Nachhaltige Beleuchtung mithilfe künstlicher Proteine
Weiße Leuchtdioden werden zunehmend in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, von der Innenbeleuchtung mit weicher Fokussierung über die Straßenbeleuchtung bis hin zu Fahrzeugscheinwerfern. Weiße Leuchtdioden bestehen aus einem hochenergetischen Chip, der von einem anorganischen Leuchtstoff – in der Regel ein Seltenerdelement und/oder eine giftige Verbindung – bedeckt ist, der blaues Licht teilweise in gelb-oranges Licht umwandelt. Diese beiden Emissionen ergeben in Kombination eine weiße Beleuchtung. „Die allgemeine Beleuchtung auf der Basis von weißen Leuchtdioden ist die effizienteste Beleuchtungstechnologie, die wir bisher haben“, erklärt Rubén Costa, Projektkoordinator von ARTIBLED(öffnet in neuem Fenster), der an der Technischen Universität München(öffnet in neuem Fenster) in Deutschland tätig ist.
Nachhaltige Entwicklung der LED-Technologie
Die Verwendung von Seltenen Erden und toxischen Verbindungen in weißen Leuchtdioden wird allerdings seit langem als ein großes Hindernis für die nachhaltige Entwicklung dieser Technologie angesehen. Das Projekt ARTIBLED wurde ins Leben gerufen, um dieses Problem anzugehen, indem emittierende Proteine in Polymerbeschichtungen als farbkonvertierende Filter entwickelt werden. „Das Projekt betraf vier wesentliche Herausforderungen“, sagt Costa. „Wir mussten zunächst organische Emitter finden, die den Arbeitsbedingungen standhalten, und dann Proteingerüste entwerfen, um diese organischen Emitter weiter abzuschirmen. Anschließend mussten wir die Produktion sowohl der Farbstoffe als auch der Proteine kosteneffizient hochskalieren und schließlich eine für praktische Anwendungen geeignete Protein-Polymer-Zusammensetzung finden.“ Diese Ziele wurden dank eines Projektkonsortiums erreicht, dem Fachleute für organische Chemie und Proteindesign angehörten. Unterstützt wurden diese Fachleute von Gruppen für Theorie, Bioinformatik und Spektroskopie. „Das Projektteam hat gemeinsam über 80 verschiedene Emitter und 10 000 Proteindesigns untersucht, um zwei künstliche fluoreszierende Proteine mit niedriger und mittlerer Energie zu erhalten“, fügt Costa hinzu. „Außerdem wurde die hochskalierte Produktion von Proteinen erfolgreich etabliert.“
Zwei Arten künstlicher fluoreszierender Proteine
Costa erkennt den Erfolg von ARTIBLED in zweierlei Hinsicht. „Zunächst konnten wir künstliche fluoreszierende Proteine entwickeln, die im niederenergetischen Teil des Spektrums mit bemerkenswerter Photolumineszenz-Quantenausbeute und Photostabilität emittieren“, bemerkt er. „Dieses erste Protein könnte für die Photonenfluoreszenz zu medizinischen Zwecken oder als neuartiger Biomarker eingesetzt werden.“ Das zweite künstliche Protein mit einer effizienten und breiten mittleren Emissionsbande könnte für die Konzeption von Einkomponenten-Protein-Farbfiltern für weiße Emission verwendet werden. „Normalerweise werden für diesen Vorgang mehrere Arten von fluoreszierenden Proteinen oder Emittern benötigt, was zu Farbverfälschungen führt, die mit den unterschiedlichen Photobleichungsraten der einzelnen Proteine zusammenhängen“, fügt Costa hinzu.
Beleuchtung, Bildgebung und Fluoreszenzmikroskopie
Auf diese Weise hat das Projektteam von ARTIBLED nachgewiesen, dass künstliche fluoreszierende Proteine zur Herstellung kostengünstiger und hocheffizienter Farbfilter für weiße Leuchtdioden verwendet werden können, ohne dass Seltene Erden oder giftige Verbindungen eingesetzt werden müssen. Dieser Durchbruch könnte dazu beitragen, dass Europa weiterhin im Bereich der Beleuchtung die größten Innovationen hervorbringt. Costa erkennt ein breites Spektrum an Einsatzmöglichkeiten für diese hochemittierenden und stabilen Proteinmaterialien. „Wir haben zwei neue Familien von emittierenden künstlichen Proteinen gefunden, die für die Photonenmanipulation von großem Interesse sein könnten“, kommentiert er. „Außerdem behielten sie ihre ausgezeichneten Emissionseigenschaften in wasserbasierten Polymerbeschichtungen bei. Wir prüfen derzeit ihre Anwendung für eine Reihe von Beleuchtungszwecken sowie für die Bildgebung und Fluoreszenzmikroskopie.“
