DE10031555B4

DE10031555B4 - Optischer Sensor

Info

Publication number: DE10031555B4
Application number: DE10031555A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Brinz; Heidrun Potthast
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-06-28
Filing date: 2000-06-28
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2020-06-29
Also published as: CH695631A5; US20020028518A1; DE10031555A1; US6682935B2

Abstract

Optischer Sensor zur Bestimmung eines Gases in einem Gasgemisch, insbesondere zur Bestimmung eines Gasbestandteils der Luft, mit einer dem Gas ausgesetzten sensitiven Schicht und einem Mittel zur Erfassung einer Veränderung einer optischen Eigenschaft der sensitiven Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (18) ein alkyliertes Phosphazen enthält.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Sensor nach der Gattung des Anspruchs 1 und dessen Verwendung.
Optische Sensoren zur Bestimmung der Konzentration eines Gases, wie beispielsweise des Kohlendioxidgehaltes der Luft, werden unter anderem in Brandmeldern eingesetzt. Ihre Funktion beruht darauf, dass eine sensitive Schicht des Sensors bei Kontakt mit dem zu bestimmenden Gas ihre Farbe reversibel ändert. Diese Farbänderung wird durch einen Detektor erfasst und bei Überschreitung einer festgelegten Mindestkonzentration wird ein Alarm ausgelöst.
In der US-PS 5,480,611 wird ein optischer Sensor zur Bestimmung des Kohlendioxidgehaltes der Luft für medizinische Anwendungen beschrieben, der eine auf einem Substrat aufgebrachte, auf Kohlendioxid sensitive Schicht aufweist. Diese beinhaltet einen fluoreszierenden pH-Indikator, dessen Fluoreszenz, sich abhängig von der Kohlendioxidkonzentration der umgebenden Lösung verändert. Darüber hinaus enthält die sensitive Schicht quarternäre Ammoniumsalze, die für ein basisches Milieu in der sensitiven Schicht sorgen und das CO₂ wird dafür Tetraoctylammoniumhydroxid verwendet. Diese quarternäre Ammoniumverbindung zeigt jedoch beim Herstellprozess des Sensors eine schlechte Mischbarkeit mit der Polymerlösung, aus der die sensitive Schicht erzeugt wird.
Aus der WO 96/24054 A1 ist ein Sensor zum Nachweis von Kohlendioxid in Gasgemischen bekannt, der eine sensitive Schicht aufweist, die ihre optischen Eigenschaften verändert, wenn sie mit Kohlendioxid reagiert. Diese Veränderung wird mit einem Detektor erfasst. Der optische Sensor umfasst eine sensitive Schicht, die eine phosphor- oder stickstoffhaltige Base enthält. Weitere Sensoren, deren sensitive Schicht eine derartige Base enthält, sind beispielsweise der WO99/09406 A1 und der WO 00/43778 A1 zu entnehmen.
Weitere Gassensoren auf optischer Basis sind der US 5,132,095 sowie der Publikation Munkholm, C.; Walt, D. R.: A Fiber-Optic Sensor For CO₂ Measurement. Talanta (1988, Vol. 35, Nr. 2, Seiten 109–112) zu entnehmen. Einer weiteren Publikation, Schwesinger, R. [unter anderem]: Extremely Strong, Uncharged Auxiliary Bases; Monomeric and Polymer-Supported Polyaminophosphazenes (P₂-P₅). Liebigs Annalen, 1996, Nr. 7, Seiten 1055–1081 ist die Verwendung organischer Basen auf Stickstoff- bzw. Phosphorbasis zu entnehmen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen optischen Sensor zur Bestimmung eines Gases mit kurzer Ansprechzeit und hoher Empfindlichkeit bereitzustellen, der einfach und somit kostengünstig herstellbar ist.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Sensor hat den Vorteil, dass eine sehr kurze Ansprechzeit und eine sehr hohe Empfindlichkeit gegenüber einem zu bestimmenden Gas aufweist. Dies wird erreicht, indem der sensitiven Schicht des Sensors eine phosphorhaltige Base mit zahlreichen und/oder langkettigen Alkylresten zugesetzt wird. Derartige Basen zeigen eine ausreichend hohe Basizität und eine sehr gute Mischbarkeit mit organischen Polymeren. Dies erleichtert die Herstellung der sensitiven Schicht des Sensors.
Mit den in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Sensors möglich.
So wird als phosphorhaltige Base bevorzugt ein alkyliertes Phosphazen verwendet, da dieses die oben genannten günstigen Eigenschaften besonders ausgeprägt zeigt. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des Phosphazens P₄-t-Octyl mit der Summenformel [(CH₃)₂N)₃P=N–]₃P=N(C₈H₁₇).
Darüber hinaus wird die sensitive Schicht des Sensors vorteilhafterweise als Polymermatrix erzeugt, wobei die Verwendung von Polydimethylsiloxan als Polymer aufgrund dessen ausgeprägter Gaspermeabilität zu einer hohen Sensitivität der Schicht führt.
Zeichnung
Die Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Sensors.
Ausführungsbeispiel
Der in der einzigen Figur dargestellte optische Sensor 10 beinhaltet eine Strahlungsquelle 12, die beispielsweise eine Leuchtdiode ist, und einen Detektor 14, der beispielsweise als Photodiode ausgestaltet ist. Zwischen Strahlungsquelle 12 und Detektor 14 ist ein lichtdurchlässiges Substrat 16 aus Glas angeordnet. Als Material für das lichtdurchlässige Substrat 16 können auch andere optisch transparente Substanzen wie Polymethacrylate verwendet werden.
Auf dem Substrat 16 befindet sich eine sensitive Schicht 18, die beim Überschreiten einer Mindestkonzentration an zu bestimmendem Gas reversibel ihre Farbe verändert. Die sensitive Schicht 18 umfaßt eine Matrix, in der sich die für die Sensitivität des Sensors verantwortlichen Verbindungen befinden. In einer bevorzugten Ausführung der sensitiven Schicht 18 besteht diese Matrix aus Polydimethylsiloxan; es eignen sich aber auch andere Silicone oder Polymere wie PVC oder Ethylcellulose.
Bei Verwendung von Polydimethylsiloxan als Matrix zeigt die sensitive Schicht 18 beispielsweise ein sehr gutes Ansprechverhalten auf Kohlendioxid, da die Diffusionsgeschwindigkeit von CO₂ aufgrund der guten Gasdurchlässigkeit des Polymers sehr hoch ist. Der sonst übliche Zusatz von Weichmachern entfällt.
Alternativ kann die sensitive Schicht 18 auch unter Verzicht auf ein Substrat 16 direkt auf dem Detektor 14 aufgebracht werden.
Die Funktion der sensitiven Schicht 18 beruht darauf, dass diese einen pH-Indikator und eine Base beinhaltet. Die Base bewirkt ein basisches Milieu in der sensitiven Schicht 18 und überführt den pH-Indikator in seine deprotonierte Form. Sobald ein saures Gas in Kontakt mit der sensitiven Schicht 18 kommt, reagiert es mit in der Schicht enthaltenem Wasser und bildet Hydrogencarbonate HCO₃ ^– sowie Hydroniumionen H₃O⁺. Diese Reaktion verändert den pH-Wert der Schicht und führt zu einer Reprotonierung des pH-Indikators, wobei die sensitive Schicht 18 ihre Farbe verändert. Der Farbumschlag wird über eine Absorptions- oder Transmissionsmessung bei Wahl entsprechender Wellenlängenbereiche der von der Strahlungsquelle 12 ausgehenden Strahlung 13 detektiert. Als pH-Indikatoren eignen sich beispielsweise meta-Kresolpurpur, Thymolblau oder Brilliantgelb.
Während der Herstellung des optischen Sensors wird auf das Substrat 16 eine Lösung aufgetragen, die ein Polymer, eine Base und einen pH-Indikator in einem Lösungmittel wie beispielsweise Dichlormethan enthält. Bei der sich anschließenden Trocknung entsteht die sensitive Schicht 18 in Form eines dünnen Films.
Bei Verwendung von Tetraoctylammoniumhydroxid als Base zeigt die Polymerlösung beim Auftragen auf das Substrat 16 eine schlechte Benetzung des Substrats und es kann zur Entmischung und Ausbildung von zwei Phasen während des Trocknungsvorgangs kommen.
Wird dagegen eine phosphorhaltige Base mit zahlreichen und/oder langkettigen Alkylresten verwendet, so zeigen sich bei der Herstellung der sensitiven Schicht 18 keinerlei Benetzungs- oder Entmischungsprobleme. Darüber hinaus weisen diese Basen überwiegend eine höhere Basizität als Tetraoctylammoniumhydroxid auf und verbessern so das Ansprechverhalten des Sensors.
Als phosphorhaltige Base mit zahlreichen und/oder langkettigen Alkylresten eignet sich besonders das Phosphazen P₄-t-Octyl mit der Summenformel [((CH₃)₂N)₃P=N–]₃P=N(C₈H₁₇) und der Strukturformel:
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern es sind neben dem in der Figur dargestellten und beschriebenen optischen Sensor zur Bestimmung von Gasen eine Reihe weiterer Ausführungsformen und Anwendungen denkbar, bei denen eine phosphorhaltige Base mit zahlreichen und/oder langkettigen Alkylresten als Bestandteil einer sensitiven Schicht zur Verbesserung der Sensitivität eines Gassensors dient. Dies gilt insbesondere für den Nachweis von CO₂, aber auch von NO_x, SO₂, SO₃ und/oder Halogenwasserstoffverbindungen.

Claims

Optischer Sensor zur Bestimmung eines Gases in einem Gasgemisch, insbesondere zur Bestimmung eines Gasbestandteils der Luft, mit einer dem Gas ausgesetzten sensitiven Schicht und einem Mittel zur Erfassung einer Veränderung einer optischen Eigenschaft der sensitiven Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (18) ein alkyliertes Phosphazen enthält.
Optischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das alkylierte Phosphazen die allgemeine Summenformel [(R^a ₂N)₃P=N–]₃P=NR^b hat, wobei R^a, R^b jeweils für Alkylreste stehen.
Optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das alkylierte Phosphazen P₄-t-Octyl mit der Summenformel [((CH₃)₂N)₃P=N–]₃P=N(C₈H₁₇) ist.
Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das alkylierte Phosphazen in der sensitiven Schicht (18) als Phosphaziniumkation enthalten ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (18) ein alkyliertes Phosphaziniumhydroxid enthält.
Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (18) auf einem Substrat (16) und/oder dem Mittel angeordnet ist.
Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel ein Detektor (14) ist.
Optischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sensitive Schicht (18) ein Polymer, insbesondere ein gasdurchlässiges Polymer wie Polydimethylsiloxan enthält.
Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als sensitives Element in Brandmeldern.
Verwendung des Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 12 als sensitives Element zur Bestimmung von CO₂, NO_x, SO₂, SO₃ und/oder Halogenwasserstoffverbindungen.