11.06.2020

Empfindliche Fluoreszenzsensoren im Würfelzuckerformat

Moderne Fluoreszenzsensoren sollen klein, hochauflösend und hochsensitiv, preiswert und robust sein. Diesen Herausforderungen hat sich das CiS Forschungsinstitut gestellt und einen technologischen Baukasten für ein 2-kanaliges 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 Fotodioden mit speziellen Antireflex-Schichten, neuartige dichroitische Strahlteiler, ein leistungsfähiger Bandpass mit einer hohen Winkelakzeptanz und zusätzlich optisch richtungsselektive Filter.
Im nur 3x3x3 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° 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 SOG-Wafer (Silicon-on-Glass) hergestellt. An den senkrechten Wänden der entstandenen Kavitäten wurde sogenanntes „Schwarzes Silizium“ erzeugt. Auf diese Weise konnte bei einem optischen Einfallswinkel von 0° eine Transmission von bis zu 40 % erzielt werden, bei einem Einfallswinkel größer 13°, beträgt die Transmission 0%. 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 nm mit einer optischen Leistung von 160 µW und einer einer Abtastrate von 0,5 Hz wurde eine Nachweisgrenze des gemessenen Fluoreszenzlichts von ca. 50 pW erzielt. Der Stokes-Shift betrug für die Untersuchungen ca. 35 nm. 
Die Forschungsarbeiten wurden gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie unter dem FKZ 27219006. 

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Dr. Ralf Müller

Quelle: Pressemitteilung CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH

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