Das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden hat eine neue Technologie für pH-Messungen entwickelt, die deutlich robuster, einfacher und zuverlässiger ist als herkömmliche Systeme. Statt empfindlicher klassischer Referenzelektroden kommt nun ein widerstandsfähiger Chip zum Einsatz, der trocken lagerfähig, druckunempfindlich und leicht in kompakte Geräte integrierbar ist. Erste Testkits stehen bereit, um die Technologie in Medizin, Biologie, Landwirtschaft und Umweltanalytik einzuführen.
Die präzise pH-Bestimmung ist in der Chemiesensorik eine große Herausforderung. Klassische Silber/Silberchlorid/Kaliumchlorid-Referenzelektroden liefern zwar stabile Bezugspotenziale, sind jedoch anfällig für Fehler: Veränderungen der Elektrolytkonzentration, Verstopfungen der Membran oder Austrocknen führen schnell zu unzuverlässigen Messwerten.
Während pH-sensitive Glaselektroden bereits durch robuste Ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFETs) ersetzt wurden, gelang es den Forschenden nun erstmals, auch die Referenzelektrode durch einen Referenz-ISFET (REFET) zu ersetzen. Der Chip umgeht typische Probleme wie verstopfte Diaphragmen, Drift durch Konzentrationsänderungen oder Kontamination der Messlösung und eignet sich besonders für mobile oder integrierte Systeme.
Die Technologie kombiniert einen klassischen pH-ISFET mit einem REFET, der eine deutlich geringere pH-Steilheit aufweist (ca. 20 mV/pH statt 59 mV/pH bei 25 °C nach der Nernstschen Gleichung). Beide Sensoren werden mit dünnen Schichten aus Niobpentoxid (Nb?O?) oder Tantalpentoxid (Ta?O?) beschichtet, was hohe Stabilität, einfache Handhabung und gute Lagerfähigkeit gewährleistet. Über eine gemeinsame Hilfselektrode werden die Signale erfasst und der pH-Wert zuverlässig berechnet.
Derzeit benötigt die Lösung zwei 5 × 5 mm² große Chips für eine gute Benetzung. Auf Wunsch können diese verkleinert werden. Künftig ist geplant, beide Funktionen (pH-ISFET und REFET) sowie eine Temperaturmessung auf einem einzigen Chip derselben Größe zu integrieren. Voraussetzung für Langzeitmessungen nach 2- oder 3-Punkt-Kalibrierung ist die Beherrschung der Sensordriften, die bei Bedarf elektronisch kompensiert werden können.
Der pH-Messbereich liegt derzeit bei etwa pH 4 bis pH 8 – ausreichend für viele Anwendungen in Biologie, Medizin, Landwirtschaft und Umwelt. Die Weiterentwicklung zielt auf eine Erweiterung des Bereichs, eine Reduktion der Drift und die vollständige Integration ab.
Die Technologie wird auf der Analytica 2026 (Halle 3, Stand 312) präsentiert. Individuelle Termine können vorab über die Website des Fraunhofer IPMS vereinbart werden. Testkits stehen bereits zur Verfügung, um die Technologie in der Praxis zu erproben.
