Multi-UV-LED-Lichtquelle mit 15 verschiedenen UV-LEDs zwischen 230 und 430 nm, angeschlossen an eine Fluoreszenz-Tauchsonde.

Neben der Transmissionsspektroskopie ist die Fluoreszenzspektroskopie ein analytisches Verfahren, das in Echtzeit Rückschlüsse auf die Abwasserzusammensetzung erlaubt. Es konnte gezeigt werden, dass die 2D-Fluoreszenzspektroskopie ein geeignetes Verfahren darstellt, um aus spektroskopischen Messwerten Rückschlüsse auf wichtige Summenparameter zu ziehen. Üblicherweise werden in kommerziellen Fluoreszenzspektrometern Xenon-Plasmalampen als Anregungslichtquelle eingesetzt. Diese haben eine typische Lebensdauer von nur 1500 – 2000 Stunden. Eine kontinuierliche Überwachung im Dauereinsatz ist für diese Art der Analytik daher bislang nicht etabliert. Ein Forschungsteam des Fraunhofer ILT legt aktuell das technologische Fundament, um eine kontinuierliche Abwasserüberwachung mittels 2D-Fluoreszenzspektoskopie real werden zu lassen. Das Herzstück hierfür ist eine neuartige UV-LED-basierte Lichtquelle, welche die begrenzte Lebensdauer der herkömmlichen Xenon-Plasmalampen umgeht. Bild 1 zeigt die neue Lichtquelle und eine über einen Lichtleiter angeschlossene Fluoreszenz-Tauchsonde, Bild 2 zeigt die Tauchsonde.
Die Entwicklung neuartiger UV-LEDs bis in den Spektralbereich unterhalb von 300 nm ist in den letzten Jahren schnell vorangeschritten; heute sind LEDs mit einer Emissionswellenlänge um 230 nm kommerziell verfügbar. Indem mehrere UV-LEDs zwischen 230 nm und 430 nm kombiniert werden, kann eine fast lückenlose Anregungsemission in diesem Spektralbereich realisiert werden. Durch Aktivierung jeweils nur einer LED ist die Anregungswellenlänge damit wähl- und veränderbar. Die hohen Lebensdauern der LEDs ermöglichen erstmals eine kontinuierliche Überwachung der Abwasserqualität in einem Inline-Messverfahren.

Die am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen entwickelte 2D Fluoreszenzsonde für ein Inline Wasser- und Abwassermonitoring.

In der 2D-Fluoreszenzspektroskopie werden die untersuchten Stoffe mit UV-Licht angeregt und emittieren anschließend charakteristische Fluoreszenzstrahlung, die spektroskopisch analysiert wird. Indem die Anregungsstrahlung durchgestimmt wird, können verschiedene Fluoreszenzspektren erzeugt werden. Die Gesamtheit der verschiedenen Fluoreszenzspektren wird in einer zweidimensionalen Matrix mit der Anregungswellenlänge auf der x-Achse und der Fluoreszenzemission auf der y-Achse dargestellt. So entstehen 2D-Karten, welche die gesamten Fluoreszenzinformationen enthalten. Diese Anregungs-Emissions-Matrizen (Excitation-Emission-Matrices; EEM) visualisieren die detektierten Fluoreszenzintensitäten dabei durch eine Farbcodierung.

Verschiedene Inhaltsstoffe des Abwassers können so voneinander unterschieden werden. Dabei zeigen Proteine durch die enthaltenen aromatischen Aminosäuren Phenylalanin (PHE), Tyrosin (TYR) und Tryptophan (TRP) typischerweise Fluoreszenzemission bei Anregung zwischen 230 nm und 275 nm während Huminstoffe sich durch UV-Licht oberhalb von 300 nm anregen lassen. Bild 3 und Bild 4 geben die Fluoreszenzmessungen an zwei verschiedenen Wasserproben mit unterschiedlichem Aminosäure- / Huminstoffgehalt wieder.

Anregungs-Emissions-Matrix einer Wasserprobe mit Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan. Gezeigt sind unkorrigierte Rohdaten.

Probe des Ablaufs der Kläranlage Aachen-Soers mit Huminstoffen und langwelliger Fluoreszenz. Gezeigt sind unkorrigierte Rohdaten.

Mit Hilfe von multivariaten statistischen Verfahren wie zum Beispiel der Parallel Faktor Analyse (PARFAC) können die spektroskopischen EEM-Daten mit den gesuchten Summenparametern korreliert und ausgewertet werden. Dafür werden unterschiedliche Proben sowohl nasschemisch als auch spektroskopisch analysiert. Dadurch wird ein Datensatz für die Erstellung des mathematischen Modells zur Auswertung der 2D-Fluoreszenzspektren erzeugt. Mit diesem Ansatz könnten die für Steuerungs- und Regelungsaufgaben im Klärwerk wichtigen Summenparameter in Zukunft in Echtzeit und ohne die aufwändige nasschemische Analyse bereitgestellt werden. Durch das Zusammenspiel von Inline-Sensorik und multivariater Analyse wäre es trotz schwankender Abwasserzusammensetzungen dann möglich, Energie und aufwändig herzustellende Betriebsstoffe wie Ozon nur in dem Maße einzusetzen, wie es zum Einhalten der gesetzlichen Grenzwerte tatsächlich erforderlich ist. Auch die Unterscheidung verschiedener organischer Abwasserkomponenten wie Proteine oder Huminstoffe wäre möglich.

Es gibt bereits mathematische Modelle, die aus diesen Korrelationen auf die Werte der Summenparameter schließen. Wenn diese Modelle fortlaufend erhobene Inline-Messdaten verarbeiten, die die Tauchsonden liefern, wird die Analysegenauigkeit perspektivisch immer weiter zunehmen. Betreiber bekämen so Inline-Zugriff auf den Status ihrer Wasseraufbereitungsprozesse und könnten die Betriebsstrategien entsprechend anpassen.

Interessierte sind herzlich eingeladen, sich auf der IFAT 2026 am Gemeinschaftsstand der Fraunhofer-Gesellschaft (Halle B2, Stand 115) eingehend über das neue 2D Fluoreszenzmessverfahren und dessen Einsatzpotenzial zu informieren.