Sauerstoff sichtbar machen: günstig und effizient – Neue Sensormoleküle auf der Basis von Kupfer

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 Prof. Dr. Hartmut Yersin, Dr. Rafal Czerwieniec und Dipl.-Phys. 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. Die Kupferkomplexe ermöglichen die Bestimmung des Sauerstoffgehalts in Meer-, Grund-, Fluss- oder Seewasser. Darüber hinaus können die neuen Kupfersensormaterialien zur Warnung vor einer sinkenden Sauerstoffkonzentration in engen Räumen eingesetzt werden – 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.
Die Regensburger Forscher haben ihre Erfindung bereits international zum Patent angemeldet.

Ansprechpartner für Medienvertreter:
Prof. Dr. Hartmut Yersin
Universität Regensburg
Institut für Physikalische Chemie
Tel.: 0941 943-4464
Hartmut.Yersin@chemie.uni-regensburg.de