Das Auge, das Helligkeits- und Farbunterschiede gut wahrzunehmen vermag, diente als Vorbild für die ersten optischen Meßverfahren. Die Photometrie begann sich im vergangenen Jahrhundert in Form von Transmissionsmessungen als gängige Methode in der quantitativen Analytik durchzusetzen, nachdem man die Zusammenhänge zwischen der Stoffkonzentration in einer Lösung und deren Farbtiefe erkannt hatte.

Mit der Verwendung von Glasfasern als Lichtleitern ergaben sich erste Ansätze für den Gebrauch von optischen Sensoren. Sie erweiterten die Meßverfahren, da sie nicht nur Untersuchungen im Durchlicht, sondern auch in Reflexion gestatten. Weil optische Sensoren zudem von elektrischen Feldern nicht beeinflußt werden, sind sie störunanfällig; und weil sie selbst keine Felder erzeugen, können sie auch in explosionsgefährdeten Zonen eingesetzt werden.

Ein typisches Beispiel für einen solchen optischen Meßfühler – in Analogie zu Meßelektroden auch Optode genannt – ist der Harnstoff-Sensor: In einer vor dem Lichtleiter fixierten Membran ist das Enzym Urease enthalten; befindet sich Harnstoff in der zu prüfenden wäßrigen Lösung, wird er abgebaut. Die dadurch bewirkte Verschiebung des pH-Wertes hat eine Farbänderung des als Indikator ebenfalls in der Membran enthaltenen Phenolrots zur Folge, die man über den Lichtleiter anhand der veränderten Reflexion registriert.

Auch die Auslöschung des Fluoreszenzlichts von Indikator-Molekülen läßt sich mit derartigen extrinsischen optischen Sensoren, bei denen die Glasfaser nur dem Lichttransport dient und die eigentliche Messung außerhalb erfolgt, beobachten (Bild 1). Nach diesem Prinzip funktionieren einige der kommerziell eingesetzten Sensoren zur Bestimmung geringster Mengen von Gasen wie etwa Sauerstoff, Kohlendioxid oder des Betäubungsmittels Halothan.

Bei einem anderen Typ, den intrinsischen Sensoren, macht man sich hingegen den Umstand zunutze, daß das zu untersuchende Medium direkt Ausbreitungsgeschwindigkeit und -richtung des Lichtes in der Faser beeinflußt (Bild 2). Je größer nämlich der Brechungsindex eines transparenten Materials ist, desto langsamer breitet sich das Licht darin aus. An der Grenzfläche zweier Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes wird zudem ein Teil des Lichtstrahls gebrochen, der übrige Teil reflektiert. Unter bestimmten Einfallswinkeln beim Übergang in ein Medium geringerer optischer Dichte wird Licht sogar vollständig reflektiert (diese Totalreflexion nutzt man gerade bei der Lichtübertragung in Glasfasern). Häufig verwendet man bei diesem Sensortyp dünne lichtleitende Schichten anstelle von Glasfasern, in denen Licht sich ebenfalls durch Totalreflexion führen läßt.

Das den Lichtleiter umgebende Medium kann die Ausbreitung des Lichtes auf zweierlei Weise beeinflussen: durch Schwächen der Lichtintensität oder durch Ändern des Brechungsindex. Die hier vorgestellten interferometrischen Verfahren beruhen auf dem zweiten Effekt, der in direkt beobachtbare Intensitätsänderungen umgesetzt wird.


Sensoren für organische Verbindungen

Organische Substanzen wie die bislang als Kühl- und Treibmittel eingesetzten Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW), das zur Textilreinigung verwendete Tetrachlorethylen oder verschiedene industriell genutzte Lösungsmittel gelangen in großen Mengen in die Umwelt. Zur Kontrolle dieser Emissionen sind zeit- und ortsaufgelöste Messungen in unmittelbarer Nähe der potentiellen Quellen erforderlich. Die herkömmliche Meßtechnik mit Probennahme und anschließender Aufbereitung und Analyse im Labor ist jedoch relativ aufwendig und teuer. Sensoren an der Schadstoffquelle, die auf Schwellenwerte für Einzel- oder Summenparameter ansprechen, können eine geeignete Vorauswahl treffen oder Warnmeldungen geben.

Mit sensitiven Schichtmaterialien und geeigneten Meßverfahren lassen sich so organische Stoffe detektieren. Als besonders geeignet für den Nachweis in Luft und Wasser haben sich dabei polymere Substanzen auf der Basis von Polydimethylsiloxanen erwiesen, in denen sich verschiedene organische Stoffe reversibel einlagern können. Zudem lassen sich aus ihnen dünne und stabile transparente Filme herstellen.

Wegen der geringen Dicke der Schichten erreichen die nachzuweisenden Substanzen ihre Sättigungskonzentration bei Raumtemperatur bereits innerhalb von wenigen Sekunden. Bei diesem Vorgang quillt das Polymer auf und ändert seinen Brechungsindex. Beide Effekte lassen sich für die Messung heranziehen; auf ihnen basieren die sogenannte reflektometrische Interferenz-Spektroskopie und die integriert-optische Interferometrie (siehe Kasten auf den Seiten 94 und 95).

Sowohl das relative Quellvermögen (die Änderung der Schichtdicke bezogen auf deren Ausgangswert) als auch die Änderung des Brechungsindex sind für ein bestimmtes Polymer – unabhängig von dessen Dicke – eindeutig mit der Konzentration der nachzuweisenden Substanz verknüpft. Infolgedessen ergeben sich für unterschiedliche Polymere bestimmte Empfindlichkeitsmuster, anhand derer sich Anwesenheit und Konzentration organischer Substanzen erkennen lassen (Bild 3).

Weil einige Polydimethylsiloxane wasserbeständig sind, eignen sie sich zur Überwachung der Schadstoffkonzentration sowohl in Luft als auch in Wasser. Gegenüber Schwankungen der Luftfeuchtigkeit – einem allgemeinen Problem in der Sensorik – sind sie relativ unempfindlich, da sie unpolar sind und deshalb Wassermoleküle mit ihnen kaum wechselwirken können.

Eingeschränkt wird der Einsatz derartiger Sensoren durch die Langzeitstabilität und die thermische Ausdehnung der Polymerschicht sowie durch das Rauschen und die Drift der für die Messung benötigten Lichtquelle. Gegenwärtig sind relative Schichtdickenänderungen von 10-5 meßbar; damit liegen die Nachweisgrenzen für organische Verbindungen im Bereich der gesetzlichen Grenzwerte.


Detektion von Säure- und Laugendämpfen

Weitere bedenkliche Schadstoffe sind Gase mit saurem oder basischem Charakter wie Schwefeldioxid, Säuredämpfe und Ammoniak, die aus großtechnischen Anlagen freiwerden. Das stechend riechende Ammoniak wird außerdem in zunehmendem Maße als Ersatzstoff für die umstrittenen Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe in Kühlanlagen verwendet.

Dünne Polymer- oder mikroporöse Kieselgelfilme, in denen Indikator-Farbstoffe eingebettet sind, vermögen auf solche Substanzen zu reagieren. Indikator-Farbstoffe sind organische Verbindungen, die in Gegenwart von Wasser entweder als schwache Säure oder als Base vorliegen können, wobei die beiden Zustände unterschiedliche Farben aufweisen. Den Umschlag zwischen beiden Farben bewirkt die Aufnahme oder Abgabe von Protonen (Wasserstoff-Ionen).

Dringt zum Beispiel Ammoniak als basischer Stoff in die Sensorschicht ein, werden das Indikator-Gleichgewicht und damit die Farbe des Filmes verändert. Dies ist gleichbedeutend mit einer Änderung des Brechungsindex, die man mit der integriert-optischen Interferometrie direkt nachweisen kann. Bei den spektral messenden reflektometrischen Verfahren wird das Interferenzmuster in dem Wellenlängenbereich moduliert, in dem der Indikator-Farbstoff absorbiert.

Die eingesetzten Indikatoren müssen gegenüber dem Meßlicht und den Wechselwirkungen mit der Filmmatrix stabil sein; die Farbumschlagsreaktion muß sich zudem umkehren lassen. Die Ansprechzeiten solcher Sensoren liegen im Bereich von 20 Sekunden bis zu einigen Minuten und sind damit länger als die der zuvor beschriebenen Sensoren für organische Verunreinigungen. Da für die Einstellung des Indikator-Gleichgewichtes geringe Mengen Wasser unabdingbar sind, erweisen sich polare mikroporöse Kieselgelfilme als weit bessere Trägermaterialien als die unpolaren Polydimethylsiloxane, die nur sehr schwer Wasser aufnehmen. Auch in diesem Falle ist aber eine Abhängigkeit des Sensorsignals vom Wassergehalt der Luft zu beobachten.

Immunosensoren

Die Biosensorik ist eines der künftig wohl bedeutendsten Einsatzgebiete für optische Sensoren (vergleiche Spektrum der Wissenschaft, September 1992, Seite 99). Zum Beispiel lassen sich nach dem Vorbild des menschlichen Immunsystems spezifische Moleküle detektieren.

Eine bedeutende Rolle in diesem Abwehrsystem, mit dem der Körper zwischen eigenen und körperfremden Substanzen unterscheidet, spielen Antikörper: Proteine, die ganz bestimmte Strukturen – ihre Antigene – erkennen und mit ihnen stabile Komplexe bilden können. Da mit ihnen sehr selektive Nachweise möglich sind, führt man bereits viele analytisch-chemische Verfahren mit Antikörpern durch.

Zur Herstellung eines Immunosensors fixiert man die Antikörper auf einer Oberfläche durch Adsorption oder durch chemische Bindung. Ist das zu ihnen passenden Antigen vorhanden, wird es von den Antikörpern erkannt und gebunden (Bild 4). Weil dieser Vorgang an sich kein starkes Signal hervorruft, ist sein direkter Nachweis schwierig. Deshalb setzt man bei den meisten immunanalytischen Verfahren markierte Substanzen (beispielsweise Fluoreszenzfarbstoffe oder Enzyme) ein, um ein zusätzliches Signal zu erzeugen.

Außer Verfahren, welche die geringe Änderung der Masse durch die Bindung der Antigene erfassen (zum Beispiel mit piezoelektrischen Sensoren), sind vor allem optische Methoden dienlich. Da aber die meisten Antigene farblos sind, lassen sich übliche photometrische Verfahren, die auf einer Farbänderung beruhen, nicht anwenden. Nutzen kann man jedoch den Unterschied zwischen den Brechungsindizes von Wasser (1,33) und Proteinschichten (1,40 oder größer), wie sie bei der Bindung an eine Oberfläche entstehen.

Mit integriert-optischen Interferometern läßt sich der Brechungsindex einer dünnen Flüssigkeitsschicht von etwa einem Mikrometer Dicke über dem Lichtleiter messen. Wenn sich nun an die Oberfläche des einen Interferometerarmes ein Proteinmolekül bindet, wird das wäßrige Umgebungsmedium verdrängt und der Brechungsindex an dieser Stelle des Lichtleiters erhöht. Dadurch kommt es zu einer Phasenverschiebung zwischen der mit Protein belegten Meßstrecke und der unveränderten Referenzstrecke. Dies bewirkt eine Änderung des Ausgangssignals, die man mit einem einfachen Photodetektor messen kann.

Da typische Proteinmoleküle nur wenige Nanometer (millionstel Millimeter) groß sind, finden auf der Oberfläche der Meßstrecke mehrere hundert Millionen Platz. Die Signaländerung ist proportional zur gebundenen Proteinmenge. Mit den gegenwärtig zur Verfügung stehenden Sensor-Bausteinen ergibt sich für eine deckende Schicht aus Proteinmolekülen am Ausgang des Interferometers ein Wechsel von maximaler zu minimaler Intensität – dies entspricht einem Gangunterschied von einer halben Wellenlänge.

Bei Einsatz der reflektometrischen Interferenz-Spektroskopie, mit der sich die Dicke dünner Filme messen läßt, kann man hingegen bei der Bindung von Proteinen an den Lichtleiter die Zunahme der Schichtdicke direkt verfolgen.

Entscheidend für die Funktion beider Signalwandler-Typen ist die Belegung der Oberflächen mit einer biologisch aktiven Komponente – entweder Antikörpern oder entsprechenden Antigenen. Im einfachsten Falle kann die Komponente einfach adsorbiert werden; will man aber eine definierte Sensoroberfläche erhalten, muß sie chemisch fest gebunden sein.

Sind die nachzuweisenden Moleküle klein, ändern sie bei der Anlagerung an den Sensor den Brechungsindex nur geringfügig und sind deshalb mit den beschriebenen interferometrischen Verfahren recht schwer zu detektieren. In solchen Fällen ist darum ein anderer Testaufbau zu wählen: Für den Nachweis von Schädlingsbekämpfungsmitteln zum Beispiel gibt man gleichzeitig mit der Probe sogenannte Konjugate – große Moleküle, an die der Giftstoff gebunden ist – in bekannter Konzentration auf den Sensor. Die kleinen Pestizid- und die großen Konjugatmoleküle treten nun in Konkurrenz um die Bindungsstellen der Antikörper; der Anteil der gebundenen großen Moleküle ist dabei um so größer, je weniger Pestizid in der Probe vorhanden ist. Mit einem solchen Ansatz untersuchen wir zur Zeit im Rahmen des Umweltprogramms der Europäischen Union die Möglichkeit, Pestizide in Wasser nachzuweisen.

Bei oberflächengebundenen Immunreaktionen kann sich höchstens eine einzelne Schicht aus angelagerten Molekülen bilden. Damit liegt eine Obergrenze für die untersuchten Immunreaktionen fest. Die Brauchbarkeit des Signalwandlers für diese Anwendung muß also unter anderem daran gemessen werden, wie gut er das Anlagern einer etwa zehn Nanometer dicken Proteinschicht auflösen kann.

Während diese direkten Verfahren für Routineanalysen vielfach noch zu aufwendig sind, bieten sie der Forschung die faszinierende Möglichkeit, den Bindungsvorgang von Antigen und Antikörper in Realzeit zu verfolgen – bisher konnte immer nur indirekt und oft erst nach Stunden auf das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen Antigen und Antikörper geschlossen werden. Aus dem Ablauf der Bindungsreaktion sind dann Größen zugänglich, die anderweitig nur schwer zu erhalten wären. Anhand dieser Meßergebnisse lassen sich konventionelle Antikörpertests verbessern, aber auch die Wechselwirkungen von Zell-Rezeptoren mit Wirkstoffen untersuchen.

Das unspezifische Signal der direkten Immunosensoren schränkt freilich ihren Einsatz ein: Aus der Änderung der Schichtdicke allein läßt sich nämlich nicht ohne weiteres entscheiden, ob das gesuchte Material aus der Probe durch einen Antikörper spezifisch gebunden wurde oder ob sich lediglich andere, besonders klebrige Komponenten der Probe an der Oberfläche angeheftet haben. Die Herstellung von möglichst unempfindlichen Oberflächen ist darum eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz dieser Sensoren.


Perspektiven

Für die Praxistauglichkeit einer Sensortechnologie spielen außer ihrer Leistungsfähigkeit – die vor allem durch die Empfindlichkeit und die Nachweisgrenze, aber auch durch die Spezifität, die Ansprechzeit und die Reversibilität bestimmt wird – viele wirtschaftliche Gesichtspunkte eine Rolle: die Fertigungstechnologie, die Verfügbarkeit der eingesetzten Komponenten, der Stückpreis und die möglichen Anwendungen.

Die hier vorgestellten Sensoren weisen bereits jetzt eine hohe Empfindlichkeit auf. Dennoch ist für manche Anwendungen eine weitere Verbesserung insbesondere der sensitiven Schichten und des Signalwandlers selbst wünschenswert. Auch die Langzeitstabilität des Sensorsignals, die bei der Umweltüberwachung vor Ort gewährleistet sein muß, ist zu verbessern. Wir untersuchen zur Zeit, ob sich dies erreichen läßt, indem man durch Vergleich mit einem zweiten ähnlichen, aber inaktiven Sensor Drifteffekte kompensiert.

Während Immunosensoren sehr spezifische Substanzen nachweisen, sprechen Polymersensoren auf bestimmte Stoffgruppen an. Wo höhere Spezifität erforderlich ist, kann man verschiedene Polymere einsetzen, die sich in ihrem Ansprechverhalten unterscheiden. Wir sind damit erfolgreich verfahren, als wir Gemische aus zwei oder drei Stoffen unter Verwendung neuronaler Netze analysieren wollten. Auch für Bereiche, in denen selbst das hohe Unterscheidungsvermögen von Antikörpern nicht ausreicht, scheint uns diese Strategie vielversprechend. So sollten sich mit einem Sensorarray zum Beispiel Pestizide und ihre chemisch eng verwandten Abbauprodukte unterscheiden lassen.

Beide hier beschriebenen Signalwandler – das reflektometrische Interferenz-Spektrometer und das integriert-optische Interferometer – haben eine aktive Oberfläche von weniger als einem Quadratmillimeter. Diese geringe Größe ermöglicht die Integration dieser Sensortechniken in kompakte Systeme zur Probenhandhabung.

Der einfache Aufbau des Sensorelements für die Interferenz-Spektroskopie erlaubt zudem eine sehr preisgünstige Herstellung und damit die Fertigung von Einwegsensoren, wie man sie in vielen Bereichen benötigt. Das Diodenzeilen-Spektrometer ist derzeit noch die aufwendigste Komponente in diesem System und hat bei Laborgeräten etwa die Größe eines Schuhkartons. Verschiedene Firmen und Institute entwickeln aber derzeit Kompaktgeräte – zum Teil mit Mitteln der integrierten Optik –, die nur noch die Größe einer Streichholzschachtel aufweisen und immer billiger zu fertigen sind.

Integriert-optische Interferometer hingegen sind derzeit noch sehr teuer. Sensoren auf dieser Basis bieten sich darum vor allem für Langzeitanwendungen an.

Auch Mehrfachsensoren haben interessante Perspektiven, da sich ohne weiteres fünf bis sechs Interferometer nebeneinander in einem gläsernen Chip herstellen lassen. Bei steigendem Bedarf der Telekommunikationsindustrie für integriert-optische Komponenten ist mit einem ähnlichen Preisverfall wie bei Halbleiterkomponenten zu rechnen. Einige Forschergruppen arbeiten auch daran, solche Bauteile auf Siliciumbasis in einem gewöhnlichen Halbleiterfertigungsprozeß herzustellen. Erweist sich dieser Ansatz als erfolgreich, könnten integriert-optische Komponenten sehr effizient in großer Stückzahl gefertigt werden.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1994, Seite 92
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH