In dieser Arbeit wird ein durch eine passive Matrix angesteuertes Sensorarray vorgestellt. Das Sensorarray besteht aus zwei parallel zueinander angeordneten Leiterplatten mit jeweils vier Leiterbahnen, die als Arbeits- und Gegenelektroden verwendet werden. Die Leiterbahnen kreuzen sich in einem Winkel von 90°, wobei an jedem Kreuzungspunkt ein Sensorelement gebildet wird. Ein selektives Auslesen der Sensorelemente wird durch eine mechanische oder auf Kapillarkräften basierenden Unterteilung des Elektrolyten sowie eine spezielle elektrotechnische Auslesemethode erreicht. Durch die Verwendung einer aus Preußisch Blau bestehenden kombinierten Gegen- und Referenzelektrode können in dem Zwei Elektrodensystem Bedingungen, die denen eines Drei Elektrodensystems sehr nahe kommen, realisiert werden.Mit diesem einfach aufzubauenden Sensorarray konnte die Lücke zwischen den, in der Größe limitierten Sensoren mit Einzeladressierung und den wesentlich aufwändigeren, aber eine hohe Packungsdichte aufweisenden CMOS Sensoren geschlossen werden. Die Funktionalität dieses Sensorarrays wurde anhand von zwei unterschiedlichen Anwendungsbeispielen aus dem Bereich der Kombinatorischen Chemie unter Beweis gestellt.

Kohlenstoff basierte Elektroden sind sehr vielseitig und bieten einen großen Anwendungsbereich. Diese Arbeit ist fokussiert auf die Entwicklung, Modifizierung und Anwendung von Sensoren, die auf siebgedruckten Kohlenstoffelektroden (C-SPEs), sowie Graphen basieren. Im ersten Abschnitt der Arbeit wurden C-SPEs als Grundlage genutzt, um einen elektrochemischen Sensor für D-Laktat zu entwickeln, wobei D-Laktat ein potentieller Biomarker ist, um bakterielle Kontaminationen in physiologischen zu erkennen. Der entwickelte Sensor erreichte in pH-gepufferten Testsystemen eine Nachweisgrenze von 500 nM. Die Empfindlichkeit von D-Laktat in mit D-Laktat versetzten verdünnten Synovialflüssigkeitsproben wurde nur auf die Hälfte reduziert, was die Fähigkeit des Sensors beweist, erhöhte D-Laktat-Werte auch in einer komplexen physiologischen Matrix nachzuweisen. Im zweiten Teil wurde Graphen auf ein Silizium/Siliziumdioxid Träger mit vorgefertigten Platinelektroden transferiert. Anschließend wurde es einem Stickstoffplasma ausgesetzt, was zu einer tiefgreifenden Veränderung seiner elektrochemischen Eigenschaften führte. Oberflächenanalysen zeigten, dass das Graphengitter mit Stickstoffatomen dotiert und mit stickstoffhaltigen funktionellen Gruppen auf der Graphenoberfläche modifiziert wurde, welches die elektrokatalytische Aktivität der untersuchten Redoxspezies veränderten. Im letzten Teil dieser Arbeit wird eine neue Klasse hybrider 2D-Elektroden vorgestellt, bei denen nanoskalige Quecksilberpartikel zwischen zwei Graphen-Monoschichten eingeschlossen wurden. Dadurch erhält Graphen vorteilhafte Eigenschaften von Quecksilber, wie unter anderem ein hohes Überpotential für die Wasserstoffentwicklung und eine erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Schwermetallionen wie Cd2+ und Pb2+. Das Ausgasen von Quecksilber durch die obere Schicht wurde vollständig verhindert, was zu einer stabilen quecksilberähnlichen Elektrode führt, die jedoch eine kohlenstoffhaltige Grenzfläche aufweist. / The use of carbon-based electrochemical sensors is highly versatile and applicable across a wide range of scenarios. This thesis is focused on the development, modification and application of sensors based on screen-printed carbon electrodes (C-SPEs) as well as graphene. In the first study, C-SPEs were used as a basis to develop an electrochemical sensor for D-lactate, which is a potent biomarker to detect bacterial contaminations in physiological samples. The D-lactate sensor achieved a detection limit of about 500 nM D-lactate in pH buffered test systems. The sensitivity in spiked diluted synovial fluid samples was only halved, which proves its capability to detect elevated D-lactate levels in the complex physiological matrix. In the second part, graphene was transferred onto a silicon/silicon oxide substrate with pre-patterned Pt-electrodes. Afterwards, it was subjected to nitrogen plasma, resulting in a profound alteration of its electrochemical properties. Surface analysis led to the conclusion, that the graphene lattice was doped with nitrogen atoms as well as nitrogen containing functional groups on the graphene surface, which altered graphene’s electrocatalytic activity towards the investigated redox species. In the final study, a new class of hybrid 2D electrodes is presented, where nanosized mercury particles are incorporated between two graphene monolayers. Thereby, graphene acquires advantageous properties from mercury, including a high overpotential for hydrogen evolution and increased sensitivity to heavy metal ions such as Cd2+ and Pb2+. The outgassing of mercury is entirely impeded by the top layer, resulting in a stable mercury-like electrode but featuring a carbonaceous interface.

Laser sind seit ihrer Erfindung im Jahr 1960 essenziell für die Materialbearbeitung und bieten Präzision, Effizienz und Nachhaltigkeit. Während sie anfangs hauptsächlich für die Makrobearbeitung eingesetzt wurden, haben Fortschritte bei kurzwelligen und ultrakurz gepulsten Lasern die präzise Mikro- und Nanobearbeitung ermöglicht, was dem wachsenden Bedarf an umweltfreundlicher Fertigung entspricht. Diese Arbeit konzentriert sich auf zwei laserbasierte Techniken für die nachhaltige Elektrodenproduktion: Laser-induced forward transfer (LIFT) und Laserkohlenstoffisierung. Kapitel 1 führt diese Methoden ein. Kapitel 2 untersucht LIFT für den Polymertransfer, wobei die Oberflächenhaftung und Benetzungseigenschaften untersucht werden, um definierte Polymermikrostrukturen zu erzeugen. Die Studie bietet Einblicke in die Optimierung polymerbasierter Geräte und stellt die LIFT-unterstützte Synthese von Metalloxidmustern für Elektrodenstrukturen und Heteroübergänge vor. Kapitel 3 befasst sich mit der Laserkohlenstoffisierung unter Verwendung von sodium lignosulfonate (SLS), einem Nebenprodukt der Papierindustrie, als nachhaltigem Kohlenstoffvorläufer. Durch die Integration einer haftenden Polymerschicht werden robuste, laser patterned carbon (LP-C) in einem einzigen Schritt hergestellt. Diese LP-C-Elektroden, deren Eigenschaften anpassbar sind, zeigen eine hervorragende Leistung in Superkondensatoren und Dopaminsensoren und weisen eine hohe Kapazität, Energiedichte und Stabilität auf. Diese Arbeit hebt das Potenzial von SLS-basierten LP-C-Elektroden für nachhaltige Energiespeicherung und Biosensorik hervor und trägt zur Weiterentwicklung umweltfreundlicher elektrochemischer Systeme bei. / Lasers have been essential in materials processing since their invention in 1960, offering precision, efficiency, and sustainability. While initially used for macro processing, advances in short-wavelength and short-pulse lasers have enabled precise micro- and nano-scale processing, aligning with the growing demand for eco-friendly manufacturing. This thesis focuses on two laser-based techniques for sustainable electrode production: Laser Induced Forward Transfer (LIFT) and laser carbonization. Chapter 1 introduces these methods. Chapter 2 explores LIFT for polymer transfer, investigating surface adhesion and wetting properties to create defined polymer microstructures. The study provides insights into optimizing polymer-based devices and presents LIFT-assisted metal oxide synthesis for patterned electrode structures and heterojunctions. Chapter 3 examines laser carbonization using sodium lignosulfonate (SLS), a paper industry byproduct, as a sustainable carbon precursor. By integrating an adhesive polymer layer, robust laser-patterned carbon (LP-C) electrodes are fabricated in a single step. These LP-C electrodes, with tunable properties, show excellent performance in supercapacitors and dopamine biosensors, demonstrating high capacitance, energy density, and stability. This work highlights the potential of SLS-based LP-C electrodes for sustainable energy storage and biosensing applications, advancing eco-friendly electrochemical systems.