Hydrogelbasierte plasmonische Sensoren zur Ethanoldetektion: Einfluss des Quellverhaltens auf das optische Signal

Brechzahlsensitive plasmonische Sensoren mit nanostrukturierten Goldoberflächen bieten viele Vorteile für die kontinuierliche Vor-Ort-Überwachung in komplexen Prozessflüssigkeiten. In Kombination mit stimulus-responsiven Hydrogelen haben diese Potential für die selektive Detektion von Einzelparametern, hier der Ethanolkonzentration, bei sich gleichzeitig ändernden Stoffkonzentrationen anderer Komponenten. Ein erster Schritt zur Ausnutzung dieser selektiven Eigenschaften ist die Differenzierung des ethanolinduzierten Quelleffekts im eingesetzten Polyacrylamid-Hydrogel von der Brechzahländerung der zu analysierenden Flüssigkeit in Folge von Konzentrationsänderungen. Dies wurde durch die Anwendung einer mit Hydrogel funktionalisierten Messfläche und einer nicht funktionalisierten Referenzfläche erreicht. Das hier vorgestellte Sensorkonzept ermöglicht so die Bestimmung der Ethanolkonzentration wässriger Lösungen zwischen 40 und 60 vol%. Dabei wird gezeigt, dass von der Entquellung des Hydrogelvolumens nicht direkt auf das oberflächennahe Verhalten geschlossen werden kann, sondern eine individuelle Kalibrierung des optischen Signals notwendig ist.

Refractive index sensitive plasmonic sensors with nanostructured gold surfaces offer many advantages for continuous on-site monitoring of complex process liquids. In combination with stimulus-responsive hydrogels, they show potential for the selective detection of individual parameters (here: ethanol concentration in water) in the presence of simultaneously changing concentrations of other components. As first step towards the exploitation of this selectivity is to distinguish the ethanol-induced swelling effect in the polyacrylamide hydrogel in use from the refractive index change of the liquid to be analyzed as a result of concentration changes. This was achieved by using a hydrogel-functionalized measurement area and a non-functionalized reference area. The sensor concept presented here allows the determination of the ethanol concentration in aqueous solution between 40 and 60 vol%. It is shown that the near-surface behavior cannot be directly inferred from the deswelling of the hydrogel volume, but that an individual calibration of the optical signal is necessary.