Charakterisierung gesputterter Dünnschichtelektroden auf Kunststoffoberflächen zum Einsatz in miniaturisierten Analysensystemen

Abstract

Die Entwicklung von miniaturisierten Analysensystemen, den sogenannten Micro Total Analysis Systems (µ-TAS) bzw. Lab-on-a-chipTM-Systemen, hat mittlerweile ein Stadium erreicht, in dem erste kommerzielle Systeme verfügbar sind. Von steigendem Interesse bei solchen Systemen sind Detektionsmethoden, die einfach in einen Mikrochip integrierbar, robust in der Handhabung und preiswert herzustellen sind. Die Verwendung von gesputterten Dünnschichtelektroden ermöglicht die Integration elektrochemischer Detektionsverfahren auf Kunststoff-Mikrochips, die diese Anforderungen erfüllen können. Die Charakterisierung solcher gesputterten Dünnschichtelektrodensysteme auf Kunststoffoberflächen zum Einsatz in miniaturisierten Analysensystemen war Ziel der vorliegenden Arbeit. Die Elektrodensysteme wurden im Hinblick auf ihre Einsatzmöglichkeiten als Leistungs- und Detektionselektroden in Kapillarelektrophorese- bzw. Isotachophorese-Mikrochips untersucht. Besonderes Augenmerk wurde hierbei auf die Chrom-Haftschicht gelegt, die zur besseren Adhäsion der Edelmetallelektroden aus Platin und Gold verwendet wurde. Die Einsatzfähigkeit der Elektroden für Langzeitmessungen wurde mit einem neu entwickelten Mikrochipsystem auf Basis kapillarelektrophoretischer Trennung untersucht.Zur Charakterisierung der Dünnschichtelektroden wurden vor allem elektrochemische Untersuchungsmethoden wie die elektrochemische Impedanzspektroskopie, die Cyclovoltammetrie und die Linear Sweep Voltammetrie eingesetzt. Zusätzlich wurden bildgebende Oberflächentechniken wie die Rasterkraftmikroskopie und die Weißlichtinterferometrie, aber auch Röntgenphotoelektronenspektroskopie zur Charakterisierung des Schichtaufbaus dieser Elektroden eingesetzt.

The development of miniaturized analytical systems, so called micro total analysis systems (µ-TAS) or Lab-on-a-chipTM-systems, has reached a state, where first commercial systems are available. Especially detection methods, which are robust, cheap and easy to integrate in a microchip, are of growing interest. The use of sputtered thin film electrodes enables the integration of electrochemical detection on plastic microchips, which meets this demands.The characterization of such sputtered thin film electrodes to be applied in miniaturized analytical devices was the aim of this work. The electrode systems were studied in terms of utilizability as high voltage and detection electrodes in capillary electrophoresis and isotachophoresis microchips. Special attention is turned to the adhesion layer of chromium under the noble metal electrodes of platinum and gold. The suitability of the sputtered gold thin film electrodes for long term measurements is studied using a new developed capillary electrophoresis microchip system.The characterization of the thin film electrodes is mainly carried out by electrochemical investigation techniques, such as electrochemical impedance spectroscopy, cyclic voltammetry and linear sweep voltammetry. Additionally, imaging measurement techniques such as atomic force microscopy and white light interferometry were used to study surface properties, x-ray photoelectron-spectroscopy was used to characterize the chemical structure of the thin films.