Ein falscher pH-Wert kann eine Blutprobe unbrauchbar machen, ein Gewässer kippen lassen oder eine Ernte gefährden. Umso wichtiger sind Messgeräte, die zuverlässig arbeiten. Forschende des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS in Dresden haben nun eine Technologie entwickelt, die genau das ermöglichen soll. Im Mittelpunkt steht dabei ein robuster Chip.
Der pH-Wert zeigt an, wie sauer oder basisch eine Lösung ist. Ärzte prüfen damit Blut oder Urin, Landwirte testen ihre Böden und Umweltfachleute überwachen die Wasserqualität. Bisher kommen dafür meist Elektroden aus Silber, Silberchlorid und Kaliumchlorid zum Einsatz. Diese liefern zwar stabile Messwerte, reagieren jedoch empfindlich auf Veränderungen. Schwankt die Salzkonzentration, verstopft die Membran oder trocknet sie aus, können die Ergebnisse unzuverlässig werden.
Chip statt Elektrode
Statt klassischer Elektroden setzt das Forschungsteam auf sogenannte ionensensitive Feldeffekttransistoren (ISFETs). Das sind winzige Halbleiterbauelemente, die chemische Veränderungen direkt in elektrische Signale übersetzen. Solche Chips werden bereits erfolgreich für die eigentliche pH-Messung eingesetzt. Nun haben die Forschenden auch die bislang empfindliche Referenzelektrode durch einen sogenannten Referenz-ISFET ersetzt. Die neuen Chips umgehen typische Probleme klassischer Referenzelektroden wie verstopfte Membranen, Messabweichungen durch Konzentrationsänderungen oder Verunreinigungen der Messlösung.
Die Technologie nutzt derzeit zwei Chips. Beide sind mit hauchdünnen Schichten aus Niobpentoxid oder Tantalpentoxid beschichtet, was sie besonders stabil und gut lagerfähig macht. Ein Chip reagiert empfindlich auf Veränderungen des pH-Werts, während der zweite als stabile Referenz dient. Aus dem Zusammenspiel beider Signale berechnet das Gerät präzise den tatsächlichen Säuregrad der Lösung. Aktuell funktioniert das Verfahren im Bereich von pH 4 bis pH 8 – ein Spektrum, das viele Anwendungen in Medizin, Biologie, Landwirtschaft und Umweltanalytik abdeckt.
Von der Forschung in die Praxis
Die Chips sind jeweils fünf mal fünf Millimeter groß und lassen sich auf Wunsch weiter verkleinern. Perspektivisch plant das Team, beide Bauteile auf einem einzigen Chip zu integrieren und zusätzlich eine Temperaturmessung einzubauen. Für zuverlässige Langzeitmessungen müssen zudem noch Sensordriften kontrolliert werden, also kleine Messabweichungen, die sich elektronisch ausgleichen lassen. Erste Testkits stehen jedoch bereits bereit. Erstmals präsentiert wird die Technologie jetzt bei der Messe Analytica 2026 in München.
Gelingt die weitere Entwicklung, könnten pH-Messgeräte künftig so robust werden, dass sie nicht nur im Labor, sondern direkt am Krankenbett, auf dem Acker oder im Gewässer eingesetzt werden können.
