Optische Sensoren

• Rotfilter
• Blaufilter
• 2 Identische Photodioden
• Trägerschicht
• Isolationsschicht
• Lumineszenzfarbstoff (Luminophor) 
• Zur Messsignalerfassung ein Transmitter

Gegenüber der konventionellen Sauerstoffmessung mit amperometrischen Sensoren 
weist die optische Messtechnik einige Vorteile auf: 

• Handhabung der Sensoren ist einfacher: 
• keine Polarisation notwendig; der Sensor ist sofort einsatzbereit. 
• kein Elektrolyt ausgetauscht oder nachgefüllt werden. 
• bei der optischen Messung wird kein Sauerstoff verbraucht. Aus diesem Grund sind die Messungen weniger stark von der Fliessgeschwindigkeit des Messmediums abhängig. 
• Ansprechzeiten optischer Sauerstoffsensoren sind in der Regel kürzer. 
• Optische Sauerstoffsensoren sind weniger empfindlich gegenüber Interferenzen wie CO2 oder SO2.

• Ionenselektive optische Sensoren
• optische pH-Sensoren
• optische Sauerstoffsensoren
• Sensoren mit Chromoreaktanden  

In den letzten Jahren wurden für zahlreiche wichtige Analyte wie beispielsweise O2, CO2, Ethanol, Lactat, Ca2+ optische chemische Sensoren entwickelt. 

Absorbtion

Wird Licht mit der Intensität I₀ durch eine Küvette gestrahlt, kann die Lichtintensität durch eine absorbierende Substanz abgeschwächt werden. 

Lumineszenz

Wird ein Molekül durch Licht angeregt, kehrt es in der Regel strahlungslos wieder in den Grundzustand zurück, d.h. die zugeführte Lichtenergie wird in Wärme umgewandelt. Bei der Rückkehr in den Grundzustand kann ein Molekül auch Licht emittieren; man spricht dann von Lumineszenz oder Fluoreszenz.

Brechungsindex

Der Brechungsindex kennzeichnet die Brechung (Richtungsänderung) und das Reflexionsverhalten (Reflexion und Totalreflexion) von elektromagnetischen Wellen, die auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien auftreffen. 

Vorteile

• Für eine grosse Anzahl von Analyten sind selektive Reagenzien für Farbreaktionen bekannt.
• Viele Reaktionen, die von Biosensoren zur Detektion ausgenutzt werden (z.B. Antikörper-Antigen-Reaktionen) lassen sich elektrochemisch nicht oder nur mit ungenügender Empfindlichkeit beobachten
• Mit Hilfe der Faseroptik und der integrierten Optik kann eine sehr einfache Transduktion und eine weitgehende Miniaturisierung realisiert werden.
• Optoelektronische Bauelemente (Photodioden, LEDs) sind heute dank grossen Stückzahlen sehr preisgünstig.
• Optische Sensoren sind weniger anfällig auf elektromagnetische Störungen und erfüllen die Anforderungen der elektrischen Sicherheit, wie beispielsweise für invasive Messungen oder für Analysen in explosiver Umgebung.
• Oft kann bei optischen Sensoren auf ein Referenzelement verzichtet werden. Vielfach ist aber ein Bezugspunkt, z.B. einer Lichtintensität, auch bei optischen Sensoren notwendig. 

Nachteile

• Der dynamische Bereich von optischen Sensoren ist im Vergleich zu potentiometrischen Messmethoden meist bescheiden und beschränkt sich meist auf ca. 2 bis 4 Konzentrationsdekaden.
• Störeinflüsse sind beispielsweise durch Umgebungs- und/oder Streulicht sind möglich.
• Die Lebensdauer ist oft unbefriedigend, da viele Farbstoffe bzw. Indikatorreagenzien photochemisch oder thermisch nicht sehr stabil sind

Chromoraektanden sind Verbindungen, die ihre optischen Eigenschaften durch direkte, selektive Wechselwirkung mit dem Analyten ändern. Der chemische Erkennungsprozess ist in diesem Fall also direkt mit dem Transduktionsprozess gekoppelt.

Beispiel für Sensoren mit Chromoreaktanden:

Ethanol reagiert mit dem Trifluoroacetophenon ETHT 4001 reversibel zu einem Halbacetal. Bei dieser Reaktion ändert sich das chromophore Gerüst des Chromoreaktanden, was durch die Abnahme der Absorption bei ca. 500 nm sichtbar wird. 

Bei den ionenselektiven Optoden wird ein ionenselektiver Ionophor eingesetzt. Zusätzlich wird ein Chromoionophor in der Polymermembran gelöst; dabei handelt es sich um ein lipophiles Derivat eines pH-Indikators. Dieser reagiert selektiv mit H+ -Ionen und ändert dabei gleichzeitig seine spektralen Eigenschaften. Wird ein Analyt-Kation in die Membran aufgenommen und vom Ionophor I selektiv komplexiert, so muss zur Gewährleistung der Elektroneutralität ein anderes Kation die Membran verlassen. Der Chromoionophor C kann dieses Kation (ein H+ -Ion) abgeben. Er ändert dabei seine spektralen Eigenschaften und zeigt so indirekt über eine Farbänderung die Komplexierung der Analytionen durch den Ionophor an.

Chromophore Gruppen sind beispielsweise: Benzol, Naphthalin, Anthracen, Naphtacen 

Optische pH-Sensoren beruhen auf der Immobilisierung eines pH-Indikators in einem Polymer (z.B. weichgemachtes PVC, Cellulosederivate oder Hydrogel). Diese Verbindungen ändern ihr Absorptionsmass und in der Regel auch ihre Fluoreszenzintensität in Abhängigkeit des pHWerts der Messlösung.

• Die Anregungs- und Emissionswellenlänge sollte im sichtbaren Bereich des Spektrums liegen und kompatibel mit verfügbaren optoelektronischen Bauteilen sein.
• Der pKa-Wert sollte sich für die geforderte Anwendung eignen (der pKa-Wert definiert den Messbereich des Sensors)
• Wichtig ist zudem eine hohe Stabilität gegenüber Licht, hohen Temperaturen sowie eine hohe Chemikalienbeständigkeit

Beispielsweise kann zusätzlich zum pH-Indikator ein Referenz-Farbstoff in der Sensorschicht immobilisiert werden, der ein pH-unabhängiges Signal liefert (Abbildung 9.14). Dazu müssen beide Farbstoffe mit einer einzigen Wellenlänge λex angeregt werden können; die beiden Emissionsbanden λ_em1 und λ_em2 der Verbindungen sollten aber spektral gut aufgetrennt sein. Anstelle der Fluoreszenzintensität des pH-Indikators kann das Verhältnis der Intensitäten von pH-Indikator und Referenz-Farbstoff zur pH-Messung verwendet werden.

Optische Sauerstoffsensoren beruhen auf dem Prinzip der Fluoreszenzlöschung. Bei diesen Sensoren ist ein Fluoreszenzfarbstoff (beispielsweise Ruthenium-Komplex) in einer Polymer-Membran immobilisiert. Wenn Sauerstoff in der Umgebung vorhanden ist, vermindert dieser die Intensität der Lumineszenz, was als Lumineszenzlöschung oder als "Quenching" der Lumineszenz bezeichnet wird. Ursache dieses Intensitätsverlustes ist die Aufnahme der Energie des angeregten Rutheniumkomplexes durch den molekularen Sauerstoff. Dadurch wird die Intensität der Lumineszenz mit zunehmendem Sauerstoffgehalt kleiner 

Die verwendeten Lumineszenzfarbstoffe weisen oft eine ungenügende chemische und photochemische Stabilität auf. Daher kann die Intensität der Lumineszenzemission nicht direkt als Mass für den Sauerstoffgehalt herangezogen werden. Anstelle der Lumineszenzintensität misst man darum besser deren Lebensdauer, d.h. die zeitliche Verzögerung zwischen der Anregung und der gemessenen Lumineszenz. Je höher die Sauerstoffkonzentration, desto kleiner wird diese Zeitdifferenz 

Mit hohem Sauerstoffgehalt sinkt nicht nur die Intensität der Emission, sondern auch die Zeit zwischen der Anregung und dem Abklingen der Emission