Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem zum Erfassen von Analyten in geringer Konzentration sowie ein entsprechendes Verfahren zum Erfassen von Analyten in geringer Konzentration.

In vielen Anwendungsfällen ist es erforderlich, bestimmte Stoffe z. B. in Flüssigkeiten erfassen bzw. detektieren zu können. Dies können beispielsweise Gifte, Pestizide oder andere schädliche Stoffe in Wasser, insbesondere Trinkwasser sein. Dabei müssen häufig bereits geringe Konzentrationen solcher Stoffe detektiert bzw. erfasst werden.

Im Stand der Technik sind verschiedene Analyseverfahren bekannt, welche hierzu zum Einsatz kommen können. Dies sind beispielsweise Atomabsorptionsspektroskopie (AAS), Atomemissionsspektroskopie (AES) oder die Atommassenspektroskopie (AMS), wie beispielsweise in Today's Chemist at Work 8, 10, 42 (1999) offenbart. Dabei stellt die A- tommassenspektroskopie die empfindlichste Methode dar. Alle drei Methoden erfordern jedoch äußerst teure Anlagen. Derartige Anlagen sind für die Echtzeitüberwachung, beispielsweise in der Trinkwasserversor- gung nicht geeignet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein ausreichend genaues bzw. empfindliches Sensorsystem zum Erfassen von Analyten in geringen Konzentrationen in Wasser sowie ein entsprechendes Verfahren zum Erfassen von Analyten in geringen Konzentrationen in Wasser bereitzustellen, welches

BESTATIGUNGSKOPIE

kostengünstiger ist und insbesondere eine Echtzeitüberwαchung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch ein Sensorsystem zum Erfassen von Analyten in geringer Konzentration mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.

Das erfindungsgemäße Sensorsystem dient zum Erfassen von Analyten in Form von Ionen in geringer Konzentration insbesondere in Wasser, insbesondere Trinkwasser. Das Sensorsystem weist zumindest ein Sensorelement mit wenigstens einem Erfassungsbereich auf. Der Erfassungsbe- reich ist so ausgebildet, dass er an seiner Oberfläche zumindest einen Analyten erfassen bzw. detektieren kann. Das bedeutet bei dem erfindungsgemäßen Sensorsystem erfolgt das Erkennen, dass in der Umgebung ein zu erfassender Analyt vorhanden ist, durch das Sensorelement an dessen Erfassungsbereich. Dabei ist das Sensorelement zumindest derart ausgestaltet, dass es überhaupt die Anwesenheit eines Analyten erkennen kann, vorzugsweise jedoch so ausgestaltet, dass es auch die Quantität des Analyten erfassen kann.

Erfindungsgemäß ist das Sensorsystem darüber hinaus derart ausgebil- det, dass eine Ladungsquelle bzw. Spannungsquelle vorgesehen ist, mittels welcher der Erfassungsbereich des Sensorelementes mit einer elektrischen Spannung bzw. Ladung beaufschlagbar ist. Hierdurch kann eine Potentialdifferenz zwischen dem Erfassungsbereich und der Umgebung erzeugt werden, wodurch Analyten in der Umgebung, z. B. ei- nem umgebenden Fluid, elektrochemisch an dem Erfassungsbereich angelagert werden. Dort können die Analyten dann von dem Sensorelement detektiert werden.

Durch dieses System wird ferner erreicht, dass auch bei geringer Konzentration des zu erfassenden Analyten in einem Fluid am Erfassungsbereich des Sensorelementes eine höhere Konzentration dieses Analyten bereitgestellt wird, welche einfacher zu erfassen bzw. zu detektieren ist. Dies ermöglicht es, kostengünstigere Sensorelemente einzusetzen, welche für sich nicht die erforderliche Empfindlichkeit zum Erfassen der geringen Konzentrationen des Analyten aufweisen würden.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass der Prozess reversibel ist, d. h. durch Abschalten oder änderung der Polarität kann erreicht werden, dass die angelagerten Stoffe bzw. Ionen von der Oberfläche des Erfassungsbereichs wieder entfernt werden, so dass der Erfassungsbereich wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt wird. Dies ermöglicht ei- nen dauerhaften Einsatz des Sensorsystems ohne dass der Austausch von Sensorelementen erforderlich wäre.

Darüber hinaus kann mit dem erfindungsgemäßen System sehr einfach gesteuert oder erfasst werden, welche Stoffe oder Ionen sich an dem Erfassungsbereich anlagern. Insofern muss der Erfassungsbereich nicht in spezieller Weise ausgebildet werden, um bestimmte zu erfassende Stoffe anzuziehen bzw. die Anlagerung dieser Stoffe bzw. Analyte zu begünstigen.

Eine Bewegung bzw. Konzentration der zu erfassenden Analyte in dem umgebenden Fluid wird erst dann erreicht, wenn die Potentialdifferenz zwischen Erfassungsbereich und Umgebung so groß ist, dass das lonisie- rungspotential des zu erfassenden Analyten überschritten wird. Insofern kann durch die im Erfassungsbereich angelegte Spannung, d. h. die Potentialdifferenz gesteuert werden, welche Analyte sich am dem Erfassungsbereich der Oberfläche anlagern. In Kenntnis des lonisierungs- potentials bestimmter Stoffe bzw. Analyte kann bei Erfassung der aktu-

eilen Potentiαldifferenz und gleichzeitiger Erfassung des Messergebnisses des Sensorelemtes dieses Messergebnis einem bestimmten Analyten zugeordnet werden, dessen lonisierungspotential der erfassten Potentialdifferenz entspricht. Dies kann durch eine geeignete Auswerteeinrich- tung geschehen.

Das Sensorelement selber ist ein Federbalken-Sensor (Microcantilever- Sensor). Die zusätzliche Anordnung der Spannungsquelle, welche eine Potentialdifferenz zwischen dem Erfassungsbereich des Sensorelemen- tes und der Umgebung erzeugt, dient lediglich dazu, die zu erfassenden Stoffe bzw. Analyte an dem Sensorelement zu anzulagern, so dass sie derart auch in geringer Konzentration von dem Sensorelement er- fasst werden können. D. h. durch die Potentialdifferenz wird erreicht, dass die Konzentration der zu erfassenden Analyte bzw. Ionen an dem Sensorelement höher ist, als sie in den übrigen Bereichen des Fluids ist. Dies ermöglicht, dass bekannte, ansonsten weniger oder nicht ausreichend empfindliche Sensorelemente eingesetzt werden können und dennoch eine gewünschte hohe Empfindlichkeit erreicht wird. Darüber hinaus kann auf nicht reversible Systeme zum Anlagern bzw. Konzentrie- ren des zu erfassenden Analyten an den Sensor verzichtet werden.

Ein Federbalken-Sensor basiert auf änderungen der Oberflächenspannung, wenn ein Analyt an der Oberfläche angelagert ist. Die Erfassung bzw. Messung dieser änderung wird entweder aufgrund der änderung der Resonanzfrequenz oder aufgrund der Biegung des Federbalkens durchgeführt. Dies kann durch ein piezoelektrisches Material oder mittels Reflektion eines Laserstrahls gemessen werden. Derartige Sensoren reagieren sehr empfindlich auf Massenänderungen und können Massenänderungen deutlich kleiner als 1 pg (Pikogramm) detektieren.

Vorzugsweise ist die Spannungsquelle mit dem Erfassungsbereich und einer Gegenelektrode derart verbunden, dass die von der Spannungs-

quelle erzeugt Spannung zwischen dem Erfassungsbereich und der Gegenelektrode anlegbar ist. Dabei befinden sich sowohl die Gegenelektrode als auch der Erfassungsbereich in dem Fluid, in welchem die Erfassung eines Analyten stattfinden soll. Anstelle der Gegenelektrode könnte die Spannungs- bzw. Potentialdifferenz auch zwischen dem Erfassungsbereich und Masse, beispielsweise auch der umgebenden Wandung einer Rohrleitung angelegt werden. Ferner kann auch auf andere Weise eine elektrische Ladung auf den Erfassungsbereich aufgebracht werden.

Die von der Spannungsquelle erzeugt Spannung entspricht, wie ausgeführt, vorzugsweise dem lonisierungspotential eines zu erfassenden Analyten oder wird höher als dieses lonisierungspotential gewählt. Beim ü- berschreiten des lonisierungspotentials findet eine Ionisierung des zu erfassenden Analyten statt, so dass dieser dann aufgrund seiner Ladung zu dem Erfassungsbereich hinbewegt wird und sich an diesem anlagert. An dem Erfassungsbereich kann dann das Vorhandensein und gegebenenfalls die Quantität des dort angelagerten Analyten de- tektiert werden.

Weiter bevorzugt ist die Spannungsquelle derart ausgebildet, dass die Ladung bzw. Spannung in Betrag und/oder Polarität veränderbar ist und insbesondere in ihrem zeitlichen Verlauf veränderbar ist. Dadurch ist es möglich, die Spannung so zu verändern, dass verschiedene loni- sierungspotentiale erreicht werden können, um unterschiedliche Analy- te an dem Erfassungsbereich des Sensorelementes anzulagern. Auf diese Weise können verschiedene Analyte mit ein- und demselben universellen Sensorelement detektiert werden. Darüber hinaus ist es, wie oben beschrieben, auch möglich, die an der Oberfläche des Erfassungsbe- reiches angelagerte Analyte von diesem auch wieder zu entfernen, indem die Spannung unter das lonisierungspotential der Analyte reduziert wird oder gar die Polarität der Spannung umgekehrt wird. So kann

ein reversibler Prozess erreicht werden. Wenn nun im zeitlichen Verlauf die Spannung periodisch das lonisierungspotential eines zu erfassenden Analyten erreicht bzw. überschreitet und dann später wieder unterschreitet, kann somit eine quasi kontinuierliche Erfassung von Analyten in einem Medium bzw. Fluid erreicht werden.

Besonders bevorzugt erfolgt die Erfassung der Analyte in einem Strip- ping-Prozess, bei welchem der Spannungsverlauf zeitlich so erfolgt, dass die Spannung zunächst über das lonisierungspotential oder bis zu dem lonisierungspotential des zu erfassenden Analyten ansteigt, so dass dieser an dem Erfassungsbereich angelagert wird. Anschließend wird die Spannung wieder abgesenkt, so dass sie das lonisierungspotential unterschreitet, wobei die Analyte bzw. Ionen wieder von dem Erfassungsbereich entfernt werden. Dabei kann dann von dem Sensorelement der Unterschied des Zustandes mit angelagertem Analyt und anschließend mit entferntem Analyt erfasst werden und hierdurch insbesondere auch die Konzentration bzw. Quantität des Analyten bestimmt werden.

Weiter bevorzugt ist das Sensorelement derart ausgebildet, dass es ein Ausgangssignal erzeugt, welches abhängig von der Konzentration des Analyten an dem Erfassungsbereich ist. Auf diese Weise kann nicht nur das Vorhandensein des Analyten, sondern auch die Quantität, d. h. die Konzentration des Analyten in dem umgebenden Medium bestimmt werden.

Besonders bevorzugt ist eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, welche zur Erfassung und gemeinsamer Auswertung eines Ausgangssignals des Sensorelementes und der aktuellen Spannung, welche an dem Erfassungsbereich des Sensorelementes anliegt, ausgebildet ist. Auf diese Weise ist es, wie oben ausgeführt, möglich, den von dem Sensorelement erfassten Wert eindeutig einem bestimmten Analyten zuzuordnen, da die aktuelle Spannung gemessen werden kann. Insbesondere wird

dabei im Laufe der Messung das lonisierungspotential des zu bestimmenden Analyten unter- oder überschritten, so dass an dem Sensorelement ggf. ein Signalunterschied zwischen dem Zustand unterhalb des lonisierungspotentials und bei oder oberhalb des lonisierungspoten- tials erfasst werden kann. Auf diese Weise kann dann das Vorhandensein eines bestimmten Analyten mit diesem lonisierungspotential erfasst und insbesondere, falls das Sensorelement eine quantitative Messung zulässt, auch die Konzentration des Analyten in dem umgebenden Fluid bestimmt werden.

Idealerweise wird die Spannung kontinuierlich variiert, so dass zumindest das lonisierungspotential eines bestimmten Analyten regelmäßig über- und unterschritten wird, so dass eine quasi kontinuierliche Erfassung dieses Analyten möglich ist. Weiter bevorzugt ist es möglich, die Spannung so zu variieren, dass die lonisierungspotentiale verschiedener Analyte aufeinanderfolgend über- bzw. unterschritten werden. Beim über- oder Unterschreiten eines bestimmten lonisierungspotentiales kann dann aktuell der Messwertunterschied des Sensorelementes erfasst werden, um das Vorhandensein und gegebenenfalls die Konzentration des zugehö- rigen Analyten mit gerade diesem lonisierungspotential zu bestimmen. Auf diese Weise können verschiedene Analyte in ein- und demselben Prozess mit ein- und demselben Sensorelement erfasst werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein Span- nungsmesssystem zum Erfassen der elektrischen Spannung zwischen dem Sensorelement und der Umgebung vorgesehen. Dieses Spannungsmesssystem kann in die Spannungsquelle integriert sein, bzw. in die Steuerung der Spannungsquelle integriert sein, so dass direkt bei der Erzeugung der Spannung der Wert der Spannung bekannt ist und einer Auswerteeinrichtung zur Verfügung gestellt werden kann. Alternativ kann ein separates Spannungsmesssystem vorgesehen sein, welches

die an dem Erfassungsbereich anliegende Spannungsdifferenz vorzugsweise kontinuierlich erfasst.

Dazu kann weiter bevorzugt eine Referenzelektrode vorgesehen sein und das Spannungsmesssystem zum Erfassen der Spannung zwischen dieser Referenzelektrode und dem Erfassungsbereich des Sensorelementes ausgebildet sein. Die Referenzelektrode kann in einer speziellen Ausführungsform gleichzeitig als Gegenelektrode dienen, zwischen der und dem Erfassungsbereich die Spannung angelegt wird.

Besonders bevorzugt ist die Spannungsquelle derart ausgebildet, dass die von der Spannungsquelle erzeugte Spannung derart veränderbar ist, dass sie im zeitlichen Verlauf zunächst schnell, d. h. vorzugsweise direkt von Null auf einen vorbestimmten Wert ansteigt und von diesem dann langsamer, vorzugsweise linear abfällt. Besonders bevorzugt wird die eigentliche Messung dann während des Abfallens der Spannung ausgeführt. Dazu wird die Spannung zunächst schnell auf einen Wert oberhalb des lonisierungspotentiales eines zu erfassenden Analyten angehoben und dann langsam abgesenkt, so dass sie wieder unter das lonisierungspotential sinkt. Dabei kommt es dann für den Fall, dass der entsprechende Analyt in dem zu analysierenden Fluid vorhanden ist, zu einem Sprung im Ausgangssignal des Sensorelementes, welcher auf das Vorhandensein des entsprechenden Analyten schließen lässt und gegebenenfalls eine quantitative Bestimmung des Analyten zulässt. D. h. hier wird die Messung bzw. Erfassung des Analyten an dem Sensorelement in dem Moment durchgeführt, wenn der an dem Erfassungsbereich angelagerter Analyt von diesem wieder entfernt wird. Umgekehrt ist auch ein Verfahren durchführbar, bei welchem die Messung dann erfolgt, wenn der Analyt an dem Erfassungsbereich angelagert wird.

Weiter bevorzugt ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, welche zur vorzugsweisen automatischen Erfassung zumindest eines Analyten und vor-

zugsweise mehrerer Anαlyte die Spαnnungsquelle zur Abgabe gewünschter charakteristischer Spannungen oder Spannungsverläufe steuert. Dabei kann die Steuereinrichtung in eine Auswerteeinrichtung integriert sein, welche gleichzeitig die aktuelle Potentialdifferenz und das Ausgangssignal des Sensorelementes erfasst. Bevorzugt wird die Spannung kontinuierlich variiert, um, wie oben beschrieben, Analyte an dem Erfassungsbereich des Sensorelementes zu konzentrieren bzw. anzulagern und wieder von diesem zu entfernen.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Erfassen von Analyten bzw. Ionen in geringer Konzentration in Wasser, insbesondere Trinkwasser. Erfindungsgemäß wird bei diesem Verfahren ein Sensorelement eingesetzt, welches zum Erfassen zumindest eines Analyten ausgebildet ist. Dabei ist dieses Sensorelement als Federballon-Sensor, wie oben be- schrieben, ausgebildet. Dieser kann einfach das Vorhandensein von Molekülen oder Ionen an einer Oberfläche erfassen. Die Anlagerung dieser Moleküle oder Ionen erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass gleichzeitig eine elektrische Spannung an einen Erfassungsbereich des Sensorelementes, angelegt wird bzw. der Erfassungsbereich gegenüber der Umgebung elektrisch geladen wird. Der Erfassungsbereich des Sensorelementes ist derjenige Bereich, an welchem die eigentliche Detek- tion der angelagerten Stoffe bzw. Moleküle stattfindet. Durch die angelegte Spannung wird eine Potentialdifferenz geschaffen, durch welche die zu erfassenden Analyte zu dem Erfassungsbereich hin bewegt und an diesem konzentriert bzw. angelagert werden. Ferner kann durch geeignete Wahl der Spannung vorzugsweise der Analyt auch wieder von dem Erfassungsbereich entfernt werden. D. h. die Spannung dient dazu, den zu erfassenden Analyten zu dem Erfassungsbereich des Sensorelementes zu bringen und dort vorzugsweise zu konzentrieren, so dass sie durch das Sensorelement erfasst werden können.

Dazu wird die elektrische Spannung bevorzugt derart gewählt, dass sie dem lonisierungspotential eines zu erfassenden Analyten entspricht o- der oberhalb dieses lonisierungspotentials liegt. Dadurch wird der Ana- lyt ionisiert und kann aufgrund seiner Ladung zu der Oberfläche des Erfassungsbereiches hingezogen und dort angelagert werden.

Weiter bevorzugt wird die Spannung in Betrag und/oder Polarität variieren, wobei die Spannung im zeitlichen Verlauf das lonisierungspotential eines zu erfassenden Analyten erreicht oder übersteigt. Hierdurch ist eine kontinuierliche Durchführung des Verfahrens möglich, da durch änderung der Spannung die Analyte an der Oberfläche des Erfassungsbereiches angelagert und anschließend auch von diesem wieder entfernt werden können. Dabei kann die Messung, wie oben ausgeführt, während des Anlagerns oder auch während des Entfernens erfol- gen.

Weiter bevorzugt wird ein Ausgangssignal des Sensorelementes einer bestimmten Spannung, welche zeitgleich an dem Erfassungsbereich anliegt, zugeordnet. Auf diese Weise kann bestimmt werden, welcher bzw. was für ein Analyt an der Oberfläche des Erfassungsbereiches anliegt. Diese Identifikation erfolgt über das charakteristische lonisierungspotential des Analyten. Wenn die Spannung in diesem Bereich liegt oder während der gerade ausgeführten Messung dieses Potential unter - oder überschritten hat, kann der Messwert des Sensorelementes ein- deutig dem Analyt mit diesem bestimmten lonisierungspotential zugeordnet werden.

Gemäß einem besonders bevorzugten Verfahren wird der zeitliche Verlauf der Spannung derart gewählt, dass die Spannung zunächst direkt auf einen Maximalwert oberhalb des lonisierungspotentials zumindest einen zu erfassenden Analyten angehoben wird. Dies führt zur Ionisierung des Analyten und dazu, dass dieser sich an der Oberfläche des

Erfαssungsbereiches anlagert. Anschließend wird die Spannung ausgehend von diesem Maximalwert wieder reduziert, das heißt sie fällt vorzugsweise linear ab, wobei das lonisierungspotential wieder unterschritten wird. Sobald das lonisierungspotential unterschritten wird, lösen sich die Analyte wieder von der Oberfläche des Erfassungsbereiches, sodass sich der Messwert des Sensorelementes schlagartig ändert. Dieser Messwertunterschied kann zur Bestimmung des Vorhandenseins eines Analyten mit dem charakteristischen lonisierungspotential genutzt werden, wobei bevorzugt aus der Messwertdifferenz auch die Quantität, das heißt die Konzentration des Analyten in dem umgebenden Fluid bestimmt werden kann. Weiter bevorzugt ist es, dass die Spannung auf einen Maximalwert oberhalb einer Vielzahl von lonisierungspotentialen unterschiedlicher Analyte angehoben wird und dann derart abgesenkt wird, dass nacheinander die einzelnen lonisierungspotentiale unter- schritten werden, wobei bei jedem Unterschreiten eines lonisierungspo- tentials eine Messung für den Analyten mit gerade diesem lonisierungspotential durchgeführt wird. So können verschiedene Analyte in einem Messdurchlauf bestimmt werden. Dieser Vorgang kann sich direkt aufeinander folgend, vorzugsweise kontinuierlich wiederholen, sodass eine quasi kontinuierliche Messung durchgeführt werden kann.

Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben. In diesen zeigt:

Fig. 1 Schematisch eine erste bevorzugte Ausführungsform der

Erfindung unter Verwendung eines Federbalkensensors,

Fig. 2a und 2b schematisch die Funktionsweise des Federbalkensensors, Fig. 3a den Spannungsverlauf,

Fig. 3b die Biegekurve eines Federbαlkensensors bei dem Spαn- nungsverlαuf gemäß Fig. 3a,

Fig. 4 a und c Spannungsverläufe gemäß weiterer bevorzugter Ausführungsform,

Fig. 4 b und d die zu den Spannungsverläufen gemäß Fig. 4a und c zu- gehörigen Biegekurven eines Federbalkensensors,

Das Sensorsystem 2 gemäß Figur 1 weist ein Sensorelement 4 in Form eines Federbalkens auf. Auf dem Federbalken 4 ist ein Erfassungsbe- reich 6 als Arbeitselektrode ausgebildet. Der Federbalken 4 ist an seinem ersten Ende an einem Basiselement 8 angelenkt. Das entgegengesetzte freie Längsende 10 ist frei beweglich, d. h. der Federbalken 4 kann sich ausgehend von dem Anlenkungsbereich an dem Basiselement 8 biegen.

Die Erfassung von bestimmten Analyten durch das Sensorelement 4 erfolgt wie schematisch in Figuren 2a und 2b gezeigt. In Figur 2a ist der Ruhezustand des Sensorelementes 4 gezeigt, es erstreckt sich im Wesentlichen gerade ausgehend von dem Basiselement 8. An der Ober- fläche des Sensorelementes 4, d. h. dem Erfassungsbereich 6 sind keine Elemente angelagert. Figur 2b zeigt einen Zustand, in welchem Elemente bzw. Moleküle 12 eines Analyten an dem Erfassungsbereich 6 angelagert sind. Die Anlagerung der Moleküle 12 an der Oberfläche des Sensorelementes 4 führt zu einer Veränderung der Oberflächenspan- nung und einer Biegung bzw. Auslenkung des Federbalkens. Diese Auslenkung des Sensorelementes bzw. Federbalkens 4 kann beispielsweise durch piezoelektrische Elemente, welche an oder in dem Sensorele-

ment 4 angeordnet sind, gemessen werden. Alternativ ist es z. B. auch möglich, diese Biegung durch Reflektion eines Laserstrahls auf den Sensorelement 4 zu bestimmen.

Die Anlagerung der Moleküle 12 bzw. des Analyten 12 an der Oberfläche des Erfassungsbereiches 6 erfolgt in elektrochemischer Weise. Dazu ist eine Spannungsquelle bzw. ein Spannungsgenerator 14, welcher ü- ber eine erste Leitung 16 mit der Erfassungsbereich 6, welcher die Arbeitselektrode bildet, verbunden ist. Der Spannungsgenerator 14 ist ü- ber eine zweite Leitung 18 mit einer Gegenelektrode 20 verbunden. Sowohl der Erfassungsbereich 6 als auch die Gegenelektrode 20 werden in das Fluid, in welchem Analyte bestimmt werden sollen, eingetaucht. Auf diese Weise kann durch den Spannungsgenerator 14 eine Spannung zwischen dem Erfassungsbereich 6 und der Gegenelektrode 20 erzeugt werden, d. h. der Erfassungsbereich 6 gegenüber der Umgebung elektrisch geladen werden. Die Potentialdifferenz zwischen dem Erfassungsbereich 6 und der Umgebung führt, wenn das lonisie- rungspotential eines Analyten von der Spannung zwischen Erfassungsbereich 6 und dem elektrischen Potential der Umgebung überschritten wird, zur Ionisierung des Analyten, welcher daraufhin zu dem Erfassungsbereich 6 wandert und dort auf elektrochemische Weise angelagert wird und so zur Auslenkung des Federbalkens 4 führt, die in Figur 2b gezeigt ist. Dieser Prozess ist reversibel, indem die Spannung, welche von dem Spannungsgenerator 14 erzeugt wird, wieder unter das lonisie- rungspotential dieses Analyten abgesenkt wird. Dann bewegen sich die Moleküle des Analyten wieder von dem Erfassungsbereich 6 weg.

In dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist darüber hinaus ein Spannungsmesssystem 22 vorgesehen, welches über eine erste Leitung 24 mit dem Erfassungsbereich 6 verbunden ist. über eine zweite Leitung 26 ist das Spannungsmesssystem 22 mit einer Referenzelektrode 28 verbunden, welche ebenfalls in das Fluid, indem die Analyte zu bestimmen

sind, eingetaucht ist. Durch die zwischen der Referenzelektrode 28 und dem Erfassungsbereich 6 erfasste Spannung kann ein Analyt anhand seines lonisierungspotentials genau identifiziert werden. Im gezeigten Beispiel wird eine Gegenelektrode 20 verwendet. Auf diese Gegen- elektrode 20 könnte jedoch verzichtet werden. Der Erfassungsbereich 6 könnte auch ohne die Gegenelektrode 20 gegenüber der Umgebung elektrisch geladen werden. Z. B. ist es denkbar, dass die Referenzelektrode 28 gleichzeitig als Gegenelektrode 20 dient.

Die Erfassung der Spannungsdifferenz zwischen dem Erfassungsbereich 6 und der Referenzelektrode 28 erlaubt die Zuordnung des Messergebnisses von dem Sensorelement 4 zu einem bestimmten Analyten, indem festgestellt wird, bei welcher Spannung sich das Messergebnis von dem Sensorelement 4 ändert. Wenn diese Spannung dem lonisierungspoten- tial eines bestimmten Analyten entspricht, kann daraus geschlossen werden, dass die änderung des Messergebnisses, welche zeitgleich von dem Sensorelement 4 erfasst wurde, von genau diesem Analyten mit dem von dem Spannungsmesssystem 22 erfassten lonisierungspotential herrührt. Die Funktion dieser Messung wird näher anhand der Figuren 3a und 3b beschrieben. Dabei zeigt Figur 3a den Spannungsverlauf U über der Zeit t, wie er von dem Spannungsgenerator 14 zwischen dem Erfassungsbereich 6 und der Umgebung erzeugt und durch das Spannungsmesssystem 22 zwischen dem Erfassungsbereich 6 und der Refe- renzelektrode 28 erfasst wird. Figur 3b zeigt die zugehörige Auslenkung θ des Sensorelementes 4 aufgetragen über die Zeit t. Die Spannung U wird zunächst in einem ersten Abschnitt 30 des Spannungsverlaufes im Wesentlichen direkt auf das Spannungsniveau, welches im zweiten Abschnitt 32 des Spannungsverlaufes herrscht, angehoben. Dabei wird das lonisierungspotential 36 zumindest eines zu bestimmenden Analyten überschritten. Im zweiten Abschnitt 32 der Spannungskurve wird die Spannung zunächst bis zu einem Zeitpunkt ti konstant auf dem Niveau

oberhalb des lonisierungspotentials 36 gehalten. Nach dem überschreiten des lonisierungspotentials lagert sich eine zunehmende Anzahl von Molekülen 12 des Analyten an dem Sensorelement 4 an, wie in Figur 2b gezeigt ist. Dies führt zu einer zunehmenden Auslenkung θ des Sensor- elementes 4, bis diese ihren Maximalwert 38 erreicht. Ausgehend vom Zeitpunkt ti wird die Spannung dann in einem dritten Abschnitt 34 der Spannungskurve linear auf 0 abgesenkt, wobei dieses Absenken der Spannung deutlich langsamer erfolgt als das Anheben der Spannung im ersten Abschnitt 30 der Spannungskurve 34. Wenn die Spannung im dritten Abschnitt 34 des Spannungsverlaufes das lonisierungspotential 36 unterschreitet, führt dies dazu, dass die an dem Erfassungsbereich 36 angelagerten Analyte bzw. Moleküle 12 sehr schnell wieder entfernt werden, weshalb der Biegewinkel θ zu diesem Zeitpunkt sehr schnell auf 0 abfällt, wie in Figur 3b zu erkennen ist. Bei entsprechender Kalibrierung des Sensorelementes 4 kann aus dem maximalen Biegewinkel 38 vor dem Unterschreiten des lonisierungspotentials 36 und dem Biegewinkel θ nach dem Unterschreiten (idealerweise = 0) auf die Konzentration des Analyten mit dem lonisierungspotential 36 in dem umgebenden Fluid geschlossen werden.

Dieser in Figur 3a gezeigte Spannungsverlauf kann periodisch wiederholt werden, sodass eine quasi kontinuierliche Messung in dem Fluid durchgeführt werden kann. Wenn der Spannungsverlauf so gewählt wird, dass mehrere auf unterschiedlichen Potentialniveaus liegende lonisierungspotentiale verschiedener Analyte beim Anheben der Spannung im ersten Abschnitt 30 der Spannungskurve überschritten werden, dann wird es beim anschließenden Absenken der Spannung im dritten Abschnitt 34 der Spannungskurve zu mehreren Sprüngen in der Kurve des Biegewinkels θ kommen, wenn jeweils ein lonisierungspotential ei- nes bestimmten Analyten unterschritten wurde und dieser Analyt in dem Fluid vorhanden war. So können mehrere Analyte gleichzeitig in einem Spannungsdurchlauf erfasst werden.

Figur 4α und Figur 4b zeigen noch einmal den Spannungsverlauf 40 aufgetragen über der Zeit t, wenn die Spannung U zwischen dem Erfassungsbereich 6 und der Umgebung langsam linear ansteigt. Figur 4 b zeigt den zugehörigen Verlauf 42 des Biegewinkels θ. Zu erkennen ist, dass es, wenn zum Zeitpunkt t ₂ das lonisierungspotential U2 eines bestimmten Analyten unterschritten wird, zu einem Sprung im Verlauf 42 des Biegewinkels θ kommt, d. h. das Sensorelement 4 wird zum Zeitpunkt t ₂ durch Anlagerung des entsprechenden Analyten ausgelenkt und erreicht den Biegewinkel θ2.

Figur 4c zeigt einen möglichen zeitlichen Verlauf der Potentialdifferenz zwischen dem Erfassungsbereich 6 und der Referenzelektrode 28 bei Verwendung von Wechselspannung, wobei hier die Wechselspannung über die Zeit linear erhöht wird. Der Verlauf 44 des Wechselspannungssignals ist die Summe eines langsam ansteigenden Gleichspannungssignals und eines Wechselspannungssignals mit einer bestimmten konstanten Frequenz. Dabei sollte die Amplitude der Wechselspannung im Vergleich zu der änderung der Gleichspannung über die Zeit t klein gewählt werden. Figur 4d zeigt den zugehörigen Verlauf 46 des Biegewinkels θ des Sensorelementes 4 bei der Anlagerung eines Analyten 12. Der Biegewinkel θ des Federbalkens 4 ist ebenfalls die Summe einer Gleichspannungskomponente und einer Wechselspannungskomponente welche mit derselben Frequenz wie die Wechselspannung ge- maß Figur 4c schwingt. Figur 4d zeigt nur die Amplitude der Wechselspannungskomponente, welche ihren Maximalwert 48 hat, wenn die angelegte Spannung zwischen Erfassungsbereich 6 und der Referenzelektrode 28 das lonisierungspotential eines spezifischen Analyten übersteigt.

Bezugszeichenliste

2 Sensorsystem

4 Sensorelement

6 Erfαssungsbereich

8 Bαsiselement

10 Freies Ende

12 Anαlyte, Moleküle

14 Spαnnungsgenerαtor

16, 18 Leitungen

20 Gegenelektrode

22 Spαnnungsmesssystem

24, 26 Leitungen

28 Referenzelektrode

30, 32, 34 Abschnitte der Spαnnungskurve

36 lonisierungspotentiαl

38 Maximale Auslenkung

40, 44 Spannungsverlauf

42, 46 Verlauf des Biegewinkels θ

48 Maximalwert

T Biegewinkel

U Spannung t Zeit