NanoPhotometer NP80

Special: SynthetiSche Biologie & Biotechnologie
Weiße Bio­LEDs
Leuchtmittel aus Bakterienproduktion
Es werde Licht
Lichtemittierende Dioden
liegen voll im Trend. Sogar Biologen
beschäftigen sich schon
damit – und stellen biologische
Leuchtmittel in Bakterien her.
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Spätestens seit Abschaffung der guten alten,
aber leider ziemlich viel Energie fressenden
Glühbirne ist die Entwicklung neuer
Leuchtmittel in vollem Gang. Vor allem
Lichtemittierende Dioden, kurz LEDs, die
sich durch enorm lange Haltbarkeit bei
gleichzeitig sehr hoher Energieeffizienz
auszeichnen, haben in den letzten Jahren
einen kräftigen Entwicklungssprung getan.
LEDs liefern Licht durch die Umwandlung
von Spannung in Photonen, was von Halbleitermaterialien
bewerkstelligt wird. Dieses
Phänomen namens Elektrolumineszenz
wurde 1907 entdeckt, kurz darauf aber
nachhaltig wieder vergessen.
Von der Wahl des Halbleiters hängt ab,
welche Farbe das LED-Licht hat. Beispielsweise
leuchtet Indiumgalliumnitrid
(InGaN) blau, während Galliumnitrid
(GaN) grünes Licht emittiert. LEDs,
die weißes Licht emittieren (WLEDs)
gibt es nicht. Weißlicht entsteht durch
eine RGB-Kombination, also durch die
Verwendung von roten, grünen und
blauen LEDs. Die additive Mischung
der Spektralfarben nimmt der Mensch
als weißes Licht wahr. Eine andere
Möglichkeit, weißes Licht zu erzeugen,
ist die so genannte Down Conversion
oder Lumineszenzkonversion.
Hier nutzt man Lumineszenzfarbstoffe
(meist Phosphorverbindungen), die
sich durch energiereiches, blaues Licht
dazu anregen lassen, längerwelliges
Licht zu emittieren. Durch die Kombination
verschiedener Farbstoffe lassen
sich (fast) jeder Farbton und auch
verschiedene Weißtöne erreichen.
Inzwischen kann man LEDs für Licht von
blau bis hellrot, kalt- und warmweiß, dazu
dimmbar, sowie auf der Rolle und auch in
Form von Glühbirnen und Halogenleuchten
kaufen. Zwar sind gute LEDs noch
immer teurer als vergleichbar effiziente
Leuchtstofflampen – aber das wird sich
wohl bald ändern.
Jetzt wird’s bio!
Was hat nun dieser Exkurs in die Physik
mit Lebenswissenschaften, speziell mit
Synthetischer Biologie, zu tun? Tatsächlich
sind auch Biologen in die Entwicklung von
LEDs eingestiegen. Okay, genaugenommen
ist es ein Team aus Materialwissenschaftlern
und Biologen, die sich an der
Universität Erlangen damit beschäftigen:
die Gruppe des Chemikers und Materialwissenschaftlers
Rubén Costa und die des
Biologen Uwe Sonnewald.
Wie bei (Molekular-)Biologen wohl
nicht anders zu erwarten, setzen sie, wenn
es um Licht geht, auf Fluoreszenzmoleküle,
also auf GFP und dessen inzwischen zahllose
Varianten. Die Erlanger entwickelten
nun organische LEDs auf der Basis von rot,
grün und blau leuchtenden GFPs, nämlich
Uwe Sonnewald (h., l.), Rubén Costa (h., m.)
und ihr „Beleuchter­Team“.
mCherry (rot), eGFP (grün) und mTagBFP
(blau). Transgene E. coli-Bakterien produzieren
die Proteine – sie sind der „Bio-Anteil“
an dieser Entwicklung.
Fotos (2): AG Costa
Natürlich gibt es bereits LEDs auf der
Basis organischer Moleküle, nämlich solche
mit Polymeren. Diese leuchten angeregt
durch die Delokalisation von Pi-Elektronen,
die über die Länge der Polymermoleküle
konjugiert sind. Man nennt solche
Bauteile OLEDs. Die Polymere lassen sich
auf biegsame, flexible Folien drucken und
liefern hohen Kontrast. Daher werden sie
vorwiegend für Displays in Mobiltelefonen,
Digitalkameras und so weiter verwendet.
Es gibt auch OLED-Fernsehbildschirme –
aber die sind noch sehr teuer, daher nicht
weit verbreitet.
Wenn aber die OLEDs doch schon so
gut funktionieren, warum soll man dann
noch weitere Farbstoffe testen? Und mit
biologischen Fluoreszenzmolekülen ausgerechnet
auch noch solche, die bekanntermaßen
eine endliche Lebensdauer haben
und ziemlich schnell irreversibel ausbleichen?
Sonnewald erklärt: „Wir haben einen
Trick: Eine Matrix, in die wir die Fluoreszenzmoleküle
einbetten.“ Diese Matrix
entwickelte Kollege Costa. Entscheidend
ist, dass die Licht-aussendenden
Moleküle auch bei zunehmendem Wasserentzug
und mildem Vakuum – die
technischen Voraussetzungen für den
Betrieb von LEDs – stabil bleiben. Vakuum
deshalb, weil die leuchtenden
Substanzen empfindlich auf Sauerstoff
reagieren. Wichtig ist außerdem:
Hitze vermeiden. „Diese Matrix ist
kein Hexenwerk, sondern besteht aus
kommerziell erhältlichen Polymeren,
die gummiartig und damit biegsam
werden, wenn sie eintrocknen. Sie
schützt so die Proteine. Und auch die
optischen Eigenschaften der Matrix,
etwa der Brechungsindex, passen prima
zu einer LED“, sagt Costa. Und so
haben die Forscher eine Bio-inspirierte
Hybrid-WLED oder kurz bioHLED gebastelt.
Hybrid deshalb, weil Halbleiter,
wie man sie in klassischen LEDs benutzt,
das kurzwellige Anregungslicht erzeugen,
welches die Proteine zur Fluoreszenz anregen
(Adv. Mater. 2015, 27: 5493).
4/2016 Laborjournal