Am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS wurde ein Chip entwickelt, der bei der pH-Messung die klassische Referenzelektrode ersetzt. Ziel ist es, Messgeräte robuster, mobiler und einfacher integrierbar zu machen. Erste Test-Kits stehen bereit, um die neue Ausführung in Anwendungen der Medizin, Biologie, Landwirtschaft und Umweltanalytik einzusetzen.
Kern der Entwicklung ist ein Referenz-ISFET, der anstelle der bislang verwendeten Silber/Silberchlorid/Kaliumchlorid-Referenzelektrode arbeitet. Der Chip ist widerstandsfähig, trocken lagerfähig und unempfindlich gegenüber Druck. In Kombination mit einem pH-ISFET ermöglicht er eine zuverlässige pH-Messung auch in kompakten und mobilen Systemen.
Ersatz der Referenzelektrode in der pH-Messung
Die präzise pH-Messung war bislang untrennbar mit klassischen Silber/Silberchlorid/Kaliumchlorid-Referenzelektroden verbunden. Zwar liefern diese ein stabiles Bezugspotenzial, doch ihre konstruktionsbedingte Empfindlichkeit begrenzt die Zuverlässigkeit im praktischen Einsatz. Verändert sich die Elektrolytkonzentration oder kommt es zu Verstopfungen und Aufladungen des Diaphragmas, wirkt sich dies unmittelbar auf die Messstabilität aus. Auch das Austrocknen der Membran oder Kontaminationen der Messlösung führen zu Drift und verfälschten Ergebnissen.
Vor diesem Hintergrund galt die Referenzelektrode lange als Schwachstelle im System. Während die pH-sensitive Glaselektrode bereits erfolgreich durch robuste ionensensitive Feldeffekttransistoren ersetzt wurde, blieb für die Referenzfunktion bislang keine gleichwertige Alternative verfügbar. Mit dem am Fraunhofer IPMS entwickelten Referenz-ISFET wird diese Lücke geschlossen. „Unsere ISFETs sind zuverlässig, stabil und strapazierfähig. Sie umgehen typische Probleme klassischer Referenzelektroden, wie verstopfte oder aufgeladene Diaphragmen, Drift durch Konzentrationsänderungen oder Kontamination der Messlösung“, erläutert Dr. Olaf Hild. Dadurch eignet sich die pH-Messung nun auch für Anwendungen, in denen kompakte Bauformen oder mobile Systeme erforderlich sind.
Physikalisches Prinzip der neuen pH-Messung
Das Funktionsprinzip der neuen pH-Messung beruht auf der Kombination zweier ISFETs. An die Stelle der klassischen Referenzelektrode tritt ein Referenz-ISFET, der gemeinsam mit einem pH-ISFET betrieben wird. Entscheidend ist dabei die unterschiedliche pH-Steilheit: Während ein herkömmlicher pH-ISFET bei 25 °C gemäß der Nernstschen Gleichung etwa 59 mV/pH erreicht, weist der Referenz-ISFET eine deutlich geringere Steilheit von beispielsweise 20 mV/pH auf. Aus der Differenz der beiden Sensorsignale lässt sich der pH-Wert bestimmen.
Die funktionale Stabilität der Bauelemente beruht auf dünnen Schichten aus Niobpentoxid oder Tantalpentoxid. Diese Materialien ermöglichen eine gute Lagerfähigkeit und widerstandsfähige Sensoreigenschaften. Beide ISFETs werden über eine gemeinsame Hilfselektrode angesteuert, wodurch ein geschlossenes Messsystem entsteht, das ohne klassische Referenzelektrode auskommt. Das zugrunde liegende Konzept wurde bereits in den 1980er Jahren von Professor Piet Bergveld und Kollegen entwickelt, fand jedoch bislang keinen Weg in die kommerzielle Nutzung. Mit den nun verfügbaren Bauelementen wird die pH-Messung in einem Bereich von etwa pH 4 bis pH 8 realisiert, der typische Anforderungen in Biologie, Medizin, Landwirtschaft und Umwelt abdeckt.
Vom Zwei-Chip-System zur Ein-Chip-Lösung
Der aktuelle Aufbau umfasst zwei Chips mit jeweils 5 × 5 mm², um eine zuverlässige Benetzung sicherzustellen. Diese Baugröße gewährleistet stabile Messbedingungen, kann jedoch auf Kundenwunsch reduziert werden. Perspektivisch ist vorgesehen, beide ISFETs auf einem einzigen Chip derselben Größe zu integrieren und zusätzlich eine Temperaturmessung einzubinden. Damit würde die pH-Messung funktional erweitert und konstruktiv vereinfacht.
Für belastbare Langzeitmessungen ist die Kontrolle der Sensordrift entscheidend. Nach einer Zwei- oder Dreipunkt-Kalibrierung müssen verbleibende Driftanteile beherrscht werden, um stabile Ergebnisse zu gewährleisten. „Voraussetzung für Langzeitmessungen nach einer 2- oder 3 Punkt-Kalibrierung ist die Beherrschung der Sensordriften, die bei Bedarf mit der Ansteuerelektronik kompensiert werden können“, erklärt Hans-Georg Dallmann. Die weiteren Entwicklungsschritte konzentrieren sich daher auf die Erweiterung des pH-Bereichs des REFET durch verbesserte Sensorschichten, die Reduzierung der Drift sowie die vollständige Integration auf einem Chip mit Temperaturmessung. Test-Kits sind bereits verfügbar und werden auf der Analytica 2026 in Halle 3, Stand 312, vorgestellt.