AlGaN-based pH-sensors : impedance characterisation, optimisation and application for foetal blood sampling

Lübbers, Benedikt GND

Die fötale Mikroblutuntersuchung wird zur Überwachung der Sauerstoffversorgung von Föten während der Geburt eingesetzt. Mit herkömmlichen Blutgasanalysatoren kommt es allerdings immer wieder zu Schwierigkeiten da nur sehr geringe Mengen fötalen Blutes (wenige 10 μl) für die Untersuchung zur Verfügung stehen. Ionensensitiven Feldeffekttransistoren (ISFET) bieten durch ihre Miniaturisierbarkeit das Potential das benötigte Volumen wesentlich zu reduzieren. In der vorliegenden Arbeit wird die Grundlage für die Anwendung von Aluminium-Gallium-Nitrid(AlGaN)-basierten ISFETs für die fötale Mikroblutuntersuchung geschaffen. Dazu werden AlGaN/GaN-Heterostrukturen mit Metall- und Elektrolytkontakt impedanzspektroskopisch charakterisiert. Es wird gezeigt, dass das standardmäßig verwendete eindimensionale Ersatzschaltbild die zweidimensionale Verarmungscharakteristik des zweidimensionalen Elektronengases nicht ausreichend genau beschreibt. Daher wird ein erweitertes Ersatzschaltbild unter Verwendung von sogenannten "constant phase elements" hergeleitet und verifiziert. Auf Basis des neuen Ersatzschaltbildes werden Drifteinflüsse charakterisiert sowie die pH-Sensitivität der AlGaN-pH-Sensoren bestimmt. Neben der lichtinduzierten Drift durch persistente Photoleitung, kann auch eine langsame elektrochemische Korrosion des Sensors nachgewiesen werden. Für die Reduzierung der lichtinduzierten Drift wird die kontinuierliche Beleuchtung der Sensoren untersucht und eine deutliche Verkürzung der Driftdauer für rotes Licht festgestellt. Die Vergrößerung der Dicke der GaN-Deckschicht und die Reduzierung des Aluminiumgehalts in der AlGaN Barriereschicht erhöht nachweislich die Korrosionbeständigkeit der Sensoren. Unter Verwendung dieser Optimierungsschritte wird gezeigt, dass eine Genauigkeit von ±0.03pH für die pH-Wert-Bestimmung in verschiedenste wässrige Lösungen sowie für Nabelschnurblut erreicht werden kann. Die erzielten Ergebnisse werden für die Entwicklung eines Mikro-Blut-pH Analysators mit einem Minimal-Probenvolumen von nur 10μl verwendet, der die Genauigkeits- und Präzisionsanforderungen der Richtlinie der Bundesärtzekammer erfüllt. Im Rahmen dieser Arbeit wird damit erstmalig gezeigt, dass AlGaN-basierte pH-Sensoren für die genaue und präzise Bestimmung des pH-Wertes in komplexen biochemischen Flüssigkeiten wie z.B. Nabelschnurblut geeignet sind.

Abstract (engl.): In this thesis the application of AlGAN-based pH-sensors for fetal blood sampling is investigated. To gain insight into these sensors' electrical and sensory properties, AlGaN/GaN-heterostructures with metal- and electrolyte-contacts are characterised using impedance spectroscopy. An equivalent circuit employing constant phase elements is derived to account for the two-dimensional depletion characteristic of these heterostructures. Their pH-sensitivity is determined, various drift phenomena are characterised and optimisation steps aimed at improving sensor stability and measurement accuracy and precision are investigated. It is shown that an accuracy of ±0.03pH can be achieved for the determination of pH-value in aqueous solutions as well as umbilical cord blood. The results of this work are utilised for developing a micro-blood-pH analyser with a minimal sample volume of only 10 μl, which satisfies the accuracy and precision requirements of the German Medical Association guidelines.

Auch im Buchhandel erhältlich: AlGaN-based pH-Sensors : impedance characterisation, optimisation and application for foetal blood sampling / Benedikt Lübbers Ilmenau : Univ.-Verl. Ilmenau, 2013. - XXVIII, 352 S. ISBN 978-3-86360-055-6 Preis: 30,50 €

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Lübbers, Benedikt: AlGaN-based pH-sensors. impedance characterisation, optimisation and application for foetal blood sampling. 2012.

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