Durchbruch wurde erst erzielt, nachdem entdeckt wurde, daß sich dünne Drähte oder Schichten u.U. direkt auf elektrischem Wege heizen lassen, d.h. so, daß die Elektrode gleichzeitig Teil zweier Stromkreise, eines Heizkreises und eines Meßkreises wird (Abb. 1). Da man zur Heizung Wechselstrom anwenden muß, gelingt eine solche Messung nur mit einer symmetrischen Meßanordnung, bei der sich Störsignale selbständig kompensieren (Abb. 2). Bei derartig geheizten Mikroelektroden läßt sich die Temperatur extrem schnell variieren, so daß sich ganz neue Möglichkeiten ergeben.

Abbildung 1: Direkte Wechselstromheizung einer symmetrisch geteilten Drahtelektrode innerhalb einer elektrochemischen Meßanordnung

Abbildung 2: Kompensation des Einflusses der Heizwechselspannung (100kHz) auf die Messung der elektrochemischen Signale. Die Brückenanordnung aus zwei Induktivitäten hält Störungen vom Eingang des potentiostaten fern.

Für den nichtisothermen Betrieb eignen sich Elektroden aus dünnen Drähten oder Schichten (Abb. 3). Auch die indirekte Heizung (Abb. 3 unten) wird nach den gewonnenen Erfahrungen wieder interessant.

Abbildung 3: Elektrodenformen, die sich für die elektrische Heizung eignen.
Links oben: Direkt geheizte Drahtelektrode (Platin, 25 µm) auf Halterung aus kupferkaschierter Kunststoffplatte, mit Laminierfolien isoliert.
Rechts oben: Direkt geheizte Metallschicht auf keramischem Grundkörper. Dieser Sensor basiert auf einer für die Mikroelektronik entwickelten Technologie (LTCC-Technik, d.i. "Low Temperature Cofired Ceramics"). Die Kontaktierung erfolgt von unten mit Hilfe von "Vias" durch den Keramikkörper hindurch.
Unten: Indirekt geheizte Elektrode auf LTCC-Basis mit getrenntem Heizkörper.

Zwei Betriebsweisen haben sich mit geheizten Elektroden bewährt:
    - Impulsartige Heizung, um extrem hohe Momentantemperaturen zu erreichen
    - Kontinuierliche Heizung, um in erster Linie den Rühreffekt der thermischen Konvektion zu nutzen
In beiden Betriebsarten kann die aktuelle Elektrodentemperatur und ihr zeitlicher Verlauf präzise nach zwei unabhängigen Verfahren gemessen werden. Auch eine rechnerische Bestimmung ist möglich.

II Hochtemperatur-Sensoren mit Impulsheizung

An dünnen Drähten oder Schichten steigt mit starken Heizströmen die Temperatur extrem schnell an. Ebenso schnell verläuft auch die Abkühlung. Kombiniert man Aufheiz- und Abkühlvorgänge mit elektrochemischen Meßperioden (Abb. 4), dann lassen sich die erhaltenen Meßpunkte zu Hochtemperatur-Voltammogrammen kombinieren (Abb. 5). Wegen der sehr schnellen Heiz- und Abkühlvorgänge werden Temperaturen bis weit über den Siedepunkt erreicht, ohne daß die Lösung siedet. Kinetisch gehemmte Redoxvorgänge können so analytisch genutzt werden, wie das Beispiel einer Oxalsäurelösung (Abb. 6) zeigt. Als Reaktionsmedium dient in all diesen Fällen das metastabile überhitzte Wasser.
Eine wichtige Besonderheit der Impulsheizung ist, daß in nahezu ruhender, also quasi konvektionsfreier Lösung gearbeitet wird.

Abbildung 4: Schema der Entstehung von "Hochtemperatur-Voltammogrammen" durch wiederholte Aufheiz-Abkühl-Cyclen mit kurzen elektrochemischen Meßperioden am Ende eines jeden Heizimpulses. Jede Einzelmessung ergibt ein Wertepaar und entspricht einem Punkt im Voltammogramm.

Abbildung 5: Hochtemperatur-Voltammogramme eines reversiblen Redoxsystems nach dem Prinzip von Abb.4. Je 0,005 mol/l K3Fe(CN)6 und K4Fe(CN)6 in KCl 0.1 M. Dauer eines Heizimpulses 0,1s, Periodendauer einer Einzelmessung 1s, Stufenhöhe der Potentialtreppe 0,01 V. Parameter: Elektrodentemperatur.

Abbildung 6: Hochtemperatur-Voltammogramme eines irreversiblen Redoxsystems nach dem Prinzip von Abb. 4. Oxalsäure 0,005 M in H2SO4 0,1 M. Dauer eines Heizimpulses 0,1s, Periodendauer einer Einzelmessung 1s, Stufenhöhe der Potentialtreppe 0,01 V. Parameter: Elektrodentemperatur.

III Thermische Konvektion an kontinuierlich geheizten Elektroden

Mit weniger intensiven Heizströmen kann eine Temperatur unterhalb des Siedepunktes eingestellt und konstant gehalten werden. Es entsteht eine dünne Schicht mit konstanter, weitgehend willkürlich wählbarer Temperatur, die als eine Art Mikro-Thermostat betrachtet werden kann. Diese Schicht ist sowohl durch Elemente der Ruhe als auch der Bewegung gekennzeichnet. Einerseits gibt es einen intensiven Mikro-Rühreffekt, der für einen starken Antransport der Reaktanden, also für hohe Signalströme sorgt. Andererseits verhält sich ein Teil der elektrodennahen Schicht wiederum wie eine ruhende Schicht, so daß man mit ein und derselben Elektrode sowohl sigmoide Voltammogramme (günstig für die Analytik) als auch typische peakförmige Voltammogramme (gut zur Diagnostik der Reaktanden mittels Cyclovoltammetrie) aufnehmen kann (Abb. 7).

Abbildung 7: Cyclovoltammogramme einer Lösung von 0,002 M Ferrocen in Dimethylformamid. Grundelektrolyt: Tetrabutylammoniumtetrafluoroborat 0,1 mol/l. Bei hohen Scanraten wächst die Diffusionsschicht innerhalb der quasi ruhenden aufgeheizten Schicht an, so daß die typische Form der Cyclovoltammogramme entsteht. Sehr langsame Scanraten bewirken, daß die Dimensionen der Diffusionsschicht und der Wärmeausbreitungsschicht identisch werden. Dies führt zu sigmoiden Kurvenformen wie in einer gleichmäßig gerührten Lösung.

IV Anwendungen

Hochtemperatur-Voltammetrie wurde bisher in erster Linie zur Bestimmung des Temperatureinflusses auf die Redox-Kinetik, zur Bestimmung von Redox-Entropien u.ä. genutzt.
Mit kontinuierlicher Elektrodenheizung wurden zahlreiche Bestimmungen von Metallgehalten durch Stripping-Voltammetrie durchgeführt. Unter den vielfältigen Anwendungen in der Bioelektrochemie sind besonders die Nucleinsäure-Sensoren erwähnenswert. Damit konnte die Konzentration von DNA bestimmt werden, ferner der Einfluß der Temperatur auf DNA-Schädigungen durch Chemikalien, insbesondere aber die Hybridisierung, d.h. die Zusammenlagerung von zwei Einzelsträngen zur Doppelhelix. In einem gegenwärtig entwickelten DNA-Hybridisierungsanalysator befindet sich ein Einzelstrang als "Sonde" auf einer Elektrodenoberfläche. Bei Anwesenheit des komplementären Gegenstücks in der Probelösung kommt es zur Hybridisierung, die durch ein elektrochemisches Signal angezeigt wird. Dies bedeutet die Erkennung einer biologischen Spezies ähnlich wie beim "genetischen Fingerabdruck". Diese Anordnungen können zu DNA-Chips erweitert werden. Die willkürlich wählbaren Lokaltemperaturen auf einem solchen Chip bewirken eine wesentliche Verbesserung und Beschleunigung der Bestimmung.

Abbildung 8: Wechselstrom-Voltammogramm einer geheizten Goldelektrode, an die über eine SAM Oligonucleotid-Abschnitte der Einzelstrang-DNA gebunden waren. Diese Abschnitte dienen als Sonde für die komplementären Gegenstücke. Die Elektrode wurde innerhalb einer Lösung von 3°C auf eine Temperatur von 50°C aufgeheizt. Als Hybridisierungsindikator war Ferrocencarbonsäure in die Ketten eingebunden. Im Inset bedeuten: "Target heiss" bzw. "Target kalt": Komplementäres Oligonucleotid in entsprechender Konzentration vorhanden; NC: Nur ein nichtkomplementäres Oligonucleotid ist vorhanden.

Abbildung 8 demonstriert die Wirksamkeit der Temperaturänderung allein schon beim Hybridisierungsvorgang. Hier wird zum Nachweis der erfolgreichen Hybridisierung ein "Indikatormolekül" in den Doppelstrang eingebaut, in diesem Falle ein Ferrocen-Abkömmling. Nur im Falle der Bildung eines Doppelstrangs entsteht ein Signal. Dieses wäre im Falle einer Lösung niedrigerer Temperatur kaum meßbar. Vorteilhaft beim nichtisothermen Betrieb ist, daß hier eine lokal günstige Temperatur innerhalb einer auf niedrig Temperatur gekühlten Lösung erreicht werden kann, wodurch die Unterscheidbarkeit des genau passenden Targets von Oligos mit Basen-Fehlpaarungen stark verbessert wird.
Eine andere interessante bioanalytische Anwendung geht von Enzymsensoren aus, die nichtisotherm betrieben werden. Daraus resultiert ein wesentlich verbessertes Nachweisvermögen. Noch wichtiger könnte die neue Technologie der "Thermischen Diskriminierung" werden, bei der die unterschiedlichen "Temperaturgänge" konkurrierender analytischer Signale benutzt werden, um Substanzen simultan zu bestimmen. Bisher ist dies für Mischungen von Glucose und Ascorbinsäure gelungen.
Moderne Techniken der Oberflächenmodifizierung wie etwa die Bildung selbstorganisierender Monolagen (SAM) wurden mit geheizten Gold- und Bismutelektroden untersucht.

V Fazit

Elektrisch geheizte Elektroden ermöglichen bei impulsartiger Aufheizung extreme Arbeitstemperaturen in offenen Systemen, also auch z.B. in Umweltsensoren. Kontinuierliche Heizung führt zu einem Mikrorühreffekt und damit zu günstigen Nachweisgrenzen bei amperometrischen Sensoren. Neue Materialien wie Bismut, aber auch Oberflächenmodifikation wie die Bildung selbstorganisierender Monolagen (SAMs) ist problemlos mit geheizten Sensoren möglich.
DNA-Hybridisierungsanalysatoren auf der Basis lokal unterschiedlicher Temperaturspots eröffnen neue Wege der Erkennung und Identifizierung biologischer Spezies.


Kontakt:
  • Prof. Dr. Peter Gründler
    Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung
    Zentrum für Spektroelektrochemie
    Helmholtzstr. 20
    01069 Dresden
    Tel.: +49 (0)351 4659 343
    E-Mail: p.gruendler@ifw-dresden.de
Literatur:
  • [1] P. Gründler, A. Kirbs The Technology of Hot-Wire Electrochemistry Electroanalysis 11(1999)223-228