Impedanzmessgeräte & Impedanzspektroskopie

Elektrische Impedanzspektroskopie ermöglicht die Charakterisierung der elektrischen bzw. dielektrischen Eigenschaften eines Messobjektes. Im Gegensatz zu einer reinen DC- oder Gleichtstrommessung des Widerstands erfasst die elektrische Impedanzspektroskopie die komplexe Impedanz – repräsentiert durch Betrag und Phase oder Real- und Imaginäranteil in Abhängigkeit der Frequenz. Man spricht je nach Anwendungsgebiet von Impedanzspektroskopie, komplexer Impedanzanalyse, AC-Widerstandsmessung oder dielektrischer Spektroskopie – aber letztlich ist stets das gleiche gemeint: Das Messen von frequenzabhängigen komplexen Impedanzen. Die zugrundeliegenden elektrischen Materialeigenschaften sind u.a.

Dielektrische Eigenschaften sind ein maßgeblicher Bestandteil von charakteristischen Materialparametern. Das gilt für alle Arten von Materialien – technisch genutzte wie biologische, feste, ebenso wie flüssige oder gasförmige. Dabei lassen die elektrischen Eigenschaften in vielen Fällen Rückschlüsse auf strukturelle und funktionelle Eigenschaften von Materialen, Komponenten, aber auch biologischen Geweben oder noch komplexeren Gebilden wie Organen zu.

Neben der Analyse von bestehenden Strukturen oder Objekten wird elektrische Impedanz auch häufig als Vermittlergröße für Sensoren genutzt. Während der zu erfassende Zielparameter bspw. eine Gaskonzentration, eine Masse oder das Vorhandensein von bestimmten Krankheitserregern ist, wird am Sensor zunächst eine elektrische Impedanz gemessen. Dabei handelt es sich in solchen Fällen häufig nicht um die Impedanz des zu erfassenden Zielobjektes (bspw. des Gases), sondern um die eines „Vermittlers“ (auch Wandler oder englisch „transducer“). Das kann bspw. eine funktionelle Schicht auf dem Sensor sein, die ihre elektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit zur Zielsubstanz ändert. So werden über die gut handhabbare elektrische Messung auch schwer fassbare Parameter messbar.

Der Einsatz von elektrischer Impedanzspektroskopie erstreckt sich somit über ein sehr weites Feld von Materialwissenschaften und Umweltsensorik über Prüfung technischer Bauteile bis hin zur Bioanalytik und klinischen Diagnostik.

Beispiele für Anwendungsgebiete

Bioanalytik – Zellbiologische Assays

Von kleinsten Biosensor- und Point-of-Care-Lösungen über mehrkanalige Biochip-Systeme bis hin zu massiv-mehrkanaligen Lösungen für automatisierte Prozessprüfung oder pharmakologische Testanwendungen – Skalierbarkeit steckt in unseren Genen und Bioanalytik stellt seit je her den größten Anteil unserer Anwendungsfälle. Der typischste Vertreter sind dabei Anwendungen, die auf Zellkulturen basieren – sogenannte zellbasierte Assays. Die Zellkulturen können dabei entweder auf Substraten mit Elektrodenstrukturen wachsen oder sich im Durchfluss (bspw. in mikrofluidischen Kanälen) befinden. Immer häufiger sind auch dreidimensionale Anordnungen von Zellverbünden und Elektroden, wie sie insbesondere bei sogenannten Organ-on-Chip-Anwendungen relevant sind. Gemessen wir dabei die elektrische Impedanz von Zellverbünden oder teilweise auch einzelnen Zellen. Die elektrischen Eigenschaften
lassen Rückschlüsse auf die Struktur oder den physiologischen Zustand zu. Auch dynamische physiologische Aktivität wie das „Schlagen“ von Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten) oder die Typisierung von Zellarten in Durchflusskanälen sind typische Anwendungsszenarien für die Impedanzspektroskopie. Häufig werden spezifische abgeleitete Parameter aus den Impedanzdaten extrahiert – bspw. der TEER (trans epitelial electrical resistance) oder Wachstumsparameter wie die Gewebedichte. Die Anwendungsmöglichkeiten solcher zellbiologischer Assays sind weitreichend. Besonders spannende Vertreter sind Wirksamkeits- und Verträglichkeitsprüfungen von pharmazeutischen Wirkstoffen und die klinische Diagnostik bspw. die Phenotypisierung von Risikogruppen für bestimmte neurodegenerative oder kardiovaskuläre Erkrankungen. Sciospec arbeitet seit jeher intensiv mit spezialisierten Partnern aus der Bioanalytik zusammen und hat über die Jahre zahlreiche OEM Produkte dazu entwickelt.​

Medizintechnik – klinische Diagnostik

Nicht nur Zellkulturen und entnommenes Gewebe haben elektrische Eigenschaften, die sich diagnostisch nutzen lassen. Auch komplexe biologische Gebilde von künstlichen Organen bis hin zu Patienten lassen sich mit Impedanzspektroskopie untersuchen. Ein besonders illustratives Beispiel ist die Impedanztomographie zur Beobachtung von Lungen und Herzaktivität. Die elektrische Impedanz (hier typischerweise als komplexe Leitfähigkeit betrachtet) wird dabei genutzt, um bildgebende Analysen durchzuführen. Daraus können bspw. für die künstliche Beatmung wichtige Parameter oder Indikatoren für bevorstehende traumatische Ereignisse für Lungen- und Herzfunktionalität abgeleitet werden.

Komponentenprüfung

Die Prüfung passiver und aktiver elektrischer Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren und Miniaturenergiespeicher stellt für ihre Hersteller immer größere Herausforderungen dar. Zum einen müssen diese Bauteile immer umfangreicher in Datenblättern spezifiziert werden und zum anderen müssen diese Spezifikationen in der Fertigung auch überprüft werden können. Dies resultiert aus den stark steigenden Anforderungen von elektronischen Produkten für den Massenmarkt. Während es vor einigen Jahren nur bei der Entwicklung preisintensiver Produkte notwendig war, sehr präzise Komponenten zu verbauen, sind nun auch Artikel im Consumer-Bereich mit hohen Qualitätsanforderungen gefragt. Während bis vor einigen Jahren typischerweise RLC-Prüfgeräte mit einer Einzelfrequenzmessung an wenigen Proben pro Herstellungscharge ausreichend waren, müssen heute immer mehr Komponenten mit einer komplexen frequenzaufgelösten Impedanzcharakteristik geprüft werden. Dazu kommen außerdem stark gestiegene Prüfquoten: Bei dem Beispiel der Miniaturenergiespeicher, wie sie gerade im aktuellen IoT-Trend vermehrt benötigt werden, sind aufgrund der elektrischen Konditionierung und der Störanfälligkeit, Prüfquoten von 100% gefordert. Die Kombination aus applikationsspezifischer hochgenauer Impedanzspektroskopie und hoher Kanalanzahl passt hervorragend zu Sciospecs Produktportfolio.

Materialwissenschaften

Bei der Entwicklung und Erprobung von Materialen spielen die elektrischen Eigenschaften faktisch immer mindestens eine Nebenrolle, in vielen Fällen sind sie sogar der primäre Fokus. Sehr typische Beispiele dazu sind funktionelle Oberflächenbeschichtungen, Materialien für die Konstruktion von technischen Systemen oder auch Substrate für Energiespeicher. Da die elektrischen Eigenschaften hier maßgeblich bestimmen, wie geeignet ein Material für einen bestimmten Einsatz ist, kommt der Impedanzspektroskopie während der Entwicklung aber auch in der Herstellung der Materialien eine
essenzielle Rolle zu.