Sensorsysteme zur Spurendetektion nitroaromatischer Gefahrstoffe mittels Fluoreszenz-Quenching
Creators: name: Bolse, Nico
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2017
Subjects: Sensorsysteme
Spurendetektion
Nitroaromaten
Fluoreszenz
Quenching

description: Diese Arbeit umfasst die Entwicklung von Sensorsystemen sowie die Untersuchung von Sensorarrays zur Spurendetektion nitroaromatischer Gefahrstoffe mittels Fluoreszenz-Quenching. Da sich nitroaromatische Spuren häufig in Sprengstoffen nachweisen lassen, stehen sicherheitsrelevante Anwendungen, wie die Sprengstofferkennung bei Grenzkontrollen, im Vordergrund der Arbeit. Darüber hinaus stellen Nitroaromaten aufgrund ihres hochtoxischen, karzinogenen, mutagenen und reproduktionstoxischen Charakters ein immenses Risiko für Mensch und Umwelt dar. Daher wird auch die Säuberung kontaminierter Gebiete und Altlasten untersucht. Somit umfassen die dargestellten Ergebnisse nicht nur die Detektion nitroaromatischer Spuren in Luft, sondern auch in Wasser.

Da aktuelle Technologien, wie der Einsatz von Spürhunden oder die Verwendung von Ionen-Mobilitäts-Spektrometern (IMS), noch nicht alle Anwendungs- und Benutzeranforderungen erfüllen, wird als erstes Ergebniskapitel der Entwurf optoelektronischer Detektionssysteme erläutert. Systeme auf Basis des Fluoreszenz-Quenchings stellen hierbei eine neuartige Alternative und Ergänzung zu Spürhunden und IMS-Systemen dar. Für die vorliegende Arbeit wird daher ausgehend von Laboraufbauten die Entwicklung verschiedener tragbarer Detektionssysteme vorgestellt. Die Entwicklung einer neuartigen Temperaturstabilisierung mit Entfeuchtungswirkung bietet darüber hinaus eine praktische Komponente für den realen Einsatz solcher Systeme.

Im Anschluss an die Systementwicklung werden das Design und die Realisierung optoelektronischer Nasen für die Sprengstofferkennung eingehend untersucht. Durch eine Prüfung verschiedener Herstellungsmethoden wird dabei das Aerosol-Jet-Drucken als geeignetes Verfahren zur Herstellung von Sensorarrays identifiziert. Hierbei werden die Vorteile und Stärken des Digitaldrucks für die reproduzierbare Herstellung von Sensorarrays nachgewiesen. Für die Interpretation der Sensorarraysignale wird außerdem die lineare Diskriminanzanalyse (LDA) als geeignetes Mustererkennungsverfahren demonstriert. Damit können nitroaromatische Analyten bei verschiedenen Konzentrationen unterschieden werden.

Für die Analyse kontaminierter Gewässer werden außerdem das Design und die Realisierung optoelektronischer Zungen thematisiert. Neben Voruntersuchungen in Toluol werden mikrofluidische Experimente in Wasser demonstriert. Hierbei zeigen die Aerosol-Jet gedruckten Sensorarrays erneut ein hohes Potential zur Identifizierung und Quantifizierung einzelner Nitroaromaten auf.

Insgesamt können auf Basis der dargestellten Ergebnisse potenziell kostengünstige Sensorarrays mittels Aerosol-Jet-Druckens hergestellt werden. Mithilfe von Mustererkennungsverfahren sind diese optoelektronischen Nasen bzw. Zungen in der Lage, detektierte Analyten zu identifizieren und zu quantifizieren. Die für die optoelektronischen Nasen demonstrierte Reproduzierbarkeit und Robustheit ermöglicht dabei einen potenziell geringen Anlernaufwand für die Mustererkennung. Dadurch eröffnen sich neue Möglichkeiten sowie ein tendenziell kostengünstiger kommerzieller Einsatz dieser Sensortechnologie in flexibel und modular verwendbaren Detektionssystemen. Aufgrund druckbarer Photodioden und der Vision gedruckter ultraviolett (UV) emittierender Leuchtdioden (LEDs), bildet die vorliegende Arbeit darüber hinaus einen grundlegenden Baustein auf dem Weg zu vollständig gedruckten Sensorsystemen, die in hochintegrierter Form völlig neue Anwendungen ermöglichen.