Sensoren: Kupferverbindungen zeigen Sauerstoff

07.05.2013
Foto: Sauerstoff-Sensor

Sauerstoffsensor: Lichtemission kann nur dort beobachtet werden, wo Sauerstoff durch Spülung mit einem anderen Gas wie reinem Stickstoff verdrängt wird; © Uni Regensburg/Dr. Robert Meier

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.

Verfahren zur Untersuchung des Sauerstoffgehalts sind in vielen Bereichen von großer Bedeutung, beispielsweise in der Medizin. Besonders wichtig sind hier optische Nachweismethoden, 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 Professor Hartmut Yersin, Doktor Rafal Czerwieniec und Diplom-Physiker 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 5 % 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 Existenz von 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 ppb-Bereich („parts per billion“) 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.

COMPAMED.de; Quelle: Universität Regensburg