Polymere in dünnen Schichten – Charakterisierung der Wechselwirkungen zur Detektion von Gasen mit optischen Chemosensoren

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden Untersuchungen mit Reflektometrischer Interferenzspektroskopie (RIfS) in der Gasphase durchgeführt. Außerdem wurden die Methoden der Ellipsometrie, der Atomkraftmikroskopie (AFM) und der Rasterelektronenmikroskopie (REM) zur Charakterisierung von Schichtsystemen herangezogen. Ein Vergleich des Wechselwirkungsverhaltens der mikroporösen Polymere Ultrason E2010™ und Polycarbonats Makrolon™ mit den beiden Freonen R22 und R134a sowie der homologen Reihe der Alkohole Methanol bis Pentanol wurde unter Verwendung von Reflektometrischer Interferenzspektroskopie (RIfS) realisiert. Diese Methode vereinigt viele Vorteile der optischen Sensoren. Sie eignet sich sowohl zur Bestimmung der Wechselwirkungen von gasförmigen Analyten mit dünnen Polymerschichten, als auch zur Untersuchung von Affinitätsreaktionen in flüssiger Phase. Die Reduktion der Stützpunkte auf dem Interferenzspektrum auf wenige Wellenlängen ermöglicht die Vereinfachung des Sensorsystems und Gewinnung eines portablen Sensorsystems. Der zur Verfügung stehende low-cost 4 lambda-Aufbau beinhaltet diese Vorgaben und wurde in der vorliegenden Arbeit stets zu Sensormessungen verwendet. Durch Kombination dieser Methoden konnten komplementäre Informationen über die Wechselwirkungen zwischen Polymer und Analytmolekülen gewonnen werden. Neben den mikroporösen Polymeren wurden erstmals hochverzweigte Polymersysteme in der sensorischen Anwendung eingesetzt. Bei diesen Systemen handelt es sich um hochverzweigte Polymersysteme des Typs AB2, die am Institut für Polymerforschung (IPF) Dresden synthetisiert, charakterisiert und während dieser Arbeit auf die Anwendungsmöglichkeit in der optischen Sensorik untersucht wurden. Diese Polymersysteme fallen durch ihre funktionellen Gruppen auf und können somit selektiv und maßgeschneidert eingesetzt werden. Zur Quantifizierung von Gemischen in der Gasphase wurden Untersuchungen der Sorptions- und Desorptionskinetiken der verschieden großen Analytmolekülen mit mikroporösen und hochverzweigten Polymeren durchgeführt. Die Auswertung mit multivariaten Auswerteverfahren wie Neuronalen Netzen (ANN, Artificial Neuronal Networks) wurde zur Klassifizierung und Quantifizierung der Messdaten verwendet. Die Anwendung modellfreier Methoden ermöglichte die exakte Durchführung und Bewertung zuvor festgelegter vollfaktorieller Versuchspläne. Die daraus gewonnenen Ergebnisse ließen die Optimierung der sensitiven Polymersysteme zu, so dass es möglich wurde, das Sensorsystem immer exakter an die Vorgaben anzupassen.

Investigations by reflectometric interference spectroscopy (RIfS) in gaseous phase are presented in this work. In addition, the methods of ellipsometry, atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM) were used for the characterisation of layer systems. A comparison of the interaction behaviour of the microporous polymers Ultrason E2010™ and polycarbonate Makrolon™ with the two freons R22 and R134a (refrigerants) as well as the homologous alcohols methanol to pentanol were realised by reflectometric interference spectroscopy (RIfS). This detection method combines many advantages of the optical sensors. It is suitable for the determination of interactions between gaseous analyte molecules and thin polymer layers as well as for the investigation of affinity reactions in liquid phase. The characteristic points on the interference spectrum were reduced to four wavelengths. The reduction allows the simplification of the sensor system and production of a portable sensor system. The available low-cost 4 lambda-system contains these defaults and was always used parallel to RIfS for calibration measurements. Complementary information about the interactions between polymer and analyte molecules could be won by combination of these detection methods. In the present work hyperbranched polymers were used for the first time in sensory application. The hyperbranched polymer consists of AB2 structure. At the institute of polymer research (IPF) Dresden the polymer was synthesised, characterised and during this work researched to the application in the optical sensor technology. The quantification of analyte mixtures in the gas phase were carried out by investigation of the sorption and desorption kinetic of anlaytes of different sizes into the microporous and hyperbranched polymers. The evaluations with multivariate data analysis were used for the qualification and quantification of the measuring data. Artificial neuronal networks (ANN) allowed the exact realisation and evaluation of defined full factorial measurement plans. The received results admitted the optimisation of the sensitive polymer system, so that it becomes possible to adapt the sensor system more and more precisely to the specifications.