Az optikai elven működő kémiai szenzorokban az analitikai jelet a minta és elektromágneses sugárzás között fellépő kölcsönhatás alapján képezzük. Mivel ezen kölcsönhatások vizsgálatához az asztali műszerekben szokásos foton források, analizátorok és detektorok szükségesek, ezért tisztázni szükséges, hogy mi a különbség a miniatürizált spektrométerek és az optokémiai szenzorok között. Az optokémiai szenzorok a spektrofotometriás mérőcellák olyan módosításának tekinthetők, amelyekben (vagy amelyek felületén) olyan kémiai receptorréteget alakítanak ki, ami a mérendő kémiai komponens szelektív megkötődését (feldúsulását) okozza, miáltal a mérhető optikai jel nagysága és a mérés szelektivitása is nő. Amennyiben ilyen kémiai érzékelő réteg nincs az elrendezésben, akkor nem beszélhetünk optokémiai szenzorról, csak miniatürizált spektrométerről . Természetesen a két elrendezés kombinációja is megvalósítható. Az alábbi kép egy abszorpcós elven működő, miniatürizált, száloptikás spektrométeres mérést mutat be.
Száloptikás abszorpciós spektrometriai mérés vázlata
A fény és a minta kölcsönhatásának típusa alapján abszorpciós, reflexiós, transzmissziós, törésmutató mérésen, polarizációs vagy fluoreszcens elven működő optikai szenzorokat különböztetünk meg. A legegyszerűbb elrendezésekben a méréshez szükséges optikai elemeket egy asztali spektrométer szolgáltatja, a fény mintához illetve onnan vissza vezetését optikai szálak felhasználásával oldják meg. Ezzel az elrendezéssel a fényforrás és a detektor a mintától távol tartható, csak az optika szálakat kell a mintához vezetni. Az optikai szálak felépítésével és működésével bővebben a 3.5. fejezet foglalkozik.
Optikai szenzor kialakításának legegyszerűbb esete, amikor egy optikai szál végén egy alkalmas receptor réteget (pl. savas vagy lúgos kémhatású anyagok érzékelésekor egy sav/bázis indikátort) immobilizálnak. Az indikátornak a mintával kialakuló kölcsönhatása nyomán létrejövő színváltozás mérése (pl. fényabszorpciós vagy fluoreszcenciás spektrum megváltozása alapján) juthatunk az analitikai információhoz a szokásos spektroszkópiai módszerekkel. A megfelelő indikátor kiválasztása gondos mérlegelést igényel, mivel a minta molekulákkal képződött komplex stabilitásának kicsinek kell lennie a reverzibilitás eléréséhez (regenerálhatósághoz), azonban kellően stabilnak kell lennie ahhoz, hogy megbízható, reprodukálható jel képződjön kis koncentrációk esetén is.
Az indikátorok helyett lehetséges más szelektív kémiai felismerést lehetővé tévő komponensek rögzítése is az optikai szenzorokon. Ilyenek lehetnek többek között az immunkémiai detektálást lehetővé tévő antitestek vagy antigének. Ekkor a szenzor felületén immobilizált molekulához nagy szelektivitással kötődik a ligandum. A kapcsolat létrejöttét a nagy érzékenysége miatt általában fluoreszcens detektálással valósítják meg.
Az optikai szenzoroknál nem csak az optikai szál végén kilépő fény energiája használható fel az minta gerjesztésére. A szálon végighaladó fény ugyanis – megfelelő körülmények között – visszaverődik a szál faláról, miközben energiájának egy része kicsatolódik a fényvezetőt határoló közegbe. Az ilyenkor a közeghatáron átlépő fény az evaneszcens hullám, amelynek behatolási mélysége mindössze 100-200 nm, miközben intenzitása exponenciálisan lecsökken. Tehát csak a hullámvezető felszínéhez közel lévő molekulák gerjeszthetők vele (evaneszcens tér).
Az evaneszcens tér kialakulása
Az evaneszcens elektromágneses tér intenzitásának csökkenése leírható az alábbi egyenlettel:
ahol I(Z) a felszínre merőlegesen a közeghatártól z távolságra mért intenzitás, Io a beeső fény közeghatáron mért intenzitása, d a behatolási mélység és z a hullámvezető felszínétől mért távolság.
A behatolás mélysége (d) pedig az alább egyenlettel adható meg:
Az evaneszcens tér nagysága tehát függ a beeső fénynyaláb hullámhosszától (λ), a beesési szögtől (α) és a két közeg törésmutatójától (n1, n2), általában 30-300 nm közötti távolság. Az ilyen elven működő szenzorokat teljes belső visszaverődésen alapuló vagy ATIR (attenuated total internal reflection) szenzoroknak nevezik.
Az evaneszcens tér tulajdonságait kihasználó szenzorok esetében a becsatolt és a kilépő fény intenzitásának csökkenésén keresztül határozható meg a minta koncentrációja.
Hasonló elven működik a felületi plazmon rezonancia (Surface plasmon rezonance, SPR) spektroszkópia módszere is, azonban ez esetben a hullámvezetőt körülvevő közeg törésmutatójának változása okozza a jelváltozást. A hullámvezető felületét vékony (kb. 50 nm) fém réteggel bevonva, a fémben lévő felületi plazmonok (a vezetési elektronok mozgásához kapcsolódó elektronsűrűség hullámok) az elektromágnenses sugárzás (fény) hatására gerjeszthetők lesznek. Ennek feltétele, hogy a plazmonok energiája megegyezzen a fényimpulzus felülettel párhuzamos komponensével. Ekkor a fényimpulzus energiáját átveszi a felületi plazmon és egy rezonanciajelenség jön létre. A fény becsatolásához legtöbbször egy prizmát használnak. A prizma és a besugárzó fénynyaláb szögének változtatásával megtalálható az a beesési szög, melynél a rezonancia és így a gerjesztés létrejön, mivel ekkor a kilépő fény intenzitásában egy minimum észlelhető. A létrejövő evaneszcens hullám ez esetben is a mintának csak egy kis, néhány 100 nm-es mélységébe hatol be, ezért csak a felület közeli pl. adszorbeálódott mintarétegek elemezhetők. A gerjesztett felületi plazmon az energiájának egy részét emittálja, ami detektálható lesz. Az érzékenység (a szög mérésének pontossága) érdekében polarizált fénynyalábbal végzik ezt a mérést.
Egy SPR készülék működési elve
Általánosságban elmondható, hogy a hagyományos spektroszkópiai módszerek átültethetők optikai szenzorokkal elvégzett mérésekre is.
Az optódokat általában az optikai szálas érzékelőkhöz készített célkészülékekkel, száloptikás fotométerekkel használják. Ezek kisméretű, kompakt eszközök, melyek a detektáláshoz szükséges alkatrészeket tartalmazzák. Az optikai elrendezése gyakran Czerny-Turner rendszerű, mozgó alkatrészek nélküli (lásd 3. fejezet).
Fluoreszcenciás bemerülő szonda segítségével történhet pl. az oldott O2 koncentráció meghatározása. Ehhez egy modulált LED fényforrástól (vagy diódalézertől) érkező optikai szál végére például egy hidrofób rétegben immobilizált ruténium-fenantrolin [(Ru(phen)3)]2+ fluorofor réteget rögzítenek. Ez a fluorofor 447 nm-en gerjeszthető és 600-630 nm-es hullámhosszú fényt emittál. A gerjesztett fluorofor triplett állapotú oxigén molekulának ütközés révén átadja az energiáját, ezzel a fluoreszcenciára képes molekulák száma csökken. A fluoreszcencia csökkenés tehát arányos a szenzorréteggel érintkező gáz vagy folyadék oxigén koncentrációjával. Az emittált fényt egy interferencia szűrő után a detektor felé vezető optikai szál vezeti el, ahol a jelátalakítás megtörténik. Az emittált fény intenzitása és az oxigén parciális nyomása közti összefüggést a Stern-Volmer egyenlet adja meg:
ahol I0 a 0% oxigén mellett mért intenzitás, I a pO2 parciális oxigén nyomás esetén mért intenzitás, τ a fluoreszcencia élettartam, k a Stern-Volmer együttható, amely a szenzorra jellemző érték és a hőmérséklet is befolyásolja.
Sav-bázis tulajdonsággal rendelkező vegyületek (pl. NH3, CO2, NO) koncentrációja sav-bázis indikátorok receptor rétegként való alkalmazásával meghatározható. Ezen megoldások szelektivitása igen gyenge, de egyes alkalmazásokban megfelelő.
Az SPR elrendezésben meg kell különböztetni az Otto- és a Kretschmann-elrendezésű rendszert. Az Otto-rendszerű SPR készülékben a prizmához közel, az evaneszcens téren belül viszik a fémréteget, de az nem érintkezik a prizmával, míg a gyakoribb, Kretschmann-elrendezésnél az üvegre közvetlenül párologtatják rá az Au filmet. A legújabb módszerek közé tartozik az SPRI képalkotás (SPR Imaging), ahol egy kamera segítségével folyamatosan nyomon követik az adszorpció folyamatát, a megkötődött molekulák mennyiségét.
Fluoreszcenciás mérésekkel érhető el a legalacsonyabb kimutatásai határ, mely a mM-μM tartományba esik. Alacsonyabb kimutatási határhoz rövidebb fluoreszcencia élettartam szükséges. A szenzor lineáris tartománya nagyjából egy nagyságrendnyi. A korábban említett O2 szenzor esetén 2 μM kimutatási határ érhető el a fluorofor 1 μs fluoreszcencia élettartama mellett. Indikátort alkalmazva az optódoknál az indikátor pK-ja fogja meghatározni a szenzor dinamikus tartományát, amely tipikusan kb. egy koncentráció nagyságrend. A kimutatási határt az indikátor mennyisége szabja meg, mivel nagyobb indikátor koncentrációnál nagyobb jelváltozás érhető el, azonban eközben egy hígabb mintából hosszabb idő alatt fogja csak a jelváltozást létrehozni. Ezek alapján így akár nM tartományt is el lehet érni, azonban a szenzorok válaszideje ekkor jelentősen megnő a tipikusan 1-5 perces értékről.
Az első SPR mérések során önszerveződő rétegek vastagságát vizsgálták az adszorpciójuk során. Ehhez a rezonancia frekvencia, vagyis a reflektancia minimum értékének eltolódását mérték. A rezonancia frekvencia eltolódás 0,1° nagyságrendű volt. Polimerek és biológiai minták vizsgálata ma is gyakori az SPR technikával. Napjainkra a nagyfelbontású eszközök 10-5 fok felbontással is képesek mérni (polarizált fény alkalmazásával), így a módszerrel elérhető kimutatási határ akár 50 pg/mm2is lehet.
Az optikai szenzorok nagy előnye, a távoli érzékelési lehetőség. A hullámvezetővel a fény néhány cm-től akár km-es távolságokra is eljuttatható az optikai eszközöktől. Mivel a teljes spektrális tartomány elemezhető, a szelektivitás ezáltal is növelhető.
Az optikai szenzorokat az elektrokémia szenzorokkal összevetve megállapítható, hogy az optikai szenzorok elektromágnesesen zavarvédettek, így pl. erős elektromos térben is használhatók. Referencia elektród nem szükséges hozzájuk, ami egyszerűsíti felépítésüket. Az optikai szenzorok hátrányai közé tartozik, hogy működésüket zavarhatják a környezetben előforduló intenzív fényforrások.