Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS hat einen bedeutenden Durchbruch in der pH-Messtechnik erzielt. Es entwickelte eine neue Technologie, die die Messungen wesentlich robuster, einfacher und zuverlässiger gestaltet. Anstelle der klassischen und oft fehleranfälligen Referenzelektroden wird nun ein widerstandsfähiger Chip eingesetzt. Der lässt sich trocken lagern, ist druckunempfindlich und kann problemlos in kompakte Geräte integriert werden. Da erste Testkits bereits zur Verfügung stehen, lässt sich die Neuerung zeitnah in der Medizin, Biologie, Landwirtschaft sowie der Umweltanalytik anwenden.
Obwohl die präzise Bestimmung des pH-Wertes in der Chemiesensorik eine zentrale Herausforderung darstellt, basierte sie bislang auf Silber/Silberchlorid/Kaliumchlorid-Elektroden. Diese liefern zwar ein stabiles Bezugspotenzial, reagieren jedoch empfindlich auf schwankende Elektrolytkonzentrationen, verstopfte Membranen oder Austrocknung. Das macht die Messwerte oft unzuverlässig. Während die pH-sensitive Glaselektrode bereits durch robuste Ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFETs) ersetzt wurde, ist dem Fraunhofer IPMS nun auch die Substitution der Referenzelektrode durch einen Referenz-ISFET (REFET) gelungen. Dr. Olaf Hild erläutert dazu: „Unsere ISFETs sind zuverlässig, stabil und strapazierfähig. Sie umgehen typische Probleme klassischer Referenzelektroden, wie verstopfte oder aufgeladene Diaphragmen, Drift durch Konzentrationsänderungen oder Kontamination der Messlösung“. Aufgrund dieser Eigenschaften ist die Technologie prädestiniert für den Einsatz in mobilen oder integrierten Messsystemen.
Physikalische Grundlagen der neuen Technologie zur pH-Messung
In der neuen Technologie zur pH-Messung des Fraunhofer IPMS wird die empfindliche Referenzelektrode durch einen zweiten ISFET ersetzt Dieser agiert gemeinsam mit einem klassischen pH-ISFET. Dieser Referenz-ISFET weist eine deutlich geringere pH-Steilheit auf – etwa 20 mV/pH im Vergleich zu den nach der Nernstschen Gleichung üblichen 59 mV/pH bei 25∘C. Durch Beschichtungen aus Niobpentoxid (Nb₂O₅) oder Tantalpentoxid (Ta₂O₅) gewinnen die Sensoren an Stabilität, Handhabungskomfort und Lagerfähigkeit. Der Betrieb beider ISFETs erfolgt über eine gemeinsame Hilfselektrode. Dadurch kann man der pH-Wert zuverlässig aus den elektrischen Signalen ableiten. „Leider stammt dieses Konzept des ISFET-REFET nicht von uns, sondern wurde bereits in den 1980er Jahren von Professor Piet Bergveld, dem Erfinder des ISFET, und seinen Kollegen entwickelt“, erklärt Hild. „Bisher fand das Konzept aber keinen Weg in die kommerzielle Nutzung.“ Mit den neuen Bauelementen soll sich das nun ändern. Dabei deckt die Messung zunächst den Bereich von etwa pH 4 bis pH 8 ab und erfüllt damit die typischen Anforderungen in Biologie, Medizin, Landwirtschaft und Umwelt .
Die nächste Generation der pH-Sensorik
Die aktuelle Lösung nutzt noch zwei 5×5 mm² große Chips, um eine gute Benetzung sicherzustellen. Diese kann man auf Kundenwunsch weiter verkleinern. Zukünftig ist geplant, beide Komponenten auf einem einzigen Chip identischer Größe inklusive integrierter Temperaturmessung zu vereinen. „Voraussetzung für Langzeitmessungen nach einer 2- oder 3 Punkt-Kalibrierung ist die Beherrschung der Sensordriften, die bei Bedarf mit der Ansteuerelektronik kompensiert werden können“, erläutert Elektronikentwickler Hans-Georg Dallmann die Funktionsweise der Ansteuerung. Damit steht der Fahrplan für die weitere Entwicklung am Fraunhofer IPMS fest. Der pH-Bereich des REFET soll durch verbesserte Sensorschichten vergrößert, die Sensordrift reduziert und die Ein-Chip-Integration vorangetrieben werden. „Obwohl noch viel Arbeit vor uns liegt, freuen wir uns, bereits Test-Kits anbieten zu können und diese dem Fachpublikum auf der Analytica 2026 (Halle 3, Stand 312) zu präsentieren“, sagt Hild abschließend. Interessierte können individuelle Termine für die Messe vorab über die Webseite des Fraunhofer IPMS vereinbaren.
Quelle
Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS (02/2026)