Winfried Vonau

Recent developments in electrochemical sensor application and technology—a review

The review describes different developments of electrochemical sensors, which are used for measurements in a broad range of temperatures and concentrations of gases and dissolved ions in situ. The current approaches in sensor technology are targeted on miniaturization of electrochemical cells, application of multi-sensor setups, extensions of sensor application respecting pressure, temperature and aggressive media and on the use of dynamic methods.

Electric cell-substrate impedance sensing with screen printed electrode structures.

Impedance sensors in thick film technology have been tested as a tool for electric cell-substrate impedance sensing. The screen printed Pt electrodes have a width of 250-400 microm. Electrodes and the surrounding ceramic chip substrate could be homogeneously grown with L-929 and Hela cells. The performance of a screen printed interdigitated electrode structure (IDES) was compared with that of thin film structures with the same layout geometry. The thick film impedance sensors allowed to correctly record the morphological response of confluent Hela cell layers to stimulation with histamine. A thick film conductivity sensor also revealed impedance values which were dependent on cell growth on the electrode surface, even at a very low frequency range of approximately 1 Hz.

The use of screen printed electrodes for the sensing of cell responses

Impedance sensors in thick film technology have been tested as a tool for testing cell-mediated effects. The screen printed Pt electrodes have a width of 250-400 mum. Electrodes and the surrounding ceramic chip substrate could be homogeneously grown with L-929 and Hela cells. The performance of a screen printed interdigitated electrode structure (IDES) was compared with that of thin film structures with the same layout geometry. The thick film impedance sensors allowed to correctly record the morphological response of confluent Hela cell layers to stimulation with histamine. A thick film conductivity sensor also revealed impedance values which were dependent on cell growth on the electrode surface, even at a very low frequency range of ap1Hz.

Online-Analyse mit Lab-on-Chip-Systemen (Online Analysis with Lab-on-Chip Systems)

Abstract Es werden Ergebnisse der Entwicklung und Erprobung unterschiedlicher Lab-on-Chip-Systeme auf der Basis von elektrochemischen Sensoren vorgestellt. Das Design und der technologisch anspruchsvolle Herstellungsprozess von Sensorchips, aber auch Möglichkeiten der Verkapselung werden beschrieben. Die Entwicklung planarer Mikrosensorsysteme eröffnet beispielsweise die Möglichkeit zur Online-Analyse von Körperflüssigkeiten und zur Charakterisierung von Vitalitätskriterien. Anhand der ausgewählten Analysenbeispiele werden das breite Spektrum prinzipieller Einsatzmöglichkeiten für Lab-on-Chip-Systeme, gleichzeitig jedoch auch die Bedeutung der Materialauswahl für die Realisierung sensorspezifischer Anforderungen und applikationsbezogener Erfordernisse, wie z.B. Bio- oder Zellkompatibilität, deutlich.

Die Bedeutung der Materialentwicklung für elektrochemische SensorenMaterials Research and Development for Electrochemical Sensors

Zusammenfassung Elektrochemische Sensoren werden in verschiedenen Ausführungsformen in einem weiten Temperaturbereich von ca. -30°C bis über 1500°C in festen, flüssigen und gasförmigen Medien eingesetzt. Die Erschließung neuer Anwendungsgebiete sowie die Erweiterung des Temperatureinsatzbereiches, die Erhöhung von Sensitivität, Selektivität und Stabilität und die Optimierung von Fertigungstechnologien der Sensoren beruhen fast immer auf Neu- und Weiter-entwicklungen von Sensormaterialien und Verfahren zu deren Herstellung. Der Übersichtsartikel zeigt die Vielfalt dieser Bemühungen anhand von Beispielen zu Materialentwicklungen für elektrochemische Referenzelektroden, Metalloxidelektroden, Metalloxid-Gassensoren sowie YSZ-basierten Festelektrolytsensoren.

Development of an automatic system for the on-site pH measurement of soil samples

Abstract An automatic pH-measurement directly on-site on the farmland requires robust and reliable sensor systems. The massive antimony oxide electrode offers the possibility to determine the acidity in freshly sampled soils within the required range of pH 4 to pH 7 in a short time and without elaborate preparation steps. Some essential steps of the development of an antimony oxide sensor system applicable for the on-site measuring are presented in detail. The introduced set-up is a promising fundament for the establishment of a rapid pH-determination direct on the field.

Glass-based redox sensor

A new glass-based planar sensor for the determination of redox potentials is introduced. The sensor was fabricated by applying and sintering an iron-containing glass paste on an alumina substrate partially covered with a platinum layer. Regarding the condition of the functional glass layer, it was characterised using several physical and chemical methods. Furthermore, by means of the planar sensors, the determination of redox potentials of different redox-active substances was carried out. It could be shown that the measurement results obtained with these electrodes were comparable to those received with conventional noble metal-based redox electrodes. For sensors prepared by selected glass compositions, a significant pH dependence of the measurement signal was not detected. Moreover, the electrode could be used as working electrode for cyclic voltammetry, too.

Elektrochemische pH-Sensorik für SpezialanwendungenElectrochemical pH Sensors for Special Applications

Zusammenfassung Zahlreiche pH-Messaufgaben erfordern von der Norm abweichende Sensoren. Hierfür werden verschiedene Beispiele aufgezeigt. Neben der Herstellung von Metalloxidelektroden nach unterschiedlichen Fertigungsschritten lassen sich konventionelle pH-Glaselektroden in begrenztem Umfang miniaturisieren oder die übliche Innenfüllung gegen verschiedene Feststoffableitsysteme austauschen. Dabei ist es anzustreben, die Phasengrenzfläche zum Membranglas reversibel zu gestalten, was z. B. durch die Verwendung von Zinkoxid sowohl für kompakte als auch für Dickschicht-Glaselektroden erreicht wird. Weiterhin wird auf die Integration von pH-Sensoren in Multisensorsysteme sowie auf Maßnahmen zur Verlängerung der Einsatzdauer dieser Systeme eingegangen. Zudem wird die Bedeutung der Referenzelektrode für derartige Entwicklungen beleuchtet.

Spatial monitoring of the liquid phase with multiparameter sensors in industrial-scale fermenters

Abstract This work describes the development and application of different lance-based monitoring systems coupled to an integrated multiparameter sensor probe for the spatial investigation of the liquid phase in biotechnological processes. Miniaturized electrochemical sensors are integrated into a housing, which is fixed at the head of a lance, both made of stainless steel. It can be moved inside a reactor in horizontal direction by the lance itself and in vertical direction by a flexible rope, which is connected to the sensor probe. Inserting the sensor unit directly into the liquid phase of a fermenter, e.g. in laminar processes like biogas and beer production, coupled with multiposition measurements allows to obtain space and time resolved data. The monitored parameters are the pH value, the redox potential, the temperature, and the concentration of dissolved carbon dioxide. Wireless data transfer is realized by means of radio technology with the virtual control center RAMOC (Radio Aided Monitoring) of the company innotas GmbH. Results of the real-time determination in the liquid phase in an industrial, continuously operated biogas plant during several weeks are presented as a case study.

Entwicklung eines elektrochemischen Messsystems zur Vor-Ort-Qualitätskontrolle in der Getränkeindustrie

Zusammenfassung Ein wesentliches Qualitätsmerkmal für Bier ist dessen Bitterstoffgehalt. Bitterstoffe bestimmen nicht nur den für die einzelnen Biersorten charakteristischen Geschmack, sondern auch die Haltbarkeit des Bieres sowie die erwünschte hohe Beständigkeit der Schaumkrone. Im Beitrag wird über ein elektrochemisches Messsystem zur Vor-Ort-Bestimmung der Konzentration von Hopfenbitterstoffen (Isohumulonen bzw. iso-alpha-Säuren) berichtet, welches in Brauereien eingesetzt werden kann. Für die Messungen wurden eine Dreielektroden-Messsonde in All-solid-state-Ausführung, bestehend aus einer Graphit-Arbeits-, einer Platin-Gegen- und einer Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode, verwendet. Als elektroanalytische Bestimmungsmethode kam die Differenzial-Puls-Voltammetrie zum Einsatz. Referenzmessungen des Bitterstoffanteils im Bier wurden mittels HPLC und UV-Detektion nach vorangestellter Anreicherung der Bitterstoffe mit Hilfe der Festphasenextraktion (SPE) durchgeführt. Prototypen des elektrochemischen Messsystems wurden in einer Brauerei erprobt.