Sensor misst Sauerstoffkonzentration

Eine zu geringe oder zu hohe Sauerstoffsättigung im Blut kann bleibende körperliche Schäden bewirken und sogar zum Tod führen. In der Intensiv- und Unfallmedizin wird die Sauerstoffkonzentration der Patienten daher permanent kontrolliert. Dafür werden Pulsoxymeter genutzt, die auf den Finger gesteckt werden. Allerdings sind deren Messungen nicht genau. Und die Ergebnisse von Blutuntersuchungen bilden nur einen Moment ab. Künftig könnte ein fluoreszenz-basierter Sensor zum Einsatz kommen, den Forscher am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM entwickelt haben. Der Sensor, der nur 26 mm groß ist und in jeden standardisierten Adapter eines Beatmungssystems passt, misst den Sauerstoffgehalt in der Atemluft direkt und kontinuierlich. Dazu wird das Prinzip der Fluoreszenzlöschung genutzt, das zu Rückschlüssen auf die Sauerstoffsättigung im Blut führt.

„Mit unserem Sensor messen wir den Sauerstoffgehalt im Atemgas, was Rückschlüsse auf die Sauerstoffkonzentration im Blut zulässt“, so Mahmoud El-Safoury, Projektleiter am Fraunhofer IPM. „Wir nutzen den Effekt der Fluoreszenzlöschung, auch Quenching genannt, mit dem O2-Sensor.“ Dabei wird eine fluoreszierende Schicht, die auf einem Substrat aus Aluminium abgeschieden ist, mit kurzwelligem Licht bestrahlt, was die Schicht zum Leuchten bringt. Das emittierte Licht ist langwelliger beziehungsweise energieärmer als das anregende Licht. Treten dann Sauerstoffmoleküle in Kontakt mit der Schicht, schwächt sich das fluoreszierte Licht zusehends ab. Je schwächer das Licht ausfällt, desto höher ist die Sauerstoffkonzentration. „Wir können dabei atemzugaufgelöst und somit sehr schnell messen“, erläutert El-Safoury.

Für die Entwicklung der Fluorophor-Schicht untersuchten die Fraunhofer-Forscher Fluorophore, die im Hinblick auf ihre Ansprechzeit, Signalintensität und Langzeitstabilität optimale Eigenschaften aufweisen. Die Wahl fiel auf eine Pyren-Variante. Um die Schicht herstellen zu können, musste das Fluorophor in eine geeignete Matrix eingebettet werden – ein komplexer Prozess. „Das Verfahren zur Fluoreszenzlöschung wird bereits zur Konzentrationsbestimmung von gelöstem Sauerstoff in Flüssigkeiten angewendet, etwa in der Lebensmittelindustrie, bei Wasserwerken oder auch Kläranlagen. In der Medizintechnik ist der Einsatz der Methode ein Novum“, sagt Dr. Benedikt Bierer, Gruppenleiter am Fraunhofer IPM.

Der miniaturisierte Sensor mit einem Durchmesser von 26 Millimeter lässt sich in jeden T-Konnektor, einen standardisierten Adapter, integrieren – die Konnektoren wiederum werden an Atemmasken und Beatmungsschläuche angeschlossen. Der Sensorkopf mit integrierter Optik umfasst neben der LED-Lichtquelle einen Detektor sowie zwei Saphirlinsen und eine Probe mit der Fluorophor-Schicht, die das Klinikpersonal regelmäßig wechseln muss und die wie Pflaster steril ohne Luftkontakt zu lagern ist.

Projektleiter El-Safoury geht von zahlreichen Einsatzmöglichkeiten aus – in der Notfallrettung, in Kliniken, aber auch zu Hause bei Patienten mit Lungenerkrankungen. Aber bis dahin wird noch einige Zeit vergehen. Derzeit prüfen die Forscher Querempfindlichkeiten zu anderen Gasen wie CO2, die das Sauerstoff-Messsignal des Sensors beeinträchtigen könnten. Auch der Einfluss von Parametern wie Feuchtigkeit und Temperatur auf das Messsignal werden untersucht ebenso wie die Langzeitstabilität des Systems und die diversen sterilen Lagerungsmöglichkeiten.