Mikrofluidische Online-Analyse auf Leiterplatten am Beispiel von Carbonathärte im Wasser, Teilprojekt: Neues µ-fluidisches Design mit Paraffin-Peristaltikpumpe, Ultraschallmischkammer und Detektoreinheit

Mikrofluidische Online-Analyse auf Leiterplatten am Beispiel von Carbonathärte im Wasser

Die kontinuierliche und automatisierte Überwachung von Flüssigkeiten und insbesondere Wässern wird mehr und mehr benötigt. Klassische Online-Analysegeräte, die auf chemischen Verfahren wie der Titration beruhen, sind allerdings in der aktuellen Form mechanisch sehr aufwändig, da große und speziell gefertigte Armaturen, Pumpen und Ventile und deren händische Montage erforderlich sind. Die Systeme sind daher kostenintensiv (> 3000 €) und komplex im Handling. Deshalb soll ein völlig neuer Ansatz zur Analysentechnik erstmals industriell umgesetzt werden: ein miniaturisiertes Analysegerät direkt in Leiterplatten integriert. Die Leiterplatten (PCB-Bords) enthalten Flüssigkeitskanäle und Reaktionskammern, und gleichzeitig sind darin alle notwendigen Sensoren und Aktoren integriert.

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer miniaturisierten Online-Messtechnologie für die Echtzeit-Bestimmung von chemischen Verbindungen in Flüssigkeiten mittels analytischer Methoden. Damit soll ein völlig neuer Ansatz erstmals industriell umgesetzt werden: „lab-on-a-PCB“, ein miniaturisiertes Analysegerät direkt in Leiterplatten integriert. Die neu zu entwickelnden Leiterplatten sollen mikrofluidische Flüssigkeitskanäle und Reaktionskammern enthalten und gleichzeitig alle nötigen Sensoren und Aktoren für die chemische Analytik. Zum Flüssigkeitstransport werden innovative Peristaltikpumpen entwickelt, deren Antrieb auf dem Phasenwechsel von Paraffin beruht. Dabei wird durch die Nutzung der Pulsation der Pumpen der Chemikalienverbrauch gesenkt, aber das Durchmischen erschwert. Hierfür werden neuartige Ultraschall-Mischkammern in der Leiterplatte entwickelt. Besonders kritisch sind die Dichtigkeit der Flüssigkeitskanäle auf den Leiterplatten und deren Langzeitstabilität sowie die Genauigkeit und Kalibrierung der Sensorik. Bei der Integration der Ultraschall-Wandler in die Leiterplatten müssen u.a. Probleme der Schallübertragung und der Erwärmung gelöst werden. Bei den Peristaltikpumpen könnten miniaturisierte Bauweise und Funktionstechnik in Zielkonflikt treten. Vermarktung: zunächst in Deutschland geplant.