Litauische Chemiker entwickelten Sauerstoffsensoren, die von der Lebensmittelverpackung bis zur Krebsdiagnostik eingesetzt werden können
Rekordverdächtige Empfindlichkeit
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Forscher der Technischen Universität Kaunas (KTU), Litauen, haben neue organische Verbindungen entwickelt, die als hochempfindliche Sauerstoffsensoren fungieren. Diese Sensoren können selbst geringste Mengen an Sauerstoff in der Umgebung genau erkennen - eine Information, die in Situationen entscheidend ist, in denen die Sauerstoffkonzentration über den Erfolg eines Prozesses oder sogar über das Leben eines Menschen entscheiden kann.
Dr. Matas Gužauskas.
KTU
Die Sensoren können beispielsweise in der Medizin zur Diagnose von Tumorhypoxie eingesetzt werden - ein Zustand, bei dem um einen Tumor herum fast kein Sauerstoff vorhanden ist -, in der Lebensmittelindustrie zur Überprüfung, ob eine Verpackung ihre Versiegelung verloren hat, und in der Biotechnologie zur genauen Überwachung von Zellkultivierungsprozessen. Darüber hinaus kann ihre Leistung mit bloßem Auge beobachtet werden, und ihre rekordverdächtige Empfindlichkeit gewährleistet eine schnelle und zuverlässige Detektion.
Keine giftigen Verbindungen verwendet
"Wir haben zwei neue Materialien entwickelt, die als hochempfindliche Sauerstoffsensoren fungieren. Ihre Lumineszenz hängt vom Vorhandensein von Sauerstoff in der Umgebung ab - ohne Sauerstoff wird das Licht nicht nur intensiver, sondern ändert auch seine Farbe von blau nach grün. Diese Veränderung kann mit bloßem Auge beobachtet werden, so dass der Sauerstoff ohne komplizierte Geräte nachgewiesen werden kann", sagt Dr. Matas Gužauskas, einer der Autoren der Innovation.
Die an der KTU entwickelten Verbindungen funktionieren durch Phosphoreszenz - eine Art Glühen, das bei Raumtemperatur auftritt. Dies ist eine seltene und äußerst wertvolle Eigenschaft für organische Verbindungen, da die meisten von ihnen nur bei sehr niedrigen Temperaturen leuchten.
Phosphoreszenz entsteht, wenn ein Molekül angeregt wird und in einen speziellen Energiezustand eintritt, den so genannten Triplett-Zustand. Aus diesem Zustand wird Licht für eine längere Zeit emittiert als bei der normalen Fluoreszenz. Diese langlebige Emission ist extrem sauerstoffempfindlich: Wenn Sauerstoffmoleküle auf ein angeregtes Molekül treffen, fangen sie dessen Energie ein und unterdrücken das Leuchten.
Traditionell werden Schwermetallkomplexe wie Iridium oder Platin verwendet, um Phosphoreszenz zu erreichen. "Diese Metalle sind sehr teuer, was die Kosten des Endprodukts stark erhöht. Darüber hinaus sind ihre Derivate oft giftig und umweltschädlich. Aus diesen Gründen ist ihre Verwendung in der Biologie, der Medizin oder der Lebensmittelindustrie, wo Sicherheit oberste Priorität hat, besonders problematisch", erklärt Gužauskas, ein Forscher der KTU-Fakultät für chemische Technologie (CTF).
Eine von den KTU-Wissenschaftlern entdeckte Alternative besteht aus Thianthren-Derivaten. Dabei handelt es sich um organische Moleküle, die zwei Schwefelatome in ihrer Struktur enthalten und eine einzigartige, gebogene, nicht flache Struktur aufweisen. "Gerade die Schwefelatome und die besondere Struktur des Moleküls sorgen dafür, dass es lange leuchtet", fügt Dr. Gužauskas hinzu.
Rekordverdächtige Empfindlichkeit
Die entwickelten Verbindungen weisen eine rekordverdächtige Empfindlichkeit auf, wie die Stern-Volmer-Konstante zeigt. Für eine der Verbindungen gehört diese Konstante zu den höchsten, die jemals für organische, metallfreie Sensoren gemessen wurden, und ermöglicht den zuverlässigen und schnellen Nachweis selbst kleinster Mengen von Sauerstoff.
Diese außergewöhnliche Empfindlichkeit eröffnet ein breites Spektrum von Anwendungen. "Wir sehen ein besonderes Potenzial in der Medizin und sind sehr daran interessiert, Partner zu finden, die uns dabei helfen, die biologische Kompatibilität der Materialien zu bewerten und ihre Verwendung in der Zell- oder Gewebeforschung zu erforschen", sagt Gužauskas.
Die Verbindungen könnten in biomedizinischen Sensoren und Bioimaging-Tools zur Überwachung von Zellen, Geweben oder Stoffwechselprozessen in Echtzeit eingesetzt werden. Sie eignen sich auch gut für Umweltüberwachungsgeräte, die den Sauerstoffgehalt in Wasser oder Luft messen, sowie für intelligente Verpackungen in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie, wo sie die Unversehrtheit eines Produkts prüfen könnten.
Darüber hinaus können die Materialien in Sicherheitstinten, deren Echtheit nur unter bestimmten Bedingungen überprüft werden kann, und in verschiedenen optoelektronischen Geräten eingesetzt werden.
Nach Angaben des Forschers ist die Synthese dieser Verbindungen relativ einfach: Sie beruht auf bekannten chemischen Reaktionen, so dass die Produktion nach Optimierung der Bedingungen für eine breitere Anwendung aufgestockt werden könnte.
An der Forschung, die im Rahmen des Projekts des Technological and Physical Sciences Excellence Centre (TiFEC) durchgeführt wurde, waren Dr. Rasa Keruckienė und der KTU-Doktorand Lukas Dvilys beteiligt. Den Forschern zufolge eröffnet es kein völlig neues Gebiet, sondern setzt einen neuen Standard innerhalb des bestehenden Bereichs. M. Gužauskas ist überzeugt, dass die Ergebnisse den Grundstein für wichtige wissenschaftliche Durchbrüche legen könnten.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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