Leuchtstoff-konvertierte Lichtquellen für die fluoreszenzbasierte, patientennahe Labordiagnostik

Chiplabore fur Fluoreszenzanalysen, wie sie in der patientennahen Labordiagnostik eingesetzt werden, kombinieren Anforderungen aus der Medizintechnik und dem Verbrauchermarkt. Eine Lichtquelle, welche die Anforderungen aus beiden Bereichen vereint, ist zum aktuellen Zeitpunkt nicht bekannt. Entweder können im Laborkontext eingesetzte Gasentladungslampen mit einer hohen Strahldichte und einem kontinuierlichen Spektrum oder LEDs mit für den Verbrauchermarkt vorteilhaften Sicherheitsstandards, Leistungsaufnahmen sowie Kosten genutzt werden. Zweck der vorliegenden Arbeit ist die Identifikation einer Lichtquelle, die auf die Bedürfnisse der patientennahen Labordiagnostik zugeschnitten ist. ... mehrZentrale Hypothese ist, dass Leuchtstoff-konvertierte Lichtquellen, insbesondere wenn ein Laser den Leuchtstoff pumpt, Vorteile von Gasentladungslampen und LEDs kombinieren und einen geeigneten Kompromiss fur die patientennahe Labordiagnostik darstellen. Um das Potential Leuchtstoffkonvertierter Lichtquellen zu zeigen, erfolgt die Ableitung von Anforderungen an die Lichtquelle auf Basis von allgemeinen Überlegungen sowie konkreten Konzepten. Anschließend werden Anforderungen an verfügbare Leuchtstoffe auf Literaturbasis sowie in einem Charakterisierungssetup abgeglichen. Vielversprechende Konzepte finden eine praktische Umsetzung, die Vorteile in der Anwendung aufzeigt. Als Keramik gesinterter YAG:Ce3+- und LuGaAG:Ce3+-Leuchtstoff wurden als geeignetes Set identifiziert. Angeregt durch einen blauen Laser resultiert ein kontinuierliches Spektrum, das die für die Fluoreszenzanalyse relevanten Wellenlangen abdeckt, und eine im Vergleich zu LED-Lichtquellen mit kontinuierlichem Spektrum höhere Strahldichte aufweist. Durch die höhere Strahldichte der laserangeregten Remote-Leuchtstoffe ist die Umsetzung optimierter Beleuchtungssysteme sowie die Realisierung zusätzlicher Funktionen möglich. Die vorliegende Arbeit zeigt das Potential in einem miniaturisierten spektralen Filter und einer Beleuchtungseinheit mit anpassbarem Ausleuchtbereich. Da laserangeregte Remote-Leuchtstoffe eine Halbleiterlichtquelle zur Lichterzeugung nutzen, bieten diese ähnliche Vorteile wie die LED-Technologie. Mit einer hohen Strahldichte, einem kontinuierlichen Spektrum, der Verfügbarkeit bei relevanten Wellenlangen und vielen Vorteilen einer Halbleiterlichtquelle stellen laserangeregte Remote-Leuchtstoffe daher einen Kompromiss aus Gasentladungslampen und LED-Lichtquellen dar. Durch die vorteilhaften Eigenschaften bieten laserangeregte Remote-Leuchtstoffe das Potential, Chiplabore in der patientennahen Labordiagnostik substanziell weiterzuentwickeln.

Lab-on-Chip systems for fluorescence analysis are used in Point-of-Care diagnostics and combine requirements from laboratory technology and the consumer market. At the current point in time, no light source fulfilling the requirements from both domains is known. Best options are gas discharge lamps known from lab analysis and LEDs common in the consumer segment. While gas discharge lamps are beneficial due to their high radiance and continuous spectrum, they lack the advantages of semiconductor light sources as high safety, low power consumption, and cost-effectiveness. ... mehrThe purpose of this research is the identification of a light source matching the requirements from Point-of-Care diagnostics. The central hypothesis is that phosphor-converted light sources have the potential to combine the best of gas discharge lamps and LEDs, especially when pumped by a laser. To show the potential of phosphor-converted light sources, requirements on the light source are derived based on general considerations as well as practical concepts. The identified set of requirements is used to evaluate available phosphor materials identified in a literature research and expert interviews. A detailed comparison of selected phosphor samples is done in a characterization setup. Most promising concepts and phosphors are realized as prototype showing the benefits of laser-excited remote phosphors in practice. Result of the investigation is a set of best-suited phosphors YAG:Ce3+ and LuGaAG:Ce3+ sintered as ceramic. Excited by a blue laser, a continuous spectrum covering all relevant wavelengths for the fluorescence analysis results. In comparison to LEDs with a continuous spectrum, the emitted radiance is increased. The increased radiance allows the realization of optimized illumination systems and additional functionality. This research shows the potential with a miniaturized spectral filter and an illumination system with increased field of view. As laser-excited remote phosphors utilize a semiconductor light source for light generation, they provide similar advantages as the LED technology. Due to the combination of high radiances, a continuous spectrum, availability at required wavelengths, and many advantages of semiconductor light sources, laser-excited remote phosphors fill the technology gap between gas discharge lamps and LEDs. Because of its beneficial properties laser-excited remote phosphors show enormous potential to significantly develop lab-on-chip analyzer at the Point-of-Care.