Wo ist wie viel Sauerstoff?

  • 29. April 2013

Kupferbasierte Sensormoleküle machen Sauerstoffgehalt per Phosphoreszenz sichtbar.

Forscher der Universität Regensburg haben neuartige Sensoren zur Messung des Sauerstoffgehalts in Festkörpern, Flüssigkeiten oder Gasen entwickelt. Die Sensormaterialien basieren auf kostengünstigen Kupferverbindungen und könnten künftig in der medizinischen Diagnostik, der Nahrungsmittel- oder Verpackungsindustrie Anwendung finden. Das Funktionsprinzip beruht auf dem extrem sauerstoffabhängigen Leuchtverhalten dieser Materialien und erlaubt eine präzise Bestimmung der Sauerstoffkonzentration in Zellkulturen, Geweben, vakuumverpackten Lebensmitteln oder ganzen Biotopen. Neben der Sauerstoffempfindlichkeit weisen die neuen Substanzen eine sehr gute Löslichkeit und eine hohe Stabilität auf.

Auf einer Plastikfolie ist ein dünner Film des Sensormaterials aufgebracht und wird mit UV-Licht bestrahlt

Abb.: Auf einer Plastikfolie ist ein dünner Film des Sensormaterials aufgebracht und wird mit UV-Licht bestrahlt. Lichtemission kann nur in dem Bereich beobachtet werden, aus dem der vorhandene Sauerstoff durch Spülung mit einem nicht sauerstoffhaltigen Gas, etwa reinem Stickstoff, verdrängt wurde. (Bild: R. Meier, U. Regensburg)

Besonders in der Medizin sind optische Nachweismethoden wichtig, die eine berührungslose und damit nicht-invasive Bestimmung des Sauerstoffgehalts erlauben. Solche Verfahren beruhen auf der Veränderung der Leuchteigenschaften der Sensormoleküle – also der Veränderung der Phosphoreszenz-Helligkeit und der Emissionslebensdauer in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration. Beim Vorhandensein von Sauerstoff in unmittelbarer Nachbarschaft eines Sensormoleküls erfolgt ein Energietransfer vom angeregten Sensor- auf das Sauerstoffmolekül, welches kein Licht emittieren kann. Dies führt zu einer „Löschung“ der Emission, also zu einer Helligkeitsabnahme. Für die Herstellung derartiger Sensorverbindungen musste man bislang allerdings zumeist auf sehr teure Edelmetalle zurückgreifen.

Der Regensburger Arbeitsgruppe um Hartmut Yersin, Rafal Czerwieniec und Markus Leitl vom Institut für Physikalische Chemie gelang es, Sensormaterialien zu entwickeln, die auf preiswerten und leicht herstellbaren Kupferverbindungen basieren. Die Kosten dieser neuen Verbindungen betragen höchstens fünf Prozent der Kosten von bereits bekannten Sensormaterialien auf Platinbasis. Im Vergleich zu Sensormaterialien auf Platinbasis weisen die neuen Substanzen zudem deutlich bessere Eigenschaften auf. So erreichen sie zum Beispiel – ohne Sauerstoff – extrem hohe Leuchtintensitäten und sehr lange Phosphoreszenzlebensdauern, was für präziseste Messungen unerlässlich sein kann. Auf diese Weise lassen sich noch niedrigste Sauerstoffkonzentrationen bis in den „parts per billion“-Bereich nachweisen. Je nach molekularem Aufbau sind die Emissionsfarben auch variierbar und die Anregung der Emission kann mit kostengünstigen LEDs erfolgen.

Die künftigen Anwendungsgebiete der neuen Sensormaterialien sind vielfältig. Neben dem Einsatz bei der Untersuchung von Krebserkrankungen und Störungen des Stoffwechsels oder zur Überprüfung von Nahrungsmitteln ist auch eine Verwendung in der Umweltanalytik denkbar. Die Kupferkomplexe ermöglichen die Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Meer-, Grund-, Fluss- oder Seewasser. Darüber hinaus lassen sich die neuen Kupfersensormaterialien zur Warnung vor einer sinkenden Sauerstoffkonzentration in engen Räumen einsetzen, zum Beispiel in Aufzügen, Raumstationen oder U-Booten. Da Veränderungen des Luftdrucks auch mit einer Veränderung der Sauerstoffkonzentration einhergehen, ist außerdem eine Anwendung als Drucksensor möglich. Damit ist das Strömungsverhalten nach Auftragen von Farbanstrichen, die aus den preiswerten Sensorfarben bestehen, optisch darstellbar. Dies spielt insbesondere bei der Fahrzeug- oder Flugzeugentwicklung eine Rolle.

U. Regensburg / DE

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