1 Überblick über die Sensorik

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