Standards für fluoreszierende Materialien
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung bietet als weltweit erstes Institut Referenzmaterialien an.
Fluoreszierende Materialien kommen in vielen Bereichen zum Einsatz: auf den Sicherheitscodes von Geldscheinen, in Plasmabildschirmen und in der medizinischen Diagnostik. Entscheidend dabei ist, dass die Materialien über einen langen Zeitraum intensiv leuchten. Zur Bewertung dieser Eigenschaft benötigen Unternehmen zuverlässig charakterisierte Referenzmaterialien. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung bietet jetzt als erstes Institut weltweit solche Substanzen an. Mit ihnen wird es in Zukunft besser möglich sein, leuchtende Materialien zu vergleichen und die dazu erforderlichen optischen Messgeräte zu validieren.
Fluoreszenz entsteht immer dann, wenn Substanzen, die von einer Lichtquelle angestrahlt werden, einen Teil der Photonen absorbieren und sie kurz darauf mit geringerer Energie wieder abgeben. Das ist der Grund, warum etwa Sicherheitsstreifen auf Warnwesten im Dunkeln leuchten. Zahlreiche Substanzen können auf diese Weise zum Fluoreszieren gebracht werden: organische Farbstoffe wie Indocyaningrün, Metallkomplexe, beladene nanometergroße Polymerpartikel oder auch Halbleiter-Nanokristalle.
Diese leuchtenden Materialien erfüllen viele wichtige Aufgaben, etwa in der medizinischen Diagnostik: Als Kontrastmittel ermöglichen sie es, Erkrankungen des Augenhintergrunds rechtzeitig zu erkennen. Bei einer Operation erlauben sie es, Tumorgewebe von gesunden Arealen zu unterscheiden. Beim automatisierten Auslesen von PCR-Tests, der etwa für den Nachweis von SARS-CoV-2 genutzt wird, lässt sich mit ihrer Hilfe die Höhe der Virenlast bestimmen.
Fluoreszierende Substanzen sind auch in vielen Displays, in Autoscheinwerfen und in Photovoltaikanlagen enthalten. Für die herstellenden Unternehmen ist es wichtig, intensiv und beständig leuchtende Substanzen im geeignetem Wellenlängenbereich einzusetzen. Bei der Auswahl derartiger Materialien hilft es ihnen, deren Fluoreszenzquantenausbeute genau zu kennen, also das Verhältnis zwischen der Anzahl der emittierten und der absorbierten Photonen.
Zur genauen Bestimmung der Fluoreszenzquantenausbeute benötigt man gut charakterisierte Vergleichsmaterialien. Schon 2014 forderte daher die International Electrotechnical Commission, eine weltweit tätige Normungsorganisation für das Gebiet der Elektrotechnik und Elektronik, entsprechende Referenzmaterialien zu entwickeln für zuverlässige Messverfahren zur Ermittlung dieser Schlüsselgröße.
„Wir waren aufgrund unserer langjährigen Expertise für diese Aufgabe prädestiniert“, so Jutta Pauli, die seit vielen Jahren an der BAM auf diesem Gebiet arbeitet. „Die BAM besitzt dazu selbst entwickelte und rückführbar kalibrierte Messaufbauten, die international ein Alleinstellungsmerkmal sind, und hat umfangreiche Erfahrungen in der Entwicklung von Fluoreszenzstandards und der Durchführung von Fluoreszenzquantenausbeutemessungen.
Unter der Leitung von Pauli, unterstützt von ihrer Kollegin Ute Resch-Genger, setzte es sich ein interdisziplinäres Team der BAM zum Ziel, Referenzsubstanzen für das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts zu entwickeln und zu zertifizieren. Eine Herausforderung dabei war es, die Quantenausbeute der ausgewählten Substanzen sehr exakt zu bestimmen. Das erforderte unter anderem besonders ausgefeilte Kalibrierprozeduren der verwendeten Messeinrichtungen. Jetzt liegen zwölf zertifizierte Referenzmaterialien vor. Sie werden es zahlreichen Unternehmen weltweit in Zukunft erlauben, neue fluoreszierende Materialien und ihre Messtechnik zuverlässig und vergleichbar zu charakterisieren.
BAM / RK
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