DE102009002497A1

DE102009002497A1 - Verfahren zur Ermittlung elektrischer und mechanischer Materialeigenschaften

Info

Publication number: DE102009002497A1
Application number: DE102009002497A
Authority: DE
Inventors: Glen Guhr; Raimund BRÜNIG; Martin JÄGER
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date: 2009-04-20
Filing date: 2009-04-20
Publication date: 2010-12-30
Anticipated expiration: 2029-04-21
Also published as: DE102009002497B4; WO2010121947A1; EP2422193A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Messtechnik und betrifft ein Verfahren zur Ermittlung elektrischer und mechanischer Materialeigenschaften, wie es beispielsweise für von Flüssigkeiten, wie Öle, Milch, Blut eingesetzt werden kann. Die Aufgabe der vorliegenden Lösung besteht in der Angabe eines Verfahrens, mittels dessen die Materialeigenschaften gleichzeitig und am gleichen Ort mit einer Anordnung ermittelt werden können. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem mittels eines mit einer Probe im Wesentlichen vollständig bedeckten SAW-Eintorresonators, der Betrag und die Phase des komplexen elektrischen Widerstandes in einem breiten Frequenzbereich gemessen werden, und anschließend aus dem Kurvenverlauf des Betrages und der Phase des komplexen elektrischen Widerstandes mittels bekannter Verfahren und Modelle die elektrischen und mechanischen Materialeigenschaften der Probe ermittelt weden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Messtechnik und Elektrotechnik und betrifft ein Verfahren zur Ermittlung elektrischer und mechanischer Materialeigenschaften, wie es beispielsweise für die Ermittlung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften von Flüssigkeiten, wie Öle, Milch, Blut, Blutplasma eingesetzt werden kann.
Bekannt sind Verfahren zur Ermittlung elektrischer oder mechanischer Materialeigenschaften mittels Impedanzspektroskopie (IS). Dabei werden beispielsweise Plattenelektroden oder auch Interdigitale Wandlerstrukturen (IDT = interdigital transducer) auf Glas-, SiO₂- oder Polymersubstraten (nicht piezoelektrischer natur) aufgebracht, um eine Kapazität zu erzeugen. Diese wird meist nach Betrag und Phase der elektrischen Impedanz in Abhängigkeit der Frequenz detektiert. Anhand der Messgrößen können dann elektrische und dielektrische Materialeigenschaften abgeleitet werden ( US 7,399,631 B1 ).
Weiterhin bekannt sind akustische Messungen mittels akustischer Oberflächenwellen (SAW = surface acoustic waves). Mithilfe einer SAW-Verzögerungsstrecke mit Sende- und Empfangswandler können die mechanischen Größen Viskosität und Elastizität aus dem Betrag und der Phase der ermittelten Messwerte abgeleitet werden. Auch Rückschlüsse auf Masseanlagerungen können gezogen werden. (Flüssigkeitssensoren auf der Basis mikroakustischer Wellenleitermoden, Falk Herrmann, Shaker Verlag Aachen 2000)
Ebenfalls bekannt sind akustische Messungen mit einer Quarzmikrowaage (quartz crystal microbalance, QCM). Dazu werden 2 Elektroden so angeordnet, dass dazwischen ein Quarzsubstrat vorhanden ist. Die Messung der Schichthöhe beim Abscheiden von starren Schichten ist möglich. Jedoch können in Flüssigkeiten nur mechanische Eigenschaften bestimmt werden, da die Elektroden die elektrischen Eigenschaften der Proben abschirmen. Um diesen Nachteil zu umgehen, wird gemäß Wegener et al., Eur. Biophys J 1996; 25, 93–103) eine zusätzliche Elektrode in der Messanordnung eingeführt, um die Impedanzspektroskopie zwischen dieser Probe und der oberen Elektrode der Quarzmikrowaage durchführen zu können.
Ebenfalls ist nach der DE 696 10 183 T3 eine piezoelektrische Quarzmikrowaage bekannt, mittels der die Resonanzfrequenz und der Verlustfaktor des mit einer Flüssigkeit belegten piezoelektrischen Resonators ermittelt werden kann.
Auch bekannt sind Wechselstromwiderstandsmessungen ( EP 1 394 545 A1 ) bei denen mittels IS der Hämatokritwert (HKT) und mittels eines elektrochemischen Sensors der Blutzuckergehalt bestimmt werden. Nachfolgend muss jedoch eine Korrektur des Zuckerwertes durchgeführt werden, um eine Verfälschung durch den HKT-Wert zu verhindern.
Aus der DE 102 28 088 B4 ist ein elektrochemischer Sensor mit IDT-Elektroden auf einem Keramikträger bekannt, bestehend aus Arbeits- und Referenzelektroden auf dem Keramikträger und die Arbeitselektrode mit einer biologischen Beschichtung versehen sind.
Gemäß der DE 103 51 390 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur schnellen Bestimmung einer bakteriellen Belastung in Blut und Blutprodukten mittels IS bekannt. Dazu wird ein elektrisches Ersatzschaltbild verwendet, mittels dessen die Bestimmung von mindestens einem der Ersatzschaltbildparameter ermöglicht wird. Aus diesen Angaben werden dann Rückschlüsse auf das Wachstumsverhalten der Zell-/Bakterienkulturen gezogen.
Nach der US 5,610,566 A sind SAW-Sensoren mit einer Verzögerungsstrecke und separat aufgebrachten IDT für IS zur Untersuchung von Schmiermitteln bekannt.
Aus der WO 98/37412 ist eine Vorrichtung zur Erfassung von Materialparametern flüssiger Medien bekannt. Die Sensoreinrichtung besteht aus einer SAW-Verzögerungsstrecke mit zwei Interdigitalwandlern (IDT) zur Erzeugung einer elektroakustischen Welle, wobei die IDTs mit einer Auswertungsschaltung zur Ermittlung mechanischer Eigenschaften auf der Grundlage der Übertragungsfrequenz, Verzögerung und/oder der Dämpfung der elektroakustischen Welle verschaltet sind, und einer der IDTs mit einer zweiten Auswertungsschaltung zur Ermittlung der dielektrischen Eigenschaften auf der Grundlage der komplexen elektrischen Impedanz des IDT verschaltet ist, wobei zur Ermittlung der mechanischen und dielektrischen Eigenschaften unterschiedliche Frequenzen verwendet werden.
Der Nachteil der bekannten technischen Lösungen besteht darin, dass die mechanischen und elektrischen Materialeigenschaften nicht gleichzeitig und nicht am gleichen Ort an einem Material/Flüssigkeit und nur bei niedriger komplexer Dielektrizität ermittelt werden können.
Die Aufgabe der vorliegenden Lösung besteht in der Angabe eines Verfahrens zur Ermittlung elektrischer und mechanischer Materialeigenschaften einer Probe, mittels dessen die Materialeigenschaften gleichzeitig und am gleichen Ort mit einer Anordnung aktuell und/oder über einen zeitlichen Verlauf ermittelt werden können.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung elektrischer und mechanischer Materialeigenschaften werden mittels eines oder mehrerer mit einer Probe im Wesentlichen vollständig bedeckten SAW-Eintorresonators, wobei als Probe im Wesentlichen eine Flüssigkeit, ein Sol, ein Gel oder biologisches Gewebe eingesetzt wird, einmalig oder in zeitlichen Abständen mehrmalig, der Betrag und die Phase des komplexen elektrischen Widerstandes in einem breiten Frequenzbereich gemessen, und anschließend aus dem Kurvenverlauf des Betrages und der Phase des komplexen elektrischen Widerstandes mittels bekannter Verfahren und Modelle die elektrischen und mechanischen Materialeigenschaften der Probe ermittelt werden, und bei dem in Abhängigkeit vom bekannten oder gemessenen Kurvenverlauf der Phase und der Kenntnis deren Relaxationsgebiete die Messung des Betrages und der Phase des komplexen elektrischen Widerstandes mit einem solchen SAW-Eintorresonator durchgeführt wird, dessen Resonanzfrequenz bei einer Frequenz in einem Gebiet des Kurvenverlaufs liegt, in dem sich die gemessene Phase um maximal 10% gegenüber einem Minimum oder einem Maximum geändert hat, oder ein anderer SAW-Eintorresonator für die Messung eingesetzt wird, dessen Resonanzfrequenz bei einer Frequenz in einem Gebiet des Kurvenverlaufs liegt, in dem sich die gemessene Phase um maximal 10% gegenüber einem Minimum oder einem Maximum geändert hat.
Vorteilhafterweise werden mehrere einzelne SAW-Eintorresonatoren mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen eingesetzt.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird ein SAW-Eintorresonator auf einem piezoelektrisch hoch koppelnden Substrat eingesetzt.
Weiterhin vorteilhafterweise werden durch das Substrat und die Elektroden horizontal polarisierte Wellen angeregt.
Und auch vorteilhafterweise wird ein SAW-Eintorresonator eingesetzt, dessen Oberflächen beidseitig einen Mittenrauhwert R_a von weniger als 10 nm, ermittelt über eine Strecke mehr als 1 μm, aufweist.
Von Vorteil ist es auch, wenn als Probe wässrige Flüssigkeiten, Zellgewebe, Blut, Blutplasma, Milch, Öle eingesetzt werden.
Und auch von Vorteil ist es, wenn die Messung des Realteils des komplexen elektrischen Widerstandes bei Anlegen einer Gleichspannung durchgeführt wird.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn die Messung des Betrages und der Phase des komplexen elektrischen Widerstandes bei Anlegen einer Wechselspannung durchgeführt wird.
Auch von Vorteil ist es, wenn an den SAW-Eintorresonator eine Wechselspannung angelegt wird, die frequenzveränderbar ist.
Weiterhin von Vorteil ist es, wenn die Messung bei Frequenzen zwischen 1 Hz und 3·10¹⁰ Hz durchgeführt wird.
Und auch von Vorteil ist es, wenn während der Messung weitere Eigenschaften der Probe durch optisches Mikroskopieren mit einem aufrechten oder inversen Aufbau ermittelt werden.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird es erstmals möglich, an einer Probe die elektrischen und mechanischen Materialeigenschaften gleichzeitig und räumlich gleich während einer Messung zu ermitteln, und zusätzlich noch über einen zeitlichen Verlauf. Also können erfindungsgemäß die Messungen an einer Probe gleichzeitig und am gleichen Ort durchgeführt werden.
Dazu wird ein einziger SAW-Eintorresonator oder eine Mehrfachanordnung von SAW-Eintorresonatoren bestehend aus IDTs und Reflektoren auf einem Substrat mit einer Probe im Wesentlichen vollständig bedeckt. Unter der Mehrfachanordnung von SAW-Eintorresonatoren soll erfindungsgemäß verstanden werden, dass mehrere einzelne Eintorresonatoren mit gleicher oder auch unterschiedlicher Frequenz auf einem Substrat angeordnet sein können und alle mit einer Probe bedeckt sind. Mit eine solchen Anordnung kann beispielsweise eine räumliche Verteilung der Probeneigenschaften bestimmt werden kann. SAW-Eintorresonatoren mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen ermöglichen die Bestimmung der elektrischen und mechanischen Probeneigenschaften vertikal in verschiedenen Höhen der Probe.
Die Probe ist im Wesentlichen eine Flüssigkeit, ein Sol, ein Gel oder biologisches Gewebe. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung soll unter der im Wesentlichen vollständigen Bedeckung des SAW-Eintorresonators mit der Probe verstanden werden, dass die Flüssigkeiten, Sole und Gele den SAW-Eintorresonator vollständig bedecken, wobei die biologischen Gewebe den SAW-Eintorresonator auch erst über einen zeitlichen Verlauf bedecken können, beispielsweise wenn Zellen adherieren und sich vermehren.
Die Probe als Flüssigkeit kann insbesondere auch eine wässrige Flüssigkeiten mit großer komplexer Dielektrizität oder Blut, Blutplasma, Milch, Öle sein. Die Messung an wässrigen Flüssigkeiten ist erfindungsgemäß insbesondere möglich, da im Gegensatz zu SAW-Verzögerungsstrecken die angeregte Oberflächenwelle durch Flüssigkeiten mit großer komplexer Dielektrizität weniger stark bedämpft wird und daher die Bestimmung mechanischer Eigenschaften weiterhin möglich ist.
Die erfindungsgemäße Lösung ist besonders vorteilhaft einsetzbar für die Flüssigkeitssensorik, oder zur Untersuchung von Zelladhäsionsvorgängen, wobei erfindungsgemäß die viskoelastischen Eigenschaften der extrazellulärem Matrix der Zellen ermittelt werden. Durch das erfindungsgemäße Verfahren können gleichzeitig je nach Frequenz die Kapazität der Zellmembranen und Leitfähigkeitseigenschaften und -effekte an den Zelloberflächen ermittelt werden.
Auch die Gerinnungszeit von Vollblut und Blutplasma und der Fibrinogengehalt und der Hämatokritwert von Vollblut (HKT) kann ermittelt werden. Weiterhin können auch kontinuierlich die Viskositätsänderungen während des Gerinnungsvorgangs gemessen werden.
Ein weiteres Anwendungsgebiet des erfindungsgemäßen Verfahrens können Untersuchungen zur Milchgerinnung für die Käseproduktion und die Joghurtentstehung sein. Dabei werden erfindungsgemäß die Probenviskoelastizität und die elektrischen Eigenschaften der Probe ermittelt, wodurch Rückschlüsse auf Vitalität und Wachstum der enthaltenen Bakterien gezogen werden können.
Auch die Ermittlung der Viskosität von Ölen und die Bestimmung des Wassergehalts von Ölen sind erfindungsgemäß möglich.
Vorteilhaft bei der erfindungsgemäßen Lösung ist weiterhin, dass während der Messung auch inverses Mikroskopieren der Proben möglich ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden der Betrag und die Phase des komplexen elektrischen Widerstandes einer Probe, die einen SAW-Eintorresonator im Wesentlichen bedeckt, gemessen. Aus dem Kurvenverlauf des Betrages und der Phase des komplexen elektrischen Widerstandes können dann mittels bekannter Verfahren und Modelle die elektrischen und mechanischen Materialeigenschaften der Probe während eines Messzyklusses ermittelt werden.
Dabei werden die mechanischen Eigenschaften aus dem Kurvenverlauf um das Resonanzgebiet des SAW-Eintorresonators ermittelt. Die elektrischen Eigenschaften werden aus dem Kurvenverlauf außerhalb des Resonanzgebietes des SAW-Eintorresonators ermittelt.
Die Messungen können dabei vorteilhafterweise über einen großen Frequenzbereich von vorteilhafterweise 1 Hz bis 3·10¹⁰ Hz durchgeführt werden und ebenso kann der gesamte Impedanzverlauf über den Frequenzbereich ermittelt werden.
Flüssigkeiten, insbesondere mit darin gelösten Stoffen, weisen Polarisationseffekte auf, die sich, abhängig von der jeweiligen Zeitkonstante, in Maxima der Phase des komplexen elektrischen Widerstandes innerhalb bestimmter Frequenzbereiche (Relaxationsgebiete) äußern.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass nach einer Messung des Betrages und der Phase des komplexen elektrischen Widerstandes einer Probe aus den gemessenen Relaxationsgebieten in Abhängigkeit von der Frequenz, der SAW-Eintorresonator dahingehend ausgetauscht werden kann, dass die weiteren Messungen mit einem anderen SAW-Eintorresonatoren durchgeführt werden, dessen Resonanzfrequenz bei einer Frequenz in einem Gebiet des Kurvenverlaufs liegt, in dem sich die gemessene Phase um maximal 10% gegenüber einem Minimum oder einem Maximum geändert hat. Dadurch wird die Überlagerung von elektrischen und mechanischen Effekten verringert.
Es ist jedoch auch vorteilhaft, dass im Falle, dass Relaxationsgebiete der Probe bekannt oder vermutet werden, ein solcher SAW-Eintorresonator gewählt wird, dessen Resonanzfrequenz dann gleich bei einer Frequenz in einem Gebiet des Kurvenverlaufs liegt, in dem sich die gemessene Phase um maximal 10% gegenüber einem Minimum oder einem Maximum geändert. Auch dadurch wird eine Überlagerung von elektrischen und mechanischen Effekten minimiert.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Dabei zeigt
1 den Kurvenverlauf der Messung des Betrages und der Phase des komplexen elektrischen Widerstandes an einer Probe gemäß Beispiel 1.
Beispiel 1
Es werden die mechanischen und elektrischen Eigenschaften einer salzhaltigen (NaCl) wässrigen Lösung mittels eines SAW-Eintorresonators ermittelt. Der Resonator besitzt eine Resonanzfrequenz (Minimum des Betrages der elektrischen Impedanz) von 85 MHz mit einem Resonanzgebiet im Bereich von ±10% der Resonanzfrequenz.
Zunächst wird die zu untersuchende wässrige NaCl-Lösung auf die sensitive Fläche (IDTs und Reflektoren) des SAW-Eintorresonators aufgebracht. Ein Probenvolumen von nur 50 μl ist aufgrund der kleinen Sensoroberfläche und der Möglichkeit mechanische und elektrische Eigenschaften der Probe gleichzeitig und am gleichen Ort zu untersuchen, ausreichend. Ein Netzwerkanalysator bestimmt Betrag und Phase der elektrischen Impedanz des beladenen Sensors in einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 200 MHz. In 1 ist der gemessene Verlauf von Betrag und Phase der elektrischen Impedanz graphisch dargestellt. Die Kurven zeigen die Relaxationsgebiete A, B sowie das Resonanzgebiet C. Die Relaxationsgebiete A und B sind dabei charakteristisch für das Vorhandensein der in der Lösung enthaltenen Natrium- und Chloridionen. Aussagen über die mechanischen Eigenschaften der Lösung (Dichte und Viskosität) liefert Form und Lage des Resonanzgebietes C.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 7399631 B1 [0002]
- DE 69610183 T3 [0005]
- EP 1394545 A1 [0006]
- DE 10228088 B4 [0007]
- DE 10351390 A1 [0008]
- US 5610566 A [0009]
- WO 98/37412 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Wegener et al., Eur. Biophys J 1996; 25, 93–103 [0004]

Claims

Verfahren zur Ermittlung elektrischer und mechanischer Materialeigenschaften, bei dem mittels eines oder mehrerer mit einer Probe im Wesentlichen vollständig bedeckten SAW-Eintorresonators, wobei als Probe im Wesentlichen eine Flüssigkeit, ein Sol, ein Gel oder biologisches Gewebe eingesetzt wird, einmalig oder in zeitlichen Abständen mehrmalig, der Betrag und die Phase des komplexen elektrischen Widerstandes in einem breiten Frequenzbereich gemessen werden, und anschließend aus dem Kurvenverlauf des Betrages und der Phase des komplexen elektrischen Widerstandes mittels bekannter Verfahren und Modelle die elektrischen und mechanischen Materialeigenschaften der Probe ermittelt werden, und bei dem in Abhängigkeit vom bekannten oder gemessenen Kurvenverlauf der Phase und der Kenntnis deren Relaxationsgebiete die Messung des Betrages und der Phase des komplexen elektrischen Widerstandes mit einem solchen SAW-Eintorresonator durchgeführt wird, dessen Resonanzfrequenz bei einer Frequenz in einem Gebiet des Kurvenverlaufs liegt, in dem sich die gemessene Phase um maximal 10% gegenüber einem Minimum oder einem Maximum geändert hat, oder ein anderer SAW-Eintorresonator für die Messung eingesetzt wird, dessen Resonanzfrequenz bei einer Frequenz in einem Gebiet des Kurvenverlaufs liegt, in dem sich die gemessene Phase um maximal 10% gegenüber einem Minimum oder einem Maximum geändert hat.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mehrere einzelne SAW-Eintorresonatoren mit unterschiedlichen Resonanzfrequenzen eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein SAW-Eintorresonator auf einem piezoelektrisch hoch koppelnden Substrat eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem durch das Substrat und die Elektroden horizontal polarisierte Wellen angeregt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein SAW-Eintorresonator eingesetzt wird, dessen Oberflächen beidseitig einen Mittenrauhwert R_a von weniger als 10 nm, ermittelt über eine Strecke mehr als 1 μm, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Probe wässrige Flüssigkeiten, Zellgewebe, Blut, Blutplasma, Milch, Öle eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei der die Messung des Realteils des komplexen elektrischen Widerstandes bei Anlegen einer Gleichspannung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Messung des Betrages und der Phase des komplexen elektrischen Widerstandes bei Anlegen einer Wechselspannung durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem an den SAW-Eintorresonator eine Wechselspannung angelegt wird, die frequenzveränderbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Messung bei Frequenzen zwischen 1 Hz und 3·10¹⁰ Hz durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem während der Messung weitere Eigenschaften der Probe durch optisches Mikroskopieren mit einem aufrechten oder inversen Aufbau ermittelt werden.