Funktionsprinzip von Sauerstoffanalysatoren und Auswahlkriterien (2)
2. Prinzip der Fluoreszenzlöschung
Unter Fluoreszenzlöschung versteht man den Prozess, der zu einer Verringerung der Fluoreszenzintensität (I) und/oder der Abklingzeit (t) eines angeregten Zustands führt. Zahlreiche Faktoren können eine Löschung bewirken; die relevantesten sind jedoch Sauerstoff (O₂) und Temperatur. In Gegenwart eines Löschmittels [Q] – in diesem Fall O₂ – kommt es zu Kollisionen mit Fluorophoren, die über Fluoreszenz- (F) oder Phosphoreszenz- (P) Wege in den Grundzustand (S₀) zurückkehren, was zu einer Zunahme nichtstrahlender Prozesse führt. Mit steigender Konzentration von [Q] verstärkt sich dieser Prozess, was zu einem kontinuierlichen Rückgang der Fluoreszenzintensität (I) und/oder der Abklingzeit (t) führt; folglich lässt sich die O₂-Konzentration quantitativ bestimmen, indem diese Abnahme von I oder t gemessen wird – ein Zusammenhang, der durch die Stern-Volmer-Gleichung beschrieben wird.
Diese optische Technologie basiert auf einem hochgradig sauerstoffempfindlichen Lumineszenzindikator mit ausgezeichneter Leuchtkraft. Das Messprinzip beruht auf der Lumineszenzlöschung: Sauerstoffmoleküle kollidieren mit dem an der Sensorspitze oder -oberfläche immobilisierten Indikator, was zu einer von der Sauerstoffkonzentration abhängigen Verringerung der Emissionsintensität führt. Der Indikator kann durch sichtbares Licht im längerwelligen Bereich angeregt werden und zeigt eine sauerstoffabhängige Lumineszenz im nahen Infrarotbereich.
Dieser optische Messansatz zeichnet sich durch hohe Präzision, hohe Zuverlässigkeit, geringen Stromverbrauch, minimale Querempfindlichkeit und schnelle Reaktionszeiten aus. Der sauerstoffempfindliche Indikator weist im Vergleich zu Konkurrenzprodukten, die eine Anregung mit kürzerer Wellenlänge nutzen, eine deutlich höhere Lumineszenzhelligkeit auf. Daher konnte die Anregungsdauer für eine einzelne Sauerstoffmessung von typischerweise 100 ms auf nun typischerweise 10 ms verkürzt werden, wodurch die auf das Messsystem einwirkende Lichtdosis deutlich reduziert wurde. Darüber hinaus kann die Sensormatrix aufgrund der hervorragenden Lumineszenzeffizienz des Indikators wesentlich dünner hergestellt werden, was schnellere Ansprechzeiten der Sauerstoffsensoren ermöglicht.
Das Messprinzip basiert auf einem sinusförmig modulierten Anregungslicht. Dies führt zu einer phasenverschobenen, sinusförmig modulierten Emission im NIR-Bereich. Ein optischer Sauerstoffanalysator misst diese Phasenverschiebung. Die Phasenverschiebung wird anschließend auf Grundlage der Stern-Vollmer-Theorie in Sauerstoffeinheiten umgerechnet.
Die Mechanismen, die für die Leistungsminderung des Sensors verantwortlich sind, hängen in erster Linie mit dem Zustand der optischen Oberfläche, der Unversehrtheit der Sensor-Beschichtung und der Gültigkeit des Kompensationsmodells zusammen – und nicht mit einem chemischen Verbrauch. Dank dieser Eigenschaft kann der Sensor die Häufigkeit routinemäßiger Wartungsarbeiten in Anwendungen effektiv reduzieren, in denen elektrochemische Sensoren zu einer raschen Leistungsminderung neigen.
Da sowohl Temperatur als auch Druck das Lumineszenzverhalten und die Sauerstoffdiffusionseigenschaften beeinflussen können, verfügen moderne optische Sauerstoffsensoren in der Regel über Algorithmen zur Temperatur- und Druckkompensation, um die Messgenauigkeit unter wechselnden Umgebungs- und Prozessbedingungen aufrechtzuerhalten. Da zudem die Signalqualität in Echtzeit überwacht werden kann, birgt diese Technologie ein erhebliches diagnostisches Potenzial.