Infrarotoptiken: Mikro- und Nanostruktur bringen neue Erkenntnisse

Interview mit Prof. Robert Brunner, Fachbereich SciTec, Ernst-Abbe-Hochschule Jena

Die Medizin nutzt viele Energieformen, die unserem Blick verborgen bleiben: Röntgenstrahlung, Ultraschall, Magnetfelder, ultraviolettes und infrarotes Licht. Die Infrarotstrahlung ist dabei besonders vielseitig, wenn sie mit mikro- und nanostrukturierten Optiken erzeugt und gemessen wird.

02.05.2016

Foto: Lächelnder Mann mir kurzem graumeliertem Haar, Brille und Anzug - Prof. Robert Brunner

Prof. Robert Brunner; ©Robert Brunner

Im Interview mit COMPAMED.de spricht Prof. Robert Brunner über die neu etablierte Forschungsgruppe "MIRO", was mikro- und nanostrukturierte Optiken überhaupt ausmacht und wo sie neben der Medizin einsetzbar sind.

Herr Prof. Brunner, wir sprechen über die Forschungsgruppe "Mikro- und nanostrukturierte Infrarot-Optiken", kurz MIRO. Was ist ihr Ziel?

Prof. Robert Brunner: Infrarotstrahlung ist der Teil des Spektrums, der sich dem wahrnehmbaren Licht im langwelligen Bereich anschließt. Über die Infrarotstrahlung kann man die Temperatur eines Körpers bestimmen. Auch eine Detektion der Eigenschaften von Materialien, Molekülen und Inhaltsstoffen ist möglich. Das ist wie ein spektroskopischer Fingerabdruck. Infrarotstrahlung kann man auch als Werkzeug nutzen, wie beim Laser.

In den letzten Jahren wurden die Infrarotoptiken an vielen verschiedenen Standorten weiterentwickelt. Es ist alles gewissermaßen verteilt, es gibt keine zentrale Anlaufstelle, die verschiedene Gebiete der Infrarotoptik zusammenführen kann, sodass ein synergetischer Nutzen entsteht. MIRO soll diese Anlaufstelle bieten, um verschiedene Partner von der technologischen Seite und der Anwendungsseite zusammenzuführen. Die Forschungsgruppe besteht aus dem Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF und der Ernst-Abbe-Hochschule hier in Jena.

Was genau sind mikro- und nanostrukturierte Infrarotoptiken?

Brunner: Ein menschliches Haar hat einen typischen Durchmesser von 50 µm. Mikro- oder nanostrukturierte Optiken haben eine typische Größe von 100 µm bis zu 100 nm, was ungefähr ein fünfhundertstel eines Haares ist. Die Bezeichnung "mikro" und "nano" bezieht sich dabei meist auf die wesentliche Eigenschaft der Optik. Eine Linse wird selten als einzelnes Element verwendet, sondern als Teil eines Mikrolinsen-Arrays, in das viele Linsen gleichzeitig eingesetzt werden. Ein anderes Beispiel sind die defraktive Optiken, deren Struktur man sich als regelmäßiges Gitter vorstellen kann. Der Abstand der einzelnen Gitterlinien liegt dann im Mikro- oder Nanobereich, aber das Gesamtelement hat dann makroskopische Größe, vergleichbar mit klassischen Linsen. Diese Linsen haben ganz andere Eigenschaften als makroskopische Linsen. Man kann sie sowohl für Beleuchtungssysteme nutzen als auch für abbildende Optiken oder in der Spektroskopie.

Im Bereich des sichtbaren Lichts und des Ultraviolettlichts sind Mikro- und Nanooptik schon ein etabliertes Thema. Im Infrarotbereich ist das noch nicht der Fall, weil hier noch unbewältigte technologische Herausforderungen hinsichtlich Materialien, Strukturgrößen und Eigenschaften bestehen.

Foto: Handabdruck wird an einem Tatort mit Kohlepulver und Klebefolie gesichert

Infrarotoptiken können zukünftig beispielsweise in der Forensik eingesetzt werden, wenn es darum geht, kleinste Spuren zu entdecken und zu analysieren; ©panthermedia.net/ firea

Welchen Nutzen bringt es, Optiken in so einer Größenordnung herzustellen?

Brunner: Optische Systeme lassen sich damit natürlich kleiner und leichter bauen. Und spektroskopische Instrumente können ohne Mikrooptik überhaupt nicht realisiert werden. Ihnen fehlt die Genauigkeit, sodass man die defraktiven Elemente einfach braucht.

In der Beleuchtung kann man damit bestimmte Muster generieren, die mit klassischen Linsen nicht möglich wären. Ein typisches Beispiel, das in der Automobilindustrie gerade diskutiert wird, sind Nachtsichtgeräte: Um bei Nacht Lebewesen am Straßenrand erkennen zu können, wird ihre Infrarotstrahlung ausgenutzt. Diese Geräte beleuchten und detektieren gleichzeitig den Straßenrand, und das maßgeschneidert. Das lässt sich mit klassischen Linsen nur sehr schlecht umsetzen.

Welche Einsatzgebiete sehen Sie vor allem in der Medizintechnik, der Biomedizin und der Laboranalytik?

Brunner: Ein spezielles Thema, an dem wir hier auch arbeiten, ist die Forensik. Spuren am Tatort von Kapitalverbrechen werden derzeit so gesichert, dass sie mit Klebefolien fixiert und eingesammelt werden. Bei der Auswertung dieser Spuren kommen zwei Eigenschaften von Infrarotoptiken zur Geltung. Das zeigt die Vielfalt der möglichen Anwendungen.

Einerseits ist das die tatsächliche Analytik mit der Spektroskopie. Ein spezielles Element auf der Folie kann man so hinsichtlich seiner Inhaltsstoffe analysieren und feststellen, ob eine entdeckte Faser zu einem spezifischen Kleidungsstück genau zugeordnet werden kann. Andererseits kann die Infrarotstrahlung hier als Werkzeug genutzt werden, um ein einzelnes Element auf einer Folie herauszuarbeiten. Das wird normalerweise mit einem Skalpell gemacht, was sehr aufwendig ist, da von einem Tatort sehr viele Folien kommen können. Mit der Mikrooptik und der Infrarotstrahlung können wir auf der Folie einen kleinen Ring erzeugen, vom dem dieser einzelne Partikel extrahiert und direkt der Analytik zugeführt werden kann.

In der Medizin gibt es überall dort potenzielle Anwendungen, wo irgendwelche Unterschiede detektiert werden sollen, zum Beispiel von Geweben. Bei einer Operation könnten bestimmte Gewebetypen direkt vor Ort, zum Beispiel mit dem Endoskop, voneinander unterschieden werden, etwa gesundes von nicht-gesundem Gewebe. Das spart Zeit und Aufwand, wenn Biopsien durchgeführt werden, und könnte am Ende auch sehr viel präziser sein als Laboranalysen.

Foto: Timo Roth; Copyright: B. Frommann

© B. Frommann

Das Interview wurde geführt von Timo Roth.
COMPAMED.de