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9 Sensoren auf Basis elektrisch leitfähiger Polymere

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Sensor-Technologien
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9 Sensoren auf Basis elektrisch leitfähiger Polymere9.1 EinleitungBetrachtet man die Leitfähigkeit von Materialien, so werden Polymere vor allem alsIsolatoren gesehen. Im Jahr 2000 erhielten Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid undHideki Shirakawa jedoch den Chemienobelpreis für die Entdeckung und Erforschungder elektrischen Leitfähigkeit von Polymeren. Ihre ersten Ergebnisse veröffentlichtensie bereits 1977 in dem Artikel „Synthesis of Electrically Conducting Organic Polymers:Halogen Derivatives of Polyacetylen,(CH)x“ [154]. Seit die Entdecker mit diesem Arti­kel den Anstoß gaben, haben sich die elektrisch leitfähigen Polymere zu einem inten­siv bearbeiteten Forschungsfeld entwickelt.Ging es in der Anfangszeit der Erforschung noch um das Verstehen der wirkendenLeitungsmechanismen und der ihnen zugrunde liegenden Polymerstrukturen [155],so werden heute immer neue Modifikationen untersucht, um weitere Anwendungs­felder zu erschließen. Wie intensiv diese Bemühungen betrieben werden, zeigt diegroßeZahlderVeröffentlichungen.IndenJahren2006bis2016wurdeninsgesamtrund 2.000 Artikel zum Thema elektrisch leitfähige Polymere verfasst. Gut 95 % die­ser Artikel befassten sich mit Weiterentwicklungen der Polymere hin zu Hybrid- undKompositmaterialien [156].DieLeitfähigkeitvonPolymerenreichtalleinnochnicht,umdaraussinnvolleSen­sorkonzepte abzuleiten. Zweiter wesentlicher Baustein solcher Konzepte ist, dass dieLeitfähigkeit durch eine Interaktion mit einem das Polymer umgebenden Analytenbeeinflusst werden kann. So wird es möglich, durch eine Messung der LeitfähigkeitRückschlüsse auf den Analyten und seine Konzentration zu ziehen. Darüber hinauswurden weitere Eigenschaften der elektrisch leitfähigen Polymere gefunden, die vonihrer Leitfähigkeit und damit dem umgebenden Analyten abhängen und somit auchdie Kombination anderer Messverfahren mit dieser besonderen Stoffgruppe ermögli­chen. Ein Beispiel hierfür sind die optischen Eigenschaften, welche eine Verwendungder Polymere auch in der Spektroskopie ermöglichen.Die nachfolgenden Abschnitte haben zum Ziel, die Mechanismen, auf denen Sen­soren mit elektrisch leitfähigen Polymeren basieren, zu erklären und damit einen Ein­blick in mögliche Anwendungsfelder zu geben. Im Abschnitt 9.2 Messprinzip werdendie für ein leitfähiges Polymer wesentlichen Strukturmerkmale sowie die Reaktionen,die zu einer Veränderung selbiger führen können, erläutert. Anschließend werden mitden Chemoresistoren und der optischen Messung zwei Möglichkeiten zur messtech­nischen Verwendung elektrisch leitfähiger Polymere in der Analytik näher erörtert.Der Abschnitt 9.3 Anwendungen zielt darauf ab, durch die Diskussion einiger konkre­ter Anwendungsfälle für derartige Messungen, einen Eindruck von den vielfältigenUnter Mitwirkung von Thomas Heddaeus und Fritz Wegenerhttps://doi.org/10.1515/9783110702040-009
© 2021 Walter de Gruyter GmbH, Berlin/Munich/Boston

9 Sensoren auf Basis elektrisch leitfähiger Polymere9.1 EinleitungBetrachtet man die Leitfähigkeit von Materialien, so werden Polymere vor allem alsIsolatoren gesehen. Im Jahr 2000 erhielten Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid undHideki Shirakawa jedoch den Chemienobelpreis für die Entdeckung und Erforschungder elektrischen Leitfähigkeit von Polymeren. Ihre ersten Ergebnisse veröffentlichtensie bereits 1977 in dem Artikel „Synthesis of Electrically Conducting Organic Polymers:Halogen Derivatives of Polyacetylen,(CH)x“ [154]. Seit die Entdecker mit diesem Arti­kel den Anstoß gaben, haben sich die elektrisch leitfähigen Polymere zu einem inten­siv bearbeiteten Forschungsfeld entwickelt.Ging es in der Anfangszeit der Erforschung noch um das Verstehen der wirkendenLeitungsmechanismen und der ihnen zugrunde liegenden Polymerstrukturen [155],so werden heute immer neue Modifikationen untersucht, um weitere Anwendungs­felder zu erschließen. Wie intensiv diese Bemühungen betrieben werden, zeigt diegroßeZahlderVeröffentlichungen.IndenJahren2006bis2016wurdeninsgesamtrund 2.000 Artikel zum Thema elektrisch leitfähige Polymere verfasst. Gut 95 % die­ser Artikel befassten sich mit Weiterentwicklungen der Polymere hin zu Hybrid- undKompositmaterialien [156].DieLeitfähigkeitvonPolymerenreichtalleinnochnicht,umdaraussinnvolleSen­sorkonzepte abzuleiten. Zweiter wesentlicher Baustein solcher Konzepte ist, dass dieLeitfähigkeit durch eine Interaktion mit einem das Polymer umgebenden Analytenbeeinflusst werden kann. So wird es möglich, durch eine Messung der LeitfähigkeitRückschlüsse auf den Analyten und seine Konzentration zu ziehen. Darüber hinauswurden weitere Eigenschaften der elektrisch leitfähigen Polymere gefunden, die vonihrer Leitfähigkeit und damit dem umgebenden Analyten abhängen und somit auchdie Kombination anderer Messverfahren mit dieser besonderen Stoffgruppe ermögli­chen. Ein Beispiel hierfür sind die optischen Eigenschaften, welche eine Verwendungder Polymere auch in der Spektroskopie ermöglichen.Die nachfolgenden Abschnitte haben zum Ziel, die Mechanismen, auf denen Sen­soren mit elektrisch leitfähigen Polymeren basieren, zu erklären und damit einen Ein­blick in mögliche Anwendungsfelder zu geben. Im Abschnitt 9.2 Messprinzip werdendie für ein leitfähiges Polymer wesentlichen Strukturmerkmale sowie die Reaktionen,die zu einer Veränderung selbiger führen können, erläutert. Anschließend werden mitden Chemoresistoren und der optischen Messung zwei Möglichkeiten zur messtech­nischen Verwendung elektrisch leitfähiger Polymere in der Analytik näher erörtert.Der Abschnitt 9.3 Anwendungen zielt darauf ab, durch die Diskussion einiger konkre­ter Anwendungsfälle für derartige Messungen, einen Eindruck von den vielfältigenUnter Mitwirkung von Thomas Heddaeus und Fritz Wegenerhttps://doi.org/10.1515/9783110702040-009
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Chapters in this book

  1. Frontmatter I
  2. Vorwort V
  3. Inhalt IX
  4. Abbildungsverzeichnis XXI
  5. Tabellenverzeichnis XXIX
  6. Teil I: Einleitung
  7. 1 Konzentration, Anteil, Verhältnis 1
  8. 2 Sensoren für Konzentration und Analytik 7
  9. Teil II: Physikalische Sensorik
  10. 3 Massenspektrometrie 13
  11. 4 Ionenmobilitätsspektrometrie 27
  12. 5 Chromatografie 43
  13. 6 Paramagnetische Sensoren 61
  14. 7 Wärmeleitfähigkeitssensoren 79
  15. 8 Halbleitersensoren 91
  16. 9 Sensoren auf Basis elektrisch leitfähiger Polymere 111
  17. 10 Sensoren auf Basis akustischer Oberflächenwellen 129
  18. 11 Piezoelektrische Quarzsensoren 143
  19. 12 Gravimetrische Staubsensoren 157
  20. 13 Refraktometrie 165
  21. 14 Polarimetrie 181
  22. 15 Flammenionisationsdetektoren 193
  23. 16 Photoionisationsdetektoren 207
  24. 17 Pyknometrie 219
  25. Teil III: Optische Spektrometrie
  26. 18 Transmissionsspektrometrie 239
  27. 19 Photoakustische Spektrometrie 255
  28. 20 Cavity-Ring-Down-Spektrometrie 271
  29. 21 Atomemissionsspektrometrie 289
  30. 22 Fluoreszenzspektrometrie 305
  31. 23 Kernspinresonanzspektrometrie 323
  32. 24 Raman-Spektrometrie 343
  33. Teil IV: Chemische Sensorik
  34. 25 Wärmetönungssensoren 363
  35. 26 Kinetische Analyse 377
  36. 27 Prüfröhrchen 391
  37. 28 Titrimetrie/Volumetrie 405
  38. 29 Chemische Gravimetrie 425
  39. Teil V: Elektrochemische Sensorik
  40. 30 Coulometrie 439
  41. 31 Konduktometrie 455
  42. 32 Voltammetrie/Polarografie 469
  43. 33 Elektrogravimetrie 483
  44. 34 Festelektrolytsensoren 501
  45. Literatur 519
  46. Stichwortverzeichnis 545
Readers are also interested in:
https://doi.org/10.1515/9783110702040-009

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  1. Frontmatter I
  2. Vorwort V
  3. Inhalt IX
  4. Abbildungsverzeichnis XXI
  5. Tabellenverzeichnis XXIX
  6. Teil I: Einleitung
  7. 1 Konzentration, Anteil, Verhältnis 1
  8. 2 Sensoren für Konzentration und Analytik 7
  9. Teil II: Physikalische Sensorik
  10. 3 Massenspektrometrie 13
  11. 4 Ionenmobilitätsspektrometrie 27
  12. 5 Chromatografie 43
  13. 6 Paramagnetische Sensoren 61
  14. 7 Wärmeleitfähigkeitssensoren 79
  15. 8 Halbleitersensoren 91
  16. 9 Sensoren auf Basis elektrisch leitfähiger Polymere 111
  17. 10 Sensoren auf Basis akustischer Oberflächenwellen 129
  18. 11 Piezoelektrische Quarzsensoren 143
  19. 12 Gravimetrische Staubsensoren 157
  20. 13 Refraktometrie 165
  21. 14 Polarimetrie 181
  22. 15 Flammenionisationsdetektoren 193
  23. 16 Photoionisationsdetektoren 207
  24. 17 Pyknometrie 219
  25. Teil III: Optische Spektrometrie
  26. 18 Transmissionsspektrometrie 239
  27. 19 Photoakustische Spektrometrie 255
  28. 20 Cavity-Ring-Down-Spektrometrie 271
  29. 21 Atomemissionsspektrometrie 289
  30. 22 Fluoreszenzspektrometrie 305
  31. 23 Kernspinresonanzspektrometrie 323
  32. 24 Raman-Spektrometrie 343
  33. Teil IV: Chemische Sensorik
  34. 25 Wärmetönungssensoren 363
  35. 26 Kinetische Analyse 377
  36. 27 Prüfröhrchen 391
  37. 28 Titrimetrie/Volumetrie 405
  38. 29 Chemische Gravimetrie 425
  39. Teil V: Elektrochemische Sensorik
  40. 30 Coulometrie 439
  41. 31 Konduktometrie 455
  42. 32 Voltammetrie/Polarografie 469
  43. 33 Elektrogravimetrie 483
  44. 34 Festelektrolytsensoren 501
  45. Literatur 519
  46. Stichwortverzeichnis 545
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