This thesis describes various methods for time-resolved luminescence lifetime determination, and their applications to imaging barometric pressure and temperature. These approaches are superior to luminescence intensity imaging in that they are less influenced by sources of errors like light scattering, inhomogeneous indicator distribution, photobleaching, or background fluorescence because they ...
Abstract (English)
This thesis describes various methods for time-resolved luminescence lifetime determination, and their applications to imaging barometric pressure and temperature. These approaches are superior to luminescence intensity imaging in that they are less influenced by sources of errors like light scattering, inhomogeneous indicator distribution, photobleaching, or background fluorescence because they are intrinsically referenced. The data obtained are precise and unambiguous. Novel sensor materials and methods for time-resolved imaging are described, characterized, and applied. A novel dual pressure-sensitive paint (PSP) and temperature-sensitive paint (TSP) system for time resolved luminescence imaging is introduced, consisting of a platinum porpholactone and a ruthenium-diimine complex,. The dual paint was applied to an aircraft model for wind tunnel testing. The dual paint has proven to be applicable for aerodynamic research. Temperature can be determined with an accuracy of 0.5 K and the surface pressure topology coincides with theory and with the data from conventional pressure measurements. Furthermore, a novel kind of an optical dual sensor is introduced, allowing for signal separation due to different luminescence lifetimes without the need of additional spectral separation. This technique expands the possible spectrum of combination of probes applicable to optical dual sensing. The new sensor system consists of a platinum porphyrin and a europium chelate complex, capable of determining oxygen and temperature simultaneously, without the need for different optical filters. A novel general approach for imaging is presented. It makes use of the fundamental setup of digital cameras and enables to monitor the spectrally resolved luminescence of up to three signals with one single image. The new materials and methods developed during this dissertation led to the fabrication of the first optical triple sensor systems. Two kinds of sensors are reported. They are capable of simultaneously determining the three important analytes pH, T, and O2. The first system consisted of HPTS as the pH-indicator, a Eu-chelate complex as the temperature probe, and a Pt-porpholactone as the probe for oxygen, all encapsulated in appropriate polymer particles. The three signals are separated using optical filters. In the second triple sensor system, the O2 probe of the first system was replaced by a Pt-porphyrin, enabling for time-resolved separation of the temperature signal from the O2 signal. With these new kinds of sensors, it is possible to monitor the three clinically relevant parameters pH, T, and O2 non-invasively, online, and in surpassing spatial resolution. By omitting the oxygen probe, the first temperature compensated optical pH sensor ever described in literature is obtained.
Translation of the abstract (German)
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit verschiedenen Methoden zur zeitaufgelösten Messung von Lumineszenzabklingzeiten (lifetimes) und deren Anwendungen zur Bestimmung von barometrischem Druck und Temperatur mit Hilfe bildgebender Verfahren (sog. Imaging). Diese intrinsisch referenzierten Messmethoden sind klassischen Intensitätsmessungen überlegen, da sie weniger von Fehlerquellen wie ...
Translation of the abstract (German)
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit verschiedenen Methoden zur zeitaufgelösten Messung von Lumineszenzabklingzeiten (lifetimes) und deren Anwendungen zur Bestimmung von barometrischem Druck und Temperatur mit Hilfe bildgebender Verfahren (sog. Imaging). Diese intrinsisch referenzierten Messmethoden sind klassischen Intensitätsmessungen überlegen, da sie weniger von Fehlerquellen wie Lichtstreuung, inhomogene Verteilung der Indikatoren, Photobleichen oder Hintergrundfluoreszenz beeinflusst werden. Die erhaltenen Daten sind präzise und eindeutig. Neue Sensormaterialien und Methoden zum zeitaufgelösten Imaging werden beschreiben, charakterisiert und angewendet. Ein neues duales "pressure-sensitive paint" (PSP) und "temperature-sensitive paint" (TSP) System für zeitaufgelöste Messungen, bestehend aus einem Platinporpholakton und einem Rutheniumdiiminkomplex, wird vorgestellt. Dieses duale Sensorsystem wurde an einem Flugzeugmodell in einem Windkanal vermessen und erwies sich als geeignet zur Anwendung in der aerodynamischen Forschung. Die Temperatur konnte mit einer Genauigkeit von 0.5 K bestimmt werden und die erhaltenen Druckkonturen auf der Oberfläche des Modells stimmen mit den Daten aus konventionellen Druckmessungen überein. Des Weiteren wird eine neue Art von optischem Dualsensor eingeführt, mit dem man die Signale der beiden unterschiedlichen Sonden aufgrund ihrer verschiedenen Lumineszenzabklingzeiten trennen kann. Diese Methode erweitert das Spektrum möglicher Sonden- bzw. Indikatorkombinationen für optische duale Sensoren. Das neue Sensorsystem besteht aus einen Platinporphyrin und einem Europium Chelatkomplex. Diese Kombination ermöglicht das gleichzeitige Messen von Sauerstoff und Temperatur, ohne verschiedene optische Filter verwenden zu müssen. Eine komplett neue Imagingmethode wird präsentiert. Sie basiert auf dem fundamentalen Aufbau von Digitalkameras und ermöglich es, die spektral aufgelösten Lumineszenzsignale von bis zu drei Indikatoren mit einem einzigen Bild zu erfassen. Die in dieser Dissertation entwickelten Materialen und Methoden führten zur Herstellung des ersten optischen Tripelsensorsystems. Zwei unterschiedliche Sensoren werden vorgestellt. Mit diesen ist es möglich, die drei klinisch relevanten Parameter Sauerstoffpartialdruck, Temperatur und pH-Wert gleichzeitig zu erfassen. Das erste System besteht aus HPTS als pH-Indikator, einem Eu-Chelatkomplex als Temperaturindikator und einem Pt-Porpholakton als Druckindikator, jeweils in geeignete Polymerpartikel eingebettet. Die drei Signale werden spektral mittels verschiedener optischer Filter getrennt. Im zweiten Sensorsystem wurde das Porpholakton durch ein Pt-Porphyrin ersetzt. Auf diese Weise ist es möglich, die Signale von Druck- und Temperaturindikator über die unterschiedlichen Lumineszenzabklingzeiten zu trennen. Mit dieser neuen Art von Sensoren kann man die drei Parameter O2, T und pH online, nicht-invasiv und in äußerst hoher örtlicher Auflösung zu überwachen. Wird auf die Sauerstoffsonde verzichtet, erhält man den ersten temperaturkompensierten optischen pH-Sensor, der jemals in der Literatur beschreiben wurde.
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