Chemische Sensoren: Eine Einführung für Naturwissenschaftler und Ingenieure (German Edition)

Die Forschung und Anwendungsentwicklung in dem Bereich chemischer und biochemischer Sensoren ist weiterhin in einem schnellen Wachstum begriffen. Die Erfahrungen des letzten Jahrzehnts haben jedoch gezeigt, dass die erfolgreiche Entwicklung solcher Sensoren, die auch den harten Routinebedingungen in den vielfältigen Anwendungsgebieten widerstehen, nur dann möglich ist, wenn Chemiker und Ingenieure kooperieren. Daher ist es das Ziel dieses Lehrbuches, sowohl Chemikern als auch Ingenieuren, Lebensmittel- und Biotechnologen in einer streng systematischen aber sehr praxisorientierten Darstellung die Technologie und die Anwendung chemischer Sensoren nahezubringen. Der interdisziplinäre Ansatz überbrückt die unterschiedlichen Denkweisen in Chemie, Physik und Ingenieurwissenschaften erfolgreich. Vorwort......Page 6 Inhalt......Page 7 1.1.1 Sensoren als technische Sinnesorgane......Page 12 1.1.2 Der Begriff......Page 14 1.2.1 Was sind chemische Sensoren?......Page 15 1.2.2 Elemente chemischer Sensoren......Page 18 1.2.3 Charakterisierung chemischer Sensoren......Page 23 1.3 Literatur......Page 25 2.1.1 Festkörper......Page 26 2.1.2 Optik und Spektroskopie......Page 36 2.1.3 Piezoelektrizität und Pyroelektrizität......Page 47 2.2.1 Chemisches Gleichgewicht......Page 49 2.2.2 Kinetik und Katalyse......Page 52 2.2.3 Elektrolytlösungen......Page 53 2.2.4 Säuren und Basen, Fällungen und Komplexe......Page 54 2.2.5 Redoxgleichgewichte......Page 60 2.2.6 Elektrochemie......Page 63 2.2.8 Besonderheiten biochemischer Reaktionen......Page 88 2.3 Sensor-Technologien......Page 93 2.3.1 Dickschichttechnik......Page 94 2.3.2 Dünnfilmtechnologie und Strukturierungstechniken......Page 95 2.3.3 Oberflächenmodifizierung und geordnete Monoschichten......Page 98 2.3.4 Mikrosystem-Technologien......Page 108 2.4.1 Elementare Sensor-Elektronik......Page 111 2.4.2 Elektrische Meßinstrumente......Page 116 2.4.3 Optische Meßinstrumente......Page 117 2.5 Literatur......Page 126 3 Strukturierte Halbleiter als chemische Sensoren......Page 127 3.1 Literatur......Page 129 4 Massenempfindliche Sensoren......Page 130 4.1 BAW-Sensoren......Page 131 4.2 SAW-Sensoren......Page 133 5 Leitfähigkeits- und Kapazitätssensoren......Page 135 5.1 Konduktometrische Sensoren......Page 136 5.2.1 Gassensoren mit polykristallinen Halbleitern......Page 138 5.3 Resistive und kapazitive Sensoren für Flüssigkeiten......Page 143 6.1 Sensoren mit Thermistoren und Pellistoren......Page 146 6.2 Pyroelektrische Sensoren......Page 148 6.4 Literatur......Page 149 7 Elektrochemische Sensoren......Page 150 7.1 Potentiometrische Sensoren......Page 151 7.1.2 Ionenselektive Elektroden (ISE)......Page 154 7.1.3 Der ionenselektive Feldeffekttransistor (ISFET)......Page 172 7.1.4 Messungen mit potentiometrischen Sensoren......Page 175 7.2 Amperometrische Sensoren......Page 180 7.2.1 Selektivität amperometrischer Sensoren......Page 181 7.2.2 Bauformen und Beispiele......Page 183 7.2.3 Messungen mit amperometrischen Sensoren......Page 188 7.3 Sensoren auf der Basis anderer elektrochemischer Meßmethoden......Page 189 7.4.1 Grundlagen......Page 190 7.4.2 Arten elektrochemischer Biosensoren......Page 194 7.5 Literatur......Page 212 8.1 Lichtleiter als Basis optischer Sensoren......Page 214 8.2 Fasersensoren ohne chemischen Rezeptor (Mediator)......Page 217 8.3.1 Übersicht......Page 220 8.3.2 Optoden mit einfachen Rezeptorschichten......Page 224 8.3.3 Optoden mit komplexen Rezeptorschichten......Page 227 8.4.1 Planare Wellenleiter......Page 228 8.5.1 Grundlagen......Page 231 8.5.2 Optische Enzymsensoren......Page 232 8.5.3 Optische Bioaffinitätssensoren......Page 234 8.5.4 Optische DNA-Sensoren......Page 237 8.6 Sensorsysteme mit Integrierter Optik......Page 240 8.7 Literatur......Page 241 9 Chemische Sensoren als Detektoren und Indikatoren......Page 243 9.1 Indikatoren für Titrationsprozesse......Page 244 9.2 Durchflußdetektoren für kontinuierliche Analysatoren und für Trennmethoden......Page 245 9.2.1 Kontinuierliche Analysatoren......Page 246 9.2.2 Trennmethoden......Page 251 9.3 Literatur......Page 256 10.1 Zwei Entwicklungsrichtungen und ihre Ursachen......Page 257 10.2.1 Intelligenz in Sensorsystemen......Page 258 10.2.2 Sensor-Arrays......Page 261 10.3.1 Entstehungsgeschichte......Page 270 10.3.2 Technologien......Page 274 10.3.3 Charakteristische Operationen und Prozesse in Mikro-Total- Analysatoren......Page 276 10.3.4 Beispiele fur μ-TAS......Page 279 10.4 Literatur......Page 281 Stichwortverzeichnis......Page 283 Vorwort 6 Inhalt 7 1 Einleitung 12 1.1 Sensoren und Sensorik 12 1.1.1 Sensoren als technische Sinnesorgane 12 1.1.2 Der Begriff 14 1.2 Chemische Sensoren 15 1.2.1 Was sind chemische Sensoren? 15 1.2.2 Elemente chemischer Sensoren 18 1.2.3 Charakterisierung chemischer Sensoren 23 1.3 Literatur 25 2 Grundlagen 26 2.1 Sensor-Physik 26 2.1.1 Festkörper 26 2.1.2 Optik und Spektroskopie 36 2.1.3 Piezoelektrizität und Pyroelektrizität 47 2.2 Sensor-Chemie 49 2.2.1 Chemisches Gleichgewicht 49 2.2.2 Kinetik und Katalyse 52 2.2.3 Elektrolytlösungen 53 2.2.4 Säuren und Basen, Fällungen und Komplexe 54 2.2.5 Redoxgleichgewichte 60 2.2.6 Elektrochemie 63 2.2.8 Besonderheiten biochemischer Reaktionen 88 2.3 Sensor-Technologien 93 2.3.1 Dickschichttechnik 94 2.3.2 Dünnfilmtechnologie und Strukturierungstechniken 95 2.3.3 Oberflächenmodifizierung und geordnete Monoschichten 98 2.3.4 Mikrosystem-Technologien 108 2.4 Sensor-Meßtechnik 111 2.4.1 Elementare Sensor-Elektronik 111 2.4.2 Elektrische Meßinstrumente 116 2.4.3 Optische Meßinstrumente 117 2.5 Literatur 126 3 Strukturierte Halbleiter als chemische Sensoren 127 3.1 Literatur 129 4 Massenempfindliche Sensoren 130 4.1 BAW-Sensoren 131 4.2 SAW-Sensoren 133 5 Leitfähigkeits- und Kapazitätssensoren 135 5.1 Konduktometrische Sensoren 136 5.2 Resistive und kapazitive Sensoren für Gase 138 5.2.1 Gassensoren mit polykristallinen Halbleitern 138 5.3 Resistive und kapazitive Sensoren für Flüssigkeiten 143 6 Thermometrische und kalorimetrische Sensoren 146 6.1 Sensoren mit Thermistoren und Pellistoren 146 6.2 Pyroelektrische Sensoren 148 6.3 Sensoren auf der Basis anderer thermischer Effekte 149 6.4 Literatur 149 7 Elektrochemische Sensoren 150 7.1 Potentiometrische Sensoren 151 7.1.1 Selektivität potentiometrischer Sensoren 154 7.1.2 Ionenselektive Elektroden (ISE) 154 7.1.3 Der ionenselektive Feldeffekttransistor (ISFET) 172 7.1.4 Messungen mit potentiometrischen Sensoren 175 7.2 Amperometrische Sensoren 180 7.2.1 Selektivität amperometrischer Sensoren 181 7.2.2 Bauformen und Beispiele 183 7.2.3 Messungen mit amperometrischen Sensoren 188 7.3 Sensoren auf der Basis anderer elektrochemischer Meßmethoden 189 7.4 Elektrochemische Biosensoren 190 7.4.1 Grundlagen 190 7.4.2 Arten elektrochemischer Biosensoren 194 7.5 Literatur 212 8 Optische Sensoren 214 8.1 Lichtleiter als Basis optischer Sensoren 214 8.2 Fasersensoren ohne chemischen Rezeptor (Mediator) 217 8.3 Optoden: Fasersensoren mit chemischem Rezeptor 220 8.3.1 Übersicht 220 8.3.2 Optoden mit einfachen Rezeptorschichten 224 8.3.3 Optoden mit komplexen Rezeptorschichten 227 8.4 Sensoren mit planaren optischen Transduktoren 228 8.4.1 Planare Wellenleiter 228 8.5 Optische Biosensoren 231 8.5.1 Grundlagen 231 8.5.2 Optische Enzymsensoren 232 8.5.3 Optische Bioaffinitätssensoren 234 8.5.4 Optische DNA-Sensoren 237 8.6 Sensorsysteme mit Integrierter Optik 240 8.7 Literatur 241 9 Chemische Sensoren als Detektoren und Indikatoren 243 9.1 Indikatoren für Titrationsprozesse 244 9.2 Durchflußdetektoren für kontinuierliche Analysatoren und für Trennmethoden 245 9.2.1 Kontinuierliche Analysatoren 246 9.2.2 Trennmethoden 251 9.3 Literatur 256 10 Sensor-Arrays und miniaturisierte Totalanalysatoren 257 10.1 Zwei Entwicklungsrichtungen und ihre Ursachen 257 10.2 Intelligente Sensoren und Sensor-Arrays 258 10.2.1 Intelligenz in Sensorsystemen 258 10.2.2 Sensor-Arrays 261 10.3 Miniaturisierte Totalanalysatoren 270 10.3.1 Entstehungsgeschichte 270 10.3.2 Technologien 274 10.3.3 Charakteristische Operationen und Prozesse in Mikro-Total- Analysatoren 276 10.3.4 Beispiele fur μ-TAS 279 10.4 Literatur 281 Stichwortverzeichnis 283