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UNIVERSELLER FARBUNSCHLAGSENSOR MIT POLYMERFASERN

Die Optische Polymerfaser (POF) wurde in den letzten Jahren vor allem für Kurzstrecken-Datenkommunikation betrachtet. Immer interessanter wird aber auch der Einsatz im Bereich der Sensorik. Im Projekt „Universeller Farbumschlagsensor mit Polymerfasern“ (gefördert durch die Staedtler-Stiftung) am Institut POF-AC der Technischen Hochschule Nürnberg wird nun untersucht, wie Farbumschlagsreaktionen mit Hilfe von POF-basierten Sensoren zur Detektion verschiedener  Stoffe genutzt werden können.

Wirkungsweise POF-Sensoren

POF-Sensoren für chemische Materialien sind indes kleine Neuheit. In der Regel wurden dabei POF mit sensitiven Materialien beschichtet. Hierbei wurden sowohl Änderungen der Transmission (Durchlässigkeit eines Mediums für Wellen), als auch Veränderungen in Fluoreszenz (Eigenschaft
eines Stoffes, bei Bestrahlung durch Licht von selbst zu leuchten) beobachtet. Im Projekt  UFUS-POF wird nun versucht, die sensitiven Stoffe auf die Optische Polymerfaser oder direkt in die Faser einzubringen. Der Farbumschlag wird dabei mit Multispektral-LED-Quellen und einer intelligenten Elektronik in Transmission oder Reflexion erfasst.

Als gemeinsames Grundprinzip dient dabei die Eigenschaft bestimmter Chemikalien, bei der Reaktion mit anderen Stoffen ihre Farbe zu ändern. Eine praktische Anwendung dieser Eigenschaft ist die Farbänderung des Hämoglobins bei Sauerstoffsättigung, die sich sehr einfach optisch erfassen lässt. Beim Hämoglobin werden zwei LED-Quellen mit Wellenlängen von 660 nm und 940 nm eingesetzt. Bei der Sättigung des  Hämoglobins mit Sauerstoff ändert sich die Lichtabsroption um ein Mehrfaches. Während diese bei 660 nm sinkt, steigt sie bei 940 nm.

Dieser Effekt lässt sich sowohl in Transmission als auch in Reflexion erfassen, wobei Lichtquellen und Detektor dicht an das Messobjekt gebracht werden  müssen. Beim Blutsauerstoff geschieht dies für gewöhnlich durch eine Fingerklemme. Weit verbreitet sind inzwischen Anwendungen zur Temperaturmessung durch Fasersensoren. Jedoch wurde die  Erfassung von chemischen Stoffen bislang kaum realisiert. Weitere Anwendung der optischen Sensoren sind Messung der Luftfeuchtigkeit oder das Erkennen von Korrosion an  Aluminiumstrukturen.

Mögliche Vorteile von UFUS-POF

Der innovative Ansatz des Vorhabens macht eine Reihe neuer Anwendungen denkbar. Neben Wasser ließe sich zB. der PH-Wert oder Konzentrationen in Lösungen durch POF-Sensoren überwachen. Zudem wird durch die Verwendung von Lichtquellen mehrerer Wellenlängen nicht nur eine empfindliche Messung von Farbumschlägen
möglich. Gleichzeitig wird das Messsystem durch das Vorhaben auch weitgehend unabhängig von Intensitätsschwankungen, die beispielsweise durch Alterung entstehen können.

Projektstruktur

Die wesentlichen Arbeiten im Projekt UFUS-POF – Universeller Farbumschlagsensor mit Polymerfasern werden am POF-AC an der Technischen Hochschule Nürnberg durchgeführt. Der bayerische Projektpartner Chips- 4Light stellt die für die Ankopplung an die 1 mm POF optimierten Mehr-Wellenlängen-Lichtquellen her. An der TU Braunschweig werden die Farbstoffe mit  verschiedenen Verfahren in oder auf die POF appliziert. Bei deren Auswahl der Farbstoffe findet zudem eine enge Zusammenarbeit mit Fakultät Angewandte Chemie an der TH Nürnberg statt.