Industrie & Technik

Fluoreszenzsensoren im Würfelzuckerformat

11.06.2020 - Ein technologischer Baukasten für ein zweikanaliges Fluorimeter.

Moderne Fluoreszenz­sensoren sollen klein, hoch­auflösend und hoch­sensitiv, preiswert und robust sein. Das CiS Forschungs­institut für Mikro­sensorik in Erfurt hat zur Erfüllung dieser Anforderungen jetzt einen techno­logischen Baukasten für ein zwei­kanaliges 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 Photodioden mit speziellen Antireflex-Schichten, neuartige dichroitische Strahl­teiler, ein leistungs­fähiger Bandpass mit einer hohen Winkel­akzeptanz und zusätzlich optisch richtungs­selektive Filter. Im nur 3×3×3 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 Grad 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 Silicon-on-Glass -Wafern hergestellt. An den senkrechten Wänden der entstandenen Kavitäten wurde schwarzes Silizium erzeugt. Auf diese Weise konnte bei einem optischen Einfalls­winkel von null Grad eine Trans­mission von bis zu vierzig Prozent erzielt werden, bei einem Einfalls­winkel größer 13 Grad beträgt die Trans­mission null Prozent. 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 Nanometern mit einer optischen Leistung von 160 Mikrowatt und einer Abtastrate von einem halben Hertz wurde eine Nachweis­grenze des gemessenen Fluoreszenz­lichts von etwa fünfzig Pikowatt erzielt. Der Stokes-Shift betrug für die Unter­suchungen etwa 35 Nanometer.

CiS / RK

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