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Fingerabdruck auf Molekülebene

Optische Technologien enttarnen unterschiedliche Moleküle in Materialien und organischem Gewebe, diese sind wie ein einzigartiger Fingerabdruck. Das nutzt man zur Herkunftskontrolle von Lebensmitteln, für ein besseres Recycling und in der Photovoltaik Produktion.

<i>Ein Fingerabdruck auf molekularer Ebene macht sichtbar, was dem menschlichen Auge verborgen bleibt. Foto Montage/designation</i>

Die Qualität und Herkunft von Lebensmitteln rücken nicht zuletzt wegen diverser Skanda­le in den Mittelpunkt des öffentlichen Interesses. Zeigt sie doch, dass in gekauften Lebensmitteln nicht immer das drinnen ist, was draufsteht. Aber wie kann man die Sicherheit und die Kontrollmög­lichkeit sowohl für die Konsumenten als auch für die weiterverarbeitenden Unternehmen gewähr­leisten? Optische Technologien bieten dazu eine schnelle und zerstörungsfreie Methode, um die Beschaffenheit von Lebensmitteln zu analysieren und mehr Produktsicherheit zu bieten. Ein schönes Beispiel, wie optische Technologien die Lebensmittelsicherheit erhöhen können, wird derzeit als kooperatives Forschungsprojekt am Institut für Analytische Chemie und Radioche­mie und im Centrum für Chemie und Biomedizin (CCB) an der Leopold-Franzens-Universität Inns­bruck bearbeitet. In dem Interreg-Projekt „Ori­ginAlp“ geht es um die Herkunfts- und Quali­tätsanalyse von regionalen Agrarprodukten. Prof. Christian Huck und sein Team forschen daran, die Herkunft und die Qualität von Äpfeln durch die Nah-Infrarot-Spektroskopie zu überprüfen. So lässt sich die unterschiedliche Herkunftsregi­on von Äpfeln bestimmen, z. B. der Unterschied zwischen einem Apfel aus Südtirol und einem aus Brasilien. Die Methode wurde auch schon für Wein, Fleisch oder Milchprodukte angewandt.

DIE LICHTSTREUUNG BRINGT INFORMATION

Auch die CTR-Experten forschen an optischen Technologien und deren Anwendungen. Laufende Forschungen beschäftigen sich intensiv mit der Raman-Technologie, die die spektrale Charakte­ristik der unelastischen Lichtstreuung an unter­schiedlichen Materialien untersucht. Die Vorteile der Raman-Spektroskopie liegen darin, dass sich die Technologie für Feststoffe und Flüssigkeiten eignet und Analysen auch durch Wasser, Glas- oder Polymerverpackungen hindurch möglich sind. Dadurch erhält man detaillierte Informatio­nen über die chemische Struktur und die moleku­lare Interaktion eines Messobjektes, ohne dabei das Messobjekt zu zerstören.

PHARMA, RECYCLING UND PHOTOVOLTAIK

Im Pharma- und Kosmetikbereich nutzt man die Raman-Technologie zur Erkennung der räum­lichen Wirkstoffverteilung in Tabletten, zur Ef­fektkontrolle von Kosmetika auf der Haut oder zur Entwicklung neuer Medikamente. An der CTR laufen einige Forschungen, etwa im Nah­rungsmittelbereich, wo es um die schnelle opti­sche Detektion von Einzelbakterien geht, und im Life-Science Bereich, wo man die Vitalität von menschlichem Gewebe untersucht. Besonders industrienah sind die CTR-Forscher bei Recyclinganwendungen. Dazu entwickelten sie einen Prototyp zur Glassortierung. Dieser La­borprototyp erkennt unterschiedliche Glassorten in Echtzeit und trennt diese dann mit hoher Ge­nauigkeit. Das ist für den Wiederverarbeitungs­prozess von Bedeutung. Bei Verunreinigungen besteht die Gefahr, dass das wiederverwertete Glas aufgrund von Spannungen im Material un­ter Belastung bricht. In Kooperation mit dem Weltmarktführer im Recycling, TOMRA, haben die Forscher die Raman-Spektroskopie als Al­ternative zu bisherigen Methoden getestet. Entscheidender Vorteil: Raman bietet zusätz­lich zu den etablierten Methoden basierend auf sichtbaren Licht eine Information über die chemische Zusammensetzung der Gläser. „Methoden, die im sichtbaren Licht arbeiten, können lediglich herkömmliches Weiß- von Buntglas unterscheiden. Raman erweitert den Anwendungsbereich und ermöglicht zusätzlich die Erkennung von Spezialgläsern wie Mineral- oder Feuerschutzgläsern. Diese unterscheiden sich in ihrer chemischen Zusammensetzung und können dadurch präzise getrennt werden“, so CTR-Projektleiter Martin De Biasio. Auch in der Photovoltaik wollen die CTR-For­scher neue Maßstäbe in der Produktionskontrolle setzen. Dabei geht es darum, die Raman-Spekt­roskopie für die Vernetzungsgradkontrolle zu nut­zen und diese auch inline anzuwenden. Damit soll erstmals eine flächendeckende Qualitätskon­trolle ermöglicht werden, um Produktionsmängel sofort zu identifizieren. Link Projekt EVAnetz

Wie funktioniert das? Raman Spektroskopie

Das Raman-Prinzip wurde nach dem indischen Physiker und Nobelpreisträger C. V. Raman (1888–1970) benannt. Das daraus abgeleitete Verfahren der Raman-Spektroskopie ist heute eine der wichtigsten Untersuchungsmethoden der Molekül- und Festkörperphysik und ein schnelles Verfahren zur Materialcharakterisierung. Die zu untersuchende Materie wird mit Licht – üblicherweise aus einem Laser – bestrahlt. Der Laserstrahl regt die Grundschwingungen von Molekülen oder Molekülrotationen an, diese wiederum strahlen die Energie zurück, wobei das eingestrahlte Licht gestreut wird. Und genau in dieser Streuung liegt die wesentliche Information. Nach der Zerlegung des Streulichts zeigen sich neben der intensiven Spektrallinie der Lichtquelle zusätzliche Spektrallinien des Materials. Die letzteren Linien sind dann die Raman-Linien, die die unelastische Streuung des Lichtes an Atomen oder Molekülen darstellen. Daraus können materialspezifische Eigenschaften wie die Zusammensetzung, die Verspannung, die Temperatur, die Dotierung, die Kristallinität oder die Kristallorientierung erkannt werden. Es ist quasi wie ein Fingerabdruck auf Molekülebene, der das Material eindeutig charakterisiert. Die Vorteile der Raman-Spektroskopie liegen darin, dass sich die Technologie für Feststoffe und Flüssigkeiten eignet und Analysen auch durch Wasser, Glas- oder Polymerverpackungen hindurch möglich sind. Die Probe selbst wird nicht zerstört, muss auch nicht vorbereitet werden und selbst aus sehr kleinem Volumen (Durchmesser 1 Mikrometer, d.h. geringer als ein Tausendstel Millimeter) lassen sich Raman-Spektren generieren. Analysieren kann man damit biologische, chemische und pharmazeutische Proben (z. B. Bakterien oder Krebszellen). Ferner wird sie zur chemischen und physikalischen Charakterisierung von Halbleitermaterialien, Edel- und Halbedelsteinen, Katalysatoren, Mineralien, Polymeren und vielen anderen Materialien verwendet. Doch die Technologie hat auch Nachteile: Metalle und Legierungen können mit dem System nicht analysiert werden.

Weitere Bilder

<i>Der Raman-Prototyp zum Glasrecycling erkennt unterschiedliche Spezialgläser in Echtzeit. Im Bild der schematische Aufbau in industrieller Umgebung mit Fließband.</i>

<i>Spektren unterschiedlicher Bakterienstämme. Die Forschungen laufen in Kooperation mit TOMRA und der Universität Jena</i>

<i>Das Prinzip der Raman Streuung</i>

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