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Novel organic-inorganic materials in opto-electronic systems for the monitoring and control of bio-processes

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Sensoren für den Einsatz in aggressiven Umgebungen

Forscher des EU-finanzierten MATINOES-Projekts entwickelten schnell reagierende und kostengünstige Sensoren für den Einsatz in biotechnologischen Produktionsprozessen. Besondere Bemühungen galten der Herstellung optischer Sensoren zur Überwachung aggressiver Umgebungsbedingungen.

Industrielle Technologien

Die elektromagnetische Strahlung wird aus dem Sensorbereich, der direkt mit dem Analyt in Kontakt steht, mittels Lichtleitern übertragen. Die größte Bedeutung kommt hier den im Beschichtungsmaterial enthaltenen immobilisierten Reagenzien zu, mit denen die chemischen Veränderungen des Analyten gemessen werden. Das MATINOES-Konsortium entwickelte sensitive Beschichtungen für Enzym-basierte intrinsische und extrinsische optische Sensoren. Als chemische Grundlage des neuen Beschichtungsmaterials dient ein hybrides organisch-anorganisches Polymer. Die vielen Komponenten ließen verschiedene Kombinationsmöglichkeiten für das endgültige Design der Sensoren zu. Da die oxidativen Reaktionen durch Enzyme katalysiert werden, mussten beim Design bestimmte biochemische Aspekte beachtet werden. Erstens eignet sich UV-Licht im Gegensatz zu Wärme besser für die schnelle Aushärtung der Beschichtung, da hier keine Denaturierung der Enzyme droht. Zudem wurden hydrophile Gruppen in das Polymer integriert, da Enzymlösungen wasserlöslich sind. Zweitens verbraucht der Sensor für die Detektion reaktionsfähiger Komponenten Sauerstoff. Für solche Zwecke wurden der Beschichtung Rutheniumkomplexe zugefügt. Hydrophobe Gruppen gewährleisteten die Sauerstoffmigration und erhöhten so die Sensitivität gegenüber dem Gas. Die einzelnen Starterverbindungen wurden in verschiedenen Beschichtungsmaterialien kombiniert. Es ergaben sich zwei Fertigungsmöglichkeiten für den Sensor, basierend auf einer ein- oder zweischichtigen Struktur. Die untere Schicht der Doppelbeschichtung enthält dabei den Rutheniumkomplex, die obere die Enzyme. Die Einzelbeschichtung enthält sowohl den Sauerstoffsensor als auch das Enzym. Die neuen optischen Sensoren ermöglichen eine Echtzeit-Überwachung für eine Vielzahl analytischer Wissenschaften. Von der Weiterentwicklung dieser Technologie können verschiedene Anwendungsbereiche profitieren: von Verunreinigungsanalysen, biotechnologische Prozesse, Wasseranalysen, klinische Chemie und invasive Medizintechniken.

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