DE202013002076U1 - Sensoreinrichtung zum Erkennen von polarisierbaren Partikeln - Google Patents

Abstract

Sensoreinrichtung (1) zum Erkennen von polarisierbaren Partikeln (16) in einem Trägerfluid, mit mindestens zwei Nanodrähten (2A, 2B) mit jeweils einer Nanodrahtspritze (3A, 3B), wobei die Nanodrahtspitzen (3A, 3B) einander gegenüber in einem vorgegebenen Abstand in einer Aufnahme (4) für ein Trägerfluid (7) angeordnet sind, und wobei die Nanodrähte (2A, 2B) elektrophoretisch gewachsene Nanodrähte (2A, 2B) sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zum Erkennen von polarisierbaren Partikeln oder Objekten, wie beispielsweise Mikro- und Nanopartikel, biochemische Objekte, Bakterien oder Viren, die in einem Trägerfluid vorliegen.
• Es ist beispielsweise wünschenswert, schnell und zuverlässig Kontaminationen in Flüssigkeiten, wie Wasser, mit Bakterien oder andere unerwünschte Zellen zu untersuchen. Insbesondere pathogene Mikroorganismen sollten zuverlässig und rasch in Trinkwasser erkannt werden, um entsprechende Maßnahmen zum Abtöten einleiten zu können.
• In der Vergangenheit wurden beispielsweise zum Erkennen von Bakterien und Zellen konventionelle Laboruntersuchungen vorgenommen, die einen relativ langsamen Inkubationsprozess voraussetzen. Ferner wurde vorgeschlagen, biologische Systeme auf ihre elektrischen Parameter hin zu untersuchen, wobei die Messungen im Wesentlichen in Echtzeit durchgeführt werden können. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, aufgrund von Impedanzmessungen der biologischen Objekte unter Einsatz von Nanomaterialien, wie Nanodrähten, Bakterien zu detektieren. "TiO2 Nanowire Bundle Microelectrode Based Impedance Immunosensor for Rapid and Sensitive Detection of Listeria Monocytogenes", R. Wang et al., Nano Letters 2008, Vol. 8, No. 9, Seiten 2625–2631, offenbart eine Sensoranordnung auf der Basis von Titandioxid-Nanodrahtbündeln. Darin wird beschrieben, wie halbleitende Titandioxid-Nanodrähte mit Antikörpern beschichtet wurden, um bestimmte Salmonellenbakterien einzufangen. Aufgrund der Impedanzänderung der Nanodrahtbündel kann dann auf ein Vorliegen von Bakterien, beispielsweise in einer Flüssigkeit, geschlossen werden.
• Häufig ist bei bekannten Sensoranordnungen mit Nanodrähten die Herstellung dieser Drähte aufwändig und damit kostenintensiv. Ferner ist es meist nicht möglich, auch einzelne Zellen, Viren oder Moleküle zu detektieren. Es ist demzufolge wünschenswert, bei niedrigem Herstellungsaufwand zuverlässig kleine polarisierbare Objekte oder Partikel schnell, vorzugsweise in Echtzeit, zu detektieren.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Detektor- oder Sensoreinrichtung zu schaffen.
• Demgemäß wird eine Sensoreinrichtung zum Erkennen von polarisierbaren Partikeln in einem Trägerfluid vorgeschlagen. Die Sensoreinrichtung umfasst mindestens zwei Nanodrähte mit jeweils einer Nanodrahtspitze. Die Nanodrahtspitzen sind einander gegenüber in einem vorgegebenen Abstand in einer Aufnahme für ein Trägerfluid angeordnet. Die Nanodrähte sind elektrophoretisch gewachsene Nanodrähte.
• Die Sensoreinrichtung, die auch als Detektor- oder Messeinrichtung zum Erkennen oder Detektieren von polarisierbaren Objekten oder Partikeln bezeichnet werden kann, eignet sich insbesondere zum Erkennen von Bakterien oder Viren in einem flüssigen Trägerfluid. Als Partikel werden auch Moleküle, Feststoffe oder in dem Trägerfluid vorliegende suspendierte oder kolloidale Objekte verstanden.
• Die eingesetzten Nanodrähte sind dabei langgestreckte Objekte, die vorzugsweise metallische Eigenschaften haben und einen mittleren Durchmesser von kleiner als 1 um aufweisen. Als Durchmesser gilt im Wesentlichen eine räumliche Ausdehnung der Drähte senkrecht zu ihrer Längs- oder Vorzugsrichtung. Die Vorzugsrichtung kann dabei die Wuchsrichtung der Nanodrähte während ihrer Herstellung sein.
• Die in der Sensoreinrichtung eingesetzten Nanodrähte sind elektrophoretisch gewachsene Nanodrähte. D. h., die Ausgangsstoffe der Nanodrähte sind bei ihrer Herstellung in einem flüssigen Medium suspendiert und einem elektrischen Wechselfeld ausgesetzt. Dadurch lagern sich beispielsweise zunächst Metallkomplexe an Elektroden an und wachsen zu Drahtstrukturen zusammen. Man kann ferner Nukleationskeime setzen, an die das Nanodrahtmaterial bevorzugt andockt. Aufgrund der an der jeweiligen Wachstumsspitze vorliegenden starken Inhomogenität des elektrischen Feldes lagern sich weitere in einem polarisierbaren Metallkomplex vorliegende Metallatome an, und es kommt zum Drahtwachstum. Insbesondere dielektrophoretisch gewachsene Nanodrähte sind dabei einfach und schnell herstellbar. Ferner lassen sich derart gewachsene Nanodrähte verhältnismäßig einfach manipulieren, so dass ein Zwischenraum zwischen Nanodrahtspitzen mit dem vorgegebenen Abstand realisierbar ist. Der Abstand zwischen den Nanodrahtspitzen kann in Abhängigkeit von den gewünschten polarisierbaren Partikeln, beispielsweise spezielle Bakterien oder Viren, angepasst werden.
• Aufgrund der eng beieinander liegenden Nanodrahtspitzen ergibt sich ein stark inhomogenes elektrisches Feld beim Anlegen einer Spannung an die Nanodrähte, sodass bestimmte polarisierbare Partikel in dem Zwischenraum eingefangen oder angelagert werden. Man kann auch von einer Nanolücke oder einem Nanogap zwischen den Nanodrahtspitzen sprechen. Aufgrund der sich verändernden elektrischen Eigenschaften des Systems aus Nanodrähten, Trägerfluid und potenziell angelagerten oder eingefangenen polarisierbaren Partikeln lassen sich die Partikel bestimmen und einordnen. Die Sensoreinrichtung kann daher an bestimmte zu detektierende Objekte, vorzugsweise biologische Objekte, angepasst werden.
• In Ausführungsformen der Sensoreinrichtung sind die Nanodrähte dielektrophoretisch gewachsene Nanodrähte.
• In Ausführungsformen der Sensoreinrichtung sind die Nanodrähte Teil einer einzigen Nanodrahtstruktur, welche durch einen durch die Nanodrahtstruktur geleiteten elektrischen Strom an einer Bruchstelle durchtrennt ist. Die Nanodrahtspitzen bilden dabei die Bruchstelle.
• Es kann beispielsweise zunächst ein durchgängiger Nanodraht zwischen zwei Elektroden elektrophoretisch gewachsen sein und anschließend mit Hilfe eines angelegten Stromes der Draht ”durchgebrannt” werden. Dadurch ergibt sich prinzipiell eine durchgehende Struktur zwischen den beiden gegenüberliegenden Nanodrähten. Man erhält auf diese Weise eine nanoskopische Lücke oder ein Nanogap zwischen den Nanodrahtspitzen, wobei die beiden verbleibenden Teildrähte eine gleiche kristalline Orientierung haben. Insofern ermöglicht die vorgeschlagene Sensoreinrichtung eine einfache Herstellung derselben, wobei der Abstand zwischen den Nanodrahtspitzen in Abhängigkeit von einem an eine gewachsene Nanodrahtstruktur angelegten Strom eingestellt werden kann.
• In Ausführungsformen der Sensoreinrichtung ist ferner eine an die Nanodrähte gekoppelte Einrichtung zum Messen einer Impedanz von zwischen den Nanodrahtspitzen vorliegendem Trägerfluid und/oder Partikeln, insbesondere von zu erkennenden polarisierbaren Partikeln, vorgesehen. Die Einrichtung kann beispielsweise einen Lock-In-Verstärker umfassen, um impedanzspektroskopische Messungen an dem System von Nanodrähten und angelagerten oder eingefangenen Partikeln durchzuführen. Insbesondere ist die Einrichtung zum Messen einer Impedanz eingerichtet, eine Wechselspannung an die Nanodrähte einzukoppeln und die Impedanz zu bestimmen. Die Einrichtung ist ferner insbesondere eingerichtet, die Impedanz in Abhängigkeit von der Frequenz der eingekoppelten Spannung aufzunehmen. In Abhängigkeit von der Impedanzkurve liefert die Einrichtung ein Sensorergebnis, beispielsweise die Erkennung von einem zu erkennenden Partikel, wie einem Bakterium oder eines Virus.
• In Ausführungsformen der Sensoreinrichtung haben die Nanodrähte eine gemeinsame kristalline Orientierung. Beispielsweise ergibt sich bei besonders geraden Nanodrähten, die elektrophoretisch gewachsen oder gezüchtet sind, eine gemeinsame kristalline Orientierung. Die kristalline Orientierung kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass eine Rechteckspannung zur Ektrophorese zwischen Elektroden angelegt wird.
• Die Nanodrähte sind in Ausführungsformen zumindest teilweise aus einem Metall. Die Nanodrähte können dabei beispielsweise aus Titan, Gold, Indium, Kupfer, Palladium, Blei, Silber oder Nickel gewachsen sein.
• In Ausführungsformen der Sensoreinrichtung sind die Nanodrähte aus Clustern von Nanodrahtmaterial aufgebaut. Die Cluster haben dabei beispielsweise eine mittlere Ausdehnung zwischen 1 und 10 nm. Es ist z. B. denkbar, dass Platincluster von etwa 2 bis 5 nm Clustergröße aufgrund der Elektrophorese aneinander anlagern und einen metallischen Nanodraht ausbilden. Anschließend kann der Nanodraht bzw. die Nanodrahtstruktur durch einen Stromdurchfluss aufgebrochen oder zertrennt werden, so dass gegenüberliegende Nanodrahtspitzen entstehen.
• Der Zwischenraum kann insbesondere zwischen 1 und 1500 nm betragen. In weiteren Ausführungsformen ist der Abstand zwischen den Nanodrahtspitzen zwischen 5 und 500 nm. In bestimmten Ausführungsformen sind die Nanodrahtspitzen in einem Abstand zwischen 20 und 100 nm angeordnet. Besonders bevorzugt liegt der Abstand zwischen 40 und 60 nm, um beispielsweise bestimmte Feststoffpartikel oder Bakterien zu erkennen.
• In Ausführungsformen haben die Nanodrähte einen mittleren Durchmesser zwischen 100 und 300 nm. Vorzugsweise haben die Nanodrähte jedoch einen Durchmesser zwischen 5 und 100 nm. Es ist möglich, dass bestimmte Nanodrähte, beispielsweise Platin- oder Indium-Nanodrähte, Durchmesser zwischen 10 und 50 nm aufweisen.
• In Ausführungsformen der Sensoreinrichtung sind die Nanodrahtspitzen oder die Nanodrähte derart funktionalisiert, dass ausgewählte polarisierbare Partikel bevorzugt in oder an einem Zwischenraum zwischen den Nanodrahtspitzen gehalten werden. Beispielsweise kann eine Funktionalisierung mit Hilfe von Biomolekülen, Antikörpern, lipophilen, lipophoben, hydrophilen oder hydrophoben Agenzien erfolgen.
• Bei Ausführungsformen der Sensoreinrichtung hat das Trägerfluid insbesondere eine relative Permittivität, die kleiner ist als die relative Permittivität der zu erkennenden polarisierbaren Partikel.
• Die vorgeschlagene Sensoreinrichtung ist aufwandsgünstig mit Hilfe von elektrophoretisch erzeugten Nanodrähten herstellbar. Der Abstand bzw. die Lücke zwischen den Nanodrahtspitzen kann derart klein eingestellt werden, dass eine schnelle und sensitive Impedanzmessung ermöglicht wird. Aus der erfassten Impedanz kann dann eine schnelle Echtzeitdetektion von gesuchten biochemischen Objekten erfolgen. Es sind keine zeit- und kostenaufwändigen Nanostrukturierungsverfahren zum Herstellen der Nanodrähte notwendig. Die Sensoreinrichtung mit vorzugsweise ausschließlich zwei gegenüberliegenden Nanodrahtspitzen ermöglicht die Detektion von einzelnen Objekten, wie Bakterien, Viren, Molekülen oder Zellen.
• Es ist auch denkbar, Staubpartikel zu detektieren, wenn beispielsweise das Trägerfluid gasförmig ist und die polarisierbaren Partikel Rußpartikel sind. Insofern ergibt sich auch eine Sensoreinrichtung zum Erfassen von Feststoffen in Gasen. Als Trägerfluid kommt allerdings auch Wasser in Frage, beispielsweise bei der Trinkwasserüberwachung.
• Beim Betrieb der Sensoreinrichtung erfolgt insbesondere eine Erfassung der Amplitude und Phasenverschiebung. Bei bekannten Messverfahren im Rahmen der Impedanzspektroskopie mit Hilfe der Sensoreinrichtung ergibt sich ein vorteilhaftes Signal/Rauschverhältnis.
• Aufgrund der besonders kleinen Nanoabmessungen wird auch bei geringen Konzentrationen von zu erkennenden Partikeln im Trägerfluid eine Detektion möglich, da der Analyt relativ stark zu der Nanolücke gezogen wird. Ob eine bestimmte Partikelart angezogen oder abgestoßen wird, hängt dabei im Wesentlichen von dem Abstand zwischen den Nanodrahtspitzen und der Frequenz der angelegten Spannung zur Impedanzmessung ab. Die Sensoreinrichtung ermöglicht somit Insitu-Messungen, wobei beispielsweise das Trägerfluid durch die Aufnahme an die Nanodrahtspitzen geführt werden kann. Das Fluid kann dabei z. B. strömen. Durch Anpassung einer eingestellten Spannung zwischen den Nanodrahtspitzen während der Erkennung bzw. Detektion kann auch bei höheren Fließgeschwindigkeiten des Trägerfluids mit darin enthaltenen polarisierbaren Partikeln eine Erkennung derselben erfolgen. Die Sensoreinrichtung ermöglicht ferner eine Erkennung von Partikelgrößen.
• Weitere mögliche Implementierungen oder Varianten der Sensoreinrichtung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserung oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform hinzufügen.
• Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
• Dabei zeigt:
• 1: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Sensoreinrichtung;
• 2: elektronenmikroskopische Aufnahmen von Nanodrähten zum Einsatz in einer Sensoreinrichtung nach 1;
• 3: ein Strom-Spannungsverlauf durch eine Nanodrahtstruktur zum Erzeugen von gegenüberliegenden Nanodrahtspitzen für eine Sensoreinrichtung nach 1;
• 4: ein Schaltbild zur Erläuterung der Sensoreinrichtung nach 1;
• 5: elektronenmikroskopische Aufnahmen von Nanodrähten mit eingefangenen polarisierbaren Partikeln in der Sensoreinrichtung nach 1;
• 6: ein Schaltbild zur Erläuterung eines Detektionsvorgangs mit Hilfe der Sensoreinrichtung nach 1;
• 7–9: mit Hilfe der Sensoreinrichtung nach 1 erfasste Impedanzkurven zum Erkennen von polarisierbaren Partikeln.
• In der 1 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine Sensoreinrichtung angegeben. Die Sensoreinrichtung 1 umfasst dabei zwei schematisch angedeutete Nanodrähte 2A, 2B mit jeweils einer Nanodrahtspitze 3A, 3B. Die Nanodrahtspitzen 3A, 3B sind im Abstand d gegenüber voneinander angeordnet. Zwischen den beiden Spitzen 3A, 3B entsteht ein Nanogap oder eine Nanolücke bzw. ein Zwischenraum 15. An den beiden Nanodrähten 2A, 2B sind Elektroden 9, 10 angeordnet. Die Nanodrähte 2A, 2B und die Elektroden 9, 10 sind in einer Aufnahme 4 vorgesehen, in die ein zu untersuchendes Trägerfluid 7, wie beispielsweise potenziell verunreinigtes Wasser, geleitet ist. Die Aufnahme 4 bzw. das Gehäuse hat dabei eine Einströmöffnung 11 und eine Ausströmöffnung 12. Durch die Öffnungen 11, 12 kann zu untersuchendes Fluid mit potenziell darin dispergierten oder suspendierten Partikeln geleitet werden. Dies ist über die Pfeile 13, 14 angedeutet. An die Elektroden 9, 10 ist eine Einrichtung 8 elektrisch gekoppelt. Die Einrichtung 8 ist beispielsweise eine elektrische Schaltung zum Messen einer Impedanz, insbesondere zum Durchführen von impedanzspektroskopischen Untersuchungen. Die schematisch dargestellte Einrichtung 8 kann auch eine Steuereinrichtung, wie einen Mikroprozessor oder eine programmierbare Schaltung umfassen. Denkbar ist auch eine Rechnereinrichtung zur weiteren Auswertung der erfassten elektrischen Parameter.
• In dem in der 1 dargestellten Beispiel sind die Nanodrähte 2A, 2B auf einem Substrat 5, das mit einer Isolationsschicht 6 versehen ist, gelagert. Die beiden Nanodrähte 2A, 2B sind dielektrophoretisch hergestellt. Dabei werden ausgehend von den beiden Elektroden 9, 10 elektrische Wechselfelder angelegt, und aus einer wässrigen Lösung lagern sich komplexierte Metallionen an den Elektroden 9, 10 an. Im Verlaufe des dielektrophoretischen Wachstums nähern sich von den beiden Seiten die gewachsenen Drahtkristalle an und verbinden sich in der Mitte. Beispielsweise kann es sich um Platin-Nanodrähte handeln. Bei den Elektroden 9, 10 handelt es sich um Mikroelektroden, die photolithografisch hergestellt werden können.
• Um die Nanolücke oder den Zwischenraum 15 zu definieren, kann ein elektrischer Strom durch die vollständige nichtunterbrochene Nanodrahtstruktur zwischen den Elektroden 9, 10 geleitet werden, so dass bei einer bestimmten Stromstärke die Nanodrahtstruktur aufbricht oder reißt. Dadurch ergibt sich die Nanolücke 15 mit den zwei gegenüberliegenden Nanodrahtspitzen 3A, 3B. Der Abstand d kann durch eine geeignete Wahl der angelegten Spannungsamplitude und dem zeitlichen verlauf der Spannung bzw. dem Rampen eingestellt werden.
• Die Nanodrahtstruktur, von der ausgehend die beiden gegenüberliegenden Nanodrahtspitzen erzeugt werden, kann beispielsweise nach einem Verfahren, wie es in "Dielectrophoretic Growth of Platinum Nanowires Concentration and Temperature Dependence of the Growth Velocity", A. Nerowski et al., Langmuir 2012, vol. 28, Seiten 7498–7504, beschrieben ist, hergestellt werden. Dazu wird beispielsweise ein Siliziumsubstrat 5 mit einer dielektrischen Isolationsschicht aus Siliziumoxid 6 versehen. Anschließend werden Goldelektroden 9, 10 aufgebracht. Die Elektroden haben dabei eine Breite von einigen Mikrometern. Auf die beispielsweise etwa 8 μm beabstandeten Elektroden 9, 10 wird eine 10-μM-Kaliumtetrachlorplatinat-(K₂PtCL₄-)Lösung aufgebracht. Um das dielektrophoretische Wachstum einzuleiten, wird an die Elektroden 9, 10 eine Wechselspannung angelegt. Die Wechselspannungsfreugenz kann dabei beispielsweise 100 kHz betragen und solange angelegt werden, bis sich die Wachstumsenden kontaktieren, beispielsweise über einen Zeitraum von 5 bis 10 min. Die Amplitude der Wechselspannung ist dabei beispielsweise zwischen 10 und 15 V_pp. Das Nanodrahtwachstum kann auch bei erhöhter Temperatur, zum Beispiel zwischen 30 und 50°C erfolgen.
• Beim dielektrophoretischen Wachstum ergibt sich eine Polarisierung der Platinkomplexe in der Lösung, und die Platinatome werden aufgrund des inhomogenen elektrischen Feldes zu den Elektroden transportiert und angelagert. Die Inhomogenität des elektrischen Wechselfeldes wird verstärkt durch die angelagerten Platinkomplexe bzw. die wachsenden Platinnanodrahtspitzen, so dass sich ein kontinuierliches Nanodrahtwachstum ergibt.
• Anstelle eines dielektrophoretischen Wachstums können Nanodrahtstrukturen auch mit Hilfe von ionischen Komplexen erzeugt werden. Man spricht dann allgemein von elektrochemisch oder elektrophoretisch erzeugten Nanodrähten. Das dielektrophoretische Wachstum ist dann ein Unterfall.
• Um eine Nanolücke zu erzeugen, wird eine Spannung an den gewachsenen dielektrophoretischen Nanodraht bzw. die vollständige Nanodrahtstruktur angelegt. In der 3 ist beispielsweise ein Stromspannungsverlauf dargestellt, wobei auf der x-Achse die Spannung und auf der y-Achse der sich ergebende Strom durch die Nanodrahtstruktur angedeutet ist. Bis zu einer gewissen Spannung ergibt sich eine quasi Ohmsche Strom-Spannungskennlinie. Wird der Strom zu groß, zerbricht der Nanodraht, und es entstehen zwei gegenüberliegende Nanodrähte mit Spitzen, wie sie in der 1 schematisch angedeutet sind. In der 3 erfolgt dies bei etwa 2,6 V.
• In der 2 ist eine elektromikroskopische Aufnahme von Nanodrähten dargestellt, die beispielsweise in der Vorrichtung gemäß 1 zum Einsatz kommen können und wie zuvor beschrieben hergestellt wurden. Dabei zeigt die 2 links die beiden Goldelektroden 9, 10 und dazwischen eine Baumstruktur von dielektrophoretisch gewachsenen Platin- Nanodrähten bzw. eine Nanodrahtstruktur. Die Dicke ausgehend vom Substrat bzw. der mittlere Durchmesser der Nanodrähte liegt dabei etwa zwischen 200 und 300 nm. Der Abstand zwischen den Elektroden 9, 10 ist etwa 8 μm.
• Nachdem, wie in der 3 angedeutet ist, ein Strom durch die Nanodrahtstruktur bis zum Brechen des Nanodrahtes eingekoppelt wurde, ergibt sich, wie in der 2 rechts dargestellt ist, eine Anordnung von zwei Nanodrahtspitzen gegenüber. In der 2 ergibt sich ein Abstand d zwischen den beiden Nanodrähten 2A, 2B von etwa 350 nm. Es sind jedoch abhängig von der angelegten Spannung (vgl. 3) angepasste Abstände bzw. Nano-Gaps oder Nano-Lücken 15 realisierbar. Diese nanotechnologische Struktur ermöglicht die Implementierung der in 1 schematisch dargestellten Sensoreinrichtung 1. Dabei wird nun ein zu prüfendes Fluid mit potenziell darin vorliegenden polarisierbaren Partikeln untersucht.
• Im Folgenden wird am Beispiel von Escherichia coli-Bakterien (E. coli) in Wasser die Funktionsweise der Sensoreinrichtung erläutert. Colibakterien sind aus einem polarisierbaren biologischen Material und haben eine Ausdehnung von etwa 1 bis 2,5 μm. Wird in der Sensoreinrichtung an die Struktur aus zwei Nanospitzen ein elektrisches Feld bzw. eine Spannung angelegt, ergibt sich aufgrund der Nanodrahtspitzen eine höchst inhomogen Feldstruktur, so dass die polarisierten Bakterien in Richtung zu der Nanolücke 15 eingefangen werden.
• In der 4 ist dies schematisch dargestellt. Dabei wird mit Hilfe der Einrichtung 8 als Spannungsquelle ein elektrisches Wechselfeld an die beiden Elektroden 9, 10 geführt, so dass zwischen den beiden Nanodrähten 2A, 2B in dem Zwischenraum 15 eine hohe Feldstärke mit starkem Gradienten entsteht. Die schematisch oval dargestellten polarisierbaren Bakterien 16 oder andere zu erkennende Partikel erfahren aufgrund des Feldstärkegradientens eine Anziehungskraft in Richtung zu dem Zwischenraum bzw. der Nanolücke 15.
• Die 5 zeigt dabei eine elektronenmikroskopische Aufnahme mit entsprechend eingefangenen Colibakterien als polarisierbare Partikel, die zu detektieren sind. In der 5 links erkennt man links und rechts am Rand der Darstellung die Goldelektroden 9, 10, die dazwischen gewachsenen Nanodrähte 2B und die angelagerten Colibakterien 16. In der 5 rechts ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer einzelnen E. coli-Zelle dargestellt, wobei die für die Elektronenmikroskopie notwendige leitende Beschichtung mit einer Chromschicht erfolgte. Mit Hilfe der in 1 dargestellten Sensoreinrichtung 1 ist eine Impedanzspektroskopie an den eingefangenen Bakterien 16 durch eine entsprechende Ausgestaltung der Auswerte- oder Steuereinrichtung 8 möglich.
• In der 6 ist ein Schaltbild zur Erläuterung eines Detektorvorgangs mit der Sensoreinrichtung dargestellt. Dabei ist ein Lock-In-Verstärker 17 mit einer Eingangsimpedanz Z_I, der ein entsprechendes gemessenes Spannungssignal U_M liefert, dargestellt. Mit Hilfe des Lock-In-Verstärkers 17 wird die Impedanz Z_B der eingefangenen polarisierbaren Objekte bzw. im vorliegenden Fall der Colibakterien oder des Bakteriums gemessen. Es wird ein elektrisches Wechselfeld durch die angelegte Spannung U₀ erzeugt, und aufgrund der speziellen Impedanzeigenschaften des eingefangenen Bakteriums kann dasselbe erkannt werden.
• In der 7 ist ein Nyquist-Diagramm für die Impedanzen der Sensoreinrichtung mit eingefangenen Colibakterien und Trägerfluid (Rauten) und ohne eingefangene Colibakterien – bei der gezeigten Messung auch ohne ein Trägerfluid – als geschlossene Kreise dargestellt. Dabei ist der negative Imaginärteil der Impedanz gegen den Realteil der Impedanz aufgetragen. Es ist ein Bereich zwischen 10 Hz und 100 kHz bei einer 3-Volt-Wechselspannung dargestellt. Man erkennt, dass vor dem Einfang des polarisierbaren Bakteriums (geschlossene Kreise) ein deutlich unterschiedliches Verhalten gegenüber der Impedanz mit eingefangenem Bakterium (Rauten) vorliegt. Mit dem polarisierbaren und eingefangenen E. coli-Bakterium ergibt sich ein etwa halbkreisförmiger Verlauf zwischen 0 und 40 GOhm des Realteils der Impedanz Z_B. Beispielsweise kann die Auswerteeinrichtung, wie sie in der 1 mit dem Bezugszeichen 8 angedeutet ist, eine entsprechende Mustererkennung durchführen und bei Vorliegen bestimmter Charakteristika im Nyquist-Plot ein Warnsignal oder Detektionssignal erzeugen, wodurch angezeigt wird, dass ein zu detektierendes Objekt (hier Colibakterien im Wasser) aufgefunden wurde.
• In der 8 sind die Amplituden (oben) und die Phasenwinkel (unten) der mit Hilfe eines Lock-in Verstärkers erfassten Spannung über die Frequenz aufgetragen. Die Kurven AB, PB entsprechen dem Fall, in dem ein polarisierbares Bakterium zwischen den Spitzen der dielektrophoretisch gewachsenen Nanodrähte eingefangen wurde, und die Kurven AN, PN zeigen den jeweiligen Amplituden- und Phasenverlauf ohne Bakterium. Aufgrund des eingefangenen Bakteriums ist die Amplitude (AB) gegenüber dem nicht eingefangenen Fall (AN) verstärkt. Insbesondere in einem Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 1 kHz lässt sich anhand der Amplituden- und Phasenverschiebung bei eingefangenem polarisierbaren Partikel im Trägerfluid das Vorliegen desselben erkennen.
• Schließlich zeigt die 9 die Reaktanz und den Widerstand des Systems aus Elektroden 9, 10, Nanodrähten 2A, 2B, Trägerfluid 7 und potenziell einem Colibakterium 16 in Abhängigkeit von der Frequenz. Messwerte vor dem Einfang eines Colibakteriums sind mit geschlossenen Kreisen dargestellt und nach dem Einfang, also mit dem Bakterium, sind als Raute dargestellt. Man erkennt wiederum anhand der beiden Kurven einen vollständig unterschiedlichen Verlauf insbesondere im Frequenzbereich zwischen 10 Hz und 1.000 Hz.
• Insofern kann mit Hilfe der vorgeschlagenen Sensoreinrichtung zuverlässig das Vorliegen von polarisierbaren Partikeln in Fluiden festgestellt werden. Aufgrund der kleinen einstellbaren Nanolücke bzw. dem Abstand zwischen Nanodrahtspitzen genügen häufig niedrige Spannungen von beispielsweise unter 1 V aus, um die polarisierbaren Objekte einzufangen. Die verschiedenen zu erkennenden polarisierbaren Objekte, beispielsweise Bakterien, werden bei unterschiedlichen Frequenzen von dem Nanogap 15 angezogen oder abgestoßen. Dadurch ergibt sich eine selektive Detektion von Objekten.
• Man kann ferner für jeden zu messenden oder zu erkennenden Partikel eine charakteristische Impedanzkurve erstellen und anhand derer den Partikel erkennen oder erfassen.
• Die Sensoreinrichtung eignet sich insbesondere zum Einbau in einen mikrofluidischen Kanal, durch den beispielsweise Trinkwasser geleitet wird. Sobald eine Impedanzmessung anzeigt, dass Werte gemessen wurden, die einem bestimmten zu detektierenden Objekt zugeordnet werden können, gibt der Sensor ein Warnsignal aus. Damit ist insbesondere eine einfache Trinkwasserüberwachung möglich.
• Es ist ferner möglich, die Nanodrähte mit einer Funktionalisierung zu versehen. Beispielsweise können die Drähte mit Biomolekülen, wie Aptameren oder Antikörpern, versehen werden, so dass bestimmte zu detektierende Objekte leichter oder bevorzugt in die Nanolücke andocken. Denkbar sind auch hydro- oder lipophobe Beschichtungen, um die Detektion selektiver einzurichten.
• Neben den vorgenannten Anwendungen mit flüssigen Trägerfluiden kann auch ein gasförmiges Trägerfluid mit beispielsweise Schwebstoffen, wie feinem Staub, untersucht werden.
• Obwohl die Erfindung anhand von speziellen Ausführungsbeispielen erläutert wurde, ist sie nicht darauf beschränkt sondern vielfältig modifizierbar. Es ist insbesondere denkbar, die Nanodrahtstruktur elektrochemisch mit Hilfe einer Rechteckspannung zu erzeugen. Derart elektrophoretisch hergestellte Nanodrähte weisen dann im Wesentlichen eine gemeinsame kristalline Orientierung auf. Eine definierte Lücke zwischen Nanodrahtstücken in der Sensoreinrichtung lässt sich beispielsweise alternativ auch erreichen, indem mit Hilfe eines fokussierten Ionenstrahls parallel hergestellte Drähte durchtrennt werden. Insgesamt wird eine einfach herstellbare Sensoreinrichtung, die eine hohe Sensitivität auch hinsichtlich einzelner Objekte bei einem Echtzeiterkennen ermöglicht, vorgestellt.
• Bezugszeichenliste

1

Sensoreinrichtung

2A, 2B

Nanodraht

3A, 3B

Nanodrahtspitze

4

Aufnahme

5

Substrat

6

Siliziumoxidschicht

7

Trägerfüssigkeit

8

Auswerteeinrichtung

9, 10

Elektrode

11

Einströmöffnung

12

Ausströmöffnung

13

Fluidstrom

14

Fluidstrom

15

Zwischenraum/Gap

16

polarisierbarer Partikel

17

Lock-in Verstärker

AB

Amplitude vor Partikeleinfang

AN

Amplitude nach Partikeleinfang

d

Abstand

PB

Phase vor Partikeleinfang

PN

Phase nach Partikeleinfang

U₀

Eingangsspannung

U_M

gemessene Spannung

Z_B

Partikelimpedanz

Z_I

Eingangsimpedanz

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• ”TiO2 Nanowire Bundle Microelectrode Based Impedance Immunosensor for Rapid and Sensitive Detection of Listeria Monocytogenes”, R. Wang et al., Nano Letters 2008, Vol. 8, No. 9, Seiten 2625–2631 [0003]
• ”Dielectrophoretic Growth of Platinum Nanowires Concentration and Temperature Dependence of the Growth Velocity”, A. Nerowski et al., Langmuir 2012, vol. 28, Seiten 7498–7504 [0039]

Claims (10)

1. Sensoreinrichtung (1) zum Erkennen von polarisierbaren Partikeln (16) in einem Trägerfluid, mit mindestens zwei Nanodrähten (2A, 2B) mit jeweils einer Nanodrahtspritze (3A, 3B), wobei die Nanodrahtspitzen (3A, 3B) einander gegenüber in einem vorgegebenen Abstand in einer Aufnahme (4) für ein Trägerfluid (7) angeordnet sind, und wobei die Nanodrähte (2A, 2B) elektrophoretisch gewachsene Nanodrähte (2A, 2B) sind.
2. Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Nanodrähte (2A, 2B) Teil einer Nanodrahtstruktur sind, welche durch einen durch die Nanodrahtstruktur geleiteten elektrischen Stromfluss an einer Bruchstelle durchtrennt ist, und die Nanodrahtspitzen (3A, 3B) die Bruchstelle bilden.
3. Sensoreinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit einer an die Nanodrähte (2A, 2B) gekoppelten Einrichtung (8) zum Messen einer Impedanz von zwischen den Nanodrahtspitzen (3A, 3B) vorliegendem Trägerfluid (7) und/oder Partikeln (17), insbesondere von zu erkennenden polarisierbaren Partikeln.
4. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Nanodrähte (2A, 2B) eine gemeinsame kristalline Orientierung haben.
5. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1–4, wobei die Nanodrähte (2A, 2B) zumindest teilweise aus einem Metall, insbesondere aus Ti, Au, In, Cu, Pl, Pb, Ag, oder Ni, gewachsen sind.
6. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Nanodrähte aus Clustern von Nanodrahtmaterial aufgebaut sind, wobei die Cluster insbesondere eine mittlere Ausdehung zwischen 1 und 10 nm aufweisen.
7. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1–6, wobei der Abstand zwischen den Nanodrahtspitzen (3A, 3B) zwischen 5 und 500 nm, bevorzugt zwischen 20 und 60 nm, beträgt.
8. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1–7, wobei die Nanodrähte (2A, 2B) einen mittleren Durchmesser zwischen 1 und 300 nm, bevorzugt zwischen 5 und 100 nm, und besonders bevorzugt zwischen 10 und 50 nm, aufweisen.
9. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1–8, wobei die Nanodrahtspitzen (3A, 3B), insbesondere mit Hilfe von Biomolekülen, Antikörpern, lipophilen, lipophoben, hydrophilen oder hydrophoben Partikeln, derart funktionalisiert sind, dass ausgewählte polarisierbare Partikel (16) bevorzugt in oder an einem Zwischenraum (15) zwischen den Nanodrahtspitzen (3A, 3B) gehalten werden.
10. Sensoreinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1–9, wobei das Trägerfluid (7) eine relative Permittivität aufweist, die kleiner ist als die relative Permittivität der zu erkennenden polarisierbaren Partikel.

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