Projekt „ODIP-FLIM“

ODIP-FLIM

Optische Detektion und Identifikation von Polymeren mit Hilfe von FLuoreszenz Imaging Mikroskopie. Im Projekt OPDI-FLIM wird das kunststoffspezifische Fluoreszenzverhalten von verschiedenen Polymeren untersucht.

Aktuelles

Vortrag über aktuelle Ergebnisse auf der IEEE EExPolytech-2019 Konferenz in Sankt Petersburg, Russland.

Motivation des Projektes

Kunststoffabfälle, insbesondere Mikroplastikmüll, werden zu einem immer größeren gesellschaftlichen Problem von unermesslichen Ausmaßen. So fanden Forscher der Universität aus Georgia in Amerika heraus, dass 2010 in 192 Küstenregionen der Welt rund 275 Millionen Tonnen Plastikmüll erzeugt wurden, wobei weitere Ergebnisse zeigten, das von den 275 Millionen Tonnen Müll 4,8 bis 12,7 Mio. Tonnen in den Weltmeeren landen. Auch Deutschland ist von der Problematik der mit Mikroplastik verunreinigten Gewässern betroffen. Forschungsergebnisse des Alfred-Wegener-Instituts (AWI) zeigen, dass in Proben aus Klärwerksfiltern tagesabhängig zwischen 0,53 x 10³ und 18 x 10³ Partikel pro einem Kubikmeter Wasser zu finden sind. Allerdings ist nicht nur die hohe Umweltbelastung ein Problem, denn laut dem AWI und anderer Studien aus Kanada und Malaysia, nehmen Meeresorganismen wie beispielsweise Fische, Seevögel, Muscheln und Krebse diese Partikel auf. Das Mikroplastik kommt dadurch auch in die menschliche Nahrungskette kommt, wobei noch nicht bekannt ist, ob und welche gesundheitlichen Schäden der Verzehr von mikroplastikbelasteten Lebensmitteln nach sich zieht.

Ziel des Projektes

Aufgrund der oben genannten Tatsachen ergeben sich prinzipiell zwei Anwendungsszenarien. Ersteres ist die Identifikation von Kunststoffen in und auf Umweltmatrizen. Sekundäres Ziel ist die Detektierbarkeit von Kunststoffen auf den Oberflächen von verschiedenen Lebensmitteln.

Für beide Ziele soll eine optische Messmethodik verwendet werden, die im Bereich der biomedizinischen Forschung bereits zum Einsatz kommt: Die bildgebende Mikroskopie der Fluoreszenzabklingzeit (Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy: FLIM).

Erste Untersuchungen mit mehreren intern hergestellten Folienproben unterschiedlicher Kunststoffe zeigen, dass sich diese eindeutig voneinander durch ihre Fluoreszenzabklingzeit unterschieden lassen. Außerdem wurde bereits festgestellt, das sich die Polymere auch von zwei verschiedenen Holzsorten eindeutig differenzieren lassen, was für eine Identifikation in einer Umweltmatrix spricht. Es werden Versuche mit mehreren Umweltproben angestrebt, um das Verfahren hinsichtlich seiner Einsatztauglichkeit weiter zu Testen.

Für die Detektion von Mikroplastik auf Lebensmitteloberflächen, werden erste Untersuchungen vorbereitetet. Diese sollen zeigen ob und bis zu welcher Größe Mikroplastik auf den Oberflächen von beispielsweise Fleisch, Gemüse und Obst detektiert werden kann.

Innovation

Derzeit werden die Mikroplastikproben mithilfe eines mehrtägigen und sehr aufwendigen Prozesses aus der Umwelt extrahiert. Das AWI beschreibt beispielsweise, dass von der Probenentnahme aus der Umwelt bis hin zu den Ergebnissen ca. 17 Tage vergehen. Es wäre daher überaus praktisch ein Messverfahren zu entwickeln, welches die Umweltprobe direkt vor Ort analysiert. Dadurch würde der erhebliche Arbeitsaufwand entfallen und die überschüssige Zeit könnte für essenziellere Arbeiten aufgewandt werden.

Im Bereich der Lebensmittelindustrie finden derzeit nur Sichtkontrollen auf Mikroplastik statt. Auch hier wäre ein Einsatz eines Messaufbaus, der Plastik oder auch Mikroplastik auf den Lebensmitteln detektiert ein enormer Fortschritt, da erstens das Gesundheitsrisiko für den Menschen minimiert wird und zweitens der Beschäftigungsaufwand entfallen würde.

Publikationen

  • M. Wohlschläger, G. Holst, M. Versen, A novel approach to optically distinguish plastics based on fluorescence lifetime measurements, accepted for publication at the 2020 IEEE Sensors Applications Symposium (SAS), Kuala Lumpur, Malaysia, 2020.
  • M. Wohlschläger, G. Holst, M. Versen, Automatische Erkennung von Kunststoffen durch bildgebende Fluoreszenzabklingzeitmessung, akzeptiert zur Veröffentlichung bei der 17. AALE Konferenz, Leipzig, 2020.
  • M. Wohlschläger, R. Franke, G. Holst, M. Versen, An approach of identifying polymers with fluorescence lifetime imaging, IEEE EExPolytech: Electrical Engineering and Photonics, Sankt Petersburg, Russland, 2019, pp. 186-189.
  • M. Wohlschläger, M. Versen, Detektion von Kunststoffen in Wasser mithilfe von Fluoreszenz, 20. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme, 2019, AMA Service GmbH, ISBN 978-3-9819376-0-2, S. 687-694.
  • M. Wohlschläger, M. Versen and H. Langhals, A method for sorting of plastics with an apparatus specific quantum efficiency approach, 2019 IEEE Sensors Applications Symposium (SAS), Sophia Antipolis, France, 2019, pp. 1-6.
  • M. Wohlschläger, M. Versen, Bestimmung einer Quanteneffizienz für das automatisierte Sortieren von Kunststoffen durch Fluoreszenz, 16. AALE Konferenz, 2019, VDE Verlag Berlin, ISBN 978-3-8007-4860-0, S. 179-187.
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