Bestimmung der metabolischen Aktivität von Mikroorganismen während des Biogasbildungsprozesses
(2009)
In industrial processes there is a variety of heavy metals (e.g., copper, zinc, cadmium, and lead) in use for wires, coatings, paints, alloys, batteries, etc. Since the application of these transition metals for industry is inevitable, it is a vital task to develop proper analytical techniques for their monitoring at low activity levels, especially because most of these elements are acutely toxic for biological organisms. The determination of ions in solution by means of a simple and inexpensive sensor array is, therefore, a promising task. In this work, a sensor array with heavy metal-sensitive chalcogenide glass membranes for the simultaneous detection of the four ions Ag⁺, Cu2⁺, Cd2⁺, and Pb2⁺ in solution is realized. The results of the physical characterization by means of microscopy, profilometry, Rutherford backscattering spectroscopy (RBS), and scanning electron microscopy (SEM) as well as the electrochemical characterization by means of potentiometric measurements are presented. Additionally, the possibility to expand the sensor array by polymeric sensor membranes is discussed.
Die Detektion von Schadstoffen repräsentiert in der Umweltanalytik eine wichtige Aufgabenstellung. Gerade die Abwasser- bzw. Brauchwasseranalytik sowie die Prozesskontrolle haben einen hohen Stellenwert. Siliziumbasierte Dünnschichtsensoren bieten eine kostengünstige Möglichkeit, „online“-Messungen bzw. Vor-Ort-Messungen zeitnah durchzuführen. In dieser Arbeit wird ein potentiometrisches Sensorarray auf der Basis von Chalkogenidgläsern zur Detektion von Schwermetallen in wässrigen Medien vorgestellt.
Die Detektion von Schadstoffen repräsentiert in der Umweltanalytik eine wichtige Aufgabenstellung. Gerade die Abwasser- bzw. Brauchwasseranalytik sowie die Prozesskontrolle haben einen hohen Stellenwert. Siliziumbasierte Dünnschichtsensoren bieten eine kostengünstige Möglichkeit, „online“-Messungen bzw. Vor-Ort-Messungen zeitnah durchzuführen. In dieser Arbeit wird ein potentiometrisches Sensorarray auf der Basis von Chalkogenidgläsern zur Detektion von Schwermetallen in wässrigen Medien vorgestellt.
In aseptischen Abfüllsystemen wird Wasserstoffperoxid in der Gasphase aufgrund der stark oxidativen Wirkung zur Packstoffentkeimung eingesetzt. Dabei wird die Effizienz der Entkeimung im Wesentlichen von der vorliegenden H2O2-Konzentration im Packstoff bestimmt. Zur Inline-Überwachung der H2O2-Konzentration wurde ein kalorimetrischer Gassensor auf Basis einer flexiblen Polyimidfolie aus temperatursensitiven Dünnschicht-Widerständen und Mangan(IV)-oxid als katalytische Transducerschicht realisiert. Der Sensor weist ein lineares Ansprechverhalten mit einer Sensitivität von 7,15 °C/Vol.-% in einem H2O2-Konzentrationsbereich von 0 bis 8 Vol.-% auf. Weiterhin wurde zur Auslesung des Sensorsignals eine RFID-Elektronik, bestehend aus einem Sensor-Tag und einer Sende-/Empfangseinheit ausgelegt, sowie eine Abfolge des Messzyklus aufgestellt. Im weiteren Verlauf soll der kalorimetrische Gassensor mit der RFID-Elektronik gekoppelt und in eine Testverpackung zur Inline-Überwachung der H2O2-Konzentration in aseptischen Abfüllsystemen implementiert werden.
Ein lichtadressierbarer potentiometrischer Sensor (LAPS) kann die Konzentration eines oder mehrerer Analyten ortsaufgelöst auf der Sensoroberfläche nachweisen. Dazu wird mit einer modulierten Lichtquelle die Halbleiterstruktur des zu untersuchenden Bereiches angeregt und ein entsprechender Photostrom ausgelesen. Durch gleichzeitige Anregung mehrere Bereiche durch Lichtquellen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen können diese auch zeitgleich ausgelesen werden. Mit der neuen, hier vorgestellten Ansteuerungselektronik integriert in einem "Field Programmable Gate Array" (FPGA) ist es möglich, mehrere Leuchtquellen gleichzeitig mit unterschiedlichen, während der Laufzeit festlegbaren Frequenzen, Phasen und Lichtintensitäten zu betreiben. Somit kann das Frequenzverhalten des Sensors untersucht und die Konzentration des Analyten über das Oberflächenpotential mit Hilfe von Strom/Spannungs-Kurven und Phase/Spannungs-Kurven bestimmt werden.
Chalcogenide glass materials as membranes for potentiometric sensors for chemical analysis in solutions have been studied since more than 20 years. In this work, an electrolyte–insulator–semiconductor structure was combined with chalcogenide glass membranes prepared by means of the pulsed laser deposition technique. Depending on the membrane composition a selectivity to different ions (Cd2+ and Pb2+) is achieved. The different sensor membranes have been physically characterised using microscopy, ellipsometry, profilometry, atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy (SEM) and Rutherford backscattering spectrometry (RBS). The electrochemical behaviour has been investigated via capacitance/voltage (C/V) and constant capacitance (ConCap) measurements and results in a Cd2+ sensitivity of 23.1 ± 0.6 mV per decade in a linear range from 7 × 10−6 to 10−2 mol/l and 24.4 ± 0.5 mV per decade in a linear range from 5 × 10−6 to 10−2 mol/l for Pb2+, respectively.
