CN116806306A - 传感器装置和传感器布置结构 - Google Patents

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Abstract

在至少一个实施方式中，传感器装置(1)包括：构造成发射初级辐射(P)的光源(2)；‑包括多个检测器单元(31)的检测器(3)；以及‑包括金属纳米颗粒(51)、在几何上位于反射光学元件(4)与检测器(3)之间的传感器膜(5)，其中，‑传感器膜(5)构造成暴露于液体或气体(7)，并且‑检测器(3)构造成检测在暴露于液体或气体(7)时由传感器膜(5)引起的初级辐射(P)中的光谱变化。

Description

传感器装置和传感器布置结构
提供了传感器装置。此外，还提供了包括这种传感器装置的传感器布置结构。
待实现的目的是提供对液体或气体成分具有高灵敏度的紧凑型传感器装置。
该目的尤其是通过独立权利要求中限定的传感器装置和传感器布置结构来实现的。进一步优选的发展方案构成了从属权利要求的主题。
特别地，传感器装置包括借助于镜子照射检测器的光源，其中，金属纳米颗粒被施加到传感器膜上，或者光源直接位于传感器膜上方。检测器构造成测量由于金属纳米颗粒上的分子粘附而引起的光谱变化，其中，在传输构型中测量来自光源并在金属纳米颗粒处散射的光。
因此，不需要具有棱镜和透镜的大型光学器件，并且传感器装置的小型化是可能的，从而不需要台面解决方案。因此，不存在棱镜不对准的风险，并且该传感器装置特别具有成本效益。此外，作为传感器膜的金层可以由金纳米颗粒——简称GNP——代替，从而可以避免与典型的硅处理技术不兼容的技术、如物理气相沉积——简称PVD。
在至少一个实施方式中，传感器装置包括：构造成发射初级辐射的光源、包括多个检测器单元的检测器、以及几何上位于反射光学元件与检测器之间的包括金属纳米颗粒的传感器膜。传感器膜构造成暴露于液体或气体。此外，检测器构造成检测在暴露于液体或气体时由传感器膜引起的初级辐射中的光谱变化。因此，可以高精度地测量液体或气体的成分。
根据至少一个实施方式，光源是半导体光源。光源可能是窄带或宽带源。宽可以指发射光谱的半峰全宽为至少5nm或至少10nm或至少30nm，并且可以可选地为至多100nm或至多50nm。窄带可能意味着发射光谱的半峰全宽为至多4nm或至多1nm。如果需要宽带光源，可以组合具有不同峰值发射波长的多个窄带子光源。也有可能存在多于一个的相同类型的子光源来构成光源。光源或子光源可以构造成以连续波——简称cw——或脉冲模式或具有例如正弦波或方波的调制模式进行操作。
根据至少一个实施方式，检测器是半导体检测器、如光电二极管或相机。光电二极管可以像素化以形成检测器单元。例如，存在至少八个或至少16个检测器单元和/或至多2×104个或至多1×103个或至多1×102个检测器单元。所有的检测器单元可以是相同的构型，即具有相同的材料和/或尺寸和/或灵敏度，或者存在不同形式的检测器单元。
根据至少一个实施方式，传感器装置还包括反射光学元件。反射光学元件在光学上布置在光源与检测器之间。
根据至少一个实施方式，反射光学元件是镜面反射镜、如金属镜或布拉格镜。在其它方面，反射光学元件是漫反射表面、如白色塑料或白色陶瓷。
反射光学元件在光学上位于光源与检测器之间可能意味着来自光源的初级辐射仅在反射光学元件处反射时或主要在反射光学元件处反射时到达检测器。例如，到达检测器的辐射的至少95％或至少99％在反射光学元件处被反射。在光源与检测器之间没有必要存在与反射光学元件相交的直的连接线。
传感器膜在几何上位于反射光学元件与检测器之间可能意味着在反射光学元件与检测器之间存在与传感器膜相交的至少一条直的连接线。优选地，所有传感器膜在几何上位于反射光学元件与检测器之间。在这种情况下，传感器膜也在光学上位于反射光学元件与检测器之间。
根据至少一个实施方式，光源位于传感器膜上方。这可能意味着，从传感器膜的俯视图来看，光源直接位于传感器膜上方。替代性地或附加地，这可能意味着光源的主发射方向指向传感器膜、特别地直接指向传感器膜。例如，主发射方向是光源沿着其照射最高强度的方向。
传感器膜可以仅包括一种类型或不同类型的金属纳米颗粒。纳米颗粒的类型可以在平均尺寸、表面活性、材料和/或尺寸分布方面不同。
尽管传感器膜可以构造成暴露于液体或气体，但是优选地，传感器装置构造为类似电子鼻的气体传感器。因此，传感器装置可以构造成仅用于气体。
在暴露于液体或气体时由传感器膜引起的初级辐射的光谱变化可以是光谱偏移和强度变化中的至少一者。强度变化可以是负的，也就是说，纳米颗粒吸收初级辐射，也可以是正的，也就是说，存在荧光或磷光。可能存在具有负强度变化的第一光谱区域以及具有正强度变化的第二光谱区域。
根据至少一个实施方式，反射光学元件是抛物线型镜、特别地镜面反射抛物线型镜。也就是说，当从横截面看时，反射光学元件可以是旋转抛物面的一部分和/或可以具有至少一个抛物线型反射表面。反射光学元件可能仅沿着一个方向是抛物线形的，而沿着另一垂直方向没有任何曲率。
根据至少一个实施方式，反射光学元件是光源与检测器之间的光束路径中唯一的反射光学器件。因此，在该构型中，在光学上在光源与检测器之间仅存在一个镜子、即反射光学元件。在其他构型中，在光学上在光源与检测器之间可以存在多个镜子和/或反射光学元件。
根据至少一个实施方式，检测器构造成检测由金属纳米颗粒散射的次级辐射。次级辐射可以是初级辐射的一部分，或者例如由于荧光或磷光而可以是源自初级辐射的辐射。优选地，次级辐射仅仅是或主要是已经与纳米颗粒相互作用的这种辐射。主要可以指至少90％或至少95％或至少99％或至少99.8％的比例。特别地，检测器构造成仅检测次级辐射而不检测其他辐射。
根据至少一个实施方式，检测器单元中的至少一些检测单元被分配给不同种类的金属纳米颗粒。可选地，不同种类的金属纳米颗粒可以包括不同的受体外壳，使得检测器对待检测的液体或气体的一种或多种成分敏感。
例如，在文件US2020/0256793 A1中或于2018年7月19日出版的Anal.Chem.第2018,90,16,9879–9887中Sophie Brenet等人的文件“Highly-Selective OptoelectronicNose Based on Surface Plasmon Resonance Imaging for Sensing Volatile OrganicCompounds(基于表面等离子体共振成像的用于感测挥发性有机化合物的高选择性光电鼻)”—https：//doi.org/10.1021/acs.analchem.8b02036—中公开了可能的受体外壳。
根据至少一个实施方式，检测器单元中的至少一些检测器单元被分配给不同的波长区域。换句话说，检测器单元中的至少一些检测器单元在不同的光谱区域是敏感的。因此，通过对来自不同检测器单元的信号进行采样，可以测量次级辐射的光谱或部分光谱。在第一构型中，每个波长区域仅存在一个检测器单元，或者在第二构型中，对于波长区域中的至少一些或所有波长区域存在多个检测器单元。测量的光谱可以是连续的光谱，或者可以仅由远波长区域的几个参照点组成。换句话说，不需要测量次级辐射的全部光谱，而是关键或指纹波长区域可能就足够了。
作为替代方案，检测器单元仅被分配给一个波长区域，而可以存在附加的检测器单元来测量环境或背景亮度。
根据至少一个实施方式，传感器装置还包括分配给检测器单元的光谱过滤器。借助于光谱过滤器，可以定义波长区域。光谱过滤器可以是布拉格过滤器或材料过滤器。过滤器可以在吸收模式或反射模式下工作。
根据至少一个实施方式，光谱过滤器各自具有光谱传输窗，该传输窗的半峰全宽为至多10nm或至多5nm。例如，所述光谱传输窗具有至少1nm和/或至多4nm的宽度。
根据至少一个实施方式，至少一个或至少一些或所有传输窗位于金属纳米颗粒的消光光谱的长波长翼上。换句话说，至少一个相应的传输窗位于次级辐射的相应光谱带的“红色”斜坡上。
根据至少一个实施方式，传感器装置还包括一对偏振器，所述一对偏振器包括第一偏振器和第二偏振器。借助于偏振器，有可能仅次级辐射到达检测器。
根据至少一个实施方式，传感器膜布置在第一偏振器与第二偏振器之间。因此，不与纳米颗粒相互作用的所有初级辐射都不会经历偏振的任何变化，并且因此可以借助于以交叉方式、即传输偏振方向彼此垂直的方式布置的偏振器来辨别。
根据至少一个实施方式，第一偏振器位于反射光学元件与传感器膜之间。第二偏振器可以位于传感器膜与检测器之间。
根据至少一个实施方式，第一偏振器和传感器膜限定了通道，液体或气体通过该通道被引导穿过传感器膜。因此，液体或气体可以远离反射光学元件，并且借助于第一偏振器，可以很好地限定气体流。
根据至少一个实施方式，传感器膜与第一偏振器之间的距离为至少0.2mm或至少0.4mm或至少1mm或至少4mm。替代性地或附加地，所述距离为至多5mm或至多1mm。
根据至少一个实施方式，从检测器的俯视图来看，金属纳米颗粒仅施加在检测器单元的顶部，使得相邻检测器单元之间的中间空间没有金属纳米颗粒。通过这样做，可以减少或避免相邻检测器单元之间的光学串扰。
根据至少一个实施方式，从检测器单元的俯视图来看，被分配的金属纳米颗粒覆盖的相应检测器单元的面积比例为至少0.01或至少0.05。替代性地或附加地，从俯视图看，所述比例为相应检测器单元的总面积的至多0.3或至多0.2或至多0.1。换句话说，从俯视图看，纳米颗粒本身仅覆盖了指定检测器单元的相对较小的部分。通过这样做，可以减少或避免相邻纳米颗粒之间不期望的相互作用。
根据至少一个实施方式，金属纳米颗粒具有双金字塔形状。另外，纳米颗粒也可以是金字塔形形状、棱柱形形状、柱形形状、锥形形状、椭圆形形状或球形形状。然而，双金字塔形状是优选的。
根据至少一个实施方式，纳米颗粒的平均长度与平均宽度的纵横比为至少2且至多8、例如为至少3且至多6。
根据至少一个实施方式，平均长度为至少0.04μm或至少0.1μm。替代性地或附加地，所述平均长度为至多0.5μm或至多0.2μm。
根据至少一个实施方式，至少90％或至少95％的金属纳米颗粒具有平均长度的至少0.7倍且至多1.5倍的长度。换句话说，纳米颗粒的长度分布相对较窄。
根据至少一个实施方式，光源是发光二极管或半导体激光器，或者光源包括至少一个发光二极管或至少一个半导体激光器。
根据至少一个实施方式，初级辐射是近红外辐射。例如，初级辐射的峰值波长为至少750nm和/或至多1.2μm。另外，初级辐射也可以是可见光、中红外辐射或近紫外辐射。
根据至少一个实施方式，金属纳米颗粒是金的或者包含金。
根据至少一个实施方式，从检测器的顶侧部的俯视图来看，检测器的尺寸为最小0.3×0.3mm2和/或最大3×3mm2或最大10×10mm2。因此，从俯视图看，检测器相对较小。
根据至少一个实施方式，反射光学元件在检测器的顶侧部上方的高度为至多1cm或至多1mm或至多0.5mm。因此，传感器装置可以是相对平坦的。
另外提供了包括这种传感器装置的传感器布置结构。因此，对于传感器装置也公开了传感器布置结构的特征，相反地，对于传感器布置结构也公开了传感器装置的特征。
在至少一个实施方式中，传感器布置结构包括一个或多个传感器装置。此外，传感器布置结构包括至少一个评估单元，所述至少一个评估单元构造成对来自检测器的信号进行评估。
根据至少一个实施方式，评估单元位于主板上，并且至少传感器膜位于单独的子板上。有可能所有的传感器装置都位于子板上。因此，传感器膜和/或传感器装置和/或单独的子板可以是传感器布置结构的可替换的和/或一次性的部件。因此，例如，如果需要，相对短寿命的传感器膜可以容易地用新的传感器膜替换。
根据至少一个实施方式，主板和子板通过连接器电连接。例如，连接子板与主板的连接方向平行于主板和子板延伸。因此，可以实现节省空间的布置。
下面参照附图通过示例性实施方式对本文所描述的传感器装置和传感器布置结构进行更详细地解释。各个图中相同的元件用相同的附图标记指示。然而，元件之间的关系没有按比例示出，而是单个元件可能被夸大地示出以帮助理解。
在附图中：
图1示出了本文所描述的传感器装置的示例性实施方式的示意性截面图，
图2和图3示出了用于本文所描述的传感器装置和传感器设备的示例性实施方式的金属纳米颗粒的示意性消光光谱，
图4示出了本文所描述的传感器设备的示例性实施方式的示意性立体图，
图5至图7示出了本文所描述的传感器设备的示例性实施方式的示意性截面图，
图8至图10示出了用于本文所描述的传感器装置和传感器设备的示例性实施方式的金属纳米颗粒的示意性截面图，并且
图11和图12示出了本文所描述的传感器装置的示例性实施方式的示意性截面图。
在图1中，图示了传感器装置1的示例性实施方式。传感器装置1包括光源2，光源2例如是发光二极管，简称为LED。光源2可以向近红外初级辐射P发射红光。初级辐射P朝向传感器装置1的反射光学元件4发射，使得初级辐射P的所有或大部分到达反射光学元件4。
从横截面看，反射光学元件4为抛物线形状，使得来自点状光源2的初级辐射P在某种程度上平行化，该点状光源2优选地位于反射光学元件4的焦点中或焦点附近。因此，初级辐射P以不太大的角度分布影响传感器装置1的传感器膜5，并且传感器膜5可以以均匀的方式被照射。例如，反射光学元件4是金属镜。
传感器膜5布置在反射光学元件4与半导体检测器3之间，半导体检测器3包括多个检测器单元31、例如64个检测器单元31。
此外，传感器膜5包括多个金属纳米颗粒51、例如金纳米颗粒。纳米颗粒51可以位于传感器膜5的载体上，或者如图1中所示，直接位于第二偏振器62上。在传感器膜5与反射光学元件4之间布置第一偏振器61，从而形成用于待检测的气体或液体的通道6。偏振器61、62以偏振方向彼此垂直的方式布置，使得初级辐射P的在与传感器膜5相互作用时不改变极性的部分不能到达检测器。
金属纳米颗粒51设置有外壳——未在图1中示出，使得金属纳米颗粒51可以吸附由箭头所指示的被引导通过通道6的液体或气体7的特定分子。传感器膜5与第一偏振器61之间的距离D例如在0.1mm至1mm的范围内。
当所述分子被吸收时，与金属纳米颗粒51相互作用的辐射的光谱被改变。特别地，偏振方向被改变，使得被称为次级辐射S的这部分辐射可以通过第二偏振器62，并且可以在检测器单元31中被检测到。
考虑到光谱灵敏度，在检测器单元31上应用光谱过滤器32。例如，光谱过滤器32可以直接应用在检测器单元31上，并且第二偏振器62可以直接应用在光谱过滤器32上。
检测器3可以被像素化，使得检测器30的顶侧部30可选地由数个凸起形成，每个凸起可以被分配给恰好一个检测器单元31。
由于抛物线型的反射光学元件4的使用，传感器装置1可以保持平坦。例如，反射光学元件4在顶侧部30上方的高度H在0.1cm至1cm的范围内。
作为选择，在检测器3与光源2之间存在光学绝缘体33。这种光学绝缘体33也可以位于相邻的检测器单元31之间，在图1中未示出。
作为另一选择，传感器膜5以及如果需要的话还有检测器3和/或反射光学元件4布置在子板13上。子板13可以借助于连接器14以插入方式连接至承载光源2的主板12。
主板12可以承载评估单元11，评估单元11用于评估检测器3的信号，并且提供关于例如待检测的至少一种特定气体的气体浓度的信息。此外，也可以在主板12上定位：至少一个环境传感器18、比如温度传感器和湿度传感器，以便校正相对湿度依赖性；和/或压力传感器，以便测量气体流。
在下文中，将更详细地解释使用如在本文描述的传感器装置1中所使用的表面等离子体来检测气体中的分子的概念。
原则上，存在能够报告或可视化生物分子之间的特定相互作用的各种技术。这种技术或测试可以被称为分子相互作用测定，其被安排来测量特定目标分子的存在或浓度，该特定目标分子可以被称为分析物。分子相互作用测定通常使用可以与分析物结合的生物受体。这种相互作用由于生物受体和分析物以类似于钥匙和锁的方式结合而是极其特异的。通常，仅正确的分析物能够结合至生物受体。
许多这样的测定也需要使用报告分子。通常，只有当分析物已经结合至生物受体时，报告分子才能够操作成结合至分析物。报告分子可以以某种方式报告分析物目标分子的存在。例如，报告分子可以使用：酶，如在酶联免疫吸附测定中那样，酶联免疫吸附测定简称ELISA；放射物，如在放射免疫吸附测定中那样，放射免疫吸附测定简称RIA；或者更常见地，荧光团，如在荧光免疫吸附测定中那样，荧光免疫吸附测定简称FIA。
作为使用报告分子的替代方案，无标记的检测测定方法已经被开发出来，并且越来越受欢迎。一种无标记检测方法是表面等离子共振，简称SPR。
一种使用作为无标记检测方法的表面等离子体共振的布置结构，该布置结构可以被称为表面等离子体共振设备，该表面等离子体共振设备包括棱镜，该棱镜在其表面上设置有相对薄的金属层、例如金层。电磁辐射耦合到棱镜中并且入射到棱镜与金属之间的界面上，从而发生全内反射。这在金属层中产生消逝波，该消逝波平行于棱镜与金属之间的界面传播并且具有在垂直于棱镜与金属之间的界面的方向上呈指数衰减的振幅。
在金属层与相邻介质之间的界面处，可以产生表面等离子体激元。表面等离子体激元是金属层内电子的耦合振荡和电介质中的电磁振荡的类型。特别地，表面等离子体是在两层界面处的集体传导电子振荡，一层是金属，并且第二层是电介质。如果金属层的厚度相对于消逝波的穿透深度足够薄，并且满足共振条件，则消逝波可以在金属层的相反侧激发表面等离子体激元。这使用了来自入射电磁辐射的一些能量，并且因此使从棱镜与金属层之间的界面反射的电磁辐射的强度降低。
反射的电磁辐射被耦合出棱镜，并入射到检测器上，该检测器被设置成确定反射的电磁辐射的强度，该强度又取决于表面等离子体激元是否被激发。
共振条件取决于入射电磁辐射的波长和入射角度。共振条件还取决于金属和相邻电介质两者的光学特性。如果金属在其表面上设置有生物受体，那么这些光学特性以及共振条件可以根据结合到生物受体的特定目标分子的存在与否而变化。因此，通过测量与共振条件相关的信息，可以确定与金属层相邻的特定目标分子的存在和/或数量相关的信息。
在一些系统中，在金属层上设置多种不同的生物受体；每个生物受体都被电磁辐射照射，并且从每个生物受体反射的电磁辐射被单独的检测器检测。这种布置被称为成像SPR，简称iSPR，并且这种概念也可以在本文所描述的传感器装置1中使用。
上述成像表面等离子体共振设备的一个挑战是共振条件非常窄，因此对入射电磁辐射的波长和入射角度进行充分控制是很重要的。特别地，上述成像表面等离子体共振设备中的主要设计挑战中的一个设计挑战是光学系统。通常，需要许多透镜来将光适当地投射到棱镜上，并观察成像传感器上的反射光。每个透镜都有特定的对准光学路径和焦距，以实现最佳照射和图像质量。特别地，可能要求照射金属层的光学器件具有0.1°的精度，以便正确操作。
利用本文所描述的传感器装置1，可以设置用于确定目标分子的存在或浓度的装置，并且传感器装置1比棱镜装置紧凑得多，并且需要的精度也低得多。
对于棱镜设备中的SPR，测量出现SPR倾角时入射角的变化。如前所述，棱镜设备能够测量与约7×10-5的折射率单位RIU分辨率对应的约0.005度的角度变化。在测量光的强度时，相机或光电二极管模数转换器的分辨率对最终的RIU分辨率有很大影响。16位模数转换器将灵敏度提高到约1×10-6。
有两种方法来测量相互作用。一种是角度扫描测量，该角度扫描测量确定实际的角度偏移，或者以固定的角度测量强度的变化。对于如在传感器装置1中使用的纳米颗粒，RIU以不同的方式表示，而对于SPR，RIU是角度的度量，对于纳米颗粒，RIU是共振频率或以纳米为单位的λmax的变化。例如，对于球形金颗粒，每RIU有向红端的45nm的峰移。这意味着如果纳米颗粒暴露于1个单位的净折射率变化，则λmax将移动45nm。
像在SPR中一样，可以测量两种变化：λmax本身的变化或预期λmax处信号的增加。由于所需的灵敏度通常为0.1nm的分辨率，因此对以nm为单位的λmax位移的精确测量非常困难。然而，在具有16位或更多位的高分辨率模数光电二极管中，在非常确定的例如光谱过滤器定义的波长下测量强度增加是非常敏感的。局域表面等离子共振LSPR的RIU主要取决于颗粒的形状。通常，不对称度越高，RIU就越高。
如结合图1所解释的，本文所描述的纳米颗粒散射局域表面等离子体共振传感器装置1包括多个部件。例如，一些部件对于LSPR测量是必不可少的，而另一些部件仅对于电子鼻的气相测量是必不可少的。对于气相应用，了解环境的相对湿度、温度和空气压力非常重要，因为所有这些变量都会干扰纳米颗粒表面的气味分子相互作用。
也称为空气导管的流动通道6应当包括这些类型的传感器，以获得关于结合的准确信息。可以通过使用未示出的泵迫使包含气味分子的空气样本进入流动通道6中，替代性地，可以以空气扩散足以触发纳米颗粒的方式来设计。扩散将较慢，但消除了对活性元素的需要。
因此，根据图1中所示的示例性实施方式，光从光源2向上发射，并且光束通过反射光学元件4变宽，反射光学元件4是曲面镜。第一偏振器61用于保持单偏振。可以选择偏振方向，使得纳米颗粒51被最佳地照射以使初级辐射p散射。此外，如果制造合成等离子体激元发生器、如纳米天线或超材料结构，则可以为此目的完全优化偏振。
在纳米颗粒51下面，放置第二个例如相同的偏振器62，以防止任何照明光到达作为光传感器的检测器3上。此外，环境传感器18用于监测例如温度、相对湿度和空气压力。也就是说，宽带光源2经由反射光学元件4照射纳米颗粒1，并且照射导致纳米颗粒51的散射。在分子的特定结合时，纳米颗粒51的散射波长向更长的波长移动。
如上所述，所有检测器单元31可以在相同的光谱区域中是灵敏的，或者检测器单元31或检测器单元31的组构造成用于不同的光谱区域。
图2示出了用于金纳米棒的示例LSPR吸收光谱C1，吸收光谱C1最大共振波长为775nm。由线34表示840nm光谱过滤器32的传输窗，其半峰全宽FWHM为5nm。如果例如使用检测器3的感测元件31中的一个或一些感测元件、使用这种光谱过滤器32来测量吸收光谱C1，则观察到的散射效率将大约是峰值的50％。
图2还示出了用于已经用受体功能化的金纳米棒的示例LSPR吸收光谱C2。一旦用受体功能化，消光峰移动至783.6nm。由过滤器32采样的观察到的散射强度增加。图2还示出了用于金纳米棒的示例LSPR吸收光谱C3，该金纳米棒已经用受体功能化并且已经结合了目标分子。因此，该光谱C3的消光峰进一步移动至789.2nm，总共移动了5.6nm。观察到的散射强度也进一步增加至约65％。如果检测器3的分辨率是16位，那么当以0到1表示时，强度变化时的可观察精度是每级强度1.5×10-5。
优选的是，检测器3仅接收与例如气味分子结合或相互作用的纳米颗粒的响应。为此目的，在检测器3上为检测器单元31提供光谱过滤器32、特别地单独的光谱过滤器32。
通常，LSPR吸收光谱取决于纳米颗粒51的尺寸和形状。因此，例如，如果纳米棒用作纳米颗粒51，如果纳米棒的长度和/或纵横比有一些变化，那么这将影响LSPR吸收光谱。然而，由于LSPR吸收光谱的大前沿，参见例如图2中的LSPR吸收光谱C1，纳米颗粒51的尺寸或形状的潜在变化将不会对系统产生重大影响，如下面参照图3所讨论的。
通常，只要例如通过光谱过滤器32对LSPR吸收光谱进行采样的波长保持在LSPR吸收光谱的一侧、优选地保持在LSPR吸收光谱基本上线性的区域中，对于LSPR吸收光谱的基本上整个位置范围，由于邻近金属纳米颗粒51的折射率，则可以测量目标分子与纳米颗粒51的选择性结合。
图3示出了五种不同尺寸的纳米颗粒51C4至C8的LSPR吸收光谱。纳米颗粒51都具有20nm的宽度或平均直径。图3示出了：共振波长为700nm的纳米棒的LSPR吸收光谱C4；共振波长为750nm的纳米棒的LSPR吸收光谱C5；共振波长为780nm的纳米棒的LSPR吸收光谱C6；共振波长为808nm的纳米棒的LSPR吸收光谱C7；以及共振波长为850nm的纳米棒的LSPR吸收光谱C8。如图3中所示，在与光谱过滤器32的传输窗34对应的约850nm波长处测量强度。
传感器装置1将能够测量目标分子与具有750nm、780nm和808nm共振波长的纳米颗粒51的选择性结合，因为在每种情况下，相应的曲线C5、C6、C7可以向右移动，导致观察到的强度增加。还可以测量目标分子与共振波长为700nm的纳米颗粒51的选择性结合，尽管在传输窗34处的采样是在LSPR吸收光谱C4的不是非常线性的部分上进行的，因此可能更难以正确地确定响应。由于所测量的强度的波长、即约850nm与LSPR吸收光谱C8的峰值重合，因此测量目标分子与具有850nm共振波长的纳米颗粒51的选择性结合是不利的。
因此，传感器装置1所采用的方法对于导致谐振波长偏移超过50nm的尺寸变化是鲁棒的。这转化为20nm宽的金纳米棒的约20nm长度变化。反过来，这相当于纳米颗粒尺寸变化的鲁棒性为约24％至33％。
为了获得指纹，可能需要同时测量多个受体。检测器3能够例如用数个16位模数转换器几乎同时测量64个点。在这种传感器装置1中，大多数检测器单元31，例如，其中的60个检测器单元31可以用于不同的受体，而剩余的检测器单元31、例如4个检测器单元31可以用于背景目的。这可以被称为多路复用。
由于传感器装置1可能由于所使用的受体而磨损和老化，导致灵敏度的损失，因此期望传感器装置1是容易更换的。现在参照图4描述提供这种功能性的一种布置结构。
图4示出了传感器布置结构10，传感器布置结构10包括图1中所示出的和上面所描述的检测器3和传感器膜5。包括设置在检测器3上的功能化纳米颗粒51的传感器膜5被安装在可移除的子板卡13上。可移除的子板13可以类似于安全数字卡——简称SD卡，或微型SD卡。SD卡尺寸形状因素的优点是可以用于执行通信和向检测器3供电的引脚的数目。因此，承载检测器3和传感器膜5的子板13可以是替换模块8。
子板13为传感器布置结构10提供用户接口，以用于向光源2提供信号和/或从检测器3接收信号。
优选地，图4中所示的传感器布置结构10提供了特别节省成本的设计。例如，微型卡形式可能适合可穿戴设备。特别地，例如与比如棱镜之类的光学器件相比，微型卡更容易更换。
传感器布置结构10还可以包括壳体16，壳体16设置有用于与子板13可释放地接合的连接器14。在图4中被部分地剖切示出的壳体14设置有至少一个孔口15，用以提供流动通道6，从而允许气体流7通过壳体14并经过设置在子板13上的传感器膜5。
传感器布置结构10还可以包括评估单元11，该评估单元11能够操作成用于根据从例如二维阵列的检测器单元31中的对应的一个检测器单元接收的电磁辐射的强度来确定目标分子的浓度。
传感器布置结构10还可以包括一个或更多个环境传感器18，所述一个或更多个环境传感器18能够操作成用于确定一个或更多个环境条件。例如，传感器布置结构10可以包括传感器18，传感器18能够操作成用于确定以下各者中的一者或更多者：传感器膜5附近的相对湿度、温度和/或压力。对于气相应用，了解环境的相对湿度、温度和空气压力可能是有用的，因为所有这些变量可以影响纳米颗粒51上的气味分子相互作用。传感器18可以设置在传感器布置结构10的流动通道6或空气导管15中，以便获得关于结合的准确信息。
可以通过使用未示出的泵迫使包含气味分子的空气样本进入流动通道6中。替代性地，通过壳体14的气体流7可以由空气扩散提供。
在其它方面，与图1至图3相同的情况也适用于图4。
在图5至图7中，图示了传感器布置结构10和传感器装置1的其他示例性实施方式。在这些实施方式中，替换模块8包括传感器布置结构10或传感器装置1的不同部分。各种替换模块8的所有这些示例可以类似地应用于传感器布置结构10或传感器装置1的所有其他实施方式。
根据图5，替换模块8由子板13组成，子板13仅承载第二偏振器62和传感器膜5，其中，第二偏振器62用作传感器膜的支承件。因此，检测器3位于主板12上，并且不需要更换。
可选地，光源2可以布置在评估单元11的远离主板12的一侧。连接器14可以位于评估单元11的侧面上。这种布置结构在所有其他示例性实施方式中也是可能的。
此外，作为另一选择，在图5中图示的是，光源2可以将初级辐射P发射到宽的角度范围内。因此，在光源2的每一侧可以存在至少两个反射光学元件4，但是在其他横向方向上也可以有更多反射光学元件。在其它方面，仅一个反射光学元件4可以以环形方式围绕光源2。例如，反射光学元件4可以是遵循或几乎遵循朗伯余弦定律的反射器，或者也可以是镜面反射镜。
在其它方面，与图1至图4相同的情况也适用于图5。
根据图6，替换模块8由作为子板13的检测器3组成，子板13还承载传感器膜5以及两个偏振器61、62。因此，如果需要，用于待研究的气体7或液体的整个通道6可以被替换。
作为选择，光源2可以以倾斜的方式布置，使得初级辐射P的主发射的方向朝向反射光学元件4。这可以例如通过对应形状的评估单元11、主板12和/或环境传感器18来实现，或者也可以通过光源2附近的附加光学器件来实现，附加光学器件在图6中未示出。初级辐射P的主发射方向的这种对准也可以存在于所有其他示例性实施方式中。
此外，在图6中图示的是，纳米颗粒51可以仅布置在相应的检测器单元31的顶部上，使得相邻检测器单元31之间的区域没有纳米颗粒51。因此，可以减少光学串扰。具有纳米颗粒51的所有不同区域可以设置有相同的纳米颗粒51和/或光谱过滤器32，或者存在各种类型的纳米颗粒51和/或光谱过滤器32。这些方面也可以应用于其他示例性实施方式。
在其它方面，与图1至图5相同的情况也适用于图6。
根据图7，替换模块8由从检测器3到反射光学元件4的所有部件组成，其中，子板13可以用作共用承载件。作为选择，光源2也可以布置在替换模块8上。借助于该设置，传感器布置结构10可以容易地适用于各种测量场景。对于所有这些部件，可以存在例如塑料材料或金属的共用模块壳体81。
此外，在具有纳米颗粒51的相邻区域之间和/或在相邻的检测器单元31之间可以存在光学绝缘体33。这些光学绝缘体33可以是反射材料、如金属，或者可以是吸收材料、如碳黑。这种布置结构在所有其他示例性实施方式中也是可能的。
在其它方面，与图1至图6相同的情况也适用于图7。
在图8中，图示了纳米颗粒51的示例性实施方式。纳米颗粒51包括金属、如金的核53。在核53周围存在外壳52。外壳例如是有机材料、如受体或生物受体，以使分析物能够结合至纳米颗粒51。外壳52可以是单层的受体分子。
图8中所示的纳米颗粒51是球形形状，但是核-外壳结构优选地存在于所有其他示例性实施方式中。
在图9中示出的是，纳米颗粒51是棒形形状或柱形形状。优选地，纳米颗粒51在其端部处具有边缘，但是没有圆形端部。根据图10，纳米颗粒51是双金字塔形状。例如，纳米颗粒51以对称的方式由具有正方形基部的两个金字塔组成。这样的纳米颗粒51可以在所有示例性实施方式中使用，也可以组合使用。
纳米颗粒51的长度W1和直径W2的纵横比优选地为大约4∶1，例如，在2.5与5之间——包括2.5和5。在金字塔或双金字塔形状的纳米颗粒51的情况下，直径W2可以指正方形基部的边缘长度。
例如，参照双金字塔形状的纳米颗粒51，W1为27nm且W2为19nm，或者W1为50nm且W2为18nm，或者W1为103nm且W2为26nm，或者W1为189nm且W2为40nm。参照筒形形状的纳米颗粒51，W1可以是40nm且W2可以是17nm，或者W1可以是55nm且W2可以是16nm，或者W1可以是74nm且W2可以是17nm。所有提到的尺寸W1、W2可以以最大1.5倍或最大1.25倍的公差应用。
在图11中，示出了传感器装置1的另一示例性实施方式。与先前的示例性实施方式相反，没有反射光学元件，而是光源2直接位于传感器膜5上方。因此，与先前的实施方式相比，反射光学元件和光源的组合在图11中仅由光源2代替，其中，光源2可以位于先前的示例性实施方式的反射光学元件的位置。因此，在传感器膜5的俯视图中，光源2例如对称地和/或居中地位于传感器膜5上。
光源2可以位于SD卡保持部或SD卡壳体的顶部。因此，特别地，传感器膜5和可选地检测器3和/或偏振器可以是集成在SD卡中的并且位于子板而不是图11中所示的主板上的一次性部件。因此，类似于例如图5至图7，传感器膜5和可选地偏振器61、62、检测器3以及光源2本身可以设置在替换模块中。
因此，光源2的主发射方向M可以垂直于传感器膜5取向。作为选择，可以存在类似快轴透镜的光源光学器件21，以便实现传感器膜5的均匀照射。光源光学器件21优选地对主发射方向M没有影响或没有显著影响，并且可以包括在光源2的壳体中，该壳体未示出。也就是说，光源光学器件21可以位于光源2附近，并且光源光学器件21和光源2可以位于第一偏振器61的同一侧。
光源光学器件21和传感器膜5可以具有相同或大约相同的宽度。例如，传感器膜5的宽度和光源光学器件21的宽度彼此相差最多1.2倍或最多1.5倍。
例如，光源2是LED、例如在印刷电路板的柔性箔上具有或不具有小聚光透镜的激光二极管如VCSEL。此外，光源2可以是有机LED，使得光源2可以具有大的发光面积，并且可以省略光源光学器件21。
检测器3可以布置在主板12或子板上，并且可以包括或承载评估单元11和可选的环境传感器18。
在其它方面，与图1至图10相同的情况也适用于图11。
在图12的实施方式中，光源2不是直接位于传感器膜5上方，而是间接位于传感器膜5上方，使得光源2的主发射方向M仍然可以直接指向传感器膜5。在这种情况下，可选的光源光学器件21可以是棱镜或包括棱镜和透镜的光学系统。另外，光源光学器件21还可以包括在图12中未图示的反射光学元件。
在其它方面，与图11相同的情况也适用于图12。
在此描述的本发明不受基于示例性实施方式的描述的限制。而是，本发明包括任何新特征以及特征的任何组合，特别地包括专利权利要求中特征的任何组合，即使该特征或该组合本身没有在专利权利要求或示例性实施方式中明确说明。
本专利申请要求德国专利申请102021103211.3的优先权，该德国专利申请的公开内容通过参引并入本文。
附图标记列表
1 传感器装置
2 光源
21 光源光学器件
3 半导体检测器
30 顶侧部
31 检测器单元
32 光谱过滤器
33 光学绝缘体
34 传输窗
4 反射光学元件
5 传感器膜
51 金属纳米颗粒
52 外壳
53 核
6 通道
61 第一偏振器
62 第二偏振器
7 液体或气体
8 替换模块
81 模块壳体
10 传感器布置结构
11 评估单元
12 主板
13 子板
14 连接器
15 孔口
16 壳体
18 环境传感器
C..曲线
D 传感器膜-第一偏振片的距离
E 光学消光
H 反射光学元件-顶侧部的高度
L 波长，单位为纳米
M 光源的主发射方向
P 初级辐射
S 次级辐射
W1 纳米颗粒的长度
W2 纳米颗粒的直径

Claims (15)

1.一种传感器装置(1)，包括：
-光源(2)，所述光源(2)构造成发射初级辐射(P)，
-检测器(3)，所述检测器(3)包括多个检测器单元(31)，
-反射光学元件(4)，所述反射光学元件(4)在光学上布置在所述光源(2)与所述检测器(3)之间，以及
-传感器膜(5)，所述传感器膜(5)包括金属纳米颗粒(51)、在几何上位于所述反射光学元件(4)与所述检测器(3)之间，
其中，
-所述传感器膜(5)构造成暴露于液体或气体(7)，并且
-所述检测器(3)构造成检测在暴露于所述液体或气体(7)时由所述传感器膜(5)引起的所述初级辐射(P)中的光谱变化，
-所述反射光学元件(4)是抛物线型镜，所述反射光学元件(4)是所述光源(2)与所述检测器(3)之间的光束路径中唯一的反射光学器件，并且
-所述检测器(3)构造成检测由所述金属纳米颗粒(51)散射的次级辐射。
2.根据前一权利要求所述的传感器装置(1)，其中，来自所述光源(2)的初级辐射(P)仅在所述反射光学元件(4)处反射时到达所述检测器(3)，使得到达所述检测器(3)的辐射的至少99％已经在所述反射光学元件(4)处被反射。
3.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置(1)，其中，所有所述传感器膜(5)在几何上位于所述反射光学元件(4)与所述检测器(3)之间。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置(1)，其中，从所述传感器膜的俯视图来看，所述光源(2)直接位于所述传感器膜(5)上方，并且所述光源(2)的主发射方向直接指向所述传感器膜。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置(1)，其中，所述检测器单元(31)中的至少一些检测器单元被分配给不同种类的金属纳米颗粒(51)，所述不同种类的金属纳米颗粒(51)包括不同的受体外壳(52)，使得所述检测器(3)对所述液体或气体(7)的至少一种成分敏感。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置(1)，还包括分配给所述检测器单元(31)的光谱过滤器(32)，其中，所述光谱过滤器(32)各自具有光谱传输窗(34)，所述光谱传输窗(34)的半峰全宽为至多10nm。
7.根据前一权利要求所述的传感器装置(1)，其中，所述传输窗(34)各自位于所述金属纳米颗粒(51)的消光光谱的长波长翼上。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置(1)，还包括一对偏振器，所述一对偏振器包括第一偏振器(61)和第二偏振器(62)，其中，所述传感器膜(5)布置在所述第一偏振器(61)与所述第二偏振器(62)之间，并且其中，所述第一偏振器(61)位于所述光源(2)与所述传感器膜(5)之间。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置(1)，其中，从所述检测器(3)的俯视图来看，所述金属纳米颗粒(51)仅施加在所述检测器单元(31)的顶部，使得相邻检测器单元(31)之间的中间空间没有所述金属纳米颗粒(51)。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置(1)，其中，从所述检测器单元(31)的俯视图来看，由所分配的金属纳米颗粒(51)覆盖的相应检测器单元(31)的面积比例为所述相应检测器单元(31)的总面积的至少0.01且至多0.2。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置(1)，其中，所述金属纳米颗粒(51)具有双金字塔形状，所述金属纳米颗粒(51)的平均长度与平均宽度的纵横比为至少2且至多8，其中，所述平均长度为至少0.04μm且至多0.5μm，并且其中，至少90％的所述金属纳米颗粒(51)的长度为所述平均长度的至少0.7倍且至多1.5倍。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的传感器装置(1)，其中，
-所述检测器(3)是半导体检测器
-所述光源(2)是发光二极管或半导体激光器，
-所述初级辐射(P)具有至少750nm且至多1.2μm的峰值波长，并且
-所述金属纳米颗粒(51)是金的。
13.一种传感器布置结构(10)，包括：
-根据前述权利要求中的任一项所述的至少一个传感器装置(1)，以及
-构造成对来自所述检测器(3)的信号进行评估的评估单元(11)。
14.根据前一权利要求所述的传感器布置结构(10)，其中，所述评估单元(11)位于主板(12)上，并且至少所述传感器膜(5)位于单独的子板(13)上。
15.根据前一权利要求所述的传感器布置结构(10)，其中，所述主板(12)和所述子板(13)通过连接器(14)电连接，连接方向平行于所述主板(12)和所述子板(13)延伸。
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