C. Dincer, E. Laubender, J. Heinze, G. Urban

Kooperationen:
Fraunhofer Institut für Angewandte Festkörperphysik, IAF
Univ. Stuttgart, 3. Institut für Physik
Univ. Ulm, IABC
Projektträger: Landesstiftung Baden-Württemberg

Forschungsziele:
* Charakterisierung von diamantbeschichteten Mikro- und Nano-Elektroden.
* Evaluierung der Empfindlichkeit und Anwendbarkeit verschiedener elektroanalytischer Methoden.
* Einsatz des elektrochemischen Rastermikroskop (SECM) zur Abrasterung von Membranporen.

Am Freiburger Materialforschungszentrum und am IMTEK werden seit langem Ultramikroelektroden und Nanoden für elektrochemische Untersuchungen entwickelt und eingesetzt. Die Anwendungsmöglichkeiten solcher Sonden reichen hierbei von der Charakterisierung reiner Elektrodenprozesse bis hin zu Problemstellungen in den Materialwissenschaften und in der Biosensorik [1,3,7,8].

Abbildung 1: Diamantelektodenarray

In Verbindung mit dem SECM, dessen methodische Fortentwicklung ebenfalls in Freiburg betrieben wird [2], lassen sich mit hoher Ortsauflösung Ober-flächenstrukturen und -prozesse (be-rührungsfrei) analysieren, aber auch aktive Veränderungen an Oberflächen durchführen. So wurde erstmalig eine Neurotransmittermessung an einem planaren Dreielektroden-Mikroelektrodenarray durchgeführt [3]. Zur Analyse von mehreren elektrochemischen Prozessen wurden Multifaserultramikroelektroden entwickelt, mit denen bis zu 7 Prozesse wie z. B. pH-Änderungen oder redoxaktive Moleküle simultan erfasst werden können [4]. Diese technologischen Möglichkeiten werden im steigenden Umfang auf Fragestellungen der Lebenswissenschaften angewendet. So wurden von uns ortsaufgelöst Protonenflüsse an Membranen gemessen [5] und in der Bionanotechnologie mittels SECM-induzierter pH-Änderungen die ATP-Synthese an der protonengetriebenen H+-ATP Synthase untersucht [6]. Mittels mikrominiaturisierter Mehrfachelektrodenarrays konnten auch Biosensoren zum Monitoring metabolischer Parameter entwickelt werden [7,8].

Abbildung 2: Großflächiger Feedback-Scan mit dem SECM vs. ESEM-Aufnahme von bordotierte Diamant-UMEA
 

Erste Experimente mit dem SECM an bordotierte Diamant-Ultramikroelektroden (UME) und UME-Arrays (Herstellung durch IAF)  belegen, dass sie aus elektrochemischer Sicht keine für den Ladungstransfer homogene Oberflächen besitzen, sondern lokal unterschiedliche Durchtrittswiderstände aufweisen. Dieses Phänomen muss deshalb bei der Konstruktion von Elektroden im Submikrometerbereich besonders beachtet werden.

Abbildung 3: SECM Messung von 2 Diamant UMEAs. Vergleich zwischen “Constant potential feedback mode” and “Matrix-mode with Chronoamperometry”

Aufgrund der größeren Oberfläche solcher Schichten ist auch eine höhere Sensitivität zu erwarten. Die zukünftigen Arbeiten werden die Charakterisierung, Auswahl und Optimierung der Diamantelektroden-Arrays mittels Standard-Redoxsystemen zum Inhalt haben.

Literatur

[1] Jürgen Heinze, Angewandte Chemie 1993, 105, 1327.
[2] J. Ufheil, C. Hess, K. Borgwarth, J. Heinze, Physical Chemistry Chemical Physics 2005, 7, 3185.
[3] C. Pifl, A. Jachimowicz, G. Urban, F. Kohl, P. Goiser, J. Theiner, G. Nauer, Sensors and Actuators B, Vol. 1,1990, 468-472.
[4] N. Baltes, L. Thouin, C. Amatore, J. Heinze, Angewandte Chemie International Edition 2004, 43, 1431.
[5] F. M. Boldt, J. Heinze, M. Diez, J. Petersen, M. Borsch, Analytical Chemistry 2004, 76, 3473.
[6] N. Baltes, J. Heinze, Chemphyschem 2009, 10, 174.
[7] I. Moser, G. Jobst and G. A. Urban, Biosensors and Bioelectronics, Vol. 17, 2002, 297-302.
[8] E. Laubender, F. Garay, J. Heinze, G. Urban, TRANSDUCERS 2009. International Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference, 2009, 21, pp. 140.