Der pH Wert steuert viele biotechnologische Prozesse. In Fermentern und Bioreaktoren beeinflusst er Enzymaktivität, Zellwachstum und Produktqualität. Klassische Messsysteme arbeiten meist mit Glaselektroden und einer Referenzelektrode, die empfindlich auf Austrocknung, Verschmutzung oder Konzentrationsänderungen reagiert.
Das Fraunhofer Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS hat nun einen chipbasierten Ansatz vorgestellt, der die Referenzelektrode ersetzt. Dafür kombiniert das System einen pH sensitiven ISFET mit einem Referenz ISFET, der als REFET die Messung stabilisiert. So lassen sich pH Messungen robuster, einfacher und besser miniaturisierbar umsetzen.

Robuste pH Messung ohne klassische Referenzelektrode

Der neue Chip kann trocken gelagert werden, ist unempfindlich gegenüber Druck und lässt sich leicht in kleine, mobile Geräte integrieren. Aktuell deckt die Technik einen Bereich von etwa pH 4 bis 8 ab und trifft damit viele Einsatzfelder in Medizin, Biologie, Landwirtschaft und Umweltanalytik. Die Sensoren sind derzeit als zwei Chips mit jeweils 5 mal 5 Millimetern ausgeführt, die sich je nach Anwendung weiter verkleinern lassen.
Für präzise Langzeitmessungen ist wichtig, dass das Signal nicht driftet, also dass sich der Messwert nicht langsam ohne echte pH Änderung verschiebt. Die Forschenden planen, die Sensorschichten weiter zu verbessern und den pH Messbereich zu erweitern. Außerdem sollen pH Messung und Referenzfunktion künftig auf einem einzigen Chip integriert werden. Eine integrierte Temperaturmessung soll die Prozesskontrolle zusätzlich unterstützen.

Relevanz für Fermentation und dezentrale Analytik

In der Bioökonomie ist eine zuverlässige pH Überwachung besonders wichtig, wenn Mikroorganismen oder Enzyme biobasierte Produkte herstellen. Robuste, kompakte Sensorik kann helfen, Messpunkte näher an den Prozess zu bringen und neue Reaktorkonzepte wie modulare oder kleinere Systeme besser zu überwachen.
Das Fraunhofer IPMS bietet bereits Test Kits an und will die Technologie dem Fachpublikum auf der Analytica 2026 vorstellen. Wenn Miniaturisierung, Stabilität und einfache Handhabung zusammenkommen, kann pH Messung künftig stärker in portable Geräte und integrierte Prozessmodule wandern.

ag