Detektion toxischer Gase

Farbumschlagssensoren detektieren Giftgase in sehr geringen Konzentrationen

Die Gefahr lauert oftmals unbemerkt: Viele toxisch wirkenden Gase wie z. B. Kohlenstoffmonoxid sind farb- und geruchslos, haben jedoch bereits bei geringen Konzentrationen oder durch chronische Exposition eine schädigende Wirkung auf die Gesundheit. Nur Sensoren, die toxische Gase auch bei niedrigen Konzentrationen zuverlässig messen können, bieten Schutz vor gesundheitlichen Gefahren.

Fraunhofer IPM entwickelt Gassensoren auf Basis des Farbumschlag-Prinzips: Ein Farbstoff ändert seine Farbe beim Kontakt mit einem Zielgas. Die Reaktion ist vergleichbar mit dem Schlüssel-Schloss-Prinzip, das heißt eine Wechselwirkung mit anderen Gasen findet nicht statt. Wenige Moleküle des gesuchten Gases reichen aus, um den Farbwechsel auszulösen.

Detektion je nach Anwendung visuell oder mithilfe optischer Systeme

Fraunhofer IPM synthetisiert und modifiziert gasspezifische Farbstoffe mit Blick auf spezifische Anwendungen. Die Auswertung des Farbumschlags kann dabei über ein simples Etikett bis hin zu komplexen optischen Messsystemen mit eigenständiger Auswertung realisiert werden. Zur Herstellung eines gassensitiven Etiketts wird der Farbstoff z. B. auf Papier oder Folie mittels Druckverfahren aufgebracht. Die sensitive Fläche ist somit in Bezug auf Größe und Form flexibel. Die Farbänderung kann nach der Reaktion mit dem Zielgas entweder durch einen Farbabgleich mit dem bloßen Auge oder z. B. über eine Smartphone-App erkannt und bewertet werden. Im eigenständigen optischen Messsystem kann der Farbumschlag prinzipiell in Durchlicht (Transmission) oder Draufsicht (Reflexion) detektiert werden. Für transmissionsbasierte Ansätze wird der Farbstoff in eine transparente polymerbasierte Matrix eingebettet und auf einen optischen Träger (Kunststoff oder Glas) abgeschieden. In reflexionsbasierten Messsystemen kommen eingefärbte anorganische Partikel zum Einsatz. Entscheidend ist die Integration einer Lichtquelle (z. B. LED) im Bereich der Wellenlänge des maximalen Farbumschlags. Die Farbänderung kann indirekt über die Abschwächung bzw. den Anstieg des Lichts gemessen werden.

Anwendungsgebiete für farbumschlagsbasierte Gassensoren sind:

• Umweltmonitoring
• Personenschutz
• Arbeitssicherheit
• Brandgasfrüherkennung
• Lebensmittelüberwachung