AT524748B1 - Optische Einheit für die Messung von Fluoreszenzlicht - Google Patents

Abstract

Bei einer optischen Einheit (1) für die Messung von Fluoreszenzlicht bei einer optochemischen Detektion von Bestandteilen eines Fluids, wobei ein mit einer Grundplatte (11) festlegbares Gehäuse (2), wenigstens eine Lichtquelle (3), einen mit Licht der Lichtquelle (3) anregbaren Fluoreszenzfarbstoff (6) sowie einen von dem Fluoreszenzfarbstoff (6) ausgesandtes Fluoreszenzlicht detektierenden Photodetektor (4) aufweist, weist das im Wesentlichen ringförmig ausgebildete Gehäuse (2) in seinem Inneren die wenigstens eine Lichtquelle (3) und den Photodetektor (4) auf, ist der Photodetektor (4) von einem Abschirmelement (5) umgeben, sind das Abschirmelement (5) und das Gehäuse (2) im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet, weist das Abschirmelement (5) und das Gehäuse (2) eine einander im Wesentlichen entsprechende Höhe auf und ist an der von der Grundplatte (11) abgewandten Oberseite des Gehäuses (2) der Fluoreszenzfarbstoff (6) angeordnet.

Description

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Einheit für die Messung von Fluoreszenzlicht bei einer optochemischen Detektion von Bestandteilen eines Fluids umfassend ein Gehäuse, wenigstens eine Lichtquelle, einen mit Licht der Lichtquelle anregbaren Fluoreszenzfarbstoff sowie einen, von dem Fluoreszenzfarbstoff ausgesandtes Fluoreszenzlicht detektierenden Photodetektor.

[0002] Optische Einheiten, wie z.B. optochemische Sensoren werden zur Messung von unterschiedlichsten Fluiden, wie Gasen, Flüssigkeiten oder auch Mischungen derselben sowohl in medizinischen, biologischen oder biochemischen sowie in Lebensmittel- und sonstigen Labor- oder Industriebereichen vermehrt eingesetzt, um das Vorhandensein oder die Abwesenheit von bestimmten Substanzen rasch und zuverlässig detektieren zu können. Als Gase, deren An- oder Abwesenheit mit derartigen Sensoren bestimmt werden können, sind beispielsweise Sauerstoff, CO», aber auch Ozon oder Ammoniak anzuführen. Weiterhin können mit derartigen Sensoren im medizinischen Bereich beispielsweise durch Messung von Biomolekülen oder pathogenen Stoffen bestimmte Rückschlüsse auf Prozesse wie die Wundheilung, die Verunreinigung von Wunden, die An- oder Abwesenheit von bestimmten Erregern oder dgl. gezogen werden, indem sie beispielsweise zur Messung des pH-Werts, welcher für die Rückschlüsse auf derartige Vorgänge herangezogen werden kann, eingesetzt werden.

[0003] Es können jedoch auch optochemische Sensoren beispielsweise zur Überprüfung der Qualität von in Lagern gelagerten Lebensmitteln wie Obst oder Getreide herangezogen werden. Es wird anhand der in dem Lager befindlichen Gaskonzentration bestimmt, ob beispielsweise Fäulnis oder Schimmelprobleme auftreten bzw. auftreten könnten, welche durch die Emission von bestimmten Gasen, die mit den optischen Einheiten detektiert werden können, erkennbar sind.

[0004] Das Funktionsprinzip von optischen Einheiten, wie optochemischen Sensoren beruht im Prinzip auf der Basis einer Wechselwirkung eines durch Licht anregbaren Stoffes mit dem zu vermessenen Analyten, wobei die anregbare Substanz mit Licht einer bestimmten geeigneten Wellenlänge angeregt wird und die Moleküle nach ihrer Anregung bei der Rückkehr in ihren ursprünglichen Zustand die aufgenommene Energie in Form von Fluoreszenzlicht abgeben, welches Fluoreszenzlicht durch Wechselwirkungen mit dem Analyten gelöscht wird. Um eine derartige Fluoreszenzlöschung detektieren zu können, ist es erforderlich, dass das Fluoreszenzlicht einerseits eine ausreichende Intensität aufweist, und andererseits das nicht gelöschte Fluoreszenzlicht auf einen Detektor reflektiert bzw. abgestrahlt wird, welcher aus der Messung von Eigenschaften des Lichts, z.B. der Intensität des Lichts oder der Lebensdauer des Fluoreszenzlichts, die An- oder Abwesenheit eines Analyten detektiert.

[0005] Die durch das eingestrahlte Licht anzuregende Substanz, der Fluoreszenzfarbstoff, ist hierbei üblicherweise ein sogenannter Fluorophor, welcher während des Einsatzes einer optochemischen Einrichtung entweder in direktem Kontakt mit der zu messenden Substanz steht oder aber mit einer für die zu detektierenden Substanz durchlässigen Abdeckung gegenüber schädlichen Umwelteinflüssen geschützt ist. Während eines Betriebs einer derartigen Einrichtung wird der Fluoreszenzfarbstoff üblicherweise von der der zu messenden Substanz abgewandten Seite bestrahlt, angeregt und das nicht gelöschte Fluoreszenzlicht auf einen geeigneten Detektor, welcher ebenfalls von der zu vermessenden Probe abgewandt bzw. in einem gegenüber der zu vermessenden Probe geschützten Gehäuse vorgesehen ist, aufgenommen bzw. eingefangen, gegebenenfalls verstärkt und in der Folge gemessen.

[0006] Insbesondere bei Einsatz von derartigen optischen Einheiten im medizinischen oder biologischen Bereich ist es wesentlich, dass sie möglichst klein dimensioniert sind und dass sie bevorzugt in sogenannten Mikrogesamtanalystensystemen zum Einsatz gelangen können.

[0007] Die Frage der Größe derartiger optischer Einheiten erlangt somit eine immer größere Bedeutung, da sich nicht nur ihr Einsatzbereich in letzter Zeit drastisch erweitert hat, sondern bei-

spielsweise auch versucht wird, in kleinbauenden, beispielsweise medizinischen Geräten neben den weiteren erforderlichen Vorrichtungen, wie beispielsweise im Falle eines Katheters, die in Wunden einbringbaren Werkzeuge, von optischen Einrichtungen, um den Zustand vor Ort beobachten zu können oder dgl. auch direkt und ohne besonderen Aufwand beispielsweise die Anund Abwesenheit von zu untersuchenden Analyten nachweisen zu können, hat es sich als besonders wesentlich erwiesen, dass derartige optische Einheiten miniaturisiert werden und so kleinbauend ausgebildet werden können, dass sie in Mikrochips integriert oder auf Leiterplatten festgelegt werden können, was mit gegenwärtig zur Verfügung stehenden Systemen nicht oder nicht ausreichend erreicht werden kann.

[0008] Wenn derartige optische Einheiten in Chips integriert werden, stellt es ein regelmäßig auftretendes Problem dar, dass eine Trennung des Fluoreszenzlichts von dem Anregungslicht mittels eines Spektrometers oder mittels optischer Filter geschehen muss, was sich als nicht zufriedenstellend erwiesen hat, da die Intensität des Anregungslichts üblicherweise bedeutend höher als die Intensität des erzeugten Fluoreszenzlichts ist, was insbesondere bei miniaturisierten Systemen ein Problem in Bezug auf die Messgenauigkeit darstellt, da Streulicht die Messung stören bzw. verfälschen kann.

[0009] Aus der WO 2015/058221 A2 ist bereits eine derartige Vorrichtung bekannt geworden, bei welcher sowohl die Anregungslichtquelle als auch der Detektor auf einer parallel zu dem Messelement angeordneten Grundplatte festgelegt sind, bei welcher die Anregungslichtquelle und Detektor durch wenigsten einen Teil einer Materialstärke einer Abdeckhaube voneinander getrennt sind und die Vorrichtung weiterhin so ausgebildet ist, dass Anregungslicht in einem derartigen Winkel auf das Messelement auftrifft, dass das von dem Messelement emittierte Fluoreszenzlicht senkrecht auf einen Detektor auftrifft.

[0010] Aus der US 2005/0237518 A1 ist ein Hochleistungsfluoreszenzsensor bekannt geworden, bei welchem eine Lichtquelle und ein Fotodetektor durch eine lichtundurchlässige Trennwand getrennt sind und das von der Lichtquelle emittierte Licht auf einen Fluoreszenzfarbstoff auftritt und mittels interner Reflexion auf den Detektor geleitet wird. Die Lichtquelle und der Detektor sind hierbei in einer Ebene angeordnet und die das Fluoreszenzlicht erzeugende Substanz ist von sowohl der Lichtquelle als auch dem Detektor durch Anordnen einer eine bestimmte Dicke aufweisenden Wellenleiterschicht getrennt. Die Wellenleiterschicht ist hierbei so ausgebildet, um die Signalstärke des durch interne Reflexion gebildeten Fluoreszenzlichts zu maximieren.

[0011] Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine derartige optische Einheit baulich weiter zu vereinfachen und weiter zu miniaturisieren, so dass sie in miniaturisierten Detektionseinrichtungen wie Testköpfen für minimalinvasive Untersuchungen und. dgl. einsetzbar ist.

[0012] Die Erfindung zielt weiterhin darauf ab, eine optische Einheit bereitzustellen, mit welcher es gelingt, unterschiedlichste zu vermessende fluide Substanzen gleichzeitig anzuregen und zu detektieren, so dass beispielsweise der Sauerstoffgehalt einer Umgebung ebenso wie aus der Zersetzung von Stoffen herrührende Stickoxide bzw. Ammoniak mit ein und demselben Sensor gemessen und detektiert werden können.

[0013] Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße optische Einheit im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Grundplatte festgelegte, im Wesentlichen ringförmig ausgebildete Gehäuse in seinem Inneren die wenigstens eine Lichtquelle und den Photodetektor aufweist, dass der Photodetektor von einem Abschirmelement umgeben ist, dass das Abschirmelement und das Gehäuse im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind, dass das Abschirmelement und das Gehäuse eine einander im Wesentlichen entsprechende Höhe aufweisen, dass an der von der Grundplatte abgewandten Oberseite des Gehäuses der Fluoreszenzfarbstoff angeordnet ist, und dass der Fluoreszenzfarbstoff (6) und/oder der Photodetektor (4) mit einer, eine Porenweite von 0,1 um bis 100 um, vorzugsweise 1 um bis 20 um ausgebildeten Lichtschutzmembran abgedeckt ist.

[0014] Dadurch, dass das auf der Grundplatte festgelegte, im Wesentlichen ringförmig ausgebildete Gehäuse in seinem Inneren die wenigstens eine Lichtquelle und den Photodetektor aufweist,

gelingt es, eine besonders kleinbauende optische Einheit auszubilden, welche beispielsweise an der Spitze eines medizinischen Testkopfs angeordnet werden kann. Durch das Fehlen von jeglichen Ecken bzw. kantigen Bereichen am Außenumfang der Einheit ist eine derartige optische Einheit unmittelbar auch in empfindlichsten Umgebungen wie Gewebe, zur Testung von empfindlichen Oberflächen oder dgl. einsetzbar. Indem weiterhin ein Photodetektor von einem Abschirmelement umgeben ist, gelingt es, den Störeinfluss von Licht aus der Lichtquelle auf den Photodetektor hintanzuhalten und sicherzustellen, dass lediglich Licht, das vom Fluoreszenzfarbstoff emittiert wird, auf den Photodetektor auftrifft oder auf diesen geleitet wird. Um diesen Effekt noch weiter zu verstärken, ist gemäß der Erfindung das Abschirmelement so ausgebildet, dass das Gehäuse und das Abschirmelement im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind und eine einander im Wesentlichen entsprechende Höhe aufweisen. Durch diese Anordnung kann eine Lichtquelle in unmittelbarer Nachbarschaft zum Photodetektor angeordnet werden, da aufgrund der konzentrischen Anordnung von Gehäuse und Abschirmelement einerseits sichergestellt ist, dass im Wesentlichen die gesamte Lichtausbeute der Lichtquelle nach oben auf den Fluoreszenzfarbstoff treffen muss und andererseits durch die Ausbildung des Abschirmelements mit im Wesentlichen der gleichen Höhe wie jener des Gehäuses sichergestellt ist, dass das unbeabsichtigte Auftreffen von Licht aus der Lichtquelle unmittelbar auf den Photodetektor, welche ein Störlicht für jede optochemische Messung darstellen würde, vermieden oder wesentlich reduziert wird. Um zu gewährleisten, dass insbesondere bei Einsatz in der Praxis bzw. bei unmittelbarem Kontakt der optischen Einheit mit zu messenden Substanzen es nicht zu einer Beschädigung der optischen Einheit, insbesondere des Fluoreszenzfarbstoffs derselben kommt, ist gemäß der Erfindung der Fluoreszenzfarbstoff und/oder der Photodetektor mit einer eine Porenweite von 0,1 um bis 100 um, vorzugsweise 1 um bis 20 um ausgebildeten Lichtschutzmembran abgedeckt ist. Wenn die Lichtschutzmembran Porenweiten zwischen 0,1 um und 100 um, vorzugsweise zwischen 1 um und 20 um aufweist, wird sichergestellt, dass eine Beschädigung des Fluoreszenzfarbstoffs hintangehalten ist und gleichzeitig jedoch gewährleistet ist, dass anzuregende Substanzen mit dem Fluoreszenzfarbstoff wechselwirken können.

[0015] Indem weiterhin in an sich bekannter Weise auf der von der Grundplatte abgewandten Oberseite des Gehäuses der Fluoreszenzfarbstoff aufgebracht ist, wird aufgrund der extrem kleinbauenden Ausbildung der optischen Einheit sichergestellt, dass sämtliches von der Lichtquelle ausgesandtes Licht unabhängig davon, ob es im Inneren des Gehäuses ein- oder mehrfach reflektiert wird oder über einen Lichtleiter geführt wird, jedenfalls auf den Fluoreszenzfarbstoff trifft.

[0016] Indem die Ausbildung so getroffen ist, dass auf der Oberseite des Gehäuses lediglich der Fluoreszenzfarbstoff aufgebracht ist, wird sichergestellt, dass nur das vom Fluoreszenzfarbstoff emittierte Fluoreszenzlicht auf den Photodetektor treffen kann. Da weiterhin jegliche reflektierenden Elemente in der optischen Einheit fehlen, wird weiterhin sichergestellt, dass kein Anregungslicht auf den Photodetektor reflektiert wird.

[0017] Mit einer derartigen Ausbildung gelingt es nicht nur extrem kleinbauende Vorrichtungen für eine optische Messung bzw. Detektion von Fluoreszenzlicht bereitzustellen, sondern auch die Bauhöhe der optischen Einheit gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen noch weiter zu reduzieren, wodurch einerseits die Messgenauigkeit erhöht werden kann und andererseits störungsfrei eine eine hohe Lichtausbeute aufweisende Messung des Fluoreszenzlichts gewährleistet werden kann.

[0018] Indem, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, die optische Einheit so ausgebildet ist, dass das Gehäuse an der von dem Träger abgewandten Oberseite offen ausgebildet ist und dass der Fluoreszenzfarbstoff auf einem einen Freiraum des Gehäuses ausfüllenden optischen Kleber aufgebracht ist, gelingt es, eine besonders einfach herzustellende optische Einheit bereitzustellen. Bei dieser optischen Einheit ist überdies durch das Ausfüllen des Freiraums in dem Gehäuse mit einem optischen Kleber sichergestellt ist, dass keinerlei störende Elemente in das Innere der optischen Einheit eingebracht werden. Andererseits wird dadurch eine Ausbildung gefunden, auf welche Fluoreszenzfarbstoff unmittelbar aufgetragen werden kann und somit die Lichtintensität der Lichtquelle, die auf diesen Fluoreszenzfarbstoff trifft, aufgrund des Fehlens

eines gesonderten Trägers maximiert werden kann.

[0019] Gemäß der Erfindung ist die optische Einheit so ausgebildet, dass das Gehäuse an der von der Grundplatte abgewandten Oberseite mit einer für von der Lichtquelle ausgesandtes Anregungslicht und zu detektierendes Fluoreszenzlicht durchlässigen Abdeckung verschlossen ausgebildet ist, wird eine gegenüber jener Ausbildung, in welcher der Freiraum mit einem optischen Kleber ausgefüllt ist, stabilere Konstruktion der optischen Einheit bereitgestellt, welche aufgrund der Ausbildung der Oberseite des Gehäuses aus für zu detektierendes Fluoreszenzlicht durchlässigem Material erreicht wird. Dadurch dass in das Innere, wo der Photodetektor angeordnet ist, nur von dem Fluoreszenzfarbstoff emittiertes Fluoreszenzlicht gelangt und nicht beispielsweise Streulicht von der Lichtquelle oder von einer äußeren Lichtquelle in das Innere der Optik eingetragen werden kann, gelingt es, die Messgenauigkeit der optischen Einheit deutlich zu erhöhen.

[0020] Für eine weitere Miniaturisierung der optischen Einheit ist die Erfindung dahingehend weitergebildet, dass unmittelbar auf der für das Anregungslicht und das zu detektierende Fluoreszenzlicht durchlässigen Abdeckung der Fluoreszenzfarbstoff aufgebracht ist. Bei einer derartigen Ausbildung gelingt es gegenüber herkömmlichen optischen Einheiten eine extrem dünne Abdeckung der optischen Einheit bereitzustellen und diese somit noch weiter zu miniaturisieren. Weiterhin gelingt es mit einer derartigen Ausbildung, die Lichtausbeute von sowohl der Lichtquelle als auch des Fluoreszenzfarbstoffs zu maximieren, da die Zahl der Schichten, welche zwischen den jeweiligen Lichtquellen und dem Fluoreszenzfarbestoff einerseits und dem Fluoreszenzfarbstoff und dem Photodetektor andererseits angeordnet sind, ebenfalls minimiert sind.

[0021] Indem, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, die optische Einheit so weitergebildet ist, dass das Gehäuse als Lichtleiter ausgebildet ist und dass die wenigstens eine Lichtquelle von einem Wandteil des Gehäuses überdeckt angeordnet ist, gelingt es, eine Einheit auszubilden, in welcher die wenigstens eine Lichtquelle von einem Wandteil des Gehäuses überdeckt angeordnet ist. Durch die Anordnung des Wandteils und der Lichtquelle ist somit die Ausbeutung von Streulicht zum Inneren ebenso wie zum Außeren der optischen Einheit zweifelsfrei vermieden ist. Indem weiterhin sämtliches Licht der wenigstens eine Lichtquelle durch einen Lichtleiter zur Oberseite der optischen Einheit transportiert wird und dort für die Anregung des Fluoreszenzfarbstoffs zur Verfügung steht, wird weiterhin die Lichtausbeute maximiert und es gelingt, ein gut zu detektierendes und von äußeren Lichteinflüssen unbeeinflusstes Lichtsignal für die Detektion in dem Photodetektor zu erhalten.

[0022] Es erübrigt es sich festzuhalten, dass hierbei das Gehäuse in einer Draufsicht als Kreisring, Ellipse oder sonstigen Form ausgebildet sein kann oder aber auch beispielsweise die Lichtquellen an den Ecken eines Vielecks angeordnet sein können und von säulenartigen Teilen des Gehäuses abgedeckt sein können.

[0023] Schließlich erübrigt sich festzuhalten, dass nicht sämtlichen Lichtquellen untereinander gleich sein müssen, sondern die Lichtquellen derart gewählt sein können, dass verschiedene Anregungswellenlängen emittiert werden.

[0024] Indem, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, die optische Einheit so ausgebildet ist, dass das Gehäuse als einseitig geschlossener Hohlkörper ausgebildet ist, dass an der geschlossenen Oberseite des Hohlkörpers ein im Wesentlichen trichterförmiges, die geschlossene Oberseite des Hohlkörpers mit dem Abschirmelement des Photodetektors verbindendes Wandelement angeordnet ist, gelingt es, jegliches Fluoreszenzlicht ausschließlich auf den Photodetektor zu leiten, wodurch sichergestellt wird, dass nicht Licht auch in das Innere der optischen Einheit reflektiert wird, insbesondere in jenen Bereich, der nicht vom Photodetektor bzw. seinem Abschirmelement eingenommen ist. Mit einer derartigen Ausbildung gelingt es somit auch schwache Fluoreszenzlichtsignale sicher und zuverlässig in den Photodetektor zu leiten, da gewährleistet ist, dass diese Signale frei von Lichteinflüssen sind.

[0025] Wenn, wie dies in einigen Fällen gewünscht ist, nur bestimmte Wellenlängen des Fluoreszenzlichts auf den Photodetektor geleitet werden sollen, ist die Erfindung dahingehend weiterge-

bildet, dass zwischen Photodetektor und Fluoreszenzfarbstoff weiterhin ein optisches Filter angeordnet ist.

[0026] Indem, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, die Ausbildung so getroffen ist, dass eine Mehrzahl von gegebenenfalls Licht mit voneinander verschiedenen Wellenlängen aussendenden Lichtquellen in dem Gehäuse oder von einem Wandteil des Gehäuses abgedeckt angeordnet sind und dass zwischen jeder einzelnen der Mehrzahl von Lichtquellen Abschirmelemente angeordnet sind, gelingt es, eine optische Einheit zur Verfügung zu stellen, mit welcher es möglich ist, verschiedene Analyten mit ein und derselben optischen Einheit anzuregen und zu messen, immer vorausgesetzt, dass die zu messenden Fluide und der Fluoreszenzfarbstoff durch die verschiedenen Wellenlängen angeregt werden können, wobei gegebenenfalls auch mehrere oder verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe auf der Oberseite der optischen Einheit angeordnet sein können. Die Art und Form der Anordnung ist hierbei beliebig.

[0027] Indem weiterhin die Ausbildung so getroffen ist, dass zwischen jeder einzelnen aus einer Mehrzahl von Lichtquellen Abschirmelemente angeordnet sind, wird gleichzeitig vermieden, dass gegebenenfalls von verschiedenen Lichtquellen ausgesandtes Anregungslicht sich ungehindert im Inneren einer optischen Einheit ausbreiten kann und somit Licht mit verschiedenen Anregungswellenlängen auf eine zu vermessende Probe enthaltend verschiedene anregbare Substanzen trifft, so dass es möglicherweise zu einer Löschung von Fluoreszenzlicht vor seiner Detektion kommt. Um das zu vermeiden, sind Abschirmelemente angeordnet, welche eine unbeabsichtigte Ausbreitung von Anregungslicht vermeiden. Indem weiterhin zwischen jeder einzelnen der Mehrzahl von Lichtquellen Abschirmelemente angeordnet sind, wird sichergestellt, dass das Anregungslicht mit genau definierten Wellenlängen auf das anzuregende Fluid trifft und in der Folge auf den Fluoreszenzfarbstoff auftrifft.

[0028] Für ein insbesondere kleinbauendes optisches Element bzw. eine optische Einheit ist die Erfindung dahingehend weitergebildet, dass die Grundplatte eine Trägerplatte für elektronische Bauteile ist. Mit einer derartigen Konstruktion gelingt es, optische Einheiten bereitzustellen, welche Teile einer integrierten Schaltung sein können oder aber unmittelbar mit Auswerteeinheiten verbunden werden können oder in diese integriert sind.

[0029] Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In diesen zeigen

[0030] Fig. 1 eine Seitenansicht im Schnitt einer ersten Ausbildung einer optischen Einheit gemäß der Erfindung,

[0031] Fig. 2 eine Draufsicht auf die optisch Einheit gemäß Fig. 1,

[0032] Fig. 3, 4 und 5 weitere Ausbildungen der optischen Einheit gemäß der Erfindung, und

[0033] Fig. 6 Sing Celalllertere Schnittansicht einer Variante einer optischen Einheit gemäß Fig. 1.

[0034] Im Einzelnen ist eine optische Einheit 1 aus einem Gehäuse 2 aufgebaut, in welchem Gehäuse 2 wenigstens eine Lichtquelle 3 enthalten ist, ein Photodetektor 4 vorgesehen ist sowie ein Abschirmelement 5. Das Abschirmelement 5 wird hierbei so ausgebildet, dass seine Höhe im Wesentlichen jener des Photodetektors 4 entspricht, so dass kein von der Lichtquelle bzw. der Photodiode 3 ausgesandtes Licht auf den Photodetektor 4 auftreffen kann, ohne dass dieses Licht vorher in Kontakt mit dem auf der Oberseite aufgebrachten Fluoreszenzfarbestoff 6 gelangen kann. Der Innenraum der optischen Einheit 1 ist bei der Darstellung gemäß Fig. 1 mit einem optischen Kleber 7 ausgefüllt, auf dessen Oberseite der Fluoreszenzfarbestoff 6 unmittelbar aufgebracht ist. Schließlich ist in der Ausbildung gemäß Fig. 1 noch ein optisches Filter 8 auf der Oberseite des Photodetektors 4 angeordnet.

[0035] Aus Fig. 2, welche eine Draufsicht auf die Ausbildung der optischen Einheit 1 von Fig. 1 darstellt, ist eindeutig ersichtlich, dass die optische Einheit 1 aus einem ringförmigen Gehäuse 2 ausgebildet ist, welches ringförmige Gehäuse 2 weiterhin säulenartige Elemente 9 aufweist, welche so angeordnet sind, dass sie die einzelnen Lichtquellen 3 gegeneinander abschirmen. Mit

dieser Ausbildung gelingt es beispielsweise, zwei Lichtquellen 3 im Inneren der optischen Einheit 1 anzuordnen, welche jeweils voneinander verschiedene Anregungswellenlängen aussenden können.

[0036] Den Photodetektor 4 umgebend ist ein Abschirmelement 5 angeordnet, welches in der Ausbildung von Fig. 1 und 2 als ringförmiges Abschirmelement 5 ausgebildet ist. In Fig. 2, welche ansonsten jener von Fig. 1 entspricht, ist überdies ein Fluoreszenzfarbstoff nicht gezeigt, da ansonsten ein Blick ins Innere der optischen Einheit 1 verdeckt wäre.

[0037] Fig. 3, in welcher die Bezugszeichen von Fig. 1 und 2 so weit als möglich beibehalten sind, zeigt eine andere Ausbildung der optischen Einheit 1 von Fig. 1.

[0038] Bei dieser Ausbildung ist das Gehäuse 2 so ausgebildet, dass es auf den Lichtquellen 3 aufruhend angeordnet ist. Das Gehäuse 2 ist bei dieser Ausbildung als ein Lichtwellenleiter ausgebildet, welcher für das von den Lichtquellen 3 ausgesandte Licht durchlässig ist. Zusätzlich zu der Tatsache, dass das Gehäuse 2 als Lichtwellenleiter ausgebildet ist, ist es abweichend von der Darstellung von Fig. 1 als geschlossenes Gehäuse ausgebildet, so dass es den gesamten Innenraum der optischen Einheit 1 abdeckt. Auf der Oberseite des Gehäuses 2 ist ein Fluoreszenzfarbstoff 6 aufgebracht. Bei der Darstellung von Fig. 3 ist ein optisches Filter 8 vorgesehen sowie das Abschirmelement 5. Das Abschirmelement 5 dient bei der Ausbildung gemäß Fig. 3 lediglich als Sicherheitsmerkmal, wenn beispielsweise aufgrund einer fehlerhaften Produktion das Gehäuse 2 nicht den gesamten Querschnitt der Lichtquelle 3 abdeckt und somit in unbeabsichtigter Weise Licht in das Innere der optischen Einheit 1 abgestrahlt wird. Insbesondere bei Massenanfertigung von derartigen optischen Einheiten 1 kann es zu einer derartigen, nicht exakten Positionierung des Gehäuses 2 auf der Lichtquelle 3 kommen, so dass, um ein störungsfreies Funktionieren der optischen Einheit 1 zu gewährleisten, das Abschirmelement 5 sicherheitshalber vorgesehen ist.

[0039] Im Gegensatz zur Ausbildung von Fig. 1 ist es jedoch bei der Ausbildung von Fig. 3 nicht erforderlich, dass der Hohlraum der optischen Einheit 1 mit einem optischen Kleber 7 ausgefüllt ist, da das Gehäuse als solches geschlossen ausgebildet ist.

[0040] Die Ausbildung gemäß Fig. 4 entspricht im Wesentlichen jener von Fig. 3 mit dem Unterschied, dass der Photodetektor 4 kleinbauender ausgebildet sein kann und zusätzlich eine Art trichterförmiges Leitelement 10 vorgesehen ist, welches Fluoreszenzlicht von Fluoreszenzfarbstoff 6 unmittelbar auf den Photodetektor 4 bzw. das optische Filter 8 leitet.

[0041] Fig. 5 entspricht in Bezug auf die Anordnung der Lichtquellen Fig. 1, wobei auch bei Fig. 5 das Gehäuse 2 als geschlossenes Gehäuse ausgebildet ist, auf dessen Oberseite der Fluoreszenzfarbstoff 6 aufgebracht ist. Bei einem derartigen geschlossenen Gehäuse muss zumindest jener Teil des Gehäuses 2 der als Trägerelemente, der für den Fluoreszenzfarbestoff 6 vorgesehen ist, d.h. die Abdeckung 2a für das Fluoreszenzlicht durchlässig ausgebildet sein, um auch bei dieser Variante ein unbeabsichtigtes Belichten des Photodetektors 4 durch Licht aus den Lichtquellen 3 zu vermeiden, so dass der Photodetektor 4 wiederum von einem Abschirmelement 5 umgeben ist.

[0042] Fig. 6 entspricht der Darstellung von Fig. 1, in welcher zusätzlich eine Grundplatte 11 vorgesehen ist, welche eine Elektronikplatine sein kann.

[0043] In der Darstellung von Fig. 6 ist das Gehäuse 2 ebenso wie das Abschirmelement 5 aus ein und demselben Material ausgebildet und beide Elemente sind, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, nicht lichtleitend ausgebildet.

[0044] In der Darstellung gemäß Fig. 6 sind Lichtquellen 3 jeweils in einem Sockel 12 aufgenommen, welcher unmittelbar auf die Elektronikplatine 11 gelötet ist. Bei dieser Variante ist wiederum der gesamte Hohlraum der optischen Einheit 1 mit einer optischen Vergussmasse bzw. einem optischen Kleber 7 ausgefüllt, welche(r) optische Kleber bzw. optische Vergussmasse 7 als Träger für den Fluoreszenzfarbstoff 6 dient.

[0045] Es erübrigt sich festzuhalten, dass die optische Einheit 1 gemäß der Erfindung auch in

einer Vielzahl von anderen Varianten ausgebildet sein kann und dass insbesondere das Abschirmelement 5 insbesondere bei jenen Varianten der optischen Einheit 1 gemäß der Erfindung, bei welchen die Lichtquelle unmittelbar vom Gehäuse 2 abgedeckt ist und dieses Gehäuse 2 die Lichtquelle auch vollständig übergreift, theoretisch weggelassen werden kann, jedoch aus Sicherheitsgründen, insbesondere aufgrund von in Massenproduktion immer wieder auftretenden Ungenauigkeiten beibehalten werden soll.

[0046] Sämtliche andere Konstruktionen bzw. Ausbildungen sind jedoch denkbar und der Vorteil der optischen Einheit gemäß der Erfindung ist, dass diese extrem kleinbauend ist und dass sie im Gegensatz zu bekannten optischen Einheiten es nicht erfordert, dass Fluoreszenzlicht senkrecht auf den Photodetektor auftreffen muss, da sie aufgrund der Miniaturisierung und des extrem knappen Abstands des Photodetektors zu dem Fluoreszenzfarbstoff 6 in der Lage ist, geringste Fluoreszenzlichtmengen einzufangen und sicher zu detektieren.

[0047] Weiterhin kann, wie dies auch festgehalten wurde, eine Mehrzahl von voneinander verschiedenen Lichtquellen in ein und derselben optischen Einheit angeordnet sein, um verschiedene Anregungslichtwellenlängen auf den/die Fluoreszenzfarbstoff(e) 6 aufzubringen. Es erübrigt sich festzuhalten, dass, sollte nicht ein und derselbe Fluoreszenzfarbstoff 6 mit mehreren voneinander verschiedenen Lichtwellenlängen anregbar sein, selbstverständlich entweder Mehrschichtenanordnungen des Fluoreszenzfarbstoffs oder segmentierte Anordnungen von verschiedenen Fluoreszenzfarbstoffen vorgesehen sein müssen.

[0048] Darüber hinaus sind Kombinationen von im Inneren der optischen Einheit 1 angeordneten freiliegenden Lichtquellen 3 sowie Lichtquellen 3, welche vom Gehäuse 2 abgedeckt sind, ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst.

Claims (9)

Patentansprüche

1. Optische Einheit (1) für die Messung von Fluoreszenzlicht bei einer optochemischen Detektion von Bestandteilen eines Fluids umfassend ein mit einer Grundplatte (11) festlegbares Gehäuse (2), wenigstens eine Lichtquelle (3), einen mit Licht der Lichtquelle (3) anregbaren Fluoreszenzfarbstoff (6) sowie einen von dem Fluoreszenzfarbstoff (6) ausgesandtes Fluoreszenzlicht detektierenden Photodetektor (4), dadurch gekennzeichnet, dass das im Wesentlichen ringförmig ausgebildete Gehäuse (2) in seinem Inneren die wenigstens eine Lichtquelle (3) und den Photodetektor (4) aufweist, dass der Photodetektor (4) von einem Abschirmelement (5) umgeben ist, dass das Abschirmelement (5) und das Gehäuse (2) im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind, dass das Abschirmelement (5) und das Gehäuse (2) eine einander im Wesentlichen entsprechende Höhe aufweisen, dass an der von der Grundplatte (11) abgewandten Oberseite des Gehäuses (2) der Fluoreszenzfarbstoff (6) angeordnet ist, und dass der Fluoreszenzfarbstoff (6) und/oder der Photodetektor (4) mit einer, eine Porenweite von 0,1 um bis 100 um, vorzugsweise 1 um bis 20 um ausgebildeten Lichtschutzmembran abgedeckt ist.

2, Optische Einheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) an der von dem Träger abgewandten Oberseite offen ausgebildet ist und dass der Fluoreszenzfarbstoff (6) auf einem einen Freiraum in dem Gehäuse (2) ausfüllenden optischen Kleber (7) aufgebracht ist.

3. Optische Einheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) an der von der Grundplatte (11) abgewandten Oberseite mit einer für von der Lichtquelle (3) ausgesandtes Anregungslicht und zu detektierendes Fluoreszenzlicht durchlässigen Abdeckung (2a) verschlossen ausgebildet ist.

4. Optische Einheit (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der für das Anregungslicht und das zu detektierende Fluoreszenzlicht durchlässigen Abdeckung (2a) der Fluoreszenzfarbstoff (6) aufgebracht ist.

5. Optische Einheit (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) als Lichtleiter ausgebildet ist und dass die wenigstens eine Lichtquelle (3) von einem Wandteil des Gehäuses (2) überdeckt angeordnet ist.

6. Optische Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Photodetektor (4) und Fluoreszenzfarbstoff (6) weiterhin ein optisches Filter (8) angeordnet ist.

7. Optische Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) als einseitig geschlossener Hohlkörper ausgebildet ist, dass an der geschlossenen Oberseite des Hohlkörpers ein im Wesentlichen trichterförmiges, die geschlossene Oberseite des Hohlkörpers mit dem Abschirmelement (5) des Photodetektors (4) verbindendes Wandelement angeordnet ist.

8. Optische Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von gegebenenfalls Licht mit voneinander verschiedenen Wellenlängen aussendenden Lichtquellen (3) in dem Gehäuse (2) oder von einem Wandteil des Gehäuses (2) abgedeckt angeordnet sind und dass zwischen jeder einzelnen der Mehrzahl von Lichtquellen (3) Abschirmelemente (5) angeordnet sind.

9. Optische Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (11) eine Trägerplatte für elektronische Bauteile ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen