Hydrogel-based chemical and biochemical sensors

• Autorzy: Gerlach Gerald

Identyfikatory

DOI

10.32016/1.66.02

Warianty tytułu

PL

Chemiczne i biochemiczne czujniki hydrożelowe

• Konferencja: LI Międzyuczelniana Konferencja Metrologów MKM 2019 (LI, 23.09.2019-25.09.2019; Opole–Moszna; Polska)
• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Hydrogels are cross-linked polymer networks able to absorb or to release large amounts of water. The water uptake is associated with a considerable volume change but also with changes of optical properties like the refractive index. The swelling can be excited by a large spectrum of different physical (e.g. temperature, electrical voltage, magnetic field) and chemical factors (e.g. pH value, concentrations of chemical or biochemical species). The particular sensitivity can be adjusted by tayloring the composition of the hydrogel or via its functionalization. If the interaction between hydrogel and analyte to be measured is reversible then such hydrogels are becoming a promising candidate for miniaturized, cost-effective and inline-capable sensors.

PL

Hydrożele są usieciowanymi sieciami polimerowymi zdolnymi do absorbowania lub uwalniania dużych ilości wody. Pobór wody wiąże się ze znaczną zmianą objętości, ale także ze zmianami właściwości optycznych, takich jak współczynnik załamania światła. Pęcznienie może być wzbudzane przez różne czynniki (np. temperaturę, napięcie elektryczne, pole magnetyczne) i czynniki chemiczne (np. pH, stężenie substancji chemicznych lub biochemicznych). Pożądaną czułość można uzyskać przez odpowiedni skład hydrożelu lub poprzez jego funkcjonalizację. Jeśli oddziaływanie między hydrożelem a analitem, który ma być zmierzony, jest odwracalne, wówczas takie hydrożele stają się obiecującym materiałem do budowy miniaturowych, ekonomicznie opłacalnych czujników.

Słowa kluczowe

EN

hydrogels; swelling pressure; chemical sensors

PL

hydrożele; ciśnienie pęcznienia; czujniki chemiczne

• Wydawca: Wydział Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej
• Rocznik: 2019
• Tom: Nr 66
• Strony: 15--19
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Gerlach Gerald

• Technische Universität Dresden, Solid-State Electronics Laboratory tel.: [phone]

Bibliografia

• 1. Gerlach G., Arndt K.-F. (eds.): Hydrogel Sensors and Actuators. Berlin, Heidelberg: Springer 2009.
• 2. Almdahl K., Dyre J., Hvidt, S., Kramer O.: What is a Gel? Makromolekulare Chemie, Macromolecular Symposia 76 (1993) 1, 49-51.
• 3. Günther M.: Anwendung polymerer Funktionsschichten in piezoresistiven chemischen und Feuchtesensoren (Application of Polymer Functional Layers in Piezoresistive Chemical and Humidity Sensors). Dresden: TUDpress 2009.
• 4. Gerlach G., Guenther M., Sorber J., Suchaneck G., Arndt K.- F., Richter A.: Chemical and pH Sensors Based on the Swelling Behavior of Hydrogels, Sensors and Actuators B 111-112 (2005), 555-561.
• 5. Gerlach G., Dötzel W.: Introduction to Microsystem Technology. A Guide for Students. Chichester: John Wiley & Sons 2008.
• 6. Arndt, K.-F., Knoergen M., Richter S., Schmidt T.: NMR Imaging: Monitoring of Swelling of Environmental Sensitive Hydrogels. In: Webb G.A. (ed.) Modern Magnetic Resonance. Springer, Dordrecht, 187-193 .
• 7. Dong L.C., Hoffman A.S.: Synthesis and Application of Thermally-reversible heterogels for Drug Delivery. Journal of Controlled Release 13 (1990), 21-31.
• 8. Schulz V., Zschoche S., Zhang H.P., Voit B., Gerlach G.: Macroporous Smart Hydrogels for Fast-responsive Piezoresistive Chemical Microsensors. Procedia Engineering 25 (2011), 1141-1144.
• 9. Franke D., Binder S., Gerlach G.: Performance of Fastresponsive, Porous Crosslinked poly(Nisopropyl acrylamide) in a Piezoresistive Microsensor, IEEE Sensor Letters 1 (2017) 6, 1500904.
• 10. Gerlach G., Guenther M., Sorber J., Suchaneck G., Arndt K.- F., Richter A.: Chemical and pH Sensors Based on the Swelling Behavior of Hydrogels. Sensors and Actuators B 111-112 (2005). 555-561.
• 11. Bashir R., Hilt J.Z., Elibol O., Gupta A., Peppas N.A.: Micromechanical Cantilever as an Ultrasensitive pH Microsensor. Applied Physics Letters 81 (2002) 16, 3091-3093.
• 12. Frank T., Gerlach G., Steinke A.: Binary Zero-Power Sensors: An Alternative Solution for Power-free Energyautonomous Sensor Systems. Microsystem Technology 18(2012) 7-8, 1225-1231.
• 13. Kroh C., Wuchrer R., Günther M., Härtling T., Gerlach G.: Evaluation of the pH-sensitive Swelling of a Hydrogel by Means of a Plasmonic Sensor Substrate. Journal of Sensors and Sensor Systems 7 (2018) 51-55.
• 14. Lorenz C., Sandoval W., Mortellaro M.: Interference Assessment of Various Endogenous and Exogenous Substances on the Performance of the Eversense Long-Term Implantable Continuous Glucose Monitoring System. Diabetes Technology & Therapeutics 20 (2018) 5, 344-352.
• 15. Guenther M., Wallmersperger T., Gerlach G.: Piezoresistive chemical sensors based on functionalized hydrogels. Chemosensors 2 (2014), 145-170
• 16. Guenther M., Gerlach G., Corten C., Kuckling D., Sorber J., Arndt K.-F.: Hydrogel-based Sensor for a Rheochemical Characterization of Solutions. Sensors and Actuators B 132 (2008) 2, 471–476.
• 17. Erfkamp J., Günther M., Gerlach G.: Hydrogel-based Piezoresistive Sensor for the Detection of Ethanol. Journal of Sensors and Sensor Systems 7 (2018), 219-226.
• 18. Erfkamp J., Günther M., Gerlach G.: Hydrogel-based Sensors for the Ethanol Detection in Alcoholic Beverages. Sensors 19 (2019), 1199 (14 pp.)
• 19. Guenther M., Kuckling D., Corten C., Gerlach G., Sorber J., Suchaneck G., Arndt K.-F.: Chemical Sensors Based on Multiresponsive Block Copolymer Hydrogels. Sensors and Actuators B 126 (2007), 97–106.
• 20. Erfkamp J., Günther M., Gerlach G.: Piezoresistive Hydrogel-based Sensors for the Detection of Ammonia. Sensors 19 (2019), 971 (13 pp.).
• 21. Schmidt U., Jorsch C., Guenther M., Gerlach G.: Biochemical Piezoresistive Sensors Based on Hydrogels for Biotechnology and Medical Applications. Journal of Sensors and Sensor Systems 5 (2016), 409-417.
• 22. Erfkamp J., Guenther M., Gerlach G.: Enzyme-Functionalized Piezoresistive Hydrogel Biosensors for the Detection of Urea. Sensors (submitted).
• 23. Schulz V., Gerlach G., Röbenack K.: Compensation Method in Sensor Technology: A System-based Description. Journal of Sensors and Sensor Systems 1 (2012), 5-27.
• 24. Schulz V., Ebert H., Gerlach G.: A Closed-loop Hydrogelbased Chemical Sensor, IEEE Sensors Journal 13 (2013) 3, 994-1002.
• 25. Deng K., Bellmann C., Fu Y., Rohn M., Guenther G., Gerlach G.: Miniaturized Force-compensated Hydrogel-based pH Sensors. Sensors and Actuators B 255 (2018) 3, 3495-3504.
• 26. Binder S., Krause A.T., Voit B., Gerlach, G.: Bisensitive Hydrogel with Volume Compensation Properties for Force Compensation Sensors. IEEE Sensor Letters 1 (2017) 6, 4501004.
• 27. Binder S., Gerlach G.: Intramolecular Force-compensated Hydrogel-based Sensors with Reduced Response Times. Technisches Messen 86 (2019).
• 28. Kreibig U., Vollmer M.: Optical Properties of Metal Clusters, Springer Series in Material Science, Berlin, Heidelberg: Springer 1995.
• 29. Tokarev, I., Tokareva, I., and Minko, S.: Gold-Nanoparticle-Enhanced Plasmonic Effects in a Responsive Polymer Gel, Advanced Materials 20 (2008), 2730–2734.
• 30. Kroh, C., Wuchrer, R., Steinke, N., Guenther, M., Gerlach, G., Härtling, T.: Hydrogel-based Plasmonic Sensor Substrate for the Detection of Ethanol. Sensors 19 (2019), 1264 (10 pp.).
• 31. Yang, S.-C.; Hou, J.-L.; Finn, A.; Kumar, A.; Ge, Y.; Fischer, W.-J. Synthesis of Multifunctional Plasmonic Nanopillar Array Using Soft Thermal Nanoimprint Lithography for Highly Sensitive Refractive Index Sensing, Nanoscale 7 (2015), 5760–5766.
• 32. Wuchrer, R., Liu, L., Härtling, T.: A compact readout platform for spectral sensors. Journal of Sensors and Sensor Systems 5 (2016), 157-163.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).