Miniaturisierung eines enzymbasierten Biosensors zur direkten amperometrischen Detektion von Formaldehyd aus der Gasphase

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Achmann, Sabine ; Kita, Jaroslaw ; Hämmerle, Martin ; Moos, Ralf:
Miniaturisierung eines enzymbasierten Biosensors zur direkten amperometrischen Detektion von Formaldehyd aus der Gasphase.
2009
Event: 6. Deutsches Biosensor Symposium 2009 , 29.03.-01.04.2009 , Freiburg, Deutschland.
(Conference item: Conference , Other Presentation type)

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Im Hinblick auf einen kommerziellen Einsatz enzymbasierter Biosensoren und die Optimierung der Effizienz des Gesamtsystems, spielt die Miniaturisierung der Einheit eine wichtige Rolle. Das Ansprechverhalten und die Dauer sogenannter Erholungsphasen des Sensors hängen beispielsweise nicht nur vom enzymkatalysierten Umsatz des Analyten ab, sondern auch von der An- und Abdiffusion der Reaktanden. Da sich die Diffusionswege direkt aus dem Sensordesign ergeben, beeinflusst die Sensordimension das Ansprechverhalten des Sensors deutlich. Daneben lässt sich, bedingt durch die wesentlich kleineren Dimensionen eines planaren, miniaturisierten Sensoraufbaus der Probenverbrauch auf ein Minimum reduzieren und der Einsatz der kostenintensiven biologischen Sensorkomponenten bei gleichbleibender Konzentration deutlich verringern.

In dieser Arbeit werden LTCC-Mehrlagentechnologie (LTCC, low temperature cofired ceramics) und Siebdruckverfahren eingesetzt, um ein bestehendes Sensordesgin zu miniaturisieren. Mit diesen lässt sich ein planarer Sensor in einem kostengünstigen Produktionsprozess einerseits mit Leiterbahnen und Elektroden zur elektrochemischen Detektion des Analyten ausstatten, andererseits ermöglicht die einfache Bearbeitbarkeit der LTCC-Grünfolien das Einbringen von Kavitäten und Mikrokanälen für den Transport und die Speicherung von Messflüssigkeiten. Die elektrochemische Chlorierung einer siebgedruckten Ag-Elektrode erlaubt es zudem, den planaren Sensor mit einer stabilen, internen Ag/AgCl-Referenzelektrode zu versehen.

Um an der Schnittstelle zwischen Gas- und Flüssigphase gleichzeitig die Rückhaltung der gelösten Erkennungselemente im Sensor und einen effektiven Transport des Analyten aus der Gasphase in den Sensor sicherzustellen, wurden hydrophobisierte keramische Diffusions-membranen in die Sensoren integriert. Diese Keramiken wurden anschließend auf zwei Arten mit porösen Au-Elektroden versehen. Zuerst wurden makroskopisch poröse Au-Gitterelektroden auf die Oberfläche aufgedruckt. Allerdings stellten diese abhängig vom Grunddurchmesser der Membran nur eine begrenzte Fläche zur Verfügung, an der der Mediator elektrochemisch regeneriert werden konnte. Um die aktive Oberfläche der Elektroden weiter zu erhöhen wurden nachfolgend poröse Pasten entwickelt, mit denen Au-Elektroden mit hoher Porosität auf den Membranen aufgebracht werden konnten. Trotz kleinem Grundquerschnitt der verwendeten Membranen erlaubt die große aktive Oberfläche dieser Diffusionselektroden nun eine effiziente elektrochemische Regeneration des verwendeten Mediators.

Durch den Einsatz der keramischen Membranelektroden lässt sich der Analyt Formaldehyd mit Ansprechzeiten (t90) zwischen 8 - 20 min und einem Detektionslimit on 90 ppb direkt aus