NANO2021-Nanoteknologi og nye materiale

pH (surhetsgrad) er en viktig miljøparameter i havet, spesiell innen klimaforskning og akvakultur. pH er for eksempel avgjørende for oppdrettsfiskens velvære og overlevelsesevne. I dag måles pH hovedsakelig ved hjelp av såkalte pH elektroder. Dette er enkle og rimelige sensorer, men for å gi pålitelige målinger krever disse sensorene hyppig vedlikehold og kalibrering. I forhold til miljøparametere som bør overvåkes kontinuerlig er dette en stor ulempe. Dette prosjektet tok sikte på å utvikle en ny optisk målemetode som muliggjør en vesentlig økning i måle-stabilitet og vedlikeholds-intervall for pH måling i havet. Fluoriserende fargestoff, vil når de blir belyst med passende bølgelengde, for eksempel blått lys, konvertere denne energien og sende den ut igjen som lys med en lengre bølgelengde, for eksempel rødt lys. Ved å benytte et fargestoff hvor denne egenskapen også påvirkes av ladningene (ionene) som er i kontakt med fargestoffet kan fluorosens-endring brukes som et mål på pH. I dette prosjektet ble det utviklet et konsept for en bestandig film som inneholder et slikt fargestoff samt et sensorkonsept for å avmåle denne optiske egenskapen. Prosjektet ble utformet med følgende hovedoppgaver: - Utvikling av pH følsom film - Utvikling av opto-elektonisk målekonsept - Utvikling av pH sensor prototype - Test og karakterisering av sensor prototype Prosjektet var et samarbeid mellom Universitetet i Bergen, Christian Michelsen Research AS og Aanderaa Data Instruments AS. Prosjektet har i 2017 identifisert flere lovende fluoriserende fargestoff og etablert test-oppsett for karakterisering av disse. Flere konsept for oppbygging av en film for å fiksere fargestoffet på en bestandig måte, samt elektronisk kretsløsning for måling av fargestoffets fluoriserende levetid, ble testet. I 2018 ble de mest lovende fargestoff karakterisert med hensyn til fluorosens i forhold til pH og andre miljøfaktorer som kan påvirke pH målingen. Ytelsen til det optiske og elektroniske systemet for presis detektering av flourisenslevetid ble validert. Et egnet signalbehandlingssystem ble identifisert, og utvikling av tilhørende programvarerammeverk startet. Et egnet konsept for å fiksere det pH-følsomme fargestoffet i en robust film ble utviklet. Tester i forhold til stabilitet avslørte imidlertid at det var behov for betydelige forbedringer ved bruk i sjøvann. En mulig løsning på dette problemet ble skissert i siste halvdel av 2018. Denne løsningen innbefattet kjemisk modifikasjon av et det valgte fargestoffet. Dette arbeidet viste seg å være krevende. Det ble vist at den kjemiske modifikasjonen hadde ønsket effekt på et lignende fargestoff men prosjektet greide ikke å komme i mål i forhold til det pH følsomme fargestoffet som trengtes for måling av pH i havet. Prosjektet har allikevel utviklet et lovende konsept for optisk pH måling med fokus på bruk i havet. Et egnet pH følsomt fargestoff er identifisert sammen med en løsning for å fiksere dette i en praktisk-håndterbar film. I tillegg er en kompakt og kosteffektiv løsning for måling av fargestoffets fluoriserende levetid blitt utviklet og testet.

Prosjektet har frembrakt et lovende nytt konsept for pH måling i saltvann. Dette kan danne grunnlag for utvikling av en banebrytende pH-sensor som kan gi viktige data både innen aquakultur og klimaforskning. Prosjektet har også gitt økt kunnskap om bruk av fluoriserende fargestoff som måleindikator og egenskaper til material for fiksering av disse.

This project will develop novel pH sensor technologies for seawater applications. Unlike currently available sensors, the new technology will offer low maintenance and stable operation over many months. The sensor will offer improved performance in established measurement applications and create new scenarios where pH measurements can contribute added value through aiding the understanding of pH sensitive processes, and offering opportunities for improved resource control. The new technology is designed to satisfy a gap in markets where cost sensitive applications require stable performance over long time periods. The key challenges to be addressed in the project include the development of a chemical film with a fluorescence lifetime response to pH change. Quantum dot and organic dye based solutions will be explored. Furthermore the project will develop low cost sensor compatible optoelectronic interrogation technology for interpreting the fluorescence lifetime response of the films produced.