Optische- und Fluoreszenzsensorik

Optische und fluoreszenzbasierte Sensoren haben ein weites Anwendungsspektrum wie beispielsweise in Forschung und Entwicklung, in der medizinischen Diagnostik und der Umweltsensorik. Die Herausforderung ist, das Design und die Optimierung des optischen Sensors auf eine spezifische Messgröße anzupassen. Dazu ist ein detailliertes Wissen über Materialphysik, Optik und Simulationstechnik notwendig.

Unsere Forschung fokussiert sich auf die Entwicklung von optischen und fluoreszenzbasierten Sensorplattformen für Umwelt- und biomedizinische Anwendungen. Diese Sensorsysteme basieren auf hochsensitiven Fluoreszenzsensoren und auf der Thermal-Lens Spektroskopie zur Detektion von Mikroorganismen – v.a. Wasserkeimen, und Spurenstoffen. Alle notwendigen Aspekte für die Entwicklung dieser Sensoren werden von unserer Forschungsgruppe abgedeckt. Jeder Schritt bei der Entwicklung optischer Sensoren wird mit mathematisch/analytischen Methoden sowie Simulationsmodellen begleitet.

Entwickelte Sensoren 

Ölsensor, Optischer Sensor zur Detektion von Ölfilmen auf der Wasseroberfläche 

Ölverschmutzungen in Abwässern und Oberflächengewässern stellen ein erhebliches Risiko für Ökosysteme und die Trinkwassergewinnung dar. Insbesondere diffuse Einträge aus Verkehrsflächen, Tunneln oder Parkplätzen sind schwer lokalisierbar, weshalb der frühzeitigen Erkennung besondere Bedeutung zukommt. Ziel war die Entwicklung eines kompakten, kostengünstigen und berührungslos (optisch) arbeitenden Sensorsystems zur kontinuierlichen Echtzeit‑Überwachung von Ölverschmutzungen, das als Frühwarnsystem eingesetzt werden kann. 

Laboruntersuchungen zeigen eine zuverlässige Detektion sowohl mineralischer als auch pflanzlicher Öle. Für mineralische Öle wie Benzin, Diesel und Motoröl wurde eine Nachweisgrenze von unter 0,01 µl/cm² Wasseroberfläche erreicht. Das Sensorsystem liefert auch bei variierenden Umgebungstemperaturen und bewegter Wasseroberfläche stabile Ergebnisse und kann in einem kompakten, wasserdichten Gehäuse realisiert werden. Es stellt damit eine praxistaugliche Lösung zur kontinuierlichen Gewässerüberwachung im Sinne der EU‑Wasserrahmenrichtlinie dar. 

Sensor für die Online-Messung von Nitrat und Nitrit 

Nitrat‑ und Nitritbelastungen in Oberflächen‑ und Grundwässern stellen insbesondere in landwirtschaftlich intensiv genutzten Regionen ein erhebliches Umwelt‑ und Gesundheitsrisiko dar. Überschüssiger Stickstoff aus Düngemitteln kann in Gewässer gelangen und die in der Europäischen Trinkwasserrichtlinie festgelegten Grenzwerte überschreiten. Konventionelle Überwachungsmethoden beruhen auf manueller Probenahme und laborbasierter Analyse, was zeitaufwendig ist und eine hohe zeitliche Auflösung der Daten verhindert. In dieser Arbeit wird ein automatisiertes, kostengünstiges System zur In‑situ‑Messung von Nitrat‑ und Nitritkonzentrationen in Gewässern vorgestellt. 

Experimentelle Ergebnisse zeigen eine zuverlässige Nitratdetektion im Bereich von 0–50 mg/l mit einer Nachweisgrenze (LOD) von 2,003 mg/l sowie eine Nitritdetektion mit einer LOD von 0,611 mg/l (Messbereich 0–10 mg/l) bzw. 0,013 mg/l (Messbereich 0–1 mg/l). Die erzielte Messgenauigkeit erfüllt die Anforderungen der Europäischen Trinkwasserrichtlinie und prädestiniert das System für die langfristige autonome Wasserqualitätsüberwachung. 

Referenz: 

M. Brandl and K. Kellner, "Automatic Measurement System for Nitrite and Nitrate in Water Bodies," in IEEE Sensors Journal, vol. 22, no. 14, pp. 14531-14539, 15 July15, 2022, doi: 10.1109/JSEN.2022.3182785  

Optischer Sensor für Gelöste organische Substanzen (DOM) und Fluoreszenz-Indizes 

Gelöste organische Substanz (Dissolved Organic Matter, DOM) spielt eine zentrale Rolle in biogeochemischen Prozessen aquatischer Ökosysteme und beeinflusst unter anderem den Kohlenstoffkreislauf, mikrobielle Aktivität sowie die Wasserqualität. Optische Fluoreszenzindizes werden häufig eingesetzt, um Herkunft und Frische von DOM zu charakterisieren; deren Bestimmung erfolgt jedoch meist mit stationären Laborfluorometern, was die Flexibilität und zeitliche Auflösung einschränkt. In dieser Arbeit wird ein kompaktes und tragbares Sensorsystem zur schnellen Vor‑Ort‑Bestimmung des Fluoreszenzindex (FIX) und des biologischen Index (BIX) in Wasserproben vorgestellt. 

Das entwickelte Messgerät nutzt UV‑LED‑Anregung in Kombination mit spektral selektiven optischen Filtern und photomultiplikativer Detektion zur Erfassung der für FIX‑ und BIX‑Berechnung erforderlichen Fluoreszenzemissionen. Zur Unterdrückung von Störeinflüssen durch Umgebungslicht und zur Verbesserung der Signalstabilität werden die Lichtquellen moduliert und das Detektorsignal mittels Lock‑In‑Verstärkung ausgewertet. Die Messung der Wasserproben erfolgt direkt in einer Küvette und ermöglicht eine schnelle sowie benutzerfreundliche Anwendung unter Freilandbedingungen. 

Das Sensorsystem wurde anhand fluoreszierender Referenzstandards charakterisiert und mit nativen Wasserproben aus verschiedenen Fließgewässern validiert. Ein Vergleich mit einem stationären Labor‑Fluoreszenzspektrometer zeigt eine gute Übereinstimmung der Messergebnisse, wobei die typischen Abweichungen für beide Indizes unter ±10 % liegen. Durch die leichte, batteriebetriebene Bauweise und die geringen Systemkosten eignet sich das vorgestellte Gerät besonders für den Feldeinsatz. Das Sensorsystem stellt somit ein effektives Werkzeug zur In‑situ‑Charakterisierung von DOM dar und unterstützt die hochaufgelöste Überwachung zeitlicher und räumlicher Veränderungen der Wasserqualität. 

Referenz:  

M. Brandl, T. Posnicek, R. Preuer and G. Weigelhofer, "A Portable Sensor System for Measurement of Fluorescence Indices of Water Samples," in IEEE Sensors Journal, vol. 20, no. 16, pp. 9132-9139, 15 Aug.15, 2020, doi: 10.1109/JSEN.2020.2988588 

Dr. Martin Brandl