DE10150969A1 - Optical sensor, used for determining the concentration and/or partial pressure or pH of a material contained in a gas mixture or liquid, comprises light sources, and optical detectors - Google Patents

Optical sensor, used for determining the concentration and/or partial pressure or pH of a material contained in a gas mixture or liquid, comprises light sources, and optical detectors

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Abstract

Optical sensor comprises light sources which activates fluorescence in a layer system containing a fluorescence material or surface plasmons on a layer system; and optical detectors for determining the intensity, relaxation time, angle dissolution or phase shift of the fluorescent light or surface plasmon-modified light. The light sources and optical detectors are arranged in a housing provided with openings for the light. An Independent claim is also included for a process for determining the concentration and/or partial pressure or pH of a material contained in a gas mixture or liquid using the above optical sensor.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein erfindungsgemäßer optischer Sensor kann zur Bestimmung von Konzentrationen bzw. Partialdrücken bestimmter Stoffe, wie chemische Elemente oder Verbindungen, aber auch zur Bestimmung von ph-Werten in Gasen oder Flüssigkeiten vorteilhaft eingesetzt werden. So kann beispielsweise die Konzentration oder der Partialdruck von Sauerstoff, der meinem Gasgemisch oder einer Flüssigkeit enthalten ist, sehr schnell und mit hoher Auflösung und Genauigkeit bestimmt werden. In modifizierten Ausführungsformen kann aber auch gleichzeitig die Kohlendioxidkonzentration oder der Partialdruck, beispielsweise in der Atemluft, in medizinischen Anwendungen bestimmt werden. Es kann aber auch für Stoffe das Phänomen der Oberflächenplasmonenresonanz genutzt werden. The invention relates to an optical sensor the preamble of claim 1. a Optical sensor according to the invention can be used to determine Concentrations or partial pressures of certain substances, such as chemical elements or compounds, but also for Determination of pH values in gases or liquids can be used advantageously. For example the concentration or partial pressure of Oxygen, my gas mixture or a liquid is included very quickly and with high resolution and accuracy can be determined. In modified Embodiments can also be the same Carbon dioxide concentration or partial pressure, for example in the air we breathe, in medical Applications can be determined. But it can also be used for fabrics used the phenomenon of surface plasmon resonance become.

Weitere Anwendungsgebiete sind die Bestimmung von Nitratkonzentrationen und Einsätze in der Chemosensorik oder mit biologischen Fluoreszenzlabeln. Other areas of application are the determination of Nitrate concentrations and uses in chemical sensors or with biological fluorescence labels.

Bei dem optischen Sensor kann auch das bekannte Phänomen der Fluoreszenzlöschung eines fluoreszierenden Stoffes, die in Abhängigkeit einer solchen Stoffkonzentration mehr oder weniger stark auftritt, ausgenutzt. The known sensor can also be used for the optical sensor Phenomenon of fluorescence quenching a fluorescent Substance depending on such Substance concentration occurs more or less strongly, exploited.

Solche fluoreszierenden Stoffe, wie z. B. die an sich bekannten Rutheniumkomplexe können in eine Matrix eingebettet sein und bilden so gemeinsam mit dieser Matrix eine sensitive Schicht. Such fluorescent substances, such as. B. the itself Known ruthenium complexes can be in a matrix be embedded and form together with it Matrix a sensitive layer.

Bei Bestrahlung dieser Schicht mit Licht, ausgewählter, bekannter Wellenlänge kann Fluoreszenz angeregt werden. Dabei erfolgt die Anregung der Fluoreszenz bevorzugt mit bekannter, möglichst konstanter Intensität des Anregungslichtes und das Fluoreszenzlicht wird dann mit optischen Detektoren gemessen, so dass infolge der zum jeweiligen Zeitpunkt vorhandenen Konzentration des zu detektierenden Stoffes bzw. seines Partialdruckes eine Verringerung bzw. Erhöhung der Fluoreszenzintensität gemessen und der Konzentration bzw. dem Partialdruck zugeordnet werden kann. When this layer is irradiated with light, selected, known wavelength can stimulate fluorescence become. The fluorescence is excited preferably with known, as constant as possible Intensity of the excitation light and the fluorescent light is then measured with optical detectors, so that as a result of the existing at the time Concentration of the substance to be detected or its Partial pressure a reduction or increase in Fluorescence intensity measured and the concentration or can be assigned to the partial pressure.

Bei herkömmlichen Lösungen, wie sie beispielsweise in WO 98/52022 A1 beschrieben sind, erfolgt die Lichtführung für die Anregung der Fluoreszenz und zur Detektion des Fluoreszenzlichtes über Lichtwellenleiter, beispielsweise Lichtleitfasern. Dadurch müssen Intensitätsverluste, die durch die Ein- und Auskopplung des jeweiligen Lichtes in einen solchen Lichtwellenleiter auftreten, in Kauf genommen werden. Des Weiteren sind der Miniaturisierung dadurch ebenfalls Grenzen gesetzt, so dass sie für bestimmte Anwendungen nicht geeignet sind. With conventional solutions, such as in WO 98/52022 A1 are described, the Light guidance for the excitation of fluorescence and for Detection of the fluorescent light via Optical fibers, for example optical fibers. Because of that Intensity losses caused by the input and Coupling the respective light into one Optical fibers occur, are accepted. Of The miniaturization is also further Set limits so that for certain Applications are not suitable.

Außerdem kann die Messgenauigkeit durch die Kondensation von Wasser auf einer solchen sensitiven Schicht, bei möglicher Taupunktunterschreitung verringert werden, was bei den bekannten Lösungen nur mit erheblichem Aufwand kompensiert werden kann. In addition, the measuring accuracy can be controlled by the Condensation of water on such a sensitive layer, reduced if the temperature falls below the dew point be what with the known solutions only with considerable effort can be compensated.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen optischen Sensor zur Verfügung zu stellen, der kostengünstig auch in miniaturisierter Form herstellbar und flexibel bei verschiedensten Applikationen einsetzbar ist. It is therefore an object of the invention to provide an optical To provide a sensor that is inexpensive can also be produced in miniaturized form and can be used flexibly in a wide variety of applications.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem optischen Sensor, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden. According to the invention, this object is achieved with a Optical sensor having the features of claim 1 has, solved. Advantageous designs and Developments of the invention can with the in the features mentioned subordinate claims can be achieved.

Der erfindungsgemäße Sensor verwendet zur Bestimmung der Konzentration und/oder des Partialdruckes von in Gasgemischen oder Flüssigkeiten enthaltenen Stoffen oder zur Bestimmung des ph-Wertes eine sensitive Schicht oder Schichtsystem mehrerer neben- oder übereinander angeordneter Schichten, bei der ein fluoreszierender Stoff, beispielsweise ein an sich bekannter Ruthenium-Komplex, der in einer zumindest teilweise aus einem polymeren Material bestehenden Matrix eingebettet ist. Die sensitive Schicht steht mit der zu detektierenden Flüssigkeit bzw. dem Gasgemisch in Kontakt und während der Messung wird Licht mindestens zweier Lichtquellen, beispielsweise Laserdioden, die Licht mit einer Wellenlänge ausstrahlen, bei der Fluoreszenz des fluoreszierenden Stoffes angeregt wird, auf und in die Schicht gerichtet. Je nach vorhandener Konzentration, Partialdruck oder ph-Wert wird die Fluoreszenz gelöscht, so dass sich die Fluoreszenzintensität entsprechend verändert. Diese Verringerung der Fluoreszenzintensität kann dann mit mindestens einem optischen Detektor, mit dem das Fluoreszenzlicht in der fluoreszierenden Schicht gemessen werden kann, detektiert und es wird ein entsprechender Messwert geliefert. The sensor according to the invention is used for the determination the concentration and / or the partial pressure of in Substances containing gas mixtures or liquids or a sensitive one to determine the pH value Layer or layer system of several side or superimposed layers, in which a fluorescent substance, for example a known one Ruthenium complex, at least partially in one matrix made of a polymeric material is embedded. The sensitive layer is entitled to detecting liquid or the gas mixture in Contact and during the measurement there will be at least light two light sources, for example laser diodes, the Emit light at a wavelength at which Fluorescence of the fluorescent substance stimulated is directed onto and into the layer. Depending on existing concentration, partial pressure or pH value the fluorescence is extinguished, so that the Fluorescence intensity changed accordingly. This The fluorescence intensity can then be reduced at least one optical detector with which the Fluorescent light in the fluorescent layer can be measured, detected and it becomes a corresponding measured value delivered.

Neben der Messung der Fluoreszenzintensität können aber auch das zeitliche Abklingverhalten nach Beendigung einer Fluoreszenzanregung oder eine gegebenenfalls auftretende Phasenverschiebung des Fluoreszenzlichtes als Messsignale genutzt werden. In addition to measuring the fluorescence intensity, you can but also the temporal decay behavior Termination of fluorescence excitation or one possibly occurring phase shift of the Fluorescent light can be used as measurement signals.

Die Schicht, bevorzugt ein Edelmetall kann aber auch auf einem transparenten Körper, z. B. einem plattenförmigen Element ausgebildet und an der Oberfläche Oberflächenplasmonenresonanz angeregt werden. Ein bevorzugte Form eines solchen Trägers ist in WO 96/02822 A1 beschrieben, auf deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich zurückgegriffen werden soll. Zwischen Körper und Schicht kann mindestens eine Zwischenschicht ausgebildet sein. The layer, preferably a noble metal, can also on a transparent body, e.g. B. one plate-shaped element and formed on the surface Surface plasmon resonance are stimulated. On preferred form of such a carrier is in WO 96/02822 A1 described on their Disclosure content is to be used in full. There can be at least one between the body and the layer Intermediate layer to be formed.

Die mindestens eine, bevorzugt zwei oder mehr Lichtquellen und mindestens ein optischer Detektor zur Fluoreszenzanregung sind erfindungsgemäß in einem bevorzugt metallischen Gehäuse, das ein herkömmliches Transistorgehäuse oder ein Gehäuse in einer ähnlichen Form sein kann, aufgenommen, wobei in diesem metallischen Gehäuse Öffnungen für den Ein- und Austritt des Lichtes der Lichtquelle(n) vorhanden sind. Mehrere Lichtquellen sind bevorzugt so angeordnet, dass das auf die Schicht auftreffende und in die Schicht eintretende Licht zur Fluoreszenzanregung, das von den Lichtquellen auf die Schicht gerichtet wird, sich nicht, zumindest aber nur teilweise überschneidet und jeweils unterschiedliche, lokal voneinander getrennte Bereiche oder entsprechend voneinander getrennte Schichten mit Licht bestrahlt und dort unbeeinflußt voneinander Fluoreszenz angeregt wird. The at least one, preferably two or more Light sources and at least one optical detector According to the invention, fluorescence excitation is in one prefers metallic housing, which is a conventional Transistor package or a package in a similar Form may be included, being in this Metallic housing openings for the entry and exit of the Light from the light source (s) are present. Several Light sources are preferably arranged so that the striking the layer and into the layer incoming light for fluorescence excitation by the Light sources directed at the layer itself not, but at least only partially overlaps and different, locally separated from each other Areas or separated accordingly Layers irradiated with light and unaffected there fluorescence is excited from one another.

Im metallischen Gehäuse können zusätzliche optische und elektronische Elemente angeordnet und nach außen geführte Anschlüsse vorhanden sein. Additional optical can be in the metallic housing and electronic elements arranged and facing the outside guided connections are available.

So kann das Licht der Lichtquelle, Fluoreszenzlicht oder reflektiertes Licht durch im bzw. am Gehäuse angeordnete optische Elemente auf die mindestens eine sensitive Schicht oder optische Detektoren gerichtet werden. Beispielsweise können in bzw. unterhalb der Öffnungen für den Lichtaustritt im Gehäuse optische Linsen, optische Fenster angeordnet sein, mit denen z. B. das Fluoreszenzanregungslicht in definierter Form auf die mindestens eine sensitive Schicht gerichtet werden kann. Eine solche Anordnung der Linsen bietet sich insbesondere dann an, wenn die sensitive Schicht unmittelbar an den bzw. in unmittelbarer Nähe der Lichtaustrittsöffnungen angeordnet ist. Weitere geeignete optische Elemente sind auch Strahlteiler, Prismen oder optische Filter. So können optische Filter oder Fenster als eine Art Deckfenster für Lichtein- und -austritte fungieren. An diesen Öffnungen können aber auch optische Linsen zur Beeinflussung der Abbildung oder Prismen bzw. Strahlteiler zur gezielten Beeinflussung des jeweiligen Anregungslichts, Fluoreszenzlichsts oder reflektierten Lichts, angeordnet oder dort fixiert sein. So the light from the light source, fluorescent light or reflected light through in or on the housing arranged optical elements on the at least one sensitive layer or optical detectors become. For example, in or below the Openings for light emission in the housing optical Lenses, optical windows can be arranged with which z. B. the fluorescence excitation light in a defined Form on the at least one sensitive layer can be directed. Such an arrangement of the lenses is particularly useful if the sensitive Layer immediately on or in the immediate vicinity the light outlet openings is arranged. Further suitable optical elements are also beam splitters, Prisms or optical filters. So optical Filters or windows as a kind of cover window for Light entrances and exits act. At these openings but can also use optical lenses to influence the image or prisms or beam splitters targeted influencing of the respective excitation light, Fluorescent light or reflected light, arranged or fixed there.

Für den Fall, dass die mindestens eine sensitive Schicht in einem größeren Abstand von den Lichtaustrittsöffnungen angeordnet ist, sollten andere Linsenformen Lichtwellenleiter am metallischen Gehäuse eingesetzt werden. Hierfür eignen sich insbesondere Stablinsen, durch die das Licht entsprechend auf eine in größerer Entfernung angeordnete sensitive Schicht gerichtet werden kann. In the event that the at least one sensitive Layer at a greater distance from the Light exit openings should be arranged, others should Lens shapes optical fiber on the metallic Housing are used. Are suitable for this especially rod lenses through which the light turns on accordingly a sensitive located at a greater distance Layer can be directed.

Vorteilhaft ist es außerdem, in den Strahlengang der Lichtquellen optische Filter anzuordnen, die im gewünschten Wellenlängenbereich des Fluoreszenzanregungslichtes transparent sind und andere Wellenlängenbereiche absorbieren. It is also advantageous in the beam path of the Arrange light sources optical filters that in desired wavelength range of Fluorescence excitation light are transparent and others Absorb wavelength ranges.

Um das in der Beschreibungseinleitung bereits erwähnte Wasserkondensationsproblem zu verhindern, sollte das metallische Gehäuse beheiz- bzw. temperierbar sein. Hierfür kann im bzw. am Gehäuse ein Temperatursensor vorhanden sein, der an einen elektronischen Regelkreis angeschlossen werden kann, um die Temperatur des metallischen Gehäuses in einer geeigneten Form zu beeinflussen, wobei dies in der Regel eine Beheizung sein wird. That is already in the introduction to the description to prevent the water condensation problem mentioned the metallic housing can be heated or tempered his. This can be done in or on the housing Temperature sensor to be connected to an electronic Control loop can be connected to the Temperature of the metallic housing in a suitable To influence form, which is usually a Heating will be.

Der optische Detektor, mit dem das Fluoreszenzlicht gemessen werden kann, kann in einer Alternative ebenfalls im Inneren des metallischen Gehäuses angeordnet werden, wobei in diesem Falle eine zusätzliche Öffnung für den Eintritt von Fluoreszenzlicht in das Gehäuse zum optischen Detektor vorhanden ist. Eine solche Ausbildung des erfindungsgemäßen optischen Sensors ist in dem Fall besonders günstig, wenn die sensitive Schicht vor den Lichtein- und -austrittsöffnungen oder in einem geringen Abstand zum metallischen Gehäuse angeordnet ist. The optical detector with which the fluorescent light can be measured in an alternative also arranged inside the metallic housing be, in which case an additional Opening for the entry of fluorescent light into the Housing for the optical detector is available. A such formation of the optical according to the invention In this case, the sensor is particularly favorable if the sensitive layer in front of the light and -Outlet openings or a short distance from metallic housing is arranged.

Es besteht aber auch die Möglichkeit, den mindestens einen optischen Detektor auf der Seite der sensitiven Schicht anzuordnen, die der Seite der Schicht gegenüberliegt, von der die Bestrahlung mit Anregungslicht erfolgt. But there is also the possibility that at least an optical detector on the sensitive side Arrange layer that the side of the layer opposite, from which the irradiation with excitation light he follows.

Das erfindungsgemäß zu verwendende metallische Gehäuse hat den Vorteil, dass aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit eine Anpassung an unterschiedliche Temperaturen sehr schnell erfolgen kann, was insbesondere für eine gegebenenfalls erforderliche Beheizung günstig ist. Außerdem sind solche Gehäuse kostengünstig erhältlich. The metallic to be used according to the invention Housing has the advantage that due to the good Thermal conductivity an adaptation to different Temperatures can be done very quickly what in particular for any heating that may be required is cheap. In addition, such housings available inexpensively.

Da die verwendeten fluoreszierenden Stoffe nur innerhalb einer begrenzten Nutzungsdauer Messwerte mit ausreichender Amplitude liefern können und der so genannten Alterung unterliegen, ist es erforderlich die fluoreszierenden Schichten in mehr oder weniger großen Zeitabständen gegen neue auszutauschen. Hierfür ist es zweckmäßig, die sensitiven Schichten auf einem Träger auszubilden, der einfach einsetz- und später wieder entfernbar ist. Because the fluorescent substances used only within a limited period of use can provide sufficient amplitude and so subject to aging, it is necessary fluorescent layers in more or less exchanged for new ones at large intervals. Therefor it is advisable to place the sensitive layers on one Train carriers that are easy to use and later is removable again.

Ein solcher Träger kann beispielsweise in Form einer Kappe ausgebildet sein, die auf das metallische Gehäuse aufgesteckt werden kann, so dass die Öffnungen für den Lichtaus- und auch gegebenenfalls Lichteintritt der sensitiven Schicht zugeordnet, angeordnet sind. Such a carrier can, for example, in the form of a Cap formed on the metallic Housing can be plugged on so that the openings for the light and also if necessary Light entry assigned to the sensitive layer, arranged are.

Eine solche Kappe kann beispielsweise so ausgebildet sein, wie dies in der nicht vorveröffentlichten PCT/DE 00/02447, auf deren Offenbarungsgehalt vollumfänglich zurückgegriffen werden soll, beschrieben ist. Such a cap can be designed in this way, for example be like this in the unpublished PCT / DE 00/02447, on their disclosure content should be used in full, described is.

Die sensitive Schicht kann dabei auf einem plattenförmigen Element ausgebildet sein, das in eine solche Kappe klemmend mit einer Vorspannung fixiert eingesetzt werden kann. Ein solches plattenförmiges Element kann in die Kappe auch eingeklebt bzw. eingeschweißt werden. In der Kappe ist eine Öffnung ausgebildet, durch die das Gasgemisch oder die Flüssigkeit mit der sensitiven Schicht in Kontakt treten kann. The sensitive layer can be on one be formed plate-shaped element that in such The cap is fixed with a preload can be used. Such a plate-like Element can also be glued into the cap or be welded in. There is an opening in the cap through which the gas mixture or the liquid can come into contact with the sensitive layer.

Das metallische Gehäuse kann auch mit einer Küvette dauerhaft oder temporär verbunden sein, durch die das Gasgemisch oder die Flüssigkeit zur Messung geführt werden kann. The metallic housing can also be used with a cuvette be permanently or temporarily connected through which the Gas mixture or the liquid led to the measurement can be.

So kann beispielsweise in einer solchen Küvette eine Öffnung ausgebildet sein, in die das metallische Gehäuse mit dem Lichtaus- bzw. auch -eintrittsöffnungen in Richtung in das Küvetteninnere weisend, eingeführt und möglichst klemmend gehalten werden kann. Dabei kann die mindestens eine sensitive Schicht unmittelbar am metallischen Gehäuse angeordnet bzw. daran befestigt sein, aber auch vor dem Einführen des metallischen Gehäuses bereits im Inneren der Küvette angeordnet werden. Ähnlich wie das metallische Gehäuse kann aber bereits vorab ein kappenförmiger Träger, wie er bereits beschrieben worden ist, in eine solche Öffnung in die Küvette und das metallische Gehäuse mit den optischen Elementen nachgeführt werden. For example, in such a cuvette Be formed opening into which the metallic Housing with the light exit or entry openings pointing towards the inside of the cuvette and can be held as tight as possible. there can the at least one sensitive layer arranged directly on the metallic housing or on it be fixed, but also before the introduction of the metallic housing already inside the cuvette to be ordered. Similar to the metallic housing can be a cap-shaped carrier in advance, as has already been described, in one Opening in the cuvette and the metal housing be tracked with the optical elements.

In Verbindung mit einer Küvette ist es vorteilhaft, die mindestens eine sensitive Schicht auf einem transparenten und gegebenenfalls auch zumindest teilweise planaren Träger auszubilden, der formschlüssig in der Küvette an einem für die Messung geeigneten Ort befestigt werden kann. Hierzu können beispielsweise an äußeren Rändern des Trägers, die sich vorteilhaft gegenüberliegend angeordnet sind, Profilierungen ausgebildet sein, die in entsprechend dimensionierte und geformte Konturen an der Küvette eingesetzt und bei Bedarf auch wieder herausgeführt werden können. Geeignete Formen für solche Profilierungen und Konturen sind beispielsweise die so genannten Schwalbenschwanzformen. Es können aber auch einfache Nutenformen und entsprechend ausgebildete randseitige Stege eingesetzt werden. In connection with a cuvette, it is advantageous the at least one sensitive layer on one transparent and possibly at least partially planar carrier form, the form-fitting in the cuvette at a suitable one for the measurement Can be fixed in place. You can do this for example, on the outer edges of the carrier, which are are advantageously arranged opposite one another, Profilings should be designed in accordance dimensioned and shaped contours on the cuvette used and if necessary also led out again can. Suitable shapes for such profiles and contours are, for example, the so-called Dovetail shapes. But it can also be simple Groove shapes and correspondingly trained edge-side Bridges are used.

Ein solcher Träger kann bei entsprechend aufgetretener Alterung in der fluoreszierenden Schicht einfach und kostengünstig gegen ein neues entsprechendes Element ersetzt werden, wobei vorteilhaft an einem solchen Träger ein Ansatz oder Überstand ausgebildet werden kann, der für das Einsetzen bzw. Entfernen eine gute manuelle Handhabbarkeit gewährleisten kann. Such a carrier can be used accordingly aging occurred in the fluorescent layer simply and inexpensive against a new one Element to be replaced, being advantageous on one such a shoulder formed a neck or protrusion can be the one for insertion or removal can ensure good manual handling.

Beispielsweise für die Messung von CO2 -Konzentrationen bzw. Partialdrücken kann an an einem erfindungsgemäßen optischen Sensor mit Küvette eine zusätzliche Lichtquelle und ein zusätzlicher optischer Detektor eingesetzt werden. Dabei wird Licht im Wellenlängebereich des infraroten Lichtes verwendet und je nach Konzentration des in dem Gasgemisch bzw. der Flüssigkeit enthaltenen CO2 wird dieses Licht mehr oder weniger absorbiert, so dass die mit dem optischen Detektor messbare Intensität ein Maß für die jeweilige Konzentration bzw. des Partialdruckes von CO2 ist. Dabei sollten die verwendete Lichtquelle und der hierfür genutzte optische Detektor möglichst orthogonal zur Strömungsrichtung des Gasgemisches bzw. der Flüssigkeit, die durch die Küvette geführt werden, ausgerichtet sein. For example, for the measurement of CO 2 concentrations or partial pressures, an additional light source and an additional optical detector can be used on an optical sensor according to the invention with a cuvette. Here, light in the wavelength range of the infrared light is used and, depending on the concentration of the CO 2 contained in the gas mixture or the liquid, this light is more or less absorbed, so that the intensity measurable with the optical detector is a measure of the respective concentration or Partial pressure of CO 2 . The light source used and the optical detector used for this purpose should be oriented as orthogonally as possible to the direction of flow of the gas mixture or the liquid which are guided through the cuvette.

Um Streu- oder Fremdlichteinflüsse einzuschränken bzw. auszuschließen, sollte die Küvette möglichst vollständig lichtundurchlässig ausgebildet sein, wobei aber für die unterschiedlichen Lichtarten entweder Öffnungen oder Fenster vorhanden sind. Insbesondere für das infrarote Licht bietet sich eine Anordnung von Lichtquelle und optischen Detektor außerhalb der Küvette an und an der Küvette sind dann entsprechend angeordnete Fenster vorhanden. To limit stray or extraneous light influences or exclude the cuvette if possible be completely opaque, but for the different types of light either openings or windows are present. One is particularly suitable for infrared light Arrangement of light source and optical detector outside the cuvette is on and then on the cuvette appropriately arranged windows available.

Mit einer solchen Ausführungsform können beispielsweise in einem Gasgemisch, wie dies beispielsweise die Atemluft ist, gleichzeitig die Sauerstoff- und die CO2-Konzentration oder der jeweilige Partialdruck gemessen werden, was insbesondere in der humanmedizinischen Anwendung von Interesse ist. With such an embodiment, for example, the oxygen and CO 2 concentrations or the respective partial pressures can be measured simultaneously in a gas mixture, such as for example the breathing air, which is of particular interest in human medical application.

Die zumindest zwei lokal voneinander getrennten Bereiche der einen sensitiven oder auch mehreren voneinander getrennten Schichten, die jeweils mit Licht einer Lichtquelle zur Fluoreszenzanregung bestrahlt werden, können einmal zur Ermittlung des eigentlichen Messwertes und der jeweils andere Bereich bzw. die andere Schicht zur Gewinnung eines Referenzsignales benutzt werden. Dabei kann die Anregung der Fluoreszenz in diesen Bereichen oder den getrennten Schichten in gleicher Form, d. h. in gleicher Intensität und/oder gleicher Anregungsenergie erfolgen. Es besteht aber auch die Möglichkeit, was insbesondere zur Kompensation der bereits erwähnten Alterung des fluoreszierenden Stoffes günstig ist, den einen Bereich oder die eine Schicht, die für die Referenzierung herangezogen wird, mit einer geringeren Anregungsenergie zu beleuchten. Dies kann einmal über eine Variation der jeweiligen Zeiten und zum anderen auch über die entsprechend verringerte Anregungsintensität/-leistung erreicht werden. In diesem Falle ist die Alterung der Schicht bzw. Schichtbereiches, der mit der geringeren Anregungsenergie bestrahlt worden ist, selbstverständlich geringer und dies trifft selbstverständlich auch auf die so genannte Langzeitdrift zu. The at least two locally separated ones Areas of one sensitive or several separate layers, each with light irradiated with a light source for fluorescence excitation can be used once to determine the actual Measured value and the respective other range or another layer for obtaining a reference signal to be used. The suggestion of Fluorescence in these areas or the separate Layers in the same form, i.e. H. with the same intensity and / or the same excitation energy. It but there is also the possibility, in particular what Compensation for the aging of the fluorescent substance is favorable to one area or the one layer that is used for referencing is used with a lower To illuminate excitation energy. This can be done once Variation of the respective times and also on the other over the correspondingly reduced Excitation intensity / performance can be achieved. In this case it is the aging of the layer or layer area, the been irradiated with the lower excitation energy is, of course, less and this is true of course also on the so-called Long-term drift too.

In einer weiteren Ausführungsform für einen erfindungsgemäßen optischen Sensor kann auch die mindestens eine sensitive Schicht mit einer für den zu detektierenden Stoff permeablen Beschichtung versehen sein, wobei diese vorteilhaft Licht reflektierend und ganz besonders vorteilhaft aus einem Edelmetall (Silber, Palladium), einem Metallgemisch oder einem reflektierenden Kunststoff bestehen kann. Mit einer solchen Beschichtung können mögliche Fremd- und Streulichteinflüsse zumindest erheblich vermindert werden. Für die Messung der Sauerstoffkonzentration ist insbesondere eine Silberbeschichtung vorteilhaft geeignet. In a further embodiment for one optical sensor according to the invention can also at least one sensitive layer with one for the Detectable substance provided permeable coating be, these being advantageously reflective and light very particularly advantageous from a precious metal (Silver, palladium), a metal mixture or one reflective plastic can exist. With a Such coating can cause foreign and Stray light influences are at least considerably reduced become. For measuring the oxygen concentration a silver coating is particularly advantageous suitable.

An der Zu- und Abführung für das jeweilige Gasgemisch bzw. die Flüssigkeit durch die Küvette, in der die eigentliche Messung durchgeführt werden kann, können Anschlußleitungen mit zumindest einem zusätzlichen Anschluß und Ventilen vorhanden sein. Mit Ventilen kann der Volumenstrom durch die Küvette zumindest temporär unterbrochen werden. An einen zusätzlichen Anschluß kann ein Element mit dem eine Druckdifferenz bzw. zumindestens ein vorgebbarer Druck in der Küvette erzeugt oder eingestellt werden kann, angeschlossen werden. Ein solches Element kann beispielsweise eine Pumpe sein, mit der der Innendruck in der Küvette bei einem Gasgemisch entweder erhöht oder verringert werden kann. Soll beispielsweise Sauerstoff und/oder Kohlendioxid in Luft detektiert werden, kann einfache Umgebungsluft eingesetzt werden, um eine Kalibrierung ohne zusätzliche Normgase vorzunehmen. Hierzu wird die Umgebungsluft in der Küvette entweder komprimiert, so dass sich der Innendruck erhöht oder durch eine Vakuumpumpe der Druck entsprechend abgesenkt. Bei bekanntem Innendruck innerhalb der Küvette kann durch Veränderung des Partialdruckes und Messung für zumindest Sauerstoff eine einfache und schnelle Kalibrierung durchgeführt werden. At the inlet and outlet for the respective gas mixture or the liquid through the cuvette in which the actual measurement can be carried out Connection lines with at least one additional Connection and valves are available. With valves the volume flow through the cuvette at least be temporarily interrupted. An additional one Connection can be an element with a pressure difference or at least a predetermined pressure in the Cuvette can be created or adjusted be connected. Such an element can, for example be a pump with which the internal pressure in the Cell in a gas mixture either raised or can be reduced. For example, oxygen and / or carbon dioxide in air can be detected simple ambient air to be used Calibration without additional standard gases. To do this, either the ambient air in the cuvette compressed so that the internal pressure increases or by a vacuum pump the pressure accordingly lowered. If the internal pressure inside the cuvette is known can by changing the partial pressure and measuring a simple and quick for at least oxygen Calibration are carried out.

Hierzu können die Zu- und Ableitungen für ein Gasgemisch im bzw. aus der Küvette während der Zeit der Druckerhöhung bzw. Druckverringerung mit Ventilen geschlossen werden. So kann z. B. in einer solchen Anschlußleitung oder am Ein- oder Ausgang der Küvette ein Rückschlagventil angeordnet sein, das eine Strömung durch die Küvette nur in eine Richtung zulässt. For this purpose, the feed and discharge lines for a Gas mixture in or out of the cuvette during the time of Pressure increase or decrease with valves getting closed. So z. B. in one Connection line or at the entrance or exit of the cuvette a check valve may be arranged, the one Allows flow through the cuvette in one direction only.

Da häufig die Anschlüsse an Küvetten auch flexibel, aus elastischen Materialien, wie z. B. Schläuchen ausgebildet sind, können als geeignete Ventile auch so genannte Quetschventile, mit denen ein solcher Schlauch lediglich zusammengedrückt werden kann, eingesetzt werden. Since the connections to cuvettes are often flexible, made of elastic materials such. B. Hoses are designed as suitable valves called pinch valves with which such Hose can only be compressed, be used.

Claims (22)

1. Optischer Sensor zur Bestimmung der Konzentration und/oder des Partialdruckes mindestens eines in einem Gasgemisch oder einer Flüssigkeit enthaltenen Stoffes oder des ph-Wertes mit mindestens einer Lichtquelle, die Fluoreszenz in mindestens einer einen fluoreszierenden Stoff enthaltenden Schicht/Schichtsystem oder Oberflächenplasmonen an einer Schicht/Schichtsystem anregt und mindestens einen optischen Detektor zur Bestimmung der Intensität, Abklingzeit, Winkelauflösung oder Phasenverschiebung des Fluoreszenzlichtes oder des Oberflächenplasmonen modifizierten Lichts in der mit dem Gasgemisch oder Flüssigkeit in Kontakt stehenden Schicht/Schichtsystem, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle(n) und optischer Detektor(en) in einem mit Öffnungen für den Ein- und Austritt des Lichtes versehenen Gehäuse aufgenommen sind. 1. Optical sensor for determining the concentration and / or the partial pressure of at least one substance contained in a gas mixture or a liquid or the pH value with at least one light source, the fluorescence in at least one layer / layer system containing a fluorescent substance or surface plasmons on one layer / Layer system excites and at least one optical detector for determining the intensity, decay time, angular resolution or phase shift of the fluorescent light or the surface plasmon modified light in the layer / layer system in contact with the gas mixture or liquid, characterized in that the light source (s) and optical Detector (s) are accommodated in a housing provided with openings for the entry and exit of the light. 2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Lichtquellen und/oder Öffnungen für den Austritt von Licht so angeordnet sind, dass sich das auf die Schicht auftreffende und in die Schicht eintretende Licht der Lichtquellen nicht überschneidet. 2. Optical sensor according to claim 1, characterized in that several Light sources and / or openings for the exit of Light are arranged so that it affects the Layer striking and into the layer incoming light from the light sources is not overlaps. 3. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse aus einem Metall besteht. 3. Optical sensor according to claim 1, characterized in that the housing is made of a metal. 4. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht der Lichtquellen und/oder des Fluoreszenz- oder reflektierten Lichts durch optische Elemente auf die mindestens eine Schicht oder optische(n) Detektor(en) gerichtet ist. 4. Optical sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the light of the Light sources and / or the fluorescence or reflected light through optical elements the at least one layer or optical (n) Detector (s) is directed. 5. Optischer Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente im Gehäuse aufgenommen sind. 5. Optical sensor according to claim 4, characterized in that the optical Elements are included in the housing. 6. Optischer Sensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente Stablinsen sind. 6. Optical sensor according to claim 4 or 5, characterized in that the optical Elements are rod lenses. 7. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Elemente optische Filter, optische Fenster, optische Linsen, Prismen und/oder Strahlteiler sind. 7. Optical sensor according to one of claims 4 to 6, characterized in that the optical Elements optical filters, optical windows, optical lenses, prisms and / or beam splitters are. 8. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das metallische Gehäuse beheiz- oder temperierbar ist. 8. Optical sensor according to one of claims 1 to 7, characterized in that the metallic Housing can be heated or tempered. 9. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Gehäuse eine Küvette, durch die das Gasgemisch oder die Flüssigkeit geführt ist, aufsetzbar oder das Gehäuse in die Küvette integriert ist. 9. Optical sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that on the housing a cuvette through which the gas mixture or the Liquid is guided, attachable or that Housing is integrated in the cuvette. 10. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Schicht im Inneren der Küvette auf einem austauschbaren Träger ausgebildet ist. 10. Optical sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the at least one layer inside the cuvette on one replaceable carrier is formed. 11. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger in Form einer mit einer Öffnung versehenen Kappe ausgebildet und in die Küvette einsetzbar oder auf das Gehäuse aufsetzbar ist. 11. Optical sensor according to one of claims 1 to 10, characterized in that the carrier in Form of a cap with an opening trained and can be used in the cuvette or can be placed on the housing. 12. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der optisch transparente Träger planar und mit profilierten Rändern für einen formschlüssigen Eingriff in eine Kontur an der Küvette zur Fixierung ausgebildet ist. 12. Optical sensor according to one of claims 1 to 10, characterized in that the optically transparent supports planar and with profiled Edges for a positive engagement in a contour on the cuvette for fixation is trained. 13. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Lichtquelle Licht durch die Küvette und das Gasgemisch oder die Flüssigkeit auf einen weiteren optischen Detektor richtet. 13. Optical sensor according to one of claims 1 to 12, characterized in that another Light source light through the cuvette and that Gas mixture or the liquid to another optical detector aimed. 14. Optischer Sensor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Lichtquelle Licht im Wellenlängenbereich des infraroten Lichtes aussendet. 14. Optical sensor according to claim 13, characterized in that the further Light source light in the wavelength range of emits infrared light. 15. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass an die Küvette ein eine Druckdifferenz in der Küvette erzeugendes Element angeschlossen und mindestens eine Anschlußleitung von/zur Küvette mittels eines Ventiles verschließbar ist. 15. Optical sensor according to one of claims 1 to 14, characterized in that the cuvette a a pressure difference in the cuvette generating element connected and at least one Connection line from / to the cuvette using a Valves can be closed. 16. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das die Druckdifferenz erzeugende Element eine Pumpe ist. 16. Optical sensor according to one of claims 1 to 15, characterized in that the Pressure difference generating element is a pump. 17. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventil ein Rückschlagventil ist. 17. Optical sensor according to one of claims 1 to 16, characterized in that the at least a valve is a check valve. 18. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Ventil ein Quetschventil ist. 18. Optical sensor according to one of claims 1 to 16, characterized in that the at least a valve is a pinch valve. 19. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aperturen von Licht mehrerer Lichtquellen auf der Schicht/Schichtsystem sich nur bereichsweise oder nicht überschneiden. 19. Optical sensor according to claim 1, characterized in that the apertures of Light from multiple light sources on the Layer / layer system only in certain areas or do not overlap. 20. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration und/oder des Partialdruckes oder des ph-Wertes mindestens eines in einem Gasgemisch oder einer Flüssigkeit enthaltenen Stoffes mit einem optischen Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des metallischen Gehäuses geregelt wird. 20. Procedure for determining the concentration and / or the partial pressure or the pH value at least one in a gas mixture or one Liquid contained substance with a optical sensor according to one of claims 1 to 19, characterized in that the temperature of the metallic housing is regulated. 21. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration und/oder des Partialdruckes oder des ph-Wertes mindestens eines in einem Gasgemisch oder einer Flüssigkeit enthaltenen Stoffes mit einem optischen Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in der Küvette mindestens ein vorgebbarer Druck eingestellt und bei bekanntem Druck die Intensität, die Abklingzeit oder Phasenverschiebung des Fluoreszenzlichtes zu Kalibrierungszwecken gemessen wird. 21. Procedure for determining the concentration and / or the partial pressure or the pH value at least one in a gas mixture or one Liquid contained substance with a optical sensor according to one of claims 1 to 19, characterized in that in the cuvette at least one predefinable pressure is set and with known pressure the intensity that Cooldown or phase shift of the Fluorescent light is measured for calibration purposes. 22. Verfahren zur Bestimmung der Konzentration und/oder des Partialdruckes oder des ph-Wertes mindestens eines in einem Gasgemisch oder einer Flüssigkeit enthaltenen Stoffes mit einem optischen Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Gasgemisch die Sauerstoff und die CO2-Konzentration oder der Partialdruck zeitgleich gemessen werden. 22. A method for determining the concentration and / or the partial pressure or the ph value of at least one substance contained in a gas mixture or a liquid with an optical sensor according to one of claims 1 to 19, characterized in that the oxygen and the in a gas mixture CO 2 concentration or partial pressure can be measured at the same time.
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