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UV-Spektroskopie in wassergefüllten antiresonanten Hohlkernfasern

Die Überwachung der Wasserqualität wird heutzutage durch den verstärkten Einsatz von Antibiotika weltweit immer wichtiger. Aufgrund der starken Absorptionseigenschaften in diesem Wellenlängenbereich können Restmengen vieler Arten mittels UV-Spektroskopie quantifiziert werden. Wir konnten zeigen, dass die Wasseranalyse in einer antiresonanten Hohlkernfaser potenziell höhere Detektionsempfindlichkeiten bezüglich der Konzentration erreicht als vergleichbare Methoden.

Konzept der UV-Spektroskopie in einer antiresonanten Hohlkernfaser, die in einen optofluidischen Chip integriert ist. Der untere Einschub zeigt ein Mikroskopbild des Querschnitts der ARHCF, flankiert von Bildern des Lichts, welches durch die luft- bzw. wassergefüllte ARHCF übertragen wird.

Von M. Nissen 

Unsere heutige Gesellschaft steht vor verschiedenen Herausforderungen. Eine davon ist die Kontamination unserer Wasserversorgung durch pharmazeutische Substanzen, wie z.B. Antibiotika. Um ein frühzeitiges Eingreifen zu ermöglichen, werden hochsensible Methoden zur Wasserüberwachung immer wichtiger. Ein Ansatz zur Quantifizierung wasserverunreinigender Arten ist die UV-Spektroskopie, da biologische Substanzen oft eine starke Absorption bei Wellenlängen kurz unterhalb des sichtbaren Bereichs zeigen. Die Empfindlichkeit aktueller UV-spektroskopischer Geräte wird jedoch durch relativ kurze Licht-Materie-Wechselwirkungslängen begrenzt – meist in der Größenordnung von einem Zentimeter, der typischen Wegstrecke des Lichts innerhalb einer Messküvette. Die Idee hinter dem neuen, am IPHT verfolgten Ansatz ist es, diese Interaktionslänge durch den Einsatz von flüssigkeitsgefüllten Hohlkernfasern auf den Bereich von Metern auszudehnen – was zu einer möglichen Empfindlichkeitssteigerung um bis zu zwei Größenordnungen führt.Bei der für die UV-spektroskopischen Messungen verwendeten Faser handelt es sich um eine antiresonante Hohlkernfaser (anti-resonant hollow-core fiber, ARHCF), die am IPHT hergestellt wird. Sie enthält einen hexagonalen Kern mit einem Durchmesser von ca. 30 µm und leitet Licht mit Wellenlängen kleiner als 340 nm, wenn sie mit Wasser gefüllt ist. Der vergleichsweise große Kerndurchmesser im Inneren der Faser ermöglicht das Befüllen mit Flüssigkeiten bzw. deren Austausch innerhalb von Sekunden bis Minuten. Gleichzeitig ist das erforderliche Analytvolumen etwa drei Größenordnungen kleiner als bei typischen küvettenbasierten Verfahren.Um Licht in die ARHCF einzukoppeln und selbige gleichzeitig mit Analyt zu befüllen, ist der Einkoppelbereich der Faser in einem ebenfalls am IPHT hergestellten optofluidischen Chip integriert. Der Faserkanal im Inneren des Chips ist über die beiden gegenüberliegenden Seiten zugänglich, so dass sowohl die ARHCF als auch eine Zuführungsfaser eingefädelt und eng in eine Stoßkopplungsposition für die direkte Lichtübertragung gebracht werden können. Damit schützt der Chip den Faser-zu-Faser-Übergang vor äußeren Einflüssen und ermöglicht vor allem den Zugriff auf die ARHCF mittels modernster Mikrofluidik. Sobald das Faser-Chip-System montiert ist, werden die Fasern in ihrer jeweiligen Position fixiert und ihr Kanal mit UV-härtendem Klebstoff versiegelt, was zu einem monolithischen System führt, welches in einem gewöhnlichen spektroskopischen Aufbau eingesetzt werden kann, indem eine Lichtquelle an die Zuführungsfaser angeschlossen und ein Spektrometer hinter dem freien Ausgangsbereich der ARHCF platziert wird.Bisher wurde die faserinterne UV-Spektroskopie zur Konzentrationsquantifizierung von zwei verschiedenen anwendungsrelevanten pharmazeutischen Substanzen eingesetzt (Sulfamethoxazol und Natriumsalicylat), die in Wasser gelöst wurden. Es konnten Konzentrationswerte der jeweiligen Substanzen bis zu 0,1 µM (26 ppb) und 0,4 µM (64 ppb) gemessen werden. Dies ist vergleichbar mit den Ergebnissen anderer Methoden, kann aber höchstwahrscheinlich durch weitere Geräteintegration verbessert werden, was zu geringeren Messwertschwankungen und damit zu einer höheren Erfassungsgenauigkeit der Konzentration führt. Die bisherigen Ergebnisse bestätigen jedenfalls, dass ARHCF tatsächlich anstelle einer Messküvette eingesetzt werden können, ohne das Messprinzip der gängigen UV-Spektroskopie zu verkomplizieren. Damit eröffnen sich neue Perspektiven für die hochempfindliche flüssigkeitsbasierte Analytik in Fasern.

Gefördert von: DFG, Freistaat Thüringen und ESF

Zugehörige Publikationen

M. Nissen, B. Doherty, J. Hamperl, J. Kobelke, K. Weber, T. Henkel and M. A. Schmidt "UV Absorption Spectroscopy in Water-Filled Antiresonant Hollow Core Fibers for Pharmaceutical Detection", Sensors 2018, 18, 478; doi:10.3390/s18020478

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