|
Wien (tu) - An der TU Wien ist es gelungen, mit miniaturisierter Lasertechnik auf einem wenige Millimeter großen
Chip einen Sensor zu bauen, der die chemische Zusammensetzung von Flüssigkeiten messen kann.
Man kann sie nicht sehen, aber sie eignen sich perfekt zur Untersuchung von Flüssigkeiten und Gasen: Laserstrahlen
im Infrarotbereich werden von unterschiedlichen Molekülen unterschiedlich stark absorbiert. Dieser Effekt
wird beispielsweise bei der Messung der Sauerstoffkonzentration in Blut verwendet. An der TU Wien hat man dieses
einfache Prinzip aufgegriffen und auf dieser Basis einen neuen Sensor-Prototyp realisiert.
Speziell designte Quantenkaskaden-Laser und Lichtdetektoren werden an der TU Wien im selben Herstellungsprozess
auf einem Chip gefertigt. Der Abstand zwischen Laser und Detektor beträgt nur 50 Mikrometer. Dieser wird mit
einem sogenannten Oberflächenplasmonen-Wellenleiter aus Gold und Siliziumnitrid überbrückt. Dieser
neue Ansatz ermöglicht die einfache und kostengünstige Produktion winziger Flüssigkeitssensoren
für verschiedenste Einsatzzwecke.
Laser und Detektor
Gewöhnliche Kristall-Laser, etwa der bekannte rote Rubinlaser, bestehen aus nur einem bestimmten Material.
Quantenkaskaden-Laser hingegen sind aus einer perfekt optimierten Abfolge unterschiedlicher Materialschichten zusammengesetzt.
Dadurch kann man wichtige Eigenschaften des Lasers gezielt steuern, etwa die Wellenlänge seines Lichts. Wenn
man an die künstlich erzeugte Schichtstruktur eine elektrische Spannung anlegt, beginnt der Laser zu leuchten.
Man kann die Schichtstruktur allerdings auch in umgekehrter Richtung als Detektor verwenden: Wenn man sie mit Licht
bestrahlt, entsteht ein elektrisches Signal.
An der TU Wien wurde eine Methode entwickelt, aus derselben Schichtfolge einen Laser und einen Detektor gleichzeitig
auf einem Chip herzustellen – und zwar so, dass die Wellenlänge des Laserlichtes genau der Wellenlänge
des Detektors entspricht. Dieses bifunktionale Material wird am Zentrum für Mikro- und Nanostrukturen der
TU Wien Atomlage für Atomlage mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt. "Durch die gemeinsame Fertigung
muss man den Laser und den Detektor nicht justieren – sie sind von Anfang an auf dem selben Chip optimal platziert",
sagt Benedikt Schwarz vom Institut für Festkörperelektronik der TU Wien.
Licht-Führung vom Laser zum Detektor
Bei herkömmlichen optischen Systemen muss das erzeugte Laserlicht mit Hilfe genau justierter Linsen zum Detektor
geführt werden. Auch Glasfasern können verwendet werden, allerdings transportieren sie das Licht normalerweise
bloß in ihrem Inneren, bringen es also nicht in Kontakt mit der Umgebung und eignen sich dann auch nicht
als Sensoren.
Bei dem neuen Bauelement, das vom Forschungsteam der TU Wien vorgestellt wurde, funktioniert die optische Verbindung
zwischen Quantenkaskaden-Laser und Detektor völlig anders. Sie ist ein plasmonischer Wellenleiter, bestehend
aus Gold und Siliziumoxid. „Das Licht wechselwirkt mit den Elektronen im Metall auf eine ganz besondere Weise,
sodass das Licht an der Außenseite der Goldoberfläche geführt wird“, erklärt Benedikt Schwarz.
„Dadurch kann das Licht von Molekülen auf dem Weg zwischen Laser und Detektor absorbiert werden.“
Der fertige Sensor-Chip kann in eine Flüssigkeit getaucht werden. Aus der Abschwächung des Lichtsignals
durch absorbierende Moleküle kann dann auf die Zusammensetzung der Flüssigkeit geschlossen werden. Getestet
wurde dieser Sensor mit einer Lösung aus Wasser und Alkohol. Die Wasserkonzentration lässt sich auf diese
Weise bis auf 0.06% genau messen.
Durch die Möglichkeit die Wellenlänge durch das Design der Schichtfolge einzustellen, kann das Sensorkonzept
auf eine breite Palette von Molekülen wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffe oder auch Proteine für verschiedenste
Anwendungen in der chemischen, biologischen oder medizinischen Analyse angewandt werden.
Die Forschungsergebnisse wurden nun im Journal „Nature Communications“ veröffentlicht.
Nature Communications 5, 4085. http://www.nature.com/ncomms/2014/140606/ncomms5085/full/ncomms5085.html
doi: 10.1038/ncomms5085
|
