Principper bag QF-teknologi (Quenched Fluorescence)

Slukket fluorescens (QF) – også kendt som fluorescensslukning – er en grundlæggende fotofysisk proces, der spiller en afgørende rolle i moderne spektroskopi, måleteknologi og molekylær analyse. Det er blevet et vigtigt værktøj til iltmåling i realtid inden for naturgasbehandling, bioprocesser, miljøovervågning og medicinsk diagnostik. Dets appel ligger i dets præcision, selektivitet og stabilitet – opnået uden de bevægelige dele, kemiske forbrugsstoffer eller krydsfølsomheder, der er almindelige for ældre sensordesigns.

I denne artikel udforsker vi den underliggende fysik i slukket fluorescens, dens detektionsmetoder, praktiske implementeringer, og hvordan den sammenlignes med andre optiske og elektrokemiske tilgange, som bruges til gasmåling.

Når et molekyle absorberer lysenergi, overgår det til en højere elektronisk energitilstand – en proces, der kaldes excitation. Når det vender tilbage til sin grundtilstand, frigiver molekylet noget af den absorberede energi som synligt eller næsten synligt lys. Dette genudsendte lys kaldes fluorescens.

Fluorescens forekommer kun for molekyler med specifikke elektroniske strukturer – ofte organiske farvestoffer eller overgangsmetalkomplekser. Det udsendte lys har normalt en længere bølgelængde (lavere energi) end det absorberede lys på grund af internt energitab under afblanding. Forskellen mellem de absorberede og udsendte bølgelængder er kendt som Stokes shift, et koncept, der er centralt for fluorescensbaseret senorteknologi.

Slukket fluorescens opstår, når noget forårsager en ændring i det fluorescerende molekyle, der udsender lys efter excitation. "Slukkeren" – typisk et andet molekyle – interagerer med fluoroforens exciterede tilstand, hvilket gør det muligt for den at miste energi ikke-radiativt (gennem kollisioner eller energioverførsel) i stedet for at udsende en foton.

Der er flere mekanismer for slukning, herunder:

• Dynamisk (kollisionel) slukning: Energi overføres til slukkeren under molekylære kollisioner i den exciterede tilstand.
• Statisk slukning: Der dannes et ikke-fluorescerende kompleks mellem fluoroforen og slukkeren før excitation.
• Energioverførsel og elektronoverførsel: Energi eller elektroner udveksles mellem arter, hvilket reducerer fluorescensudbyttet.

I mange industrielle sensorapplikationer fungerer oxygen (O₂) som slukker. Da ilt effektivt deaktiverer de exciterede tilstande i visse farvestoffer, kan ændringer i fluorescensintensitet eller -levetid relateres direkte til iltkoncentrationen i det omgivende medium.

Det kvantitative forhold mellem slukket fluorescens og slukket koncentration udtrykkes gennem Stern-Volmer-ligningen:

I₀ / I = 1 + K_SV[Q]

Eller tilsvarende ved hjælp af fluorescenslevetid:

τ₀ / τ = 1 + K_SV[Q]

Hvor:

• I₀ og τ₀ er fluorescensintensiteten og levetiden uden slukker.
• I og τ er de tilsvarende værdier ved tilstedeværelse af slukker.
• K_SV er Stern-Volmer-slukningskonstanten.
• [Q] er slukkerkoncentrationen.

Lineariteten i dette forhold danner grundlag for kvantitativ sensorteknik. Ved at overvåge ændringen i fluorescensintensitet eller -levetid kan koncentrationen af slukkeren – såsom opløst eller gasformig ilt – bestemmes præcist.

Optiske iltsensorer bygger på princippet om, at iltmolekyler kan "slukke" fluorescensen af et exciteret farvestof. Målingen følger typisk disse trin:

1. Excitation: En lyskilde, ofte en blå lysdiode (≈470 nm), belyser et fluorescerende farvestof, der er immobiliseret i en iltgennemtrængelig matrix.
2. Emission: I fravær af ilt udsender farvestoffet lysende rød eller nær-infrarød fluorescens.
3. Slukning: Når der er ilt til stede, kolliderer det med de exciterede farvestofmolekyler og overfører energi ikke-radiativt, hvilket reducerer fluorescensintensiteten og forårsager et skift i bølgelængden.
4. Detektion: Det udsendte lys vender tilbage via en optisk fiber til en fotodetektor, hvor faseforskydningen måles.
5. Beregning: Systemet beregner iltkoncentrationen ved hjælp af kalibreringskonstanter, der stammer fra Stern-Volmer-forholdet.

Denne cyklus gør det muligt at måle ilt i realtid uden forbrug med en bemærkelsesværdig følsomhed – fra parts per million (ppm) niveauer op til procent koncentrationer.

Der er to primære teknikker til at kvantificere slukket fluorescens: intensitetsbaseret detektion og levetids- eller faseforskydningsdetektion.

• Intensitetsbaseret detektion: I tidlige optiske iltsensorer blev faldet i fluorescensintensitet i forhold til en reference brugt til at udlede iltkoncentrationen. Denne metode er dog noget følsom over for variationer i lyskilden, ældning af farvestoffet og optisk justering.
• Levetids- eller faseforskydningsdetektion: Moderne fluorescens-slukningssensorer bruger fasemodulerede lyskilder til at måle tidsforsinkelsen (faseforskydningen) mellem excitationslyset og den udsendte fluorescens. Da fluorescenslevetiden er en iboende molekylær egenskab, er denne metode langt mindre påvirket af miljøforhold eller ændringer i lysintensiteten.

Fluorescenslevetiden falder typisk fra mikrosekunder til nanosekunder, når iltkoncentrationen stiger. Denne fasebaserede tilgang muliggør hurtige responstider, langtidsstabilitet, og høj immunitet over for drift – vigtige fordele i industrielle applikationer.

Slukket fluorescens er grundlæggende en proces med energioverførsel gennem kollisioner mellem exciterede fluoroforer og slukkemolekyler. Når det gælder slukning af ilt, styres denne interaktion af diffusionskinetik og overlapning af molekylære orbitaler.

Effektiviteten af slukningen afhænger af faktorer som f.eks:

• Diffusionshastighed for ilt gennem sensormatrixen
• Temperatur (påvirker diffusion og kollisionsfrekvens)
• Viskositet og struktur af værtsmaterialet
• Levetid i exciteret tilstand for fluoroforen

Ved at skræddersy sammensætningen og porøsiteten af polymerfilmen kan ingeniører kontrollere diffusionshastigheden af ilt og optimere sensorens responstid og følsomhed.

En typisk iltsensor med slukket fluorescens består af tre hovedkomponenter:

• Fluorescerende sensorlag (farvestofmatrix): En fast polymer eller sol-gel-film dopet med et iltfølsomt farvestof (f.eks. et ruthenium- eller platinkompleks); farvestoffet vælges ud fra dets fotostabilitet og specifikke slukningsegenskaber
• Optisk fiber eller vindue: Bærer excitationslys fra kilden til sensorspidsen og returnerer den udsendte fluorescens til detektoren; brugen af optiske fibre giver mulighed for ikke-indgribende fjernmåling
• Detektions- og elektronikmodul: Indeholder lyskilde, fotodiode eller fotomultiplikator og signalbehandlingselektronik med henblik på at bestemme fase- eller intensitetsændringer

Disse komponenter er ofte integreret i robust industrielt sensordesign til brug i procesgasledninger, miljøsonder, eller bioreaktorer, , men det centrale måleprincip forbliver det samme.

Anvendelsen af slukkede fluorescenssystemer i industriel måling er drevet af deres optiske enkelhed og kemiske robusthed sammenlignet med traditionelle teknologier. Der er mange fordele ved slukket fluorescens:

• Selektivitet for ilt: Slukket fluorescens er selektiv for ilt, med ubetydelig krydsfølsomhed over for vanddamp, hydrogensulfid eller kuldioxid – arter, der ofte forstyrrer elektrokemiske sensorer.
• Part-per-million (ppm) koncentrationer
• Stabilitet på lang sigt: Optiske systemer indeholder ingen forbrugsreagenser eller elektrolytter. Med stabile farvematrixer og solid-state-komponenter er kalibreringsintervallerne lange, og vedligeholdelsen minimal.
• Hurtig og kontinuerlig måling: Fordi slukning er en øjeblikkelig kollisionsproces, reagerer fluorescenssensorer på millisekunder på ændringer i iltkoncentrationen. Dette muliggør realtidsovervågning af dynamiske processer.
• Sikkerhed og kompatibilitet: Da disse sensorer fungerer optisk og uden prøvekontakt med reaktive elementer, kan de sikkert måle ilt i kulbrintestrømme, brandfarlige gasser eller biologiske medier uden risiko for antændelse eller kontaminering.

Flere andre teknologier bruges til iltanalyse, hver med unikke styrker og begrænsninger. Ved at sammenligne dem kan man se, hvornår slukket fluorescens giver størst værdi.

• Funktionsprincip: Optisk detektion af kollisionsdæmpning af exciteret farvestof
• Typisk område: ppm - %
• Styrker: Hurtig, selektiv, ikke-forbrugende, lav afdrift
• Begrænsninger: Relativt højere indledende sensoromkostninger

• Funktionsprincip: Måler oxygenpartialtryk via elektrokemisk reaktion på tværs af en fast zirkoniumdioxidelektrolyt ved høj temperatur
• Typisk område: %
• Styrker: Meget nøjagtig ved høje temperaturer; robust til barske industrimiljøer
• Begrænsninger: Kræver varmeelement; langsommere respons ved lave temperaturer; begrænset til %-område

• Funktionsprincip: Kemisk reaktion mellem ilt og elektroder i en elektrolyt producerer en strøm
• Typisk område: ppm - %
• Styrker: Lav pris, enkel elektronik
• Begrænsninger: Kræver rutinemæssig celleudskiftning; følsom over for H₂S og fugt

• Funktionsprincip: Oxygen tiltrækkes af et magnetfelt; magnetisk drejningsmoment måles
• Typisk område: %
• Styrker: Nøjagtig ved høje koncentrationer
• Begrænsninger: Ikke egnet til H₂S- eller kulbrintestrømme; begrænset til %-område

• Funktionsprincip: Separation og detektion af ilt via bæregas og søjle
• Typisk område: ppm - %
• Styrker: Høj analytisk præcision
• Begrænsninger: Langsom (minutter pr. prøve), kræver meget vedligeholdelse

• Funktionsprincip: drejelig diodelaser ved en specifik bølgelængde, hvor ilt absorberer lyset
• Typisk område: %
• Styrker: Berøringsfri optisk måling; kan bruges til in-situ eller ekstraktive målinger
• Begrænsninger: Kan have interferens med andre baggrundsgasser; støv og aerosoler kan lægge sig over spejle og vinduer

Sammenlignet med andre iltmålingsmetoder tilbyder slukket fluorescens en unik blanding af hastighed, stabilitet og modstandsdygtighed i kemisk aggressive eller fugtige miljøer.

Diffusionen af ilt gennem sensorlaget og farvestoffets fluorescenslevetid er begge temperaturafhængige. Derfor inkluderer de fleste systemer automatisk temperaturkompensation, ofte ved hjælp af en samplaceret termistor. Trykkompensation kan også være nødvendig for gasfasemålinger.

I løbet af mange års drift kan sensorfilm opleve gradvis fotoblegning af farvestoffer eller overfladebegroning. Men med moderne materialer er sensorlevetider på mere end tre til fem år almindelige.

Kalibrering indebærer typisk, at sensoren udsættes for kendte iltkoncentrationer (f.eks. nitrogen til nulpunkt og luft til spændvidde). På grund af deres stabilitet kræver fluorescensbaserede sensorer sjældent rekalibreringer sammenlignet med elektrokemiske alternativer.

Nye sensormatricer – såsom sol-gel-hybrider, silica-nanopartikler og fluorerede polymerer – udvider driftsområdet og miljøtolerancen for fluorescens-slukningssensorer. Disse materialer forbedrer farvestoffets stabilitet og reducerer fotoblegning.

De seneste fremskridt inden for optiske fibernetværk og miniaturiseret fotonik muliggør multiparametersensorer, der kombinerer ilt-, pH- og temperaturmåling i en enkelt sonde.

Inden for biologisk og mikrofluidisk forskning bruger fluorescens-levetidsbilledmikroskopi (FLIM) de samme principper til at producere rumlige iltkort på mikroskopiske skalaer og afsløre gradienter, der er kritiske for celleadfærd og metaboliske processer.

• Naturgasbehandling – Iltindtrængning i naturgasstrømme kan forårsage korrosion, skabe eksplosive blandinger og forringe produktkvaliteten. Optiske fluorescenssensorer giver kontinuerlig, nøjagtig iltmåling fra indsamling til distribution, hvilket hjælper operatørerne med at opretholde systemintegriteten.
• Energiomstilling – Til kulstofopsamling, -udnyttelse og -lagring (CCUS) er ilt et forurenende stof, der skal fjernes. Biogas/biomethan-applikationer er afhængige af anaerob gæring, så ilt skal måles for at afgøre, om der opstår lækager i rådnetanken. Den endelige biometankvalitet skal også have ilt i lave ppm-niveauer. Grøn brint-applikationer har også krav til iltmåling.
• Bioprocesser og fermentering - Inden for bioteknologi er kontrol med opløst ilt afgørende for cellestofskiftet. Fluorescenssensorer bruges i vid udstrækning i fermentorer for at undgå problemer med afdrift og sterilisering af elektrokemiske prober.
• Miljø- og vandovervågning - Fluorescensslukning måler opløst ilt (DO) i naturligt vand og spildevand. Disse sensorer er holdbare og kræver kun lidt vedligeholdelse, så de kan bruges i lang tid.
• Medicin og life sciences - Fra iltning af væv til mikrofluidiske systemer muliggør fluorescenssensorer ikke-indgribende, optisk iltkortlægning i små mængder, hvilket er afgørende for fysiologiske og farmakologiske undersøgelser.
• Rumfarts- og energiapplikationer - Fiberbaserede slukkede fluorescenssystemer er immune over for elektromagnetisk interferens og anvendes til rumfartstest, forbrændingsforskning og brændselscelleovervågning, hvor præcision og reaktionshastighed er vigtig.

1. Berlman, I. B. Handbook of Fluorescence Spectra of Aromatic Molecules, 2nd ed., Science Direct.
2. Demtröder, W. Laser Spectroscopy: Basic Concepts and Instrumentation, 2nd ed., Springer.
3. Endress+Hauser. TDLAS and QF analyzers technology guide.
4. Fluorescensslukning. ScienceDirect, Elsevier.
5. Lakowicz, J. R. Quenching of Fluorescence. Principles of Fluorescence Spectroscopy, 3rd ed., 2006, Springer.
6. Lakowicz, J. R., et al. The Centenary of the Stern–Volmer Equation of Fluorescence Quenching. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, vol. 40, 2019, ScienceDirect.
7. Stokes Shift. IUPAC Compendium of Chemical Terminology (Gold Book), International Union of Pure and Applied Chemistry.
8. The Stokes Shift. Chemistry LibreTexts, Providence College.
9. Valeur, B. & Berberan-Santos, M. N. Molecular Fluorescence: Principles and Applications, 2nd ed., Wiley-VCH.