Physikalische Biosensoren

Ein neues Forschungsfeld im Zentrum für Wasser- und Umweltsensorik ist die Entwicklung von physikalischen Biosensoren. Diese elektrochemischen Sensoren beinhalten die allgemeinen Komponenten eines Biosensors: ein biologisches Erkennungselement, das mit dem Analyten von Interesse in Wechselwirkung tritt, und einen Wandler, der das gemessene Signal empfängt und ausgibt.

Entwickelte Sensoren 

System für die Impedanztomographie in Böden 

Die elektrische Impedanztomographie (EIT) ist ein nicht‑invasives Messverfahren zur räumlich aufgelösten Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeitsverteilung in einem Untersuchungsvolumen. Sie bietet großes Potenzial für Anwendungen im Umweltmonitoring, insbesondere zur Charakterisierung von Böden, Substraten und Wasserverteilungen. In dieser Arbeit wird eine kompakte, portable Lösung zur impedanztomographischen Erfassung von Leitfähigkeitsänderungen vorgestellt, die speziell für den Feldeinsatz entwickelt wurde. 

Das Messsystem basiert auf einem Mehrkanal‑Impedanzspektrometer mit flexibel konfigurierbarer Elektrodenanordnung, das niederfrequente Wechselströme in das Medium einspeist und die resultierenden Potentialverteilungen an den Randelektroden erfasst. Aus den gemessenen Randpotentialen wird mittels inverser Rekonstruktionsalgorithmen die komplexe Leitfähigkeit im Inneren des Mediums bestimmt. Zur Lösung des inversen Problems kommen Finite‑Elemente‑Modelle und regularisierte Rekonstruktionsverfahren zum Einsatz. Die Visualisierung der Ergebnisse erfolgt in Form von zweidimensionalen Schnitten und dreidimensionalen Volumenmodellen, unter anderem mithilfe von Isosurfaces. 

Experimentelle Untersuchungen zeigen, dass das System Leitfähigkeitskontraste zuverlässig detektieren und lokalisieren kann, etwa bei eingebrachten Objekten oder bei zeitlich veränderlichen Feuchteverteilungen. Dadurch eignet sich die entwickelte Impedanztomographie‑Plattform besonders zur Analyse von Wassertransport, Bodenheterogenität und hydraulischen Eigenschaften. Die kompakte Bauform, die modulare Architektur und die mobile Steuerung eröffnen neue Möglichkeiten für den praxisnahen Einsatz der EIT im Umwelt‑ und Agrarmonitoring. 

Miniaturisierter Potentiostat für Elektrochemische Messungen 

Elektrochemische Sensoren sind aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, geringen Kosten und guten Miniaturisierbarkeit besonders attraktiv für Anwendungen im Umweltmonitoring. Insbesondere für die Detektion von organischen Schadstoffen, Arzneimittelrückständen oder Redox‑aktiven Substanzen sind portable Messsysteme erforderlich, die eine Vor‑Ort‑Analyse ohne aufwendige Laborausrüstung ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein miniaturisierter Potentiostat vorgestellt, der speziell für mobile elektrochemische Messungen entwickelt wurde. 

Das Sensorsystem integriert alle wesentlichen Funktionseinheiten eines klassischen Potentiostats in einem kompakten, energieeffizienten Design. Es unterstützt gängige elektrochemische Messverfahren wie zyklische Voltammetrie und Square‑Wave‑Voltammetrie und deckt einen breiten Strom‑ und Potentialbereich ab. Die Stromversorgung und Datenkommunikation erfolgen über eine USB‑Schnittstelle, wodurch das Gerät direkt mit mobilen Endgeräten wie Smartphones oder Tablets betrieben werden kann. Eine speziell entwickelte Anwendungssoftware ermöglicht die intuitive Steuerung der Messabläufe sowie die grafische Darstellung und Speicherung der Messergebnisse. 

Vergleichsmessungen mit kommerziellen Laborpotentiostaten zeigen eine gute Übereinstimmung der Strom‑Spannungs‑Kennlinien sowie ein ausreichend geringes Rauschverhalten für umweltanalytische Anwendungen. Der entwickelte miniaturisierte Potentiostat stellt somit eine leistungsfähige und kostengünstige Alternative zu klassischen Laborgeräten dar und eignet sich besonders für mobile Messkampagnen, Feldanalysen und dezentrale Umweltüberwachungssysteme. 

Dr. Martin Brandl