Fluoreszenzsensoren im Würfelzuckerformat
Ein technologischer Baukasten für ein zweikanaliges Fluorimeter.
Moderne Fluoreszenzsensoren sollen klein, hochauflösend und hochsensitiv, preiswert und robust sein. Das CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik in Erfurt hat zur Erfüllung dieser Anforderungen jetzt einen technologischen Baukasten für ein zweikanaliges Fluorimeter entwickelt. Gebraucht werden derartige Messsysteme in der medizinischen PoC-Diagnostik, im Monitoring von Diabetes-Patienten, aber auch in der Umwelttechnik zur schnellen Gewässeranalytik vor Ort oder in der Sicherheitstechnik zum Schutz vor Plagiaten.
Zu den Kernkomponenten des Fluorimeters gehören Photodioden mit speziellen Antireflex-Schichten, neuartige dichroitische Strahlteiler, ein leistungsfähiger Bandpass mit einer hohen Winkelakzeptanz und zusätzlich optisch richtungsselektive Filter. Im nur 3×3×3 mm³ kleinen Strahlteilerwürfel aus Quarzglas befindet sich auf einer diagonal teilenden Fläche ein neuartiges dichroitisches Schichtsystem aus 143 Layern aus SiO2, Nb2O5 und einem Mischmaterial SixNbyOz, wodurch ein akzeptierter Einfallswinkel von 45 Grad realisiert wird.
Für eine optimierte Störsignalunterdrückung sorgen mehrere, kostengünstig herstellbare Bandpassfilter, welche unerwünschtes Anregungslicht blockieren. Augenmerk wurde insbesondere auf eine verbesserte Filterleistung für gestreutes Anregungslicht gelegt.
Die richtungsselektiven Filter wurden mittels ICP-Ätzen auf Silicon-on-Glass -Wafern hergestellt. An den senkrechten Wänden der entstandenen Kavitäten wurde schwarzes Silizium erzeugt. Auf diese Weise konnte bei einem optischen Einfallswinkel von null Grad eine Transmission von bis zu vierzig Prozent erzielt werden, bei einem Einfallswinkel größer 13 Grad beträgt die Transmission null Prozent. Damit kann parasitäres Streulicht hinter dem optischen Filter nahezu vollständig unterdrückt werden.
Mikrosystemtechnologien sind die Grundlage für den erreichten hohen Miniaturisierungsgrad des Gesamtsystems, welches nicht größer als ein Stück Würfelzucker ist. Das ganzheitliche Systemdesign berücksichtigte optische, elektrische und mechanische Teilkomponenten zugleich, so dass dem Anwender am Ende nicht nur ein kompaktes Sensormodul zur Verfügung steht, sondern auch eine kostengünstige hochpräzise, automatisierte Montagetechnologie angeboten werden kann.
Erprobt wurde der technologische Baukasten an einem Demonstrator zur Erfassung der Konzentration von Glukose in wässrigen Lösungen mittels Fluoreszenzstandard. Bei einer Anregungswellenlänge von 585 Nanometern mit einer optischen Leistung von 160 Mikrowatt und einer Abtastrate von einem halben Hertz wurde eine Nachweisgrenze des gemessenen Fluoreszenzlichts von etwa fünfzig Pikowatt erzielt. Der Stokes-Shift betrug für die Untersuchungen etwa 35 Nanometer.
CiS / RK
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