TADF-basierte molekulare Thermometer

Sensoren bilden heutzutage ein unsichtbares Netzwerk um uns und erleichtern das Leben in allen möglichen Bereichen. Die Straßenbeleuchtung wird von Sensoren ein- und ausgeschaltet, Klimaanlagen und Kühlschränke werden von Sensoren gesteuert, Wettervorhersagen werden durch ein weltweites Netz von Sensoren und den von ihnen generierten Daten ermöglicht und auch Autos würden ohne Sensoren still stehen. Eine weit verbreitete Klasse der Sensoren sind optische Sensoren, die auf der Messung von Licht basieren. Für viele dieser optischen Sensoren werden Farbstoffe benötigt, deren Eigenschaften sich in Abhängigkeit von ihrer Umgebung ändern. Ein einfaches Beispiel hierfür wäre das Lackmuspapier, das sich je nach pH-Wert unterschiedlich färbt, aber auch viel komplexere Systeme sind möglich. Es gibt bereits viele interessante und auch brauchbare Farbstoffklassen, deren Eigenschaften für einige Anwendungen aber dennoch nur Kompromisse darstellen. Sie sind nicht empfindlich genug auf die Änderungen in ihrer Umgebung, sie leuchten nicht hell genug oder sie sind nicht stabil genug. Die OLED Forschung, bekannt aus der Displaytechnologie, hat enorme Fortschritte in der Farbstoffchemie mit sich gebracht. Die lange nachleuchtenden, phosphoreszierenden Farbstoffe, die alle Schwermetalle oder teure Edelmetalle enthalten, wurden in der OLED Forschung zunehmend durch metallfreie Farbstoffe, die verzögerte Fluoreszenz aufweisen, verdrängt. Besonders interessant sind diese Farbstoffe durch die Möglichkeit sie modular aufzubauen, die meist kurzen Herstellungswege und die Vermeidung der teuren und ökologisch bedenklichen Schwermetalle/Edelmetalle. Für die Herstellung von OLED Displays sind aber ganz andere Eigenschaften wichtig als für die optische Sensorik. Für einen Einsatz in der optischen Sensorik müssen daher noch Methoden gefunden werden, um die Eigenschaften der Farbstoffe systematisch zu modifizieren. Im Projekt TADF-basierte molekulare Thermometer will eine Forschungsgruppe des Instituts für Analytische Chemie und Lebensmittelchemie der TU Graz der Frage nachgehen, wie man die Eigenschaften dieser Farbstoffklassen gezielt modifizieren kann, um sie in der Sensorik einsetzen zu können. Die gezielte Herstellung einer Palette von Farbstoffen mit systematisch variierter Struktur und die Untersuchung ihrer Eigenschaften werden einen Einblick in die Zusammenhänge zwischen Struktur und Eigenschaften geben. Die neuen Farbstoffe sollen außerdem die Entwicklung neuer optischer Temperatursensoren mit ausgezeichneten Anwendungseigenschaften ermöglichen, die von außerordentlicher Bedeutung für den Forschungs- und Technologiesektor wären. Die Forscher erwarten sich aus den Erkenntnissen über die Zusammenhänge von Struktur und Eigenschaften, außerdem nicht nur einen Nutzen für die analytische Chemie/optische Sensorik, sondern auch für die Forschung im Bereich der Lichterzeugung, OLEDS, Lichtkonversion und Photovoltaik.

Die Temperatur beeinflusst alle Prozesse auf der Erde und ist daher einer der am häufigsten überwachten Parameter. Herkömmliche Messgeräte wie Widerstandsthermometer oder Thermoelemente sind weit verbreitet, können jedoch nicht die gesamte Bandbreite der erforderlichen Anwendungen abdecken. Die Lumineszenzthermometrie (d. h. die Temperaturmessung über die Emission von Licht durch ein speziell entwickeltes Material) bietet mehrere einzigartige Merkmale, die Anwendungen ermöglichen, die mit anderen Methoden nicht möglich sind. Insbesondere kann sie dazu verwendet werden, die Temperaturverteilung auf Oberflächen oder in 3D abzubilden und die Temperatur in sehr kleinen Objekten wie Kapillaren oder sogar lebenden Zellen zu erfassen. Obwohl in der Literatur bereits zahlreiche Lumineszenzthermometer beschrieben wurden und einige sogar auf den Markt gekommen sind, leiden die modernen Materialien im Allgemeinen unter ihrer geringen Helligkeit und ihrer geringen Empfindlichkeit, die es nicht erlauben, vergleichsweise kleine Temperaturschwankungen zu erfassen. Dieses Projekt zielte darauf ab, die oben genannten Einschränkungen zu überwinden, indem eine neue Generation von optischen Thermometern entwickelt wurde, die auf der sogenannten thermisch aktivierten verzögerten Fluoreszenz (TADF) beruhen. Diese besondere Art der Lichtemission, die von Farbstoffen erzeugt wird, hat in letzter Zeit aufgrund ihrer hohen Relevanz für die Anwendung in organischen Leuchtdioden (OLEDs) erhebliche Aufmerksamkeit auf sich gezogen, wurde aber bisher nur selten außerhalb dieses Bereichs eingesetzt. Im Rahmen des Projekts haben wir mehrere Gruppen von Lumineszenzfarbstoffen erfolgreich synthetisiert, gründlich untersucht und auf der Grundlage der vielversprechendsten Kandidaten optische Thermometer entwickelt. Dies wurde erreicht, indem die Farbstoffe in geeignete Polymere eingebaut wurden. Um die wachsende Nachfrage in der biologischen und medizinischen Forschung zu decken, haben wir eine breite Palette von wasserdispergierbaren Nanopartikeln hergestellt, die sich als sehr vielversprechend für die Temperaturvisualisierung in kleinen Objekten, einschließlich lebender Zellen, erwiesen haben. Wichtig ist, dass die neuen Materialien selbstreferenzierend sind, d. h., sie liefern eine Temperaturanzeige, die unabhängig von Schwankungen des für die Farbstoffanregung verwendeten Lichts und der Leistung des Detektors ist. Einige der neuen Materialien ermöglichen die Visualisierung der Temperatur mit einfachen Endverbrauchergeräten wie Kameras und Smartphones. Schließlich haben wir auch eine einzigartige Gruppe von Materialien entwickelt, die auf einem einzigen Farbstoffmolekül basieren und die gleichzeitige Messung von Temperatur und Sauerstoff, einem der wichtigsten Moleküle in Wissenschaft und Industrie, ermöglichen.