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Elektroden

Universell einsetzbare Elektrodensysteme, die in unterschiedlichen Ausführungen teilweise auch kommerziell verfügbar sind, stellen in vieler Hinsicht einen Kompromiss bezüglich der Sensitivität, Handhabbarkeit und Interpretierbarkeit der gemessenen Objekteigenschaften dar (Grimnes & Martinsen 2000). Für Prozessmessinstrumente ist daher die Anpassung des Elektrodensystems an das Objekt unumgänglich.

Bei antennenbasierten dielektrischen Messungen ist das Antennenfeld dem Messobjekt anzupassen. Skalierbare Antennensysteme müssen bei Objekten mit variabler Geometrie die optimale Platzierung des Objektes im Antennenfeld gestatten.

Besonders bei Niederfrequenzanwendungen oder Anwendungen, die eine hohe Bandbreite erfordern, ist die galvanische Kopplung hinsichtlich der Sensitivität die erste Wahl. Dabei müssen die an den Elektroden ablaufenden elektrochemischen Reaktionen erfasst und die damit verbundenen Messfehler entweder kompensiert oder durch realitätsnahe Modellierung berechnet werden (Hamann & Vielstich 1998). Theoretisch einfacher zu beherrschen ist die kapazitive Kopplung an das Messobjekt, welche bei hohen Frequenzen oder bei nicht- oder minimal invasiven Anwendungen zu bevorzugen ist (Schwan 1963). Jedoch führt diese Art der Kopplung bei niederen Frequenzen zu einem erheblichen Sensitivitätsverlust und damit zu einem erhöhten Rauschen. Dem kann durch die Optimierung der zur Messung verwendeten Stimuli begegnet werden [InFluEMP].

Bei den Elektrodenmaterialien spielt Gold aufgrund der guten elektrischen Leitfähigkeit, der hohen chemischen und Korrosionsbeständigkeit und der getesteten und anerkannten Biokompatibilität eine überragende Rolle. Auf der Basis von Gold-CD-Rohlingen, die kommerziell preiswert, mit gleichbleibend hoher Qualität erhältlich sind und als Reflexionsschicht eine 100 nm dicke 24-karätige Goldschicht haben, werden Makro- und Mikroelektroden mit den verschiedensten Geometrien hergestellt. Am iba werden als untere Auflösungsgrenze der Elektroden derzeit 100 µm erreicht. Mittels der etablierten Thiol-Funktionalisierung und der Immobilisierung von geeigneten Rezeptoren werden amperometrische und impedimetrische Biosensoren entwickelt [EMK-Taxane]. Weiterhin erfolgt die Elektrodenherstellung mittels Galvanisierung auf verschiedenen Substraten.

Eine einfache Skalierung von Elektrodensystemen ist kaum möglich, da bei einer linearen Skalierung aller Dimensionen der Geometriefaktor und damit die Sensitivität beeinflusst werden. Bei Beibehaltung des Geometriefaktors werden die Feldverteilung und damit wiederum die Elektrodensteilheit verändert. Deshalb charakterisieren wir bei unseren Forschungsarbeiten jedes neu entwickelte Elektrodensystem trotz Simulation der Feldverteilung unter Praxisbedingungen (Pliquett et al. 2010). Dabei spielen die erreichbare Bandbreite sowie der lineare Bereich der Strom/Spannungskennlinie neben der elektrochemischen Stabilität eine wesentliche Rolle. Die elektrochemische Stabilität kann durch protektive Beschichtungen verbessert werden. Andere Beschichtungen dienen der Funktionalisierung der Oberfläche für Sensorapplikationen [MW_EIS_Bioethanol].

Grimnes, S. & Martinsen, O. G. 2000, Bioimpedance and Bioelectricity Basics Academic Press.

Hamann, C. H. & Vielstich, W. 1998, Elektrochemie Wiley-VCH Verlag GmbH, Weinheim.

Pliquett, U., Frense, D., Schönfeldt, M., Frätzer, C., Zhang, Y., Cahill, B., Metzen, M., Barthel, A., Nacke, T., & Beckmann, D. 2010, "Testing miniaturized electrodes for impedance measurements within the ß-dispersion - a practical approach", Journal of Electrical Bioimpedance, vol. 1, pp. 41-55.

Schwan, H. P. 1963, "Determination of biological impedances," in Physical Techniques in Biological Research, vol. 6 W. L. Nastuk, ed., Academic Press, New York, pp. 323-407.
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