1 Ãberblick über die Sensorik
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380 8.1 Übersicht und Funktionsprinzipien 8.1.1 Erkennung chemischer Stoffe durch Sensoren 381<br />
8 Chemische Sensoren<br />
8.1 Übersicht und Funktionsprinzipien<br />
8.1.1 Erkennung chemischer Stoffe durch Sensoren<br />
Nach den Definitionen in Abschnitt 1 enthält ein (bio-)chemischer Sensor ein stofferkennendes<br />
Element und einen Transducer, der <strong>die</strong> Information über <strong>die</strong> Anwesenheit<br />
und Konzentration festgelegter chemischer Verbindungen in dem zu messenden<br />
Medium in ein elektrisches Signal umwandelt. Stoffe, <strong>die</strong> mit (bio-)chemischen Sensoren<br />
erkannt werden, sind Atome, Ionen oder Moleküle in Gasen, Flüssigkeiten oder<br />
Festkörpern. Häufig werden anstelle der Konzentrationen <strong>die</strong> Aktivitäten (s. Band 1,<br />
Abschnitt 2.4) gemessen. Die zu messenden Stoffe werden dabei entweder selektiv<br />
(z.B. Moleküle wie CO, NO 2 , CO 2 , CH 4 ) oder summarisch (z.B. brennbare oder toxische<br />
Gase, organische Lösungsmittel, etc) erfaßt.<br />
Eine spezifische Erkennung auf molekularer Basis kann z.B. in der (bio-)chemischen<br />
<strong>Sensorik</strong> durch spezifische Schlüssel/Schloß-Wechselwirkungen erzielt werden, <strong>die</strong><br />
bekannt sind bei natürlichen biologischen Systemen (z.B. für <strong>die</strong> Identifizierung von<br />
Geruch oder Geschmack über <strong>die</strong> Rezeptorproteine in Biomembranen der Zunge oder<br />
der Nasenschleimhäute) und <strong>die</strong> neuerdings auch in Forschungsarbeiten mit synthetisch<br />
hergestellten Werkstoffen angewendet werden. Typische Beispiele hierfür sind in Bild<br />
8.1.1-l zusammengestellt.<br />
Prinzipien der biologischen Detektion, Transduktion und Verstärkung werden in<br />
Bild 8.1.1-1a beispielhaft charakterisiert durch <strong>die</strong> Bindung eines Effektormoleküls an<br />
ein Rezeptorprotein R, das eine Konformationsänderung bewirkt, <strong>die</strong> dann einen<br />
Ionenkanal öffnet und dadurch Elektrolytdiffusion und Membrandepolarisation bewirkt.<br />
Alternativ dazu kann durch <strong>die</strong> Molekülbindung <strong>die</strong> Bildung eines zweiten Botenmoleküls<br />
(hier Cycloadenosinmonophosphat (CAMP)) bewirkt werden, wodurch eine<br />
katalytische Verstärkung und schließlich eine Kanalöffnung induziert wird.<br />
Bild 8.1.1-1b zeigt das Schlüssel-Schloß-Prinzip bei synthetisch hergestellten chemischen<br />
Sensoren mit Oberflächen und Grenzflächen aus einem anorganischen Werkstoff<br />
(Beispiel Zinkoxid). Das spezifische Detektionsprinzip basiert z. B. auf einer Oberflächen-Leitfähigkeitsänderung<br />
des Halbleiters bei Ausbildung eines definierten Oberflächenkomplexes<br />
und gleichzeitiger Ladungsübertragung von Elektronen e - . Dieser Effekt<br />
kann ausgenutzt werden, um bestimmte Teilchen selektiv in einer Mi-<br />
Bild 8.1.1-l:<br />
Beispiele für eine Stofferkennung nach dem Schlüssel-Schloß-Prinzip:<br />
a) Schematische Darstellung der Bindung eines Effektormoleküls an einen Rezeptor<br />
R (Abbildungen auf der linken Seite) und mit zusätzlicher Wirkung eines Botenmoleküls<br />
C (Abbildungen auf der rechten Seite). Durch <strong>die</strong> Bindung wird ein<br />
Transport von Elektrolytteilchen (schwarze Punkte) durch <strong>die</strong> Membran (Ionenkanal)<br />
möglich. Dieser Prozeß läßt sich durch elektrische (1-3) oder optische (4) Detektionsprinzipien<br />
(Bild links unten) nachweisen. Auf der rechten Seite ist <strong>die</strong> Kanalöffnung<br />
nach katalytischer Verstärkung schematisch dargestellt.<br />
b) Schematische Darstellung der Wechselwirkung von freien Teilchen (Atomen<br />
oder Molekülen) mit einer Festkörperoberfläche unter Ausbildung von adsorbierten<br />
Ionen. Mögliche Wechselwirkungsprozesse sind:<br />
(1) Volumeneinlagerung der Teilchen,<br />
(2) Grenzflächenreaktionen,<br />
(3) Dreiphasengrenzreaktionen an den Kontakten,<br />
(4) Oberflächenreaktionen,