Hydrogelbasierte plasmonische Sensoren zur Ethanoldetektion: Einfluss des Quellverhaltens auf das optische Signal
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Julia Herzog
,
Marisa Rio
Thomas Härtling ist Gruppenleiter am Fraunhofer IKTS und Professor an der Technischen Universität Dresden (Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik). Seine Forschungsinteressen drehen sich um die Ausnutzung von optischen Effekten in Nanostrukturen und -materialien für sensorische Anwendungen.
Zusammenfassung
Brechzahlsensitive plasmonische Sensoren mit nanostrukturierten Goldoberflächen bieten viele Vorteile für die kontinuierliche Vor-Ort-Überwachung in komplexen Prozessflüssigkeiten. In Kombination mit stimulus-responsiven Hydrogelen haben diese Potential für die selektive Detektion von Einzelparametern, hier der Ethanolkonzentration, bei sich gleichzeitig ändernden Stoffkonzentrationen anderer Komponenten. Ein erster Schritt zur Ausnutzung dieser selektiven Eigenschaften ist die Differenzierung des ethanolinduzierten Quelleffekts im eingesetzten Polyacrylamid-Hydrogel von der Brechzahländerung der zu analysierenden Flüssigkeit in Folge von Konzentrationsänderungen. Dies wurde durch die Anwendung einer mit Hydrogel funktionalisierten Messfläche und einer nicht funktionalisierten Referenzfläche erreicht. Das hier vorgestellte Sensorkonzept ermöglicht so die Bestimmung der Ethanolkonzentration wässriger Lösungen zwischen 40 und 60 vol%. Dabei wird gezeigt, dass von der Entquellung des Hydrogelvolumens nicht direkt auf das oberflächennahe Verhalten geschlossen werden kann, sondern eine individuelle Kalibrierung des optischen Signals notwendig ist.
Abstract
Refractive index sensitive plasmonic sensors with nanostructured gold surfaces offer many advantages for continuous on-site monitoring of complex process liquids. In combination with stimulus-responsive hydrogels, they show potential for the selective detection of individual parameters (here: ethanol concentration in water) in the presence of simultaneously changing concentrations of other components. As first step towards the exploitation of this selectivity is to distinguish the ethanol-induced swelling effect in the polyacrylamide hydrogel in use from the refractive index change of the liquid to be analyzed as a result of concentration changes. This was achieved by using a hydrogel-functionalized measurement area and a non-functionalized reference area. The sensor concept presented here allows the determination of the ethanol concentration in aqueous solution between 40 and 60 vol%. It is shown that the near-surface behavior cannot be directly inferred from the deswelling of the hydrogel volume, but that an individual calibration of the optical signal is necessary.
Funding source: Bundesministerium für Bildung und Forschung
Award Identifier / Grant number: 03VP01970
Über die Autoren
Julia Herzog ist Promotionsstudentin in Prof. Gerlachs Institut für Festkörperelektronik an der Technischen Universität Dresden und Teil des DFG Graduiertenkollegs 1865 für „Hydrogelbasierte Mikrosysteme“. Sie erhielt einen Abschluss als Dipl.-Ing. für Verfahrenstechnik und Naturstofftechnik an der Technischen Universität Dresden (2019). Derzeit forscht sie an hydrogelbasierten chemischen Sensoren in Kooperation mit Prof. Härtlings Gruppe am Fraunhofer IKTS.
Marisa Rio hat einen B.Sc. in Angewandter Chemie (2008) und einen M.Sc. in Mikro- und Nanotechnologien (2011) von der Universität Minho in Portugal. Sie promovierte in der Mikrosystemtechnik an der Technischen Universität Dresden (2019). Bevor sie Anfang 2019 zu Fraunhofer Portugal AWAM kam, um das neue Forschungszentrum aufzubauen, arbeitete sie in der Forschung und Entwicklung sowohl am Fraunhofer IKTS als auch an der Technischen Universität Dresden auf dem Gebiet der Detektion von Schadstoffen und Schwermetallen unter Verwendung von plasmonischen (Bio-)Sensoren auf der Basis von Goldnanopartikeln und nanostrukturiertem Gold, was derzeit ihr Hauptforschungsschwerpunkt ist.
Christiane Schuster ist Gruppenleiterin am Fraunhofer IKTS. Sie hat einen Abschluss für Mechatronik und absolvierte Ihre Promotion mit dem Thema über die Herstellung und Charakterisierung von bio-templierten Nanostrukturen an der Technischen Universität Dresden (2010). Seit 2011 betreibt sie angewandte Forschung in der Fraunhofer Gesellschaft auf dem Gebiet der optischen Charakterisierung von Nanostrukturen und deren Entwicklung zu robusten Sensoren für Test- und Diagnosemethoden.
Thomas Härtling ist Gruppenleiter am Fraunhofer IKTS und Professor an der Technischen Universität Dresden (Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik). Seine Forschungsinteressen drehen sich um die Ausnutzung von optischen Effekten in Nanostrukturen und -materialien für sensorische Anwendungen.
Gerald Gerlach ist Professor für Festkörperelektronik an der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität Dresden und dort auch Direktor des gleichnamigen Instituts. Hauptarbeitsgebiete: Sensor- und Halbleitertechnologie, Entwicklung von Festkörpersensoren mit dem Schwerpunkt pyroelektrische Infrarot- sowie piezoresistive Feuchte- und Gassensoren, Simulation und Modellierung mikromechanischer Bauelemente.
Danksagung
Die Autoren danken Bahareh Geramian für die experimentelle Unterstützung bei den Brechzahlmessungen sowie Philip Knoch für die Hilfe bei der Bestimmung der Schichtdicke des mikrostrukturierten Hydrogels. Marisa Rio dankt dem Projekt ”INICIO – Setup of a research infrastructure for closed circles of water, nutrients and energy in Portuguese agriculture” mit der Referenz PINFRA04/72685/2020 – INICIO (NORTE-01-0145-FEDER-072685), das vom European Regional Development Fund (ERDF) über das Regionalprogramm Nordportugal (NORTE2020) im Rahmen des Partnerschaftsabkommens PORTUGAL 2020 kofinanziert wird.
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Author contributions: All the authors have accepted responsibility for the entire content of this submitted manuscript and approved submission.
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Research funding: Diese Arbeiten wurde durch das DFG-Graduiertenkolleg 1865 ” Hydrogel-basierte Mikrosysteme” und das VIP+ – Programm des Bundesministeriums für Bildung und Forschung unter Förderkennzeichen 03VP01970 finanziell unterstützt.
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Conflict of interest statement: The authors declare no conflicts of interest regarding this article.
Literatur
[1] A. R. Mansur, J. Oh, H. S. Lee, and S. Y. Oh, “Determination of ethanol in foods and beverages by magnetic stirring-assisted aqueous extraction coupled with GC-FID,” Food Chem., vol. 366, 2022, Art. no. 130526. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.130526.Search in Google Scholar PubMed
[2] A. C. C. Fulgêncio, G. A. P. Resende, M. C. F. Teixeira, B. G. Botelho, and M. M. Sena, “Combining portable NIR spectroscopy and multivariate calibration for the determination of ethanol in fermented alcoholic beverages by a multi-product model,” Talanta Open, vol. 7, 2023, Art. no. 100180. https://doi.org/10.1016/j.talo.2023.100180.Search in Google Scholar
[3] R. J. A. Nascimento, G. R. Macedo, E. S. Santos, and J. A. Oliveira, “Real time and in situ near-infrared spectroscopy (nirs) for quantitative monitoring of biomass, glucose, ethanol and glycerine concentrations in an alcoholic fermentation,” J. Chem. Eng., vol. 34, no. 2, pp. 459–468, 2017. https://doi.org/10.1590/0104-6632.20170342s20150347.Search in Google Scholar
[4] R. A. Gonçalves, M. R. Baldan, E. G. Ciapina, and O. M. Berengue, “Nanostructured Pd/Sb2O3: a new and promising fuel cell electrocatalyst and non-enzymatic amperometric sensor for ethanol,” Appl. Surf. Sci., vol. 491, pp. 9–15, 2019. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.06.116.Search in Google Scholar
[5] R. Boroujerdi, A. Abdelkader, and R. Paul, “Highly selective detection of ethanol in biological fluids and alcoholic drinks using indium ethylenediamine functionalized graphene,” Sens. Diagn., vol. 1, no. 3, pp. 566–578, 2022. https://doi.org/10.1039/d2sd00011c.Search in Google Scholar
[6] O. M. Istrate, L. Rotariu, and C. Bala, “A novel amperometric biosensor based on poly(allylamine hydrochloride) for determination of ethanol in beverages,” Sensors, vol. 21, no. 19, p. 6510, 2021. https://doi.org/10.3390/s21196510.Search in Google Scholar PubMed PubMed Central
[7] A. Leo, A. G. Monteduro, S. Rizzato, A. Milone, and G. Maruccio, “Miniaturized sensors for detection of ethanol in water based on electrical impedance spectroscopy and resonant perturbation method - A comparative study,” Sensors, vol. 22, no. 7, p. 2742, 2022. https://doi.org/10.3390/s22072742.Search in Google Scholar PubMed PubMed Central
[8] A. Prasanth, S. R. Meher, and Z. C. Alex, “Experimental analysis of SnO2 coated LMR based fiber optic sensor for ethanol detection,” Opt. Fiber Technol., vol. 65, p. 102618, 2021. https://doi.org/10.1016/j.yofte.2021.102618.Search in Google Scholar
[9] G. P. Wiederrecht, Handbook of Nanoscale Optics and Electronics, 1st ed. Amsterdam, Elsevier, 2010.Search in Google Scholar
[10] R. Wuchrer, “Kompakte Abfrageeinheit auf Basis einer Doppelphotodiode für die spektraloptische Sensorik,” Dissertation, Dresden, Deutschland, Technische Universität Dresden, 2019.Search in Google Scholar
[11] S. Steinke, S. R. Döhring Wuchrer, C. Kroh, G. Gerlach, and T. Härtling, “Plasmonic sensor for on-site detection of diclofenac molecules,” Sens. Actuators, B, vol. 288, pp. 594–600, 2019. https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.02.069.Search in Google Scholar
[12] C. Kroh, R. Wuchrer, S. Steinke, M. Guenther, G. Gerlach, and T. Härtling, “Hydrogel-based plasmonic sensor substrate for the detection of ethanol,” Sensors, vol. 19, no. 6, p. 1264, 2019. https://doi.org/10.3390/s19061264.Search in Google Scholar PubMed PubMed Central
[13] R. J. Riobóo, M. Philipp, M. A. Ramos, and J. K. Krüger, “Concentration and temperature dependence of the refractive index of ethanol-water mixtures: influence of intermolecular interactions,” Eur. Phys. J., vol. 30, pp. 19–26, 2009. https://doi.org/10.1140/epje/i2009-10496-4.Search in Google Scholar PubMed
[14] L. Shi, A. Kabashin, and M. Skorobogatiy, “Spectral, amplitude and phase sensitivity of a plasmonic gas sensor in a metallic photonic crystal slab geometry: comparison of the near and far field phase detection strategies,” Sens. Actuators, B, vol. 143, no. 1, pp. 76–86, 2009. https://doi.org/10.1016/j.snb.2009.09.036.Search in Google Scholar
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