Messprinzip (Optischer Bestimmung)

Abbildung 1: Aufbau eines optischen Sauerstoffsensors und Darstellung des Messprinzips.

Abbildung 1: Aufbau eines optischen Sauerstoffsensors und Darstellung des Messprinzips.

Während bei elektrochemischen Sensoren die Sauerstoffreduktion an der Elektrodenoberfläche erfasst wird, beruht das optische Verfahren auf einer Energieübertragung zwischen einem angeregten Luminophor und Sauerstoff. 

Die Hauptkomponenten eines optischen Sensors sind zwei LED-Leuchten im Inneren des Sensors und eine mit Luminophoren bedeckte Membran an der Sensorspitze. Ein Luminophor ist ein Stoff, der Licht aussendet, nachdem er zuvor mit einem Licht kürzerer Wellenlänge angeregt wurde. Die in der Sensorspitze eingebetteten Luminophore werden mit blauem Licht einer LED angestrahlt. Der Luminophor nimmt diese Energie auf und gibt einen Teil dieser in Form von roter Lumineszenz wieder ab. Ein Detektor im Zentrum des Sensors erfasst das emittierte rote Licht der Luminophore und misst dessen Intensität und Lebensdauer. Die Intensität und Lebensdauer der Lumineszenz hängt von der Konzentration an gelöstem Sauerstoff in einer Probe ab. Um den Einfluss von Sauerstoff auszuwerten, wird das rote Licht einer Referenz-LED verwendet, welche nicht von Sauerstoff beeinflusst wird.

Ist Sauerstoff in einer Probe vorhanden, übertragen die Luminophore einen Teil der aufgenommenen Energie nach Anregung an die Sauerstoffmoleküle weiter. Dieser Vorgang wird auch als Quenching bezeichnet. Das Quenching bewirkt, dass die Luminophore weniger Energie über die Emission von Licht freigeben und verringert so die Intensität und Lebensdauer der Lumineszenz in Gegenwart von Sauerstoff.

Auswertung der Lumineszenz Lebensdauer

Der optische Sensor von Lovibond verwendet zur Bestimmung der Konzentration an gelöstem Sauerstoff die Methode der lebensdauerbasierten Lumineszenz. Diese Methode hat gegenüber der intensitätsbasierten Lumineszenz den Vorteil, dass der optische Sensor langfristig stabiler und eine Kalibrierung kaum notwendig ist. 
Der Grund dafür ist, dass natürliche Alterungsprozesse der Luminophore keinen Einfluss auf die Lebensdauer der Lumineszenz haben, wohl aber auf die Intensität.

Um die Lebensdauer der Lumineszenz zu analysieren, wird die rote Referenz-LED verwendet. Das Licht der Referenz-LED ist mit einer konstanten Frequenz getaktet. Das emittierte Licht der Luminophore weist die gleiche Taktung auf, jedoch mit einer zeitlichen Verzögerung gegenüber dem Referenzlicht. Diese Zeitverzögerung wird als Phasenverschiebung (phi) bezeichnet. Die Phasenverschiebung ist abhängig vom Sauerstoffgehalt in der Probe. In Abwesenheit von Sauerstoff erreicht die Phasenverschiebung ihr Maximum (Abbildung 2 A). Mit steigender Konzentration an gelöstem Sauerstoff nimmt die Phasenverschiebung kontinuierlich ab (Abbildung 2 B).

 

Phasenverschiebung

Abbildung 2: Messung der Phasenverschiebung in Abwesenheit (A) und Anwesenheit von gelöstem Sauerstoff (B). 

Die Änderung der Phasenverschiebung bei verschiedenen Konzentration ist nicht-linear und kann mithilfe der sogenannten Stern-Volmer-Gleichung berechnet werden, sobald zwei Messpunkte bekannt sind. Die Ergebnisse lassen sich als Kalibrierkurve darstellen. Die entsprechenden Kalibrierdaten sind auf der mitgelieferten SD-Karte hinterlegt und sind dem jeweiligen Sensor über einer Seriennummer exakt zugeordnet. 

Etwas ist schief gelaufen - Lovibond Water Testing and Colour Measurement

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