Chemische Sensoren

Chemische Sensoren
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Was ist ein Sensor
Arten von Sensoren
Messtechnik
Messverfahren
Messprinzipien

Was ist ein Sensor
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Erstes Glied einer Messkette, das eine
physikalische oder chemische Größe in ein zur
Weiterverarbeitung geeignetes Signal umwandelt
Messfühler, der im direkten Kontakt mit einem
Medium steht

Arten von Sensoren
physikalische Größen
Temperatur
Druck
Viskosität
Durchfluss
Geschwindigkeit
Volumenstrom
Massenstrom
Füllstand
chemische Größen
Qualitativ: Stoffart
Quantitativ:
Gehalt/Konzentration
Feuchte
pH-Wert
brennbare Gase
giftige Gase
Glucose

Gliederung der Vorlesung
Messgrößen (Parameter)
extensive und intensive Größen
physikalische und chemische
Größen
Matrizes
Gase
Flüssigkeiten
Qualitätskriterien
Präzision
Richtigkeit
Empfindlichkeit
Schnelligkeit
Preis
Querempfindlichkeit
Selektivität
Spezifität
Datenaufnahme und Auswertung
chemische Größen
Qualitativ: Stoffart
Quantitativ: Gehalt/Konzentration
Feuchte
pH-Wert
Messprinzipien
Mechanisch
Thermisch
Magnetisch
Elektrisch
Elektrochemisch
Optisch

Sensorprinzip

Marktlage

pH-Messung

DNA-Chip

Das Ulmer 6W-Modell

Qualitätskriterien
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Präzision
Richtigkeit
Empfindlichkeit
Schnelligkeit
Preis
Querempfindlichkeit
Selektivität
Spezifität

Der Baum der Erkenntnis

Theorie und Praxis

Statistischer und systematischer
Fehler

Messung
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inline
●
online
●
offline
Probenahmetechniken
●
●
●
●
Inhomogenität
Probengröße
Probenteilung
Fehlerbetrachtung

Analysenverfahren:
Probenahme
Transport, Lagerung
Aufarbeitung
Messung
Fehlerfortpflanzung
S
2
=S
2
+S
2
gesamt Probenahme Aufarbeitung
+S
2
Messung
wobei
S Probenahme
≫S Aufarbeitung
≫S Messung
Mittelwertbildung:
S x
=S x
/√n

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Chemische Größen
Qualitativ: Stoffart
Quantitativ: Gehalt/Konzentration
z.B. Feuchte, pH-Wert ...

Physikalische Größen
Temperatur
Druck
Viskosität
Durchfluss
Geschwindigkeit
Volumenstrom
Massenstrom
Niveau

Giederung der Vorlesung
Messgrößen (Parameter)
extensive und intensive Größen
physikalische und chemische
Größen
Matrizes
Gase
Flüssigkeiten
Qualitätskriterien
Präzision
Richtigkeit
Empfindlichkeit
Schnelligkeit
Preis
Datenaufnahme und Auswertung
chemische Größen
Qualitativ: Stoffart
Quantitativ: Gehalt/Konzentration
Feuchte
pH-Wert
Messprinzipien
Mechanisch
Thermisch
Magnetisch
Elektrisch
Elektrochemisch
Optisch

Feuchtmessungen
Dampfdruck über einer Flüssigkeit
Für die Verdampfung von reinem Wasser gilt:
H 2 O(l) H 2 O(g)
K(T) =
[H 2 O(g)]
[H 2 O(l)]
= p(H 2 O(g))/1[mol/mol]
H 2 O
H 2 O
d.h. der Dampfdruck einer Flüssigkeit hängt
(fast) nur von der Temperatur ab.
(nur bei extrem hohem (Fremdgas-)Druck
steigt der Dampfdruck leicht an)

Phasendiagramm von Wasser

Dampfdruck von Wasser / Taupunkt

Taupunktspiegel

LiCl-Feuchtefühler

Taupunkt H2O und LiCl
0
270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370
-0,5
-1
lg(p)
-1,5
-2
H2O
LiCl
-2,5
-3
-3,5
Temperatur (K)

Kapazitiver Feuchtesensor (Valvo)

Al 2 O 3 -Feuchtesensor

Al 2
O 3
Ersatzschaltbild

Sensorprinzipien

Massensensitiven Sensoren
Meßprinzip der massensensitiven Sensoren
Bei massenempfindlichen Sensoren wird ein
nachzuweisender Analyt selektiv an das sensitive
Material angelegt und dadurch die schwingende Masse
erhöht. Dies wird dann als Frequenzänderung der
Resonanzfrequenz gemessen.

Massensensitive Sensoren
Meßprinzip der massensensitiven Sensoren
Sensor film

Piezoelektrischer Effekt
Def:
Wechselwirkung zwischen dem mechanischen und
dem elektrischen Zustand in Kristallen, die kein
Symmetriezentrum besitzen.
• Er wurde 1880 von Jacques und Pierre Curie endeckt.

Piezoelektrischer Effekt
Prinzip:
• Einige Isolatoren erzeugen Spannung zwischen ihren gegenüberliegenden
Flächen, wenn sie einer mechanischen Spannung ausgesetzt wird ->
Piezoelektrizität.
• Tritt auf bei einigen Keramiken, Kristallen und einigen Polymeren.
• Piezoelektrische Materialien besitzen polare Strukturen
• Es handelt sich um polarisierte (unsymmetrische) Materialien.
• Beispiel -> Quarz

Piezoelektrischer Effekt
Piezomaterialien:
Anforderungen:
Hohe piezoelektrische Empindlichkeit.
Hohe mechanische Steifigkeit und Festigkeit.
Hoher elektrischer Isolationswiderstand.
Linearer Zusammenhang zwischen der Messgröße
(z.B. Druck) und der abgegebenen Ladung.
Eine langfristige Stabilität und geringe
Abhängigkeit von äußeren Einflüssen.
Niedrige Materialkosten.
Gute mechanische Bearbeitung.

Sensorprinzipien
• Die Schwingung eines Piezokristalls ist mit der
Ausbreitung von Schallwellen verbunden.
• Bewegung durch das
Innere des Kristalls
oder an seiner Oberfläche

BAW -Sensoren
Eng: bulk acoustik wave = Akustische Volumenwellen
BAW-Sensoren sind klassische Schwingquarze mit
metallisierten Flächen zur Kontaktierung und mit
selektiv wirkenden Akzeptorschichten für den
Analyten.
Der Analyt wird an diese Schichten gebunden ->
Masseänderung -> Meßbare Frequenzänderung
Sauerbrey-Gleichung :

BAW-Anwendung:
• Bestimmung von Wasserstoff in Gasmischung.
• Palladium als Absorber
• Die Wasserstoffaufnahme ist reversibel -> bei
nachlassendem Gehalt des Gases verringert sich
die Masse der Palladiumschicht wieder.
Kriterien:
• Auswahl der Beschichtung.
Soll möglichst selektiv mit der zu bestimmenden
Komponente in Wechselwirkung treten,
So wenig wie möglich durch andere Parameter
verändert werden,
Hohe Präzision der Frequenzmessung würde wenig
nützen, wenn Schichten z.B. flüchtige
Komponenten erhalten.

BAW-Anwendung:
Probleme:
• Manche Rezeptorschichten reagieren irreversibel mit
dem Analyten, z.B. Ammoniak mit Ascorbinsäure.
• Selektivitäten sind sehr unterschiedlich.
Ansprechzeiten sehr unterschiedlich.
• Die Anwendung in Lösungen schwieriger als die in Gasen.
Flüssigkeit ist stark dämpfend auf den
schwingenden Kristall.

SAW-Sensoren
Eng.: surface acoustic wave = Akustische Oberflächenwelle.

Prinzip der OFW-Chemosensorik:
Verschiedene Detektionsmechanismen, z.B.
Massenbelastung : Δf = -Kf 0
2
Δm
Typische Werte für ein 1-GHz-Bauteil
mit einer aktiven Fläche von 1 mm 2 .
Ein Meßaufbau, der Frequenzänderungen
von 1 ppm auflöst, weist
Massenanlagerung von 0.1 pg nach.
0,1pg/mm 2 = 0,1µg/m 2 ; bei Dichte 1000kg/m 3 : 10 -13 m 3 /m 2 (1/1000
Atomdurchmesser!)

file:http//www.univie.ac.at_anchem_sensor/Uni_Wien_Sensor2.html

SAW-Sensoren
besteht aus zwei interdigitierten Strukturen aus dünnen
Metallschichten, die in einiger Entfernung voneinander
auf einer piezoelektrischen Basisplatte aufgebracht sind
(Sender und Empfänger).

Prinzip der OFW-Chemosensorik:
Akustische Oberflächenwelle registriert Änderung an der
Substratoberfläche -> Für Gasdetektion vergleicht man
die Frequenz eines chemosinsitiv beschichteten
Bauelementes mit dem eines unbeschichteten
Referenzelements.

SAW-Sensoren

• Durch Massenempfindlische Sensoren bestimmbare
Komponenten und dazugehörige Adsorptivschichten

Schwingquarze sind dünn geschliffene Quarzplättchen, auf deren gegenüberliegende
Flächen zwei Elektroden aufgebracht werden. Wird an diese Elektroden eine Spannung
angelegt, so kommt es auf Grund der Elektrostriktion - der reziproke Effekt zum
piezoelektrischen Effekt - zu einer mechanischen Deformation des Quarzes. Legt man eine
Wechselspannung an, können sich stehende Wellen ausbilden. Die Resonanzfrequenz ist
dabei der Dicke des Plättchens umgekehrt proportional. Ein 10 MHz Schwingquarz ist
bereits nur mehr 0,168 mm dick (n=0). In Abhängigkeit vom vewendeten Schnittwinkel des
Quarzes treten verschieden Typen von Schwingungen auf: Die Frequenz nimmt in der
Reihenfolge Biege-, Dehnungs-, Flächenscher- und Dickenscherschwingung zu. Auf Grund
mechanischer Probleme bei immer dünner werdenden Plättchen ist die erreichbare
Frequenz bei Verwendung von Obertönen (n>0) auf ca. 70 MHz begrenzt.Will man höhere
Frequenzen verwenden, muss man zu Oberflächenwellenbauteilen übergehen.
Die Massenbeladung eines Schwingquarzes kann formal als Zunahme der Dicke des
Plättchens aufgefasst werden. Eine einfache Rechnung zeigt, daß die Frequenzabnahme
proportional der Massenzunahme und proportional dem Quadrat der Grundfrequenz ist.
Dies eröffnet einen Weg zur Erhöhung der Sensitivität über die Erhöhung der
Grundfrequenz. Die Frequenzabnahme kann gemessen werden, indem der Schwingquarz in
eine Oszillatorschaltung als frequenzbestimmendes Bauteil eingebaut wird. Für einen 10
MHz Schwingquarz mit einer Elektrodenfläche von 1 cm2 ergibt sich eine Abnahme der

1885 schlug John William Strutt, Lord Rayleigh, eine Lösung der Differentialgleichungen
zur Wellenausbreitung an der Oberfläche eines semiinfiniten isotropen Mediums vor
(Oberflächenwellen, engl. surface acoustic waves, SAW). Die Abbildung zeigt eine
derartige Rayleigh-Welle. Die Eigenheit einer Rayleigh-Welle besteht darin, daß sie sich
entlang der Oberfläche ausbreitet und daß im Inneren des Festkörpers, ab einer Tiefe von
ca. einer Wellenlänge, keine nennenswerte Bewegung mehr existiert. Weiters ist die
Auslenkung an der Oberfläche auf die sagittale Ebene beschränkt, d.i. die Ebene, die die
Ausbreitungsrichtung und die Flächennormale enthält (in der Abbildung ist das die y-z-
Ebene). Die Abbildung zeigt auch die Trajektorie eines Punktes an der Oberfläche.
In anisotropen Medien sind die Lösungen der Wellengleichungen nicht mehr so einfach. In
Piezoelektrika z.B. treten durch die Kopplung von mechanischen und elektrischen
Schwingungen Oberflächenwellen mit Auslenkungskomponenten senkrecht zur sagittalen
Ebene auf. Der Anteil dieser Komponenten hängt vom Kristallschnitt ab, wobei er
dominierend (sog. Scherwellen) oder vernachlässigbar (entsprechend einer Rayleigh-
Welle) sein kann.
Das Problem der Erzeugung von Oberflächenwellen wurde im Jahre 1965 durch White und
Volltmer mit der Entwicklung des interdigital transducers (IDT) gelöst. IDTs sind
kammartig ineinandergreifende Elektroden, die mittels Photolithographie auf ein Substrat
aufgebracht werden können. Wird an einen IDT eine Wechselspannung der Frequenz f
angelegt, so wird ein elektrisches Feld mit der räumlichen Periode 2p (s. Abbildung) und

Mit modernen photolithographischen Techniken lassen sich Interdigitalstrukturen mit
einem Abstand von 1 μm herstellen, was bei einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von 4000
m/s eine Grundfrequenz von 2 GHz erlaubt. Die Frequenzabnahme bei Massenbeladung ist
wie bei den Schwingquarzen dem Quadrat der Grundfrequenz proportional. SAW-Bauteile
zeigen eine wesentlich höhere Massenempfindlichkeit als Schwingquarze, weil ihre
Grundfrequenz im allgemeinen sehr viel höher ist. Die akustische Apertur A und die Zahl
der Finger beeinflussen die Divergenz der ausgesendeten Welle und sind auch für die
Beschreibung der Dämpfung von Bedeutung.
IDTs können sowohl zur Anregung als auch zum Empfang von Oberflächenwellen
verwendet werden. Eine einfache Anwendung dieser Technik ist die Delay-Line in der
Abbildung. Hier sind zwei IDTs durch eine Laufstrecke L voneinander getrennt. Das
Eingangssignal kommt um eine Zeit L/cph verzögert am Empfangs-IDT an. Werden durch
Anlagerung von Masse die Phasengeschwindigkeit cph oder durch mechanische
Beanspruchung die Laufstrecke L verändert, ändert sich auch die Verzögerungszeit.
Massenbeladung durch eine chemisch sensitive Schicht bzw. durch Einlagerung von
Analyten in diese Schicht führt zu einer Herabsetzung der Phasengeschwindigkeit. Dieser
Effekt kann chemosensorisch verwertet werden.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, eine Änderung der Phasengeschwindigkeit zu messen.
Zum einen kann man die Phasenverschiebung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal

Halbleiter-Sensoren

Verfahren der Gasanalytik

CO-Gleichgewicht Atemluft-Blut

Kristallstrukturen Metalloxid-Halbleiter

interkristalline Potentialbarriere

Grundfunktion Metalloxid-Halbleitersensor

Abbildung : Reaktionen an der Oxidoberfläche.
(1) Der moleklare Sauerstoff wird an der Oberfläche adsorbiert
und dissoziiert in Sauerstoffatome, die jeweils ein Elektron aufnehmen
und so in Sauerstoffionen übergehen. Dieser Prozess ist die Ionosorption.
(2) Wechselwirkung der Sauerstoffionen mit CO, nach [49].
(3) Dissoziative Wasseradsorption
auf dem SnO2, die zu OH- Gruppen führt.
(4) Wechselwirkung der Feuchte: Reaktion mit CO

Empfindlichkeit von Halbleitersensoren

NO 2
-Sensor mit organischem Halbleiter
Phthalocyanin

Elektrolytische Dissoziation
Quelle: LH

Leitwert und Leitfähigkeit
Leitwert:
G = I/U = 1/R[S, 1/Ω, mho]
A
A
d
G ~ A G ~ 1/d
G = κ*A/d =>
κ = G*d/A [S/cm]
Leitfähigkeit ~ Konzentration
z.B. NaCl, 1g/L: κ = 2mS/cm
=> Messung d. Salzkonzentration
„als NaCl“ Lit: E2 S. 124-126

Leitfähigkeit
κ = Σ c i
z i
Λ i

Elektrolyse
Kathode: Cu/Cu 2+
Cu 2+ + 2e – → Cu
(Reduktion)
Anode: Cl 2
/Cl –
2Cl – → Cl 2
+ 2e –
(Oxidation)

Elektrochemische Zelle und
Elektrochemische Reaktion
Elektrochemische Reaktion:
Redoxreaktion, bei der Reduktion (an der Kathode) und Oxidation (an der
Anode) gleichzeitig, aber räumlich getrennt ablaufen.
Im Elektronenleiter fließen Elektronen von der Anode zur Kathode
Im Ionenleiter fließen positive Kationen zur Kathode, negative Anionen zur
Anode.
Elektrochemische Zelle (-Kette):
Anordnung aus 2 Halbzellen (-ketten) oder Elektroden
Halbzelle: Redoxpaar am Übergang Elektronenleiter/Ionenleiter

Elektroden = Halbzellen
Metall-Elektrode Me/Me z+ : Me ⇋ Me z+ + z e -
z.B. Silber-Elektrode Ag/Ag +
(reines Silber in Silbersalzlösung):
Ag ⇋ Ag + + e -
Bei Nichtmetallen: inerter Elektronenleiter
Wasserstoff-Elektrode:
Elementarer Wasserstoff umströmt platiniertes Platin
(Elektronenleiter und Katalysator, reagiert selbst nicht):
H 2
(Pt) ⇋ 2H + + 2e¯
Sauerstoff(Pt)/Oxid-Elektrode, Elektrolyt ZrO 2
(Y 2
O 3
):
O 2
(Pt) + 4 e - ⇋ 2 O 2-

Elektrolyse von Wasser
http://www.fh-muenchen.de/home/fb/fb06/
labors/lab_didaktik/pdf/web-elektrolyse.pdf
Hofmannscher Apparat
I = 1 A
t = 193s = 3:13min
=> Q = I * t = 193As
13mL O 2
≈ 0,5mmol
26mL H 2
≈ 1mmol
=> Q/n: 193000As/mol H 2
, 386000As/mol O 2
2 H + + 2 e – → H 2
H 2
O → ½ O 2
+ 2 H + + 2 e –
Faradaysches Gesetz: Q = n*z*F F = 96487As/mol e –
Lit.: E2 S. 123-127, 136 GKP S. 61-62, 189-192

Standardpotential: Messanordnung
Standard-Elektrode: alle Konzentrationen 1 Einheit
Anstatt der Standardwasserstoffelektrode z.B. Elektrode Ag/AgCl (3M KCl)
Salzbrücke meist durch Diaphragma ersetzt
Zu jeder Elektrodengleichung gehört ein Standardpotential

Standardpotentiale 1 (25°C)

Standardpotentiale 2

Standardpotentiale 3

Elektrochemische Gesetze
1. Faradaysches Gesetz (Ladung ⇔ Stoffmenge):
Q = n*z*F => n = Q/(z*F) (F = 96487As/mol)
=> Coulometrie
2. Nernstsche /Peterssche Gleichung
(Elektrochemisches Potential ⇔ Konzentration)
E = E 0 + (NF/z)*lg([Ox]/[Red]) *)
(dekadischer Nernst-Faktor NF = 0,2mV/K*T, b. 300K
60mV)
=> Potentiometrie
1+2 in Kombination mit Diffusionsgesetz: Voltammetrie
*) [A] = Zahlenwert der (wirksamen) Konzentration (=Aktivität) in angepasster
Einheit: Gase in atm (≈bar), gelöste Stoffe in mol/L, Feststoffe in mol/mol

Coulometrie (potentiostatisch)

Coulometrische Titration

Potentiometrie
Metall-Elektrode:
Me/Me z+ : Me ⇋ Me z+ + z e -
z.B. Silber-Elektrode Ag/Ag +
reines Silber in Silbersalzlösung
misst Silberionenkonzentration:
Ag ⇋ Ag + + e¯, E 0
=0,8V
Anwendung der Nernstschen
Gleichung ergibt (300K):
E = E 0
+ 0,06V*lg[Ag + ]
Elektrode 2. Art:
z.B. Ag/AgCl, E 0
= 0,22V:
Ag(s)+Cl¯ ⇋ AgCl (s) + e –
E = E 0
– 0,06V*lg[Cl – ] (25°C)
misst Chloridkonzentration

Potentiometrie
Metall-Elektrode:
Me/Me z+ : Me ⇋ Me z+ + z e¯
z.B. Silber-Elektrode Ag/Ag + (reines Silber in
Silbersalzlösung) misst Silberionenkonzentration [Ag + ]:
Ag ⇋ Ag + + e¯ E 0
=0,8V
Anwendung der Nernstschen Gleichung ergibt (300K):
E = E 0
+ 0,06V*lg[Ag + ]
Elektrode 2. Art:
z.B. Silberchlorid-Elektrode Ag/AgCl
(Silber+AgCl fest
i n gesättigter Lösung von Silberchlorid)
misst Chloridkonzentration [Cl – ]:
Ag(s)+Cl¯ ⇋ AgCl (s) + e¯ E 0
= 0,22V
E = E 0
– 0,06V*lg[Cl – ]
(25°C)

Elektroden 2. Art
Silber/Silberchlorid Ag/AgCl:
Ag ⇋ Ag + + e¯
AgCl ⇋ Ag + + Cl¯ K L
≈ 10 -10 [M 2 ]
Ag + Cl¯ ⇋ AgCl + e¯
E = E 0
+ NF*lg(1/[Cl¯]) = E 0
– NF*lg[Cl¯]
Vergleich mit Ag/Ag + ergibt:
bei [Cl¯]=1 wird [Ag + ]≈10¯10 [M]
E 0
≈ 0,8V–10*0,06V = 0,2V (25°C)

λ-Sonde
Sauerstoff(Pt)/Oxid-Elektrode zur Messung der
Sauerstoffkonzentration in Gasen, Elektrolyt ZrO 2
(Y 2
O 3
):
O 2
(Pt) + 4 e¯ ⇋ 2 O 2¯
für jede der beiden Elektroden (Luft, Abgas) gilt:
E = E 0
+ (150mV/4)*lg(p(O 2
)) (750K)
Zellenspannung U = (150mV/4)*lg(p(O 2,Probe
)/p(O 2,Luft
))

pH-Messung:
Potentiometrie
pH = – lg (a(H 3
O + )/1M) ≈ – lg (c(H 3
O + )/1M)
Wasserstoff-Elektrode: inerter Elektronenleiter, meist Platin
H 2
(Pt)/H + : H 2
(Pt) ⇋ 2 H + + 2 e¯
E = E 0
+ 0,06V*lg (a(H 3
O + )/√p(H 2
))
bei 1atm H 2
wird E = -0,06V*pH
Sauerstoff-Elektrode:
O 2
/H 2
O: 2H 2
O ⇋ O 2
+ 4 H + + 4 e –
bei 1 atm O 2
: E = E 0
+ 0,06V*lg a(H 3
O + ) = E 0
- 0,06V*pH
Metalloxid-Elektrode: viele Metalle bilden im alkalischen
Medium schwerlösliche Oxide/Hydroxide, z.B.
Cd/Cd(OH 2
): Cd + 2 OH – ⇋ Cd(OH) 2
(s) + 2 e–
E = E 0
+ 0,06V*lg(1/a(OH – )) (E 0
= –0,81V)
mit pH + pOH = pK W
= 14:
E = 0,03V – 0,06V*pH

Diffusionspotential
Diffusion durch eine Grenzfläche:
K +
A -
K +
A -
unterschiedliche Konzentrationen und unterschiedliche
Diffusionskoeffizienten: =>Potentialdifferenz
Diffusionspotential relativ gering bei Leitelektrolyt KCl
(fast gleiche Diffusionskoeffizienten für K + und Cl - )

Störungen bei potentiometrischen Messungen
1. hoher Innenwiderstand => stromlose Messung (< 1...10pA)
2. Diffusionspotential:
unterschiedliche Größe der Ionen => unterschiedliche
–
Diffusionskoeffizienten
+
=> Potentialdifferenz
+ –
bei Konzentrationsunterschied
–
(relativ gering bei KCl)
+
+
–
–
+
+
(–) (+)
Reduzierung durch Strömung
(nicht selektiver Transport),
z.B. Schliffdiaphragma
Nachteil: Veränderung der
Probe durch Elektrolyt der
Bezugselektrode

pH-Messung
Selektive Glas-Membran als Grenzfläche:
c a
H +
K +
A -
H +
K +
A -
c i
Membranpotential folgt Nernst-Gl.:
ΔU = NF*lg(c a
/c i
)
=> U M
= U A
– (0,2mV/K)*T*pH*S
(Asymmetriepotential U A
;
Steilheit S < 1 wegen Innenwiderstand)

„Glaselektrode“
=> Membranpotential
folgt
Nernst-Gleichung!
Glas: Silicat, selektiv durchlässig für H +
| H + |
-O-Si-O-H ¯O-Si-O-
| |
|O| Ca ++ |O|
| |
-O-Si-O|¯ H-O-Si-O-
| H + |

Kalibrierung des pH-Meters
Abgleich von Asymmetriepotential und Steilheit (Temperatur)
1. Puffer pH 7: ΔU bzw. ΔpH; 2. Puffer pH 4 oder pH 10: ΔU/ΔpH

„geregelter 3-Wege-Katalysator“
Verbrennung von Kraftstoff im Ottomotor (vereinfacht):
CH 2
+ 3/2 O 2
→ CO 2
+ H 2
O
Nebenprodukte: CO, Kohlenwasserstoffe (HC), NO x
:
N 2
+ O 2
→ 2 NO (mit O 2
→ NO 2
)
Bildung von thermischem NO x
( = ∑ NO, NO 2
)
überwiegend kinetisch kontrolliert
=> stark temperaturabhängig
vollständige Umsetzung der
Schadstoffe im Katalysator nur
bei stöchiometrischer Mischung

λ-Sonde
λ-Sonde: Sauerstoff(Pt)/Oxid-Elektrode zur Messung der
Sauerstoffkonzentration in Gasen, Elektrolyt ZrO 2
(Y 2
O 3
):
O 2
(Pt) + 4 e - ⇋ 2 O 2-
E = E 0
+ (750*0,2mV/4)*lg p(O 2
) (750K)
=> Potential hängt logarithmisch vom Sauerstoffdruck ab

schmales λ-Fenster wird zu breitem Spannungs-Fenster

Magermotor
Hohes Luftverhältnis:
O 2
-Überschuss
verbessert Ausbrand
Kühleffekt vermindert
NO x
-Bildung
untere Zündgrenze
nicht unterschreiten
(Zündaussetzer
=> CO u. HC-Emission)
=> Gemischregelung

Diffusionskontrollierte Amperometrie
Diffusionsgesetz: dn/dt = -A*D*dc/dx
Einsatz einer Diffusionsbarriere (z.B. Membran):
dn/dt = -A*D*Δc
Ableitung d. Faradayschen Gesetzes:
z*F*dn/dt = dQ/dt = I
=> Grenzstrom I Gr
~ c: (wenn c i
≈ 0)
c a
c i

Sauerstoff-Elektrode nach Clark

Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Molekülen

Optische Messprinzipien

Atom- und
Molekülspektren

Bauprinzip des Photometers:
Monochromato
r

Eine Küvette ist
ein Gefäß mit
planparallelen
Seitenflächen;

Photometrische Messgrößen
Transmission T = I P
/I 0
hängt exponentiell von Konzentration
ab
Absorbanz A bzw.
Extinktion E = – lg T
(Minus, da T ≤ 1)
Lambert-Beersches Gesetz:
E λ
= ε λ
*c*d
mit Extinktionskoeffizient ε
(Einheit M -1 cm -1 bzw. cm 2 /mmol)

Lambert-Beersches Gesetz gilt nur für
monochromatische Strahlung

Extinktions-koeffizient
ε kann im sichtbaren
(VIS) bzw. UV-Licht
(UV) Werte über
10 5 M -1 cm -1
annehmen
Beispiel:
Messgenauigkeit
Δ T 0,2% entspr.
Δ E 0,001
Nachweisgrenze
bei 1cm Schicht
c = E/ε*d
= (0,001/10 5 )M
= 10 -8 M

Selektivität durch Farbreaktion

Nicht dispersive Infrarot-Spektrometrie
(NDIR)

Termschema für Molekülespektren

Messanordnung für
Lumineszenzmessung

Abklingkurve der Phosphoreszenz

Faseroptik

Prismenkoppler

Gitterkoppler

Young-Interferometer

Resonanzbedingung für
Oberflächenplasmonen

Oberflächenplasmonenresonanz

Oberflächenplasmonenresonanz

Analyt-Rezeptor-Komplex Analyt + Rezeptor
AR A + R
[ A]∗[R]
Massenwirkungsquotient: =K
[AR] A
Stoffbilanz:
Sensorempfindlichkeit: Rezeptorsättigung
[R] = c 0
- [AR]
c 0
−[AR]
= K A
[AR] [ A]
c 0
[ AR] −1= K A
[ A]
c 0
[ AR] = K +[A ] A
[A ]
[AR]= c 0∗[ A]
K A
+[A ]
c 0
[ AR] = K A
[A ] +1
1
[ AR] = K A
c 0
∗ 1
[ A] + 1 c 0

Möglichkeiten für Glucosesensoren

Schlüssel-Schloss-Prinzip