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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Bestimmung einer
Messgröße eines Messmediums, wobei das Messmedium
mit einem Indikator oder einem Indikatorgemisch in Kontakt gebracht
wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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Solche
Verfahren sind für die optische, insbesondere fotometrische,
Bestimmung eines pH-Werts oder einer Konzentration eines Analyten
im Messmedium bekannt. Häufig wird dabei ein Indikator
verwendet, dessen Absorptionsspektrum bzw. dessen Emissionsspektrum
bei Anregung mit einer bestimmten Wellenlänge sich in Abhängigkeit
von der zu bestimmenden Messgröße verändert.
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Bei
der fotometrischen Bestimmung solcher Messgrößen
kann eine Reihe von Störfaktoren die Messgenauigkeit beeinträchtigen.
Zur Gewährleistung einer hohen Messgenauigkeit ist daher
die Referenzierung der Messsignale von großer Bedeutung.
Aus
DE 103 16 685
A1 ist beispielsweise eine Messvorrichtung zur fotometrischen
Messung der Konzentration einer chemischen Substanz in einer Messlösung
bekannt, bei der eine Sendeeinheit in zumindest zwei Wellenlängenbereichen
elektromagnetische Strahlung erzeugt und in eine Küvette
mit der Messlösung abstrahlt, wobei die elektromagnetische
Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich zu Messzwecken
dient und die elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich
zu Referenzzwecken herangezogen wird. Dabei nimmt die elektromagnetische
Strahlung in beiden Wellenlängenbereichen denselben Weg
durch die Küvette und die Messlösung. Dies wird
mit einer dualen Leuchtdiode als Lichtquelle erreicht, welche derart
angesteuert wird, dass sie abwechselnd die elektromagnetische Strahlung
in den beiden Wellenlängenbereichen aussendet. Störeinflüsse
wie eine Trübung der Messlösung oder in der Messlösung
gelöste Fremdsubstanzen bzw. die Brechung und Reflexion
an Grenzflächen z. B. an Fenstern innerhalb des Strahlengangs
beider Strahlenwege sollen auf diese Weise eliminiert werden.
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Aus
EP 850 409 B1 ist
ein Verfahren bekannt, bei dem ein mit dem Messmedium in Kontakt
gebrachter analytsensitiver Indikator gleichzeitig mit zwei modulierten
Lichtsignalen verschiedener Wellenlänge angeregt wird.
Die Wellenlängen der Lichtsignale sind aus zwei verschiedenen
Bereichen des Anregungsspektrums des Indikators ausgewählt,
die von der Konzentration des zu detektierenden Analyten in unterschiedlicher
Weise beeinflusst werden. Die entsprechend vom Indikator emittierten
Signale werden detektiert, demoduliert und aus dem Intensitätsverhältnis
der demodulierten Emissionssignale die Konzentration des Analyten
bestimmt.
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Solche
Verfahren, bei denen das Verhältnis der Intensität
eines von der Messgröße beeinflussten Signals
und der Intensität eines von der Messgröße
nicht oder in unterschiedlichem Maße beeinflussten Signals gebildet
wird, werden als ratiometrische Verfahren bezeichnet. Bei diesen
Verfahren wirkt sich eine Verringerung der Indikatorkonzentration
im Messpfad (sog. Auswaschen oder „leaching”)
und Ausbleichen durch fotochemische Reaktionen (sog. Fotobleichen
oder „bleaching”) aufgrund der Verhältnisbildung
zwischen den Intensitäten der beiden Signale nicht auf
das Messergebnis aus.
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Da
bei der herkömmlichen Ratiometrie die beiden Signale immer
getrennt erfasst werden, erfordern die bekannten Verfahren zwei
getrennte Signalpfade oder Mittel, die eine sequenzielle Erfassung
der Signale erlauben. Alternativ kann, wie in
EP 850 409 B1 beschrieben,
die Trennung der beiden Signale auch erfolgen, indem die beiden
eingestrahlten Signale moduliert und zur Auswertung wieder demoduliert
werden. Dies ist mit einem entsprechenden apparativen Aufwand und/oder
Platzbedarf verbunden.
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Im
Artikel "Dual wavelength referencing of optical
fibre sensors" von G. Murtaza, J. M. Senior, Optics Communications
120 (1995), S. 348–357, wird die Anwendung von
ratiometrischen Verfahren in Sensoren mit optischen Fasern betrachtet.
In dem Artikel wird darauf hingewiesen, dass die Messgenauigkeit
des Verfahrens dadurch begrenzt wird, dass zwei Lichtsignale unterschiedlicher
Wellenlängen in unterschiedlicher Weise auf Umgebungseinflüsse
reagieren, wobei insbesondere zwei Lichtsignale unterschiedlicher
Wellenlängen in unterschiedlichem Maße von optischen
Komponenten transmittiert werden. Eine Quantifizierung dieses Effekts
oder Vorschläge zur Lösung dieses Problems werden
nicht angegeben.
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In
EP 1000345 B1 und
in dem Artikel
„Dual Lifetime Referencing (DLR) – a
New Scheme for Domain Information" in „New Trends
in fluorescence spectroscopy: application to chemical and life science",
B. Valeur, J.-C. Brochon (Eds.), Springer Verlag Berlin Heidelberg
2001, S. 257–274, wird ein fotometrisches Verfahren zur
Bestimmung einer Messgröße in einer Probe, insbesondere
des pH-Werts oder einer Konzentration eines Analyten, angegeben.
Dabei werden zwei Indikatoren mit einem Signal einer einzelnen Wellenlänge
zur Lumineszenz angeregt, wobei die Lumineszenzintensität
des einen Indikators sich in Abhängigkeit von der Messgröße ändert,
während die Lumineszenzintensität des anderen
Indikators, der als Referenzindikator dient, von der Messgröße
nicht beeinflusst wird. Darüber hinaus werden die Indikatoren
so ausgewählt, dass die Abklingzeit der Lumineszenz des
Referenzindikators erheblich länger ist als die des durch
die Messgröße beeinflussten Indikators. Wird die
Intensität des Anregungssignals periodisch moduliert, ergibt
sich aufgrund der unterschiedlichen Abklingzeiten zwischen den beiden
Lumineszenzsignalintensitäten des messgrößensensitiven Indikators
und des Referenzindikators eine Phasendifferenz. Die Gesamtintensität,
d. h. die Summe der Lumineszenzsignale weist gegenüber
einer Referenz, beispielsweise dem periodischen Anregungssignal,
eine Phasendifferenz auf, die vom Intensitätsverhältnis
der Lumineszenzsignale der beiden Indikatoren abhängig ist,
und somit als Maß für die zu bestimmende Messgröße
dient.
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Durch
die Verwendung eines Referenzindikators können bei diesem
Verfahren wiederum Störeinflüsse eliminiert werden.
Allerdings ist dieses Verfahren nur für geeignete Kombinationen
von Lumineszenz-Indikatoren anwendbar, die mit ein und derselben
Anregungswellenlänge angeregt werden können und
zusätzlich auch ein passendes Verhältnis der Lumineszenz-Abklingzeiten
besitzen, damit eine ausreichende Phasendifferenz der Lumineszenz-Signale
gewährleistet ist. Zudem ist das gemessene Signal von der
Konzentration des Mess- und des Referenz-Indikators bzw. von deren
Konzentrations-Verhältnis abhängig. Falls einer
der Indikatoren stärker von Leaching oder Bleaching betroffen
ist, führt dies zu einer Beeinträchtigung der
Messgenauigkeit.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein optisches Verfahren
zur Bestimmung einer Messgröße eines Messmediums
sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
anzugeben, das bzw. die die Nachteile des Standes der Technik überwindet.
Insbesondere soll ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens angegeben werden, welches bzw. welche universell
sowohl basierend auf Absorptions- und Lumineszenz-Messungen sowie
mit einer Vielzahl von Indikatoren anwendbar ist und auf kleinem
Raum mit geringem apparativem Aufwand durchgeführt werden
kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung
einer Messgröße eines Messmediums, wobei das Messmedium
mit einem Indikator oder einem Indikatorgemisch in Kontakt gebracht
wird, dessen Absorptionsspektrum einen ersten und einen zweiten
Wellenlängenbereich aufweist, welche sich im Wesentlichen
nicht überlappen, wobei
eine erste Lichtquelle zur
Emission eines ersten Lichtsignals mit einer Wellenlänge
aus dem ersten Wellenlängenbereich und eine zweite Lichtquelle
zur Emission eines zweiten Lichtsignals mit einer Wellenlänge
aus dem zweiten Wellenlängenbereich angeregt werden, wobei
der Intensität des ersten Lichtsignals ein erstes und der Intensität
des zweiten Lichtsignals ein zweites periodisches Signal aufmoduliert
wird,
wobei mindestens ein Teil des ersten und des zweiten
Lichtsignals sich als erstes und zweites Messlichtsignal jeweils
entlang eines Messpfads ausbreiten und auf dem Messpfad durch optische
Wechselwirkung mit dem Indikator oder dem Indikatorgemisch gewandelt
werden,
und wobei eine Gesamtintensität des gewandelten
ersten und zweiten Lichtsignals erfasst wird,
wobei das erste
periodische Signal gegenüber dem zweiten periodischen Signal
eine erste Phasendifferenz aufweist, und
eine zweite Phasendifferenz
der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten
Messlichtsignals bezüglich dem ersten oder dem zweiten
periodischen Signal ermittelt wird,
und die Messgröße
unter Verwendung der zweiten Phasendifferenz bestimmt wird.
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Unter
einem periodischen Signal wird ein Signal verstanden, das als periodische
Funktion insbesondere der Zeit, beschreibbar ist. Das Aufmodulieren
eines solchen Signals auf die Intensität eines Lichtsignals führt
entsprechend zu einer periodischen Veränderung der Intensität
des Lichtsignals. Wird der Intensität eines Lichtsignals
beispielsweise ein mit einer Sinusfunktion beschreibbares Signal
aufmoduliert, so ist die sich ergebende modulierte Intensität
des Lichtsignals als Sinusfunktion darstellbar. Unter dem Aufmodulieren
eines periodischen Signals auf die Intensität des ersten
und des zweiten Lichtsignals wird insbesondere das Aufmodulieren
eines periodischen Signals verstanden, welches bei der Addition
mindestens zweier dieser periodischen, auch phasenverschobenen Signale
vorteilhafterweise wiederum ein periodisches Signal mit der gleichen
Signalform ergibt. Hierzu zählen insbesondere trigonometrische
periodische Signale wie beispielsweise ein Sinussignal.
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Das
Messmedium kann insbesondere eine Flüssigkeit oder ein
Gas sein. Es kann sowohl ein einzelner Indikator, z. B. Bromthymolblau,
zur Bestimmung des pH-Werts als Messgröße, verwendet
werden, als auch ein Indikatorgemisch, das mehrere Indikatoren umfasst.
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Indem
anstelle eines Intensitätsverhältnisses zweier
Signale eine Phasendifferenz zweier periodischer Signale bestimmt
wird, verringert sich der apparative Aufwand gegenüber
den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, wie weiter unten
im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen ausgeführt
wird. In Kenntnis der Indikatorkonzentration kann aus der Phasendifferenz
der periodisch modulierten Gesamtintensität zur periodisch
modulierten Intensität eines der Einzelsignale, z. B. des
ersten oder zweiten Lichtsignals die zu bestimmende Messgröße,
z. B. der pH-Wert, bestimmt werden. Für dieses Verfahren
wird nur ein Detektor benötigt, da die Intensitäten
des gewandelten ersten und des gewandelten zweiten Messlichtsignals
nicht getrennt voneinander bestimmt werden müssen, sondern
nur die periodisch variierende Gesamtintensität dieser beiden
Lichtsignale detektiert wird, um die Phasendifferenz zwischen dieser
Gesamtintensität und dem ersten oder zweiten periodischen
Signal zu bestimmen. Entsprechend müssen auch keine vollständig
voneinander getrennten Signalpfade für das erste und das
zweite Messlichtsignal vorgesehen werden bzw. müssen die Messlichtsignale
nicht durch Demodulationstechniken oder durch sequenzielle Erfassung
voneinander getrennt werden. Von Vorteil ist weiterhin, dass das
erfindungsgemäße Verfahren sowohl für
Absorptions- als auch für Lumineszenz-Messungen geeignet
ist. Dies ermöglicht die Verwendung einer gegenüber
den herkömmlichen Verfahren deutlich erweiterten Auswahl
von Indikatoren.
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Die
zweite Phasendifferenz, d. h. die Phasendifferenz zwischen der Gesamtintensität
des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals bezüglich
dem ersten bzw. dem zweiten der Intensität des ersten oder zweiten
Lichtsignals aufmodulierten periodischen Signals, kann z. B. bestimmt
werden, indem die Phasendifferenz zwischen der Intensität
des ersten Messlichtsignals und der Gesamtintensität des
gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals bzw. die Phasendifferenz
zwischen der Intensität des zweiten Messlichtsignals und
der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten
Messlichtsignals bestimmt wird. Diese Phasendifferenz stimmt mit
der zweiten Phasendifferenz überein.
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Da
sich die Modulationsfrequenz der Intensität der einzelnen
Messlichtsignale aufgrund der Wechselwirkung mit dem Indikator oder
Indikatorgemisch nicht ändert, ist die Phasendifferenz
zwischen der Gesamtintensität der gewandelten Messlichtsignale
und dem nicht gewandelten ersten oder zweiten Messlichtsignal identisch
mit der Phasendifferenz zwischen der Gesamtintensität der
gewandelten Messlichtsignale und dem gewandelten ersten oder zweiten
Messlichtsignal. In einer Verfahrensvariante kann deshalb die zweite
Phasendifferenz auch bestimmt werden, indem die Phasendifferenz
zwischen der Intensität des ersten gewandelten Messlichtsignals
und der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten
Messlichtsignals bzw. die Phasendifferenz zwischen der Intensität
des gewandelten zweiten Messlichtsignals und der Gesamtintensität des
gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals bestimmt wird. Dabei
werden allerdings zusätzliche Mittel zur Detektion der
Intensitäten der gewandelten Messlichtsignale benötigt,
wie z. B. Demodulationstechniken oder zusätzliche Detektoren.
Somit ist bei dieser Verfahrensvariante der apparative Aufwand zwar
gegenüber der im vorstehenden Absatz beschriebenen Variante
höher. Die übrigen hier und im Folgenden beschriebenen
Vorteile des Verfahrens, insbesondere die universelle Einsetzbarkeit
des Verfahrens, sowie die weiter unten beschriebene erhöhte
Messgenauigkeit bei gleichem Aufwand gegenüber den herkömmlichen
ratiometrischen Verfahren, bleiben auch bei dieser Verfahrensvariante
erhalten.
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In
einer ersten Verfahrensausgestaltung wird das Absorptionsspektrum
des Indikators oder des Indikatorgemisches im ersten Wellenlängenbereich
und im zweiten Wellenlängenbereich durch die zu bestimmende
Messgröße beeinflusst, wobei insbesondere eine Änderung
der Messgröße eine unterschiedliche Änderung des
Absorptionsspektrums des Indikators oder des Indikatorgemisches
im ersten und im zweiten Wellenlängenbereich bewirkt.
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Unter
einer Änderung im Absorptionsspektrum wird hier und im
Folgenden eine Zu- oder Abnahme der Absorption oder Transmission
mindestens innerhalb eines eingeschränkten Wellenlängenbereiches
verstanden.
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In
einer zweiten Verfahrensausgestaltung wird das Emissionsspektrum
des Indikators oder des Indikatorgemisches nach Anregung im ersten
Wellenlängenbereich und im zweiten Wellenlängenbereich
durch die zu bestimmende Messgröße beeinflusst,
wobei insbesondere eine Änderung der Messgröße
eine unterschiedliche Änderung des Emissionsspektrums des
Indikators oder des Indikatorgemisches nach Anregung im ersten und
im zweiten Wellenlängenbereich bewirkt.
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Unter
einer Änderung des Emissionsspektrums wird hier und im
Folgenden die Zu- oder Abnahme der Emissionsintensität
bei Anregung innerhalb eines eingeschränkten Wellenlängenbereichs
verstanden.
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In
einer dritten Verfahrensausgestaltung wird das Absorptionsspektrum
des Indikators oder des Indikatorgemisches im ersten Wellenlängenbereich
durch die zu bestimmende Messgröße beeinflusst
und im zweiten Wellenlängenbereich nicht durch die zu bestimmende
Messgröße beeinflusst, wobei insbesondere eine Änderung
der Messgröße im ersten Wellenlängenbereich
eine Änderung des Absorptionsspektrums und im zweiten Wellenlängenbereich
keine Änderung des Absorptionsspektrums bewirkt.
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In
einer vierten Verfahrensausgestaltung wird das Emissionsspektrum
des Indikators oder des Indikatorgemisches nach Anregung im ersten
Wellenlängenbereich durch die zu bestimmende Messgröße
beeinflusst und nach Anregung im zweiten Wellenlängenbereich
nicht durch die zu bestimmende Messgröße beeinflusst,
wobei insbesondere eine Änderung der Messgröße
eine Änderung des Emissionsspektrums nach Anregung im ersten
Wellenlängenbereich und keine Änderung des Emissionsspektrums
nach Anregung im zweiten Wellenlängenbereich bewirkt.
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In
einer Weiterbildung der dritten oder vierten Verfahrensausgestaltung
entspricht der zweite Wellenlängenbereich einem isosbestischen
Punkt des Indikators oder des Indikatorgemisches.
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In
einer Weiterbildung aller beschriebenen Verfahrensausgestaltungen
wird die Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten
Messlichtsignals mit einem einzigen Detektor erfasst. Dies reduziert
den apparativen Aufwand gegenüber den aus dem Stand der
Technik bekannten Verfahren.
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In
einer weiteren Ausgestaltung wird der Intensität des ersten
und des zweiten Lichtsignals jeweils ein sinusartiges periodisches
Signal aufmoduliert. Vorteilhafterweise weisen das erste und/oder
das zweite sinusartige periodische Signal eine Frequenz von beispielsweise
500 Hz oder auch von bis zu mehreren Megahertz (MHz) auf. Im Gegensatz
zu dem in
EP 1000345
B1 beschriebenen Verfahren, bei dem ein analytsensitiver und
ein analytinsensitver Referenzindikator mit einem einzigen modulierten
Anregungssignal zur Lumineszenz angeregt, und aus der Phasenverschiebung
der Lumineszenzantwort beider Indikatoren die Konzentration des Analyten
bzw. der pH-Wert ermittelt werden, und bei dem die Modulationsfrequenz
des Anregungssignals in Abhängigkeit der Lumineszenz-Abklingzeiten
der Indikatoren gewählt werden muss, ist bei dem hier beschriebenen
Verfahren die Frequenz des ersten und zweiten periodischen Signals
frei wählbar. Dies hat den Vorteil, dass die Frequenzen
so gewählt werden können, dass der apparative
Aufwand zur Aufmodulation der periodischen Signale auf die Intensität
des ersten und zweiten Lichtsignals so gering wie möglich
gehalten werden kann.
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Vorzugsweise
weisen das der Intensität des ersten Lichtsignals aufmodulierte
erste sinusartige periodische Signal und das der Intensität
des zweiten Lichtsignals aufmodulierte zweite sinusartige periodische
Signal eine gleiche Frequenz und eine feste Phasendifferenz, insbesondere
von 90° oder π/2, auf.
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Das
Intensitätsverhältnis des ersten und des zweiten
Lichtsignals bzw. das Amplitudenverhältnis der entsprechend
mit dem ersten und zweiten periodischen Signal modulierten Intensitäten
der Lichtsignale ist frei wählbar, wird jedoch vorzugsweise
konstant gehalten. Insbesondere können das Intensitätsverhältnis und/oder
das Amplitudenverhältnis den Wert 1 betragen.
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Unter
einem sinusartigen Signal ist hier und im Folgenden eine Funktion
der allgemeinen Funktionsgleichung F(t) = Amsin(2πfmt – φ)zu
verstehen, wobei fm die Frequenz des sinusartigen
Signals, Am die Amplitude des sinusartigen Signals und φ die
Phasenverschiebung des sinusartigen Signals bezeichnen.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens wird, insbesondere wenn die Intensitäten
des ersten und des zweiten Lichtsignals mit einer sinusartigen Funktion
moduliert werden, aus der Phasendifferenz der Gesamtintensität
des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals bezüglich
dem dem ersten bzw. dem zweiten Lichtsignal aufmodulierten ersten
bzw. zweiten periodischen Signal (zuvor als zweite Phasendifferenz
bezeichnet) das Verhältnis der Amplituden der Intensitäten
der gewandelten Messlichtsignale ermittelt.
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In
einer Weiterbildung des Verfahrens wird zusätzlich zur
Phasendifferenz der Gesamtintensität des gewandelten ersten
und zweiten Messlichtsignals bezüglich dem dem ersten bzw.
dem zweiten Lichtsignal aufmodulierten ersten bzw. zweiten periodischen
Signal (zuvor als zweite Phasendifferenz bezeichnet) die Amplitude
der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten
Messlichtsignals bestimmt, und daraus ein Verhältnis von
Absorptions- oder alternativ Transmissionswerten oder von Lumineszenzwerten
der gewandelten Messlichtsignale ermittelt. Dies hat den Vorteil,
dass die Indikatorkonzentration bei der Bestimmung der Messgröße
nicht relevant ist. Das Verfahren ist somit unabhängig
von einer Änderung der Indikatorkonzentration im Laufe
des Verfahrens beispielsweise aufgrund von Leaching oder Bleaching.
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In
einer weiteren Ausgestaltung werden das erste und das zweite Messlichtsignal
durch zusätzliche Einflüsse auf dem Messpfad gewandelt,
insbesondere derart, dass die Intensität des ersten und
des zweiten Messlichtsignals durch die zusätzlichen Einflüsse
um einen unterschiedlichen Betrag gewandelt, d. h. beispielsweise
in ihrer Intensität um einen unterschiedlichen Betrag verringert
oder erhöht, werden, und wobei mindestens ein weiterer
Teil des von der ersten Lichtquelle emittierten ersten Lichtsignals
als erstes Referenzlichtsignal und ein weiterer Teil des von der
zweiten Lichtquelle emittierten zweiten Lichtsignals als zweites
Referenzlichtsignal auf einem Referenzpfad denselben Einflüssen
ausgesetzt wird, so dass die Intensität des ersten und
des zweiten Referenzlichtsignals jeweils durch die zusätzlichen
Einflüsse gewandelt wird, wobei auf dem Referenzpfad das
erste und das zweite Referenzlichtsignal nicht mit dem Indikator
oder dem Indikatorgemisch in Wechselwirkung gebracht werden. Dabei
umfassen die zusätzlichen Einflüsse insbesondere
Schwankungen der Lichtintensität der ersten und/oder zweiten
Lichtquelle, Absorption und/oder Brechung der Lichtsignale durch
Substanzen im Messpfad und/oder im Referenzpfad, Reflexion an Grenzflächen
im Messpfad oder eine unterschiedliche Empfindlichkeit des Detektors
für das gewandelte erste und das gewandelte zweite Messlichtsignal
und/oder das gewandelte erste und das gewandelte zweite Referenzlichtsignal
oder den Einfall von Umgebungslicht.
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In
einer Verfahrensvariante wird die Gesamtintensität des
ersten und zweiten gewandelten Referenzlichtsignals mit einem Detektor,
insbesondere mit einem zusätzlichen Detektor, erfasst,
und die Phasendifferenz der Gesamtintensität des gewandelten
ersten und zweiten Referenzlichtsignals bezüglich dem ersten oder
dem zweiten periodischen Signal ermittelt und zusammen mit der Phasendifferenz
der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten
Messlichtsignals bezüglich dem ersten oder zweiten periodischen
Signal zur Bestimmung der Messgröße herangezogen.
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Wie
zuvor für die Signale des Messpfades beschrieben, kann
aus der ermittelten Phasendifferenz ein Amplitudenverhältnis
der Intensitäten der gewandelten Referenzlichtsignale oder,
wenn zusätzlich die Amplitude der Gesamtintensität
des gewandelten ersten und zweiten Referenzlichtsignals bestimmt
wird, ein Verhältnis von Absorptionswerten oder von Lumineszenzwerten
der gewandelten Referenzlichtsignale ermittelt werden.
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In
einer alternativen Verfahrensvariante werden die Intensität
des ersten Lichtsignals und die Intensität des zweiten
Lichtsignals derart relativ zueinander gewählt, dass die
Phasendifferenz der Gesamtintensität des gewandelten ersten
und zweiten Referenzlichtsignals bezüglich des ersten oder
zweiten periodischen Signals konstant ist. Dies hat den Vorteil,
dass bei der Bestimmung der Messgröße zusätzlich
zu den Messlichtsignalen keine weiteren Signale einbezogen werden
müssen.
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Bei
den beschriebenen Verfahrensausgestaltungen und Weiterbildungen
kann die Messgröße der pH-Wert des Messmediums
oder die Konzentration eines im Messmedium enthaltenen Analyten,
insbesondere eines Analyten aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoffdioxid,
Sauerstoff, Chlor, Wasserstoff, Ammoniak, Nitrat-, Ammonium-, Chlorid-, Fluorid-,
Phosphat-, Sulfat-, Cyanid-, Alkali- und Erdalkali-Ionen, schwermetallhaltige
ionische Verbindungen und Biomolekülen, insbesondere Proteine
oder Substanzen, die von Mikroorganismen produziert werden, sein.
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Die
Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Vorrichtung
zur Durchführung des voranstehend beschriebenen Verfahrens,
umfassend eine erste und eine zweite Lichtquelle zur Emission eines
ersten und eines zweiten Lichtsignals, eine Matrix, welche den Indikator
oder das Indikatorgemisch beinhaltet, und mindestens einen Detektor
zur Erfassung der Gesamtintensität eines durch optische
Wechselwirkung mit dem Indikator oder Indikatorgemisch gewandelten
ersten und zweiten Messlichtsignals. Das Vorsehen eines in einer
Matrix eingebetteten Indikators erlaubt einen kompakten Aufbau der
Vorrichtung, so dass beispielsweise die Lichtquellen und/oder von
den Lichtquellen zur Matrix führende Lichtleiter, der Detektor
und/oder von der Matrix zum Detektor führende Lichtleiter
und die Matrix selbst Bestandteile einer in das Messmedium eintauchbaren Messsonde
sein können.
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In
einer Weiterbildung umfasst die Matrix neben einem ersten Bereich,
welcher den Indikator oder das Indikatorgemisch beinhaltet, einen
zweiten indikatorfreien Bereich. Dies erlaubt die Realisierung eines
Mess- und eines Referenzpfads auf engem Raum.
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In
einer Weiterbildung sind jeweils ein Messpfad für das erste
und das zweite Messlichtsignal und ein Referenzpfad für
das erste und das zweite Referenzlichtsignal vorgesehen,
wobei
der Messpfad den ersten Bereich der Matrix und den Detektor zur
Erfassung der Intensität der durch optische Wechselwirkung
mit dem Indikator oder Indikatorgemisch und durch zusätzliche
Einflüsse gewandelten Messlichtsignale umfasst,
und
der Referenzpfad den zweiten indikatorfreien Bereich der Matrix
und den besagten Detektor oder einen zusätzlichen Detektor
zur Erfassung der Intensität des nur durch die zusätzlichen
Einflüsse gewandelten Referenzlichtsignals umfasst.
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In
einer Weiterbildung sind die erste und die zweite Lichtquelle und
der Detektor auf derselben Seite der Matrix angeordnet. Dies trägt
ebenfalls dazu bei, die Vorrichtung kompakt aufzubauen, zum Beispiel
um sie zumindest teilweise in einer in das Messmedium eintauchbaren
Sonde unterzubringen.
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In
einer Ausgestaltung, die insbesondere, aber nicht nur, für
den Fall, dass die erste und die zweite Lichtquelle und der Detektor
auf derselben Seite der Matrix angeordnet sind, von Vorteil ist,
weist die Matrix reflexionsverstärkende Mittel, insbesondere
eine reflektierende Schicht und/oder in die Matrix integrierte Licht streuende
Partikel auf.
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In
einer Ausgestaltung sind die erste und die zweite Lichtquelle in
einer dualen Leuchtdiode integriert. Die Zusammenfassung beider
Lichtquellen in einem Bauteil erlaubt einen noch kompakteren Aufbau
der Vorrichtung.
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In
einer Weiterbildung umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Vorrichtung
zur Erzeugung der ersten Phasendifferenz, d. h. der Phasendifferenz
zwischen dem dem Lichtsignal der ersten Lichtquelle aufmodulierten
ersten periodischen Signal und dem dem Lichtsignal der zweiten Lichtquelle
aufmodulierten zweiten periodischen Signal. Weiterhin umfasst die
Vorrichtung eine Vorrichtung zur Bestimmung der zweiten Phasendifferenz,
d. h. der Phasendifferenz zwischen der Gesamtintensität
des auf dem Messpfad gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals
und dem ersten oder zweiten periodischen Signal, sowie der Phasendifferenz des
Referenzsignals bezogen auf das erste oder das zweite periodische
Signal. In einer Weiterbildung umfasst die Vorrichtung zusätzliche
Mittel zur Bestimmung der Amplitude der Gesamtintensität
des auf dem Messpfad gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals.
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Die
Vorrichtung zur Bestimmung der zweiten Phasendifferenz kann beispielsweise
so ausgestaltet sein, dass sie bei Durchführung des beschriebenen
Verfahrens die Phasendifferenz zwischen der (modulierten) Intensität
des ersten Messlichtsignals bzw. des zweiten Messlichtsignals und
der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten
Messlichtsignals bestimmt. Die Vorrichtung zur Bestimmung der zweiten
Phasendifferenz kann in einer Variante auch derart ausgestaltet
sein, dass sie bei Durchführung des beschriebenen Verfahrens
die Phasendifferenz zwischen der Intensität des ersten
gewandelten Messlichtsignals bzw. des zweiten gewandelten Messlichtsignals
und der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten
Messlichtsignals bestimmt.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen
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1 eine
Prinzipskizze zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Bestimmung
einer Messgröße eines Messmediums;
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2 a)
ein Diagramm der Intensitäten des von der ersten und zweiten
Lichtquelle emittierten modulierten ersten und zweiten Messlichtsignals,
sowie ihrer Gesamtintensität und
b) ein Diagramm der
modulierten Intensitäten des durch Wechselwirkung mit dem
Indikator Bromthymolblau gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals,
sowie ihrer Gesamtintensität;
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3 Diagramme
der in einer Simulation ermittelten Gesamtintensität von
durch Wechselwirkung mit Bromthymolblau gewandelten ersten und zweiten
Messlichtsignalen bei verschiedenen pH-Werten;
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4 eine
schematische Darstellung einer Matrix mit einem ersten Bereich,
der einen Indikator umfasst und einem zweiten indikatorfreien Bereich;
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5 eine
schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Messsonde
mit einem Mess- und einem Referenzpfad;
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6 eine
schematische Darstellung eines Längsschnitts durch die
in 5 dargestellte Messsonde.
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In 1 ist
ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße eines
Messmediums, beispielsweise eines pH-Werts oder einer Konzentration
eines Analyten in dem Messmedium, schematisch veranschaulicht. Bei diesem
Verfahren werden eine erste Lichtquelle 6 und eine zweite
Lichtquelle 7 zur Emission eines ersten und eines zweiten
Lichtsignals unterschiedlicher Wellenlänge angeregt. Die
Lichtsignale breiten sich als Messlichtsignale auf einem Messpfad,
beispielsweise über erste Lichtleiter 24 aus,
wobei sie auf eine Matrix 10 treffen, welche mindestens
einen Bereich 14 aufweist, der einen Indikator oder ein
Indikatorgemisch beinhaltet. Im hier gezeigten Beispiel wird das
gesamte, von der ersten bzw. zweiten Lichtquelle 6, 7 emittierte
erste bzw. zweite Lichtsignal als Messlichtsignal verwendet.
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Die
Matrix 10 wird mit dem Messmedium in Kontakt gebracht,
beispielsweise durch Eintauchen. Durch Wechselwirkung mit dem in
der Matrix 10 im Bereich 14 vorliegenden Indikator
werden das erste und das zweite Messlichtsignal gewandelt. Im Allgemeinen
umfasst die Wandlung eines Lichtsignals durch einen Indikator insbesondere
die Absorption eines Teils des Lichtsignals durch den Indikator.
Das gewandelte Lichtsignal kann einerseits ein aufgrund der Absorption
in seiner Intensität abgeschwächtes Transmissionssignal
sein, andererseits aber auch ein Lichtsignal, das der Indikator
aufgrund der Anregung durch das absorbierte Licht als Lumineszenzsignal
emittiert. Welche Art von gewandeltem Lichtsignal detektiert wird,
hängt beispielsweise von der Wahl des Indikators, von der
Wahl des Detektors und von der Ausrichtung des Detektors 8 bezüglich
des Signalpfads ab.
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Die
Wellenlänge des ersten und des zweiten Lichtsignals wird
mit der Wahl des Indikators abgestimmt: Beispielsweise kann das
Absorptionsspektrum des Indikators einen ersten und einen zweiten
Wellenlängenbereich aufweisen, in denen die Messgröße,
z. B. der pH-Wert, das Absorptionsspektrum in unterschiedlicher Weise
beeinflusst. Dies ist beispielsweise bei einem sog. pH-Indikator
der Fall, dessen protonierte und deprotonierte Form jeweils bei
unterschiedlichen Wellenlängen ein Absorptionsmaximum aufweisen.
Ein Beispiel für einen solchen Indikator ist Bromthymolblau,
auf das weiter unten im Zusammenhang mit 2 und 3 noch genauer
eingegangen wird. In diesem Fall wird die Wellenlänge des
einen Lichtsignals im ersten Wellenlängenbereich, z. B.
im Bereich des Absorptionsmaximums der protonierten Form, und die
Wellenlänge des anderen Lichtsignals im zweiten Wellenlängenbereich,
z. B. im Bereich des Absorptionsmaximums der deprotonierten Form
gewählt.
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In
einer Variante kann das Absorptionsspektrum des Indikators auch
einen ersten Wellenlängenbereich aufweisen, in dem die
Messgröße das Absorptionsspektrum beeinflusst,
z. B. ein vom pH-Wert abhängiges Absorptionsmaximum, und
einen zweiten Wellenlängenbereich, in dem die Messgröße
das Absorptionsspektrum nicht beeinflusst, z. B. wenn ein isosbestischer
Punkt vorliegt. Die Wellenlänge des ersten Lichtsignals
kann dann im ersten Wellenlängenbereich und die Wellenlänge
des zweiten Lichtsignals im zweiten Wellenlängenbereich,
z. B. beim isosbestischen Punkt, gewählt werden.
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In
der Regel müssen das erste und das zweite Lichtsignal nicht
streng monochromatisch sein. Wird als zweites Lichtsignal die Wellenlänge
des isosbestischen Punktes gewählt, ist es jedoch von Vorteil,
monochromatisches Licht zu verwenden.
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Das
gewandelte erste und zweite Messlichtsignal gelangen auf dem Messpfad
beispielsweise durch zweite Lichtleiter 22 auf den Detektor 8,
der die Gesamtintensität des ersten und zweiten gewandelten
Messlichtsignals, also die Summe der Intensitäten des gewandelten
ersten und zweiten Messlichtsignals, erfasst.
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In
der schematischen Darstellung in 1 befinden
sich die Lichtquellen 6, 7 und der Detektor 8 auf derselben
Seite der Matrix 10. Im Fall, dass die Änderung
der Intensität der Lichtsignale aufgrund von Absorption
durch den Indikator am Detektor 8 erfasst werden soll,
ist es vorteilhaft, in oder im Bereich der Matrix 10 zusätzliche
Mittel vorzusehen, die die Reflexion der Lichtsignale an der Matrix 10 verstärken.
Beispielsweise kann die Matrix 10 an ihrer von den Lichtquellen 6, 7 und
dem Detektor 8 abgewandten Seite mit einer reflektierenden
Schicht, beispielsweise aus Aluminium, versehen sein. Zusätzlich
oder alternativ kann die Matrix 10 auch in die Matrix 10 integrierte
Licht streuende Partikel, beispielsweise Silikagel oder Rutilpulver
mit einem Partikeldurchmesser im μm-Bereich, enthalten.
Falls vorgesehen ist, dass der Detektor 8 ein vom Indikator emittiertes
Lumineszenzsignal empfängt, ist eine Verstärkung
der Reflexion an der Matrix 10 nicht unbedingt notwendig,
da Lumineszenzsignale in alle Raumrichtungen gleichmäßig
emittiert werden. Es ist jedoch auch in diesem Fall vorteilhaft,
eine reflektierende Schicht vorzusehen, damit ein größerer
Anteil des emittierten Lumineszenzsignals zum Detektor 28 gelangt.
-
Das
hier und im Folgenden anhand einer Ausgestaltung erläuterte
Verfahren, bei der der Indikator oder das Indikatorgemisch in einer
Matrix 10 vorliegt, kann alternativ auch derart durchgeführt
werden, dass das Messmedium zur Bestimmung der Messgröße
mit dem Indikator oder dem Indikatorgemisch versetzt wird, z. B.
indem der Indikator oder das Indikatorgemisch mindestens einer Probe
des Messmediums zugegeben wird.
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Der
Intensität des ersten und des zweiten Lichtsignals werden
jeweils ein erstes und ein zweites periodisches Signal aufmoduliert.
Die vom Detektor 8 erfasste Gesamtintensität des
gewandelten ersten und zweiten Lichtsignals ist entsprechend ebenfalls
periodisch moduliert, d. h. die Gesamtintensität variiert
periodisch. Wird als erstes und zweites periodisches Signal beispielsweise
ein sinusartiges Signal gewählt, so weist die vom Detektor 8 erfasste
Gesamtintensität ebenfalls einen sinusartigen Verlauf auf.
Die Gesamtintensität ist dabei gegenüber dem ersten
und dem zweiten periodischen Signal phasenverschoben. Im Folgenden
wird dies genauer anhand des bereits genannten Beispiels der Bestimmung
des pH-Werts eines Messmediums mittels des Säure/Base-Indikators
Bromthymolblau erläutert.
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Es
ist dem Fachmann bekannt, dass Bromthymolblau bei unterschiedlichen
pH-Werten unterschiedliche Absorptionsspektren aufweist, da die
deprotonierte und die protonierte Form von Bromthymolblau unterschiedliche
Absorptionsmaxima besitzen. So weist das Absorptionsspektrum der
deprotonierten Form von Bromthymolblau ein Absorptionsmaximum bei
620 nm auf, das sich deutlich vom Absorptionsmaximum der protonierten
Form bei 430 nm unterscheidet. Je nach pH-Wert ändert sich
das Konzentrationsverhältnis, in dem die protonierte bzw.
die deprotonierte Form vorliegen, und entsprechend auch das Intensitätsverhältnis der
beiden Absorptionsmaxima. Das Absorptionsspektrum von Bromthymolblau
weist zwei isosbestische Punkte bei 320 nm und bei 500 nm auf.
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Als
Wellenlänge des ersten Lichtsignals wird entsprechend die
Wellenlänge des Absorptionsmaximums der protonierten Form,
also 430 nm, und als Wellenlänge des zweiten Lichtsignals
wird die Wellenlänge des Absorptionsmaximums der deprotonierten
Form, 620 nm, gewählt. Der Intensität des ersten
Lichtsignals und der Intensität des zweiten Lichtsignals
werden jeweils ein erstes und ein zweites periodisches Signal, im gezeigten
Beispiel ein sinusartiges Signal, aufmoduliert.
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2a)
zeigt ein Diagramm der modulierten Intensitäten des ersten
Messlichtsignals (430 nm, Dreiecke) und des zweiten Messlichtsignals
(620 nm, Rauten), sowie die Gesamtintensität des ersten
und zweiten Messlichtsignals (durchgezogene Linie) als Funktion
der Phase der modulierten Intensität des ersten Messlichtsignals.
Im gezeigten Beispiel sind Frequenz und Amplitude der aufmodulierten
sinusartigen Signale gleich, die Phasendifferenz der aufmodulierten
sinusartigen Signale beträgt 90° bzw. π/2.
Im gezeigten Beispiel wird weiterhin davon ausgegangen, dass den
Intensitäten des ersten und zweiten Lichtsignals im Wesentlichen
keine weiteren Signale aufmoduliert sind. Die modulierte Intensität
des ersten Lichtsignals und die modulierte Intensität des
zweiten Lichtsignals besitzen also die gleiche Frequenz und Amplitude
und eine Phasendifferenz von 90° bzw. π/2. Die
modulierte Gesamtintensität zeigt entsprechend ebenfalls
einen sinusartigen Verlauf.
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In 2b)
sind beispielhaft die Intensitäten des nach Wechselwirkung
mit einem Indikator gewandelten ersten Messlichtsignals und des
gewandelten zweiten Messlichtsignals als Funktion der Phase des
ersten modulierten Messlichtsignals dargestellt. Da den Intensitäten
der eingestrahlten Messlichtsignale ein sinusartiges periodisches
Signal aufmoduliert ist, zeigen die Intensitäten der gewandelten
Messlichtsignale und entsprechend auch deren Gesamtintensität
ebenfalls einen sinusartigen periodischen Verlauf. Im gezeigten
Beispiel ändern sich die Intensitäten beider Messlichtsignale
aufgrund der Absorption durch Bromthymolblau in unterschiedlicher
Weise, und zwar abhängig vom pH-Wert. Das erste Messlichtsignal
mit der Wellenlänge von 430 nm wird beim vorliegenden pH-Wert
deutlich weniger stark absorbiert als das zweite Messlichtsignal
der Wellenlänge 620 nm, was sich in einer deutlich stärkeren
Abnahme der Amplitude der Intensität des gewandelten zweiten
Messlichtsignals gegenüber der Abnahme der Amplitude der
Intensität des gewandelten ersten Messlichtsignals äußert.
Die Gesamtintensität weist eine Phasendifferenz gegenüber
den Einzelintensitäten des gewandelten ersten bzw. des
gewandelten zweiten Messlichtsignals auf. Diese Phasendifferenz
ist identisch mit der Phasendifferenz der Gesamtintensität
gegenüber den Einzelintensitäten des eingestrahlten
ersten bzw. zweiten Messsignals und mit der Phasendifferenz der
Gesamtintensität gegenüber dem der Intensität des
von der ersten Lichtquelle emittierten ersten Lichtsignals aufmodulierten
ersten periodischen Signal, bzw. dem der Intensität des
von der zweiten Lichtquelle emittierten zweiten Lichtsignals aufmodulierten
zweiten periodischen Signal. Für die folgenden Betrachtungen
wird rein beispielhaft davon ausgegangen, dass diese Phasendifferenz
durch Ermittlung der Phasendifferenz zwischen der Gesamtintensität
der gewandelten Messlichtsignale und einer einzelnen Intensität
eines der gewandelten Messlichtsignale bestimmt wird.
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Diese
Phasendifferenz hängt vom Verhältnis der Intensitäten
bzw. vom Amplitudenverhältnis der modulierten Intensitäten
der einzelnen gewandelten Messlichtsignale ab, wie im Folgenden
gezeigt wird. Dabei wird vorausgesetzt, dass sich die Einzelsignale
additiv überlagern: AMess·sin(φMess)
= Aλ1·sin(φλ1) + Aλ2·sin(φλ2), (1)und AMess·cos(φMess) = Aλ1·cos(φλ1) + Aλ2·cos(φλ2), (2)wobei AMess für die Amplitude der Gesamtintensität, φMess für den Phasenwinkel der Gesamtintensität,
Aλ1 für die Amplitude
der Intensität des gewandelten ersten sinusartig modulierten
Messlichtsignals, Aλ2 für
die Amplitude der Intensität des gewandelten zweiten sinusartig
modulierten Messlichtsignals, φλ1 für
den Phasenwinkel des gewandelten ersten Messlichtsignals und φλ2 für den Phasenwinkel
des gewandelten zweiten Messlichtsignals steht.
-
Als
Bezugsgröße wird hier der Phasenwinkel des gewandelten
ersten Messlichtsignals φλ1 festgelegt, d.
h. es gilt φλ1 =
0.
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Selbstverständlich
kann gleichermaßen auch als Bezugsgröße
der Phasenwinkel des gewandelten zweiten Messlichtsignals φλ2 festgelegt werden.
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Damit
ergibt sich aus den Gleichungen (1) und (2): AMess·sin(φMess) = Aλ2·sin(φλ2), (3)und AMess·cos(φMess) = Aλ1 +
Aλ2·cos(φλ2). (4)
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Division
der Gleichung (4) durch Gleichung (3) ergibt:
-
Aus
Gleichung (5) folgt, dass die Phasendifferenz zwischen dem gewandelten
ersten Messlichtsignal als Bezugspunkt und der am Detektor erfassten
Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals
bei konstanter Phasendifferenz zwischen dem ersten und zweiten periodischen
Signal ausschließlich vom Quotienten der Amplituden (und
damit vom Intensitätsverhältnis des gewandelten
ersten und zweiten Messlichtsignals) abhängt.
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Mittels
der Gleichung (5) kann daher das Amplitudenverhältnis der
modulierten Intensität des gewandelten ersten und zweiten
Messlichtsignals ermittelt werden. In Kenntnis der Indikatorkonzentration
im Messmedium bzw. in der Matrix 10 kann daraus die die
gesuchte Messgröße, im vorliegenden Beispiel der
pH-Wert, bestimmt werden, beispielsweise indem das ermittelte Amplitudenverhältnis
mit Kalibrierdaten, die bei der vorliegenden Indikatorkonzentration
ermittelt wurden, verglichen wird.
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Bekanntermaßen
gilt für das Amplitudenverhältnis der modulierten
Intensitäten des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals:
wobei
A 0 / λ1 die Amplitude der Intensität des eingestrahlten ersten
Messlichtsignals vor Wechselwirkung mit dem Indikator, A 0 / λ2 die Amplitude der
Intensität des eingestrahlten zweiten Messlichtsignals
vor Wechselwirkung mit dem Indikator, T lnd / λ1 die Transmission des Indikators
für Licht der Wellenlänge des ersten Messlichtsignals
und T lnd / λ2 die Transmission des Indikators für Licht der Wellenlänge
des zweiten Messlichtsignals bezeichnet. Die Transmission des Indikators
für das erste bzw. das zweite Messlichtsignal hängt
nach dem Lambert-Beerschen Gesetz exponentiell von der durchstrahlten
Weglänge d und der absoluten Konzentration der absorbierenden Indikatorform,
d. h. im vorliegenden Fall der Konzentration c lnd / 1 deprotonierten Form
von Bromthymolblau bzw. der Konzentration c lnd / 2 der entsprechenden protonierten
Form ab:
-
Die
Größen ελ1 und ελ2 sind für die jeweilige
Indikatorform charakteristische Konstanten, die als Extinktionskoeffizienten
bezeichnet werden.
-
Um
den Einfluss einer nicht konstanten Indikator-Konzentration, beispielsweise
durch Bleaching oder Leaching oder beim Austausch der Matrix
10,
zu eliminieren, kann zusätzlich die Amplitude der Gesamtintensität
des gewandelten ersten und des gewandelten zweiten Messlichtsignals
ermittelt werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass die vom Messlichtsignal
durchlaufene Strecke d konstant bleibt und für das erste
und das zweite Messlichtsignal zudem gleich groß ist. Mittels
der Gleichungen (3) und (4) können aus den Werten A
Mess und φ
Mess die
Absolutwerte der Amplituden A
λ1 und
A
λ2 berechnet werden. Hieraus lassen
sich die zugehörigen Absorptionswerte OD
λ1 und
OD
λ2 für die beiden Indikatorformen
berechnen:
-
Der
Quotient bzw. das Verhältnis der Absorptionswerte stellt
eine von der Konzentration des Indikators unabhängige Größe
dar und reflektiert allein das Konzentrationsverhältnis
der beiden Formen des Indikators:
-
Aus
dem Quotienten der Absorptionswerte kann somit unabhängig
von einer sich ändernden Indikatorkonzentration, d. h.
einer sich ändernden Gesamtkonzentration aller vorliegenden
Indikatorformen, beispielsweise wiederum durch Vergleich mit entsprechenden
Kalibrierdaten, die Messgröße, im hier diskutierten Beispiel
der pH-Wert, ermittelt werden.
-
Die
Messung der Amplitude AMess der Gesamtintensität
des gewandelten ersten und des gewandelten zweiten Messlichtsignals
kann mittels einer einfachen Messvorrichtung erfolgen, da AMess bei einer ausreichenden Indikatorkonzentration
innerhalb eines Intervalls 0,1·(A0λ1 +
A0λ2 ) < AMess < 0,9·(A0λ1 +
A0λ2 ) (10)liegt.
-
Bei
herkömmlichen ratiometrischen Verfahren, wie sie eingangs
beschrieben wurden, ist die Messung der Einzelintensitäten
der gewandelten Lichtsignale notwendig. Dies erfordert eine wesentlich höhere
Messgenauigkeit als die Bestimmung der Gesamtamplitude AMess. Dies gilt insbesondere bei Vorliegen
eines pH-Werts oder einer Analytkonzentration, bei dem bzw. bei
der der Indikator fast vollständig in einer Form vorliegt.
Liegt der Indikator beispielsweise fast ausschließlich
in der protonierten Form vor, so ist die Amplitude der Intensität
des gewandelten ersten Messlichtsignals Aλ1 nur
minimal kleiner als die Amplitude der Intensität des ersten
Messlichtsignals vor der Wechselwirkung mit dem Indikator A 0 / λ1, während
die Intensität des gewandelten zweiten Messlichtsignals
eine stark verringerte Amplitude Aλ2 aufweist.
Werden in diesem Fall die Einzelintensitäten der gewandelten
Messlichtsignale gemessen, führt dies zu einem relativ
großen Messfehler, während die Messung der Amplitude
der Gesamtintensität der gewandelten Messlichtsignale bei
gleichem apparativem Aufwand mit einem deutlich geringeren Messfehler
behaftet ist. Da entgegen der herkömmlichen ratiometrischen
Verfahren keine Messungen von Amplituden mit A ≈ 0 bzw.
A ≈ A0.erfolgen müssen,
kann die Bestimmung der Gesamtamplitude AMess mit
deutlich geringerem apparativem Aufwand erfolgen.
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Die
Bestimmung der Phasendifferenz φMess und
der Amplitude der Gesamtintensität AMess kann
zeitgleich erfolgen, so dass eine kontinuierliche Messung ohne räumliche
oder zeitliche Auftrennung der Messkanäle des ersten und
zweiten Messlichtsignals und ohne den Einsatz optischer Filter möglich
wird. Auch dies ist ein Vorteil gegenüber den eingangs
beschriebenen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.
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Bei
gleichem absolutem Fehler der Amplituden- bzw. Intensitätsmessung
und einem typischen Fehler von beispielsweise 0,025° bei
der Bestimmung der Phasenverschiebung können zudem die
Amplituden der Intensitäten des ersten und des zweiten
Messlichtsignals deutlich gegenüber der Einzelbestimmung
der Messlichtintensitäten bei den herkömmlichen
ratiometrischen Verfahren reduziert werden, ohne dass der gesamte Messfehler
sich vergrößert. Diese Verringerung der Messlichtintensität
hat zur Folge, dass das Photobleichen (Bleaching) des Indikators
reduziert wird. Die Lebensdauer eines nach dem beschriebenen Verfahren
arbeitenden Sensors mit einer Indikator enthaltenden Matrix 10 würde
auf diese Weise gegenüber der Lebensdauer eines nach der
herkömmlichen ratiometrischen Methode arbeitenden Sensors
verlängert.
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In 3 sind
mehrere Diagramme der in einer Simulation ermittelten Gesamtintensität
(durchgezogene Linie) eines durch Wechselwirkung mit Bromthymolblau
gewandelten ersten Messlichtsignals der Wellenlänge 430
nm (Dreiecke) und eines ebenfalls gewandelten zweiten Messlichtsignals
der Wellenlänge 620 nm (Rauten) bei pH-Werten 5, 7 und
9 gezeigt. Die Intensitäten der gewandelten Messlichtsignale
sind jeweils mit einem sinusartigen Signal moduliert, wobei im vorliegenden
Fall beide den eingestrahlten Messlichtsignalen aufmodulierten sinusartigen
Signale, und entsprechend die modulierten Intensitäten
der gewandelten Messlichtsignale die gleiche Frequenz und die gleiche
Amplitude aufweisen. Die Phasendifferenz zwischen den aufmodulierten
sinusartigen Signalen, und entsprechend auch die Phasendifferenz
zwischen den beiden modulierten gewandelten Messlichtsignalen beträgt
im gezeigten Beispiel 90° bzw. π/2.
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Als
Bezugsgröße für die Bestimmung der Phasendifferenz
der Gesamtintensität der gewandelten Lichtsignale wird
der Phasenwinkel des gewandelten ersten Messlichtsignals (430 nm)
gewählt. Entsprechend ist der Nulldurchgang der dem ersten
Lichtsignal aufmodulierten Sinusfunktion als Ursprung des Koordinatensystems
der hier dargestellten Diagramme gewählt. Die Phasenverschiebung
der Gesamtintensität bezogen auf diesen Ursprung ist als
gestrichelte Linie in allen Diagrammen dargestellt.
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Es
ist leicht ersichtlich, dass sich mit steigendem pH-Wert das Intensitätsverhältnis
der gewandelten Signale ändert. Entsprechend ändern
sich die Amplitudenverhältnisse der gewandelten modulierten
Messlichtsignale und somit auch die Phasenverschiebung der Gesamtintensität
bezogen auf den gewählten Ursprung.
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Ein
analoges Verfahren kann auch zur Bestimmung der Konzentration anderer
Analyte, wie z. B. der Konzentration von im Messmedium gelöstem
Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff, Chlor, Wasserstoff, Ammoniak, Nitrat-,
Ammonium-, Chlorid-, Fluorid-, Phosphat-, Sulfat, Cyanid-, Alkali-
und Erdalkali-Ionen, von schwermetallhaltigen ionischen Verbindungen,
oder auch von Biomolekülen, insbesondere von Proteinen
oder von Mikroorganismen produzierten Substanzen, verwendet werden.
Hierzu können zahlreiche aus dem Stand der Technik bekannte
Indikatoren, z. B. Chromoionophore oder aus der Biosensorik bekannte
Marker, verwendet werden.
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Als
ein Beispiel wird im Folgenden die Bestimmung der Konzentration
von Kalium-Ionen näher beschrieben. Hierzu wird die Matrix 10 als
Membran ausgestaltet, die neben einem K+-selektiven
neutralen Träger auch ein H+-selektives
Membran-Chromo-Ionophor enthält. Enthält das Messmedium
gelöste Kalium-Ionen, diffundieren diese in die Membran
ein und werden dort vom Träger komplexiert. Da der Träger
ungeladen ist, besitzt der Komplex entsprechend eine positive Ladung.
Zum Ladungsausgleich der Membran werden H+-Ionen
in das Messmedium abgegeben, was zu einer Änderung des
pH-Werts in der Membran führt. Diese pH-Wertänderung äußert
sich entsprechend als Änderung des Absorptionsspektrums
des Membran-Chromo-Ionophors. Beispielsweise kann die Matrix 10 aus
einer PVC-Membran mit Weichmacherzusätzen gebildet sein,
die als K+-selektiven Träger einen
Hexaester von Calix[6]aren und das H+-selektive
Chromo-Ionophor ETH 2439 enthält. Das Absorptionsspektrum
dieses Chromo-Ionophors weist ein Absorptionsmaximum bei etwa 670
nm auf, dessen Intensität in der beschriebenen Weise von
der vorliegenden K+-Konzentration abhängt.
Bei 575 nm besitzt das System einen isosbestischen Punkt.
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Zur
Bestimmung der K+-Konzentration wird die
Matrix 10 mit dem Messmedium in Kontakt gebracht und ein
erstes Messlichtsignal mit einer Wellenlänge von 670 nm
und einem seiner Intensität aufmodulierten ersten periodischen
Signal und ein zweites Messlichtsignal mit einer Wellenlänge
von 575 nm und einem seiner Intensität aufmodulierten zweiten
periodischen Signal eingestrahlt. Die Gesamtintensität
der durch Absorption durch den Indikator gewandelten Messlichtsignale
wird mittels eines Detektors, beispielsweise eines Breitband-Photodetektors
erfasst. Die Intensität des ersten Messlichtsignals bei
670 nm wird von der K+-Konzentration im
Messmedium beeinflusst, während die Intensität
des zweiten Messlichtsignals bei 575 nm, dem isosbestischen Punkt,
unabhängig von der vorliegenden K+-Konzentration
ist. Aus der Phasendifferenz der detektierten Gesamtintensität
der gewandelten Messlichtsignale bezüglich dem ersten oder
zweiten periodischen Signal als Bezugspunkt wird die K+-Konzentration
nach dem zuvor beschriebenen Verfahren, gegebenenfalls unter zusätzlicher
Bestimmung der Amplitude der Gesamtintensität des gewandelten
ersten und zweiten Messlichtsignals, bestimmt.
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In
analoger Weise kann das Verfahren angewendet werden, indem statt
einer Absorptionsantwort eines Indikators die Lumineszenzantwort
eines Indikators auf die eingestrahlten Messlichtsignale detektiert
wird. In diesem Fall wird der Indikator mit zwei Messlichtsignalen
zur Lumineszenz, insbesondere zur Fluoreszenz, angeregt. Wie zuvor
beschrieben, wird den Intensitäten der Anregungssignale
jeweils ein periodisches Signal aufmoduliert, wobei zwischen den
beiden periodischen Signalen eine Phasendifferenz besteht. Die Gesamtintensität
der vom Indikator emittierten, d. h. gewandelten, Messlichtsignale
wird detektiert und die Phasendifferenz der Gesamtintensität
zum ersten oder zum zweiten periodischen Signal bestimmt. Diese
Phasendifferenz ist wie bei den zuvor betrachteten Absorptionsmessungen
ein Maß für das Amplitudenverhältnis
der Intensität der Lumineszenzsignale bei der Anregung
mit dem ersten und mit dem zweiten Messlichtsignal, und damit ein Maß für
das Konzentrationsverhältnis, in dem zwei verschiedene
Formen des Indikators vorliegen. Dieses Konzentrationsverhältnis
ist wiederum ein Maß für den pH-Wert bzw. die
Analytkonzentration.
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Bei
der Auswertung von Lumineszenzmessungen kann bei geringen Indikatorkonzentrationen
mit guter Näherung ein linearer Zusammenhang zwischen der
Intensität des gewandelten Messlichtsignals, also der Lumineszenzintensität,
und der Konzentration der lumineszierenden Spezies angenommen werden,
so dass auch Änderungen der Indikatorkonzentration während
der Lebenszeit eines nach diesem Verfahren arbeitenden Sensors die
Messgenauigkeit nur unwesentlich beeinflussen. Um den Einfluss einer
nicht konstanten Indikatorkonzentration vollständig zu
eliminieren, kann wie für die Absorptions-Messungen zuvor
beschrieben, zusätzlich die Amplitude der Gesamtintensität
der gewandelten Messlichtsignale, d. h. bei der Lumineszenz-Messung
der Lumineszenzsignale, AMess ermittelt
werden.
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Aus
dem Zusammenhang zwischen der Amplitude der einzelnen gewandelten
Messlichtsignale A
λ1' bzw. A
λ2' und der Konzentration der jeweils
bei Anregung mit dem ersten Messlichtsignal lumineszierenden ersten
Indikatorform bzw. der bei Anregung mit dem zweiten Messlichtsignal
lumineszierenden zweiten Indikatorform
mit Θ
1 und Θ
2 als Quantenausbeute lässt sich
(bei Kenntnis bzw. Referenzmessung von A 0 / λ1 und A 0 / λ2) ein Absorptionswert
OD
λ1 für die Anregung
mit dem ersten Messlichtsignal bzw. OD
λ2 für
die Anregung mit dem zweiten Messlichtsignal ermitteln, der jeweils
linear von der Konzentration der jeweiligen Indikatorform abhängt:
-
Der
Quotient der Absorptionswerte stellt eine von der Konzentration
des Indikators unabhängige Größe dar
und reflektiert allein das Konzentrationsverhältnis der
beiden lumineszierenden Formen des Indikators. Aus dem Quotienten
der Absorptionswerte kann somit unabhängig von einer sich ändernden
Indikatorkonzentration, d. h. einer sich ändernden Gesamtkonzentration
aller vorliegenden Indikatorformen, beispielsweise durch Vergleich
mit entsprechenden Kalibrierdaten, die Messgröße,
z. B. eine Analytkonzentration bzw. der pH-Wert im Messmedium ermittelt
werden.
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Beispielsweise
kann zur Bestimmung des pH-Werts eines Messmediums als Indikator
in einer Sol-Gel-Matrix enthaltenes 1-Hydroxypyren-3,6,8-Trisulfonsäure
N-Cetyl-N,N,N-trimethylammoniumsalz (HPTS-CTEA) verwendet werden.
Dieser Indikator besitzt zwei Absorptionsmaxima, deren Intensität
vom pH-Wert abhängt, wobei das erste bei 404 nm der deprotonierten
Form und das zweite bei 455 nm der protonierten Form zugeordnet
werden kann. Der Indikator wird, wie zuvor beschrieben, als Bestandteil
einer Matrix 10 mit dem Messmedium in Kontakt gebracht.
Bei Anregung des Indikators mit einem ersten periodisch modulierten
Messlichtsignal mit einer Wellenlänge von 404 nm und bei
Anregung mit einem zweiten phasenverschobenen periodisch modulierten
Messlichtsignal mit einer Wellenlänge von 455 nm kann aus
der Phasendifferenz der Gesamtintensität der emittierten
Signale bei 510 nm der pH-Wert des Messmediums nach dem oben beschriebenen
Verfahren bestimmt werden.
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Statt
eines einzelnen Indikators wie in den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen
kann auch ein Gemisch aus mehreren Indikatoren verwendet werden.
Beispielsweise kann ein Gemisch aus zwei Indikatoren verwendet werden,
wobei nur einer der Indikatoren ein vom pH-Wert bzw. von der Analyt-Konzentration
abhängiges Absorptionsspektrum aufweist, während
das Absorptionsspektrum des zweiten Indikators vom pH-Wert bzw.
von der Analyt-Konzentration unabhängig ist. Ein Beispiel
für ein solches Indikatorgemisch ist eine Mischung aus
N-Allyl-4-piperazinyl-1,8-naphthalimid (APN, auch: Piperazinyl-1,8-naphthalimid)
und N-(2-Methacryloxyethyl)benzo[k,l]thi-xanthen-3,4-dicarboximid
(MBTD, auch: Benzothioxanthen). Diese Indikatoren werden mit Acrylamid,
Hydroxymethyl-methacrylat und Triethylenglycol-dimethacrylat copolymerisiert um
eine Matrix 10 zu bilden.
-
Das
Absorptionsspektrum von APN zeigt bei 393 nm ein Absorptionsmaximum,
dessen Intensität vom pH-Wert abhängt. Das Absorptionsspektrum
von MBTD ist insgesamt vom pH-Wert unabhängig und zeigt
ein Maximum bei 479 nm. Bei Anregung des Indikatorgemisches mit
einem ersten Messlichtsignal mit einer Wellenlänge von
393 nm und einem zweiten Messlichtsignal mit einer Wellenlänge
von 479 nm, wobei den Intensitäten beider Messlichtsignale
jeweils ein periodisches Signal aufmoduliert ist und die beiden
periodischen Signale zueinander phasenverschoben sind, kann aus
der Phasendifferenz der bei 530 nm vom Indikatorgemisch emittierten
Gesamtintensität gegenüber dem ersten oder zweiten
periodischen Signal der pH-Wert des Messmediums nach dem beschriebenen
Verfahren bestimmt werden.
-
Neben
der Wechselwirkung mit dem Indikator können zusätzliche
Einflüsse entlang des Messpfades die Intensität
des ersten und des zweiten Messlichtsignals beeinflussen. Solche
Einflüsse können beispielsweise Schwankungen der
Lichtintensität der ersten oder der zweiten Lichtquelle
sein, sowie die Absorption oder die Brechung der Messlichtsignale
durch Substanzen im Messpfad, die Reflexion an Grenzflächen
im Messpfad, beispielsweise an Küvettenfenstern, oder eine
unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit des Detektors für
das durch Wechselwirkung mit dem Indikator oder Indikatorgemisch
gewandelte erste und zweite Messlichtsignal. Häufig wirken
sich diese zusätzlichen Einflüsse nicht in gleichem
Maße auf die beiden Lichtsignale unterschiedlicher Wellenlänge
aus. So sind Absorption, Brechung und Reflexion wellenlängenabhängig.
Insbesondere ist die Empfindlichkeit eines Photodetektors im Allgemeinen
wellenlängenabhängig. Auch können die
beiden Lichtquellen unterschiedlichen Bauteilschwankungen unterworfen
sein.
-
Somit
wird zwar durch die Verwendung zweier Messlichtsignale und der Verwendung
einer zum Intensitätsverhältnis der durch Wechselwirkung
mit dem Indikator gewandelten Messlichtsignale proportionalen Phasendifferenz
zur Bestimmung der Messgröße ein Teil der bereits
eingangs genannten Störeinflüsse eliminiert. Diejenigen
Störeinflüsse, die unterschiedlich stark auf die
beiden Lichtsignale wirken, können jedoch auf diese Weise
nicht kompensiert werden.
-
Aus
diesem Grund ist es vorteilhaft, neben dem bisher beschriebenen
Signalpfad, der der Bestimmung der gesuchten Messgröße
dient, dem so genannten Messpfad, einen zweiten Signalpfad als Referenzpfad
vorzusehen. Dazu wird ein Teil der von der ersten und zweiten Lichtquelle
emittierten und jeweils mit einem periodischen Signal modulierten
Lichtsignale aus dem Messpfad ausgekoppelt und auf dem Referenzpfad
denselben Einflüssen ausgesetzt, denen auch die Signale
auf dem Messpfad ausgesetzt werden, jedoch werden die Signale des
Referenzpfades nicht mit dem Indikator oder Indikatorgemisch in
Wechselwirkung gebracht. Das Auskoppeln der Referenzlichtsignale
aus dem Messpfad kann mittels herkömmlicher Methoden, beispielsweise
mit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegels oder eines sonstigen
Strahlteilers, erfolgen. Die auf dem Referenzpfad gewandelten Referenzlichtsignale
können von einem separaten Detektor erfasst werden. Eine
andere Möglichkeit besteht darin, die Referenzlichtsignale
und die Messlichtsignale sequenziell mit demselben Detektor zu erfassen.
-
Da
die Intensität des ersten und des zweiten Referenzlichtsignals
sich auf dem Referenzpfad in unterschiedlicher Weise durch die zusätzlichen
Einflüsse ändert, weist die Gesamtintensität
der am Detektor erfassten Referenzlichtsignale eine Phasendifferenz
gegenüber den der Intensität des ersten und des
zweiten Lichtsignals aufmodulierten periodischen Signalen auf. Diese
Phasendifferenz kann bestimmt werden und zusammen mit der auf dem
Messpfad ermittelten Phasendifferenz der Gesamtintensität
des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals gegenüber
den perodischen Signalen bei der Auswertung zur Bestimmung der Messgröße
verwendet werden. Dabei ist es sinnvoll, die Phasendifferenz der
auf dem Messpfad und der auf dem Referenzpfad erfassten Gesamtintensität
auf dasselbe periodische Signal zu beziehen. Auf diese Weise können
die zusätzlichen Einflüsse auf das Messergebnis eliminiert,
und ein genauerer Messwert erhalten werden. Die Bestimmung der Messgröße
kann mittels einer Auswertungseinheit erfolgen, die insbesondere
eine elektronische Datenverarbeitungseinheit, z. B. einen Mikrocontroller
oder einen Computer, umfassen kann.
-
Das
Intensitätsverhältnis der von den Lichtquellen
emittierten Lichtsignale kann so eingestellt werden, dass die auf
dem Referenzpfad erfasste Phasendifferenz gegenüber einem
der periodischen Signale einen konstanten Wert aufweist. Die auf
dem Referenzpfad ermittelte Phasendifferenz ist dann ausschließlich
von der unterschiedlichen Wandlung durch den Indikator bzw. durch
das Indikatorgemisch bei den unterschiedlichen Wellenlängen
der beiden eingestrahlten Lichtsignale verursacht.
-
Eine
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst eine
Matrix 10, wie sie in 4 dargestellt ist.
In einem für die verwendeten Wellenlängen transparenten
Träger 12 ist eine Membran befestigt, die zwei durch
einen Trägersteg voneinander getrennte Bereiche 14, 16 aufweist.
Der erste Bereich 14 beinhaltet den Indikator oder das
Indikatorgemisch, während der zweite Bereich 16 keinen
Indikator beinhaltet. Die Signalpfade der Vorrichtung können
mittels optischer Mittel, insbesondere mittels optischer Elemente
wie Spiegel, Linsen, Strahlteiler oder optischen Fasern, so gestaltet
werden, dass die Lichtsignale des Messpfades im ersten Bereich 14 auf
die Matrix 10 treffen und die Lichtsignale des Referenzpfades
im zweiten Bereich 16 auf die Matrix 10 treffen.
-
Die
Immobilisierung des Indikators in einer Matrix 10 und die
Anordnung der Lichtquellen sowie des oder der Detektoren auf derselben
Seite der Matrix 10, wie in 1 angedeutet,
erlaubt es, die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
als Sensor mit einer in das Messmedium eintauchbaren Messsonde 20 auszugestalten. 5 zeigt
eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine solche
Messsonde 20 mit einem Mess- und einem Referenzpfad. 6 zeigt
eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch die
Messsonde 20.
-
Als
Lichtquellen dienen zwei nebeneinander angeordnete Leuchtdioden 26, 27.
Die Lichtquellen sind nicht notwendigerweise in der Messsonde 20 selbst
angeordnet. Es ist stattdessen auch möglich, dass die Lichtquellen
in räumlicher Entfernung zur Messsonde 20 angeordnet
sind und die Lichtsignale über Lichtleiter in die Messsonde 20 einkoppelbar
sind. Es ist außerdem möglich, statt zweier Leuchtdioden 26, 27,
die Lichtsignale unterschiedlicher Wellenlängen emittieren,
eine duale Leuchtdiode zu verwenden, die die beiden Wellenlängen
emittiert. Ein erster Lichtleiter 24 ist derart mit den
Leuchtdioden 26, 27 gegebenenfalls über
optische Elemente verbunden, dass Lichtsignale der Leuchtdioden 26, 27 in
den Lichtleiter 24 eingekoppelt werden. Die Leuchtdioden 26, 27 werden
von einer Stromquelle (nicht dargestellt) gespeist. Zur Aufmodulierung eines
periodischen Signals auf die Intensität der von den Leuchtdioden
emittierten Signale wird die Stromquelle entsprechend gesteuert.
Vorrichtungen hierzu sowie alternative Vorrichtungen zur Modulation
der Leuchtdiodensignale sind dem Fachmann bekannt.
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Der
Lichtleiter 24 ist an seinem den Leuchtdioden 26, 27 entgegengesetzten
Ende derart bezüglich des Trägers 12 der
Matrix 10 angeordnet, dass beide Lichtsignale der Leuchtdioden 26, 27 sowohl
auf den Indikator enthaltenden Bereich 14 als auch auf
den indikatorfreien Bereich 16 der Matrix 10 treffen.
Dazu kann die vorhandene Divergenz der Lichtsignale ausgenutzt werden,
es können aber auch optische Elemente zur Strahlumlenkung
wie Strahlteiler, Linsen oder Spiegel eingesetzt werden. Es ist
auch möglich, dass der Lichtleiter 24 aus mehreren
Fasern besteht, welche die Lichtsignale zum Teil auf den Indikator
enthaltenden Bereich 14 und zum Teil auf den indikatorfreien
Bereich 16 leiten.
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Die
beiden Bereiche 14 und 16 der Matrix 10 sind über
Lichtleiter 22 und 23 mit zwei in der Messsonde 20 integrierten
Photodetektoren 28 und 29 verbunden. Wie die Lichtquellen 26, 27 können
die Photodetektoren 28, 29 auch in räumlichem
Abstand von der Messsonde 20 angeordnet sein. Bei Lumineszenz-Messungen
ist im Signalpfad zwischen der Matrix 10 und den Photodetektoren 28 und 29 ein
optisches Filter (nicht gezeigt) angeordnet, das an der Matrix reflektiertes
Licht aus dem Mess- bzw. Referenzpfad herausfiltert und nur die gewandelten
Mess- bzw. Referenzlichtsignale passieren lässt.
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Die
Detektorsignale der Photodetektoren 28, 29 werden
durch eine Auswertungseinheit (nicht dargestellt) ausgewertet, die
insbesondere dazu ausgelegt ist, die Phasendifferenz zwischen der
detektierten Gesamtintensität und dem der ersten oder zweiten
Lichtsignalintensität aufmodulierten periodischen Signal
zu bestimmen. Solche Vorrichtungen zur Bestimmung der Phasendifferenz
sind dem Fachmann bekannt. Die Auswertungseinheit ordnet die die
Phasendifferenz einem pH-Wert bzw. einer Analytkonzentration zu.
Diese Zuordnung kann mit Hilfe von gespeicherten Kalibrierdaten
erfolgen. Hierzu umfasst die Auswertungseinheit insbesondere eine
Datenverarbeitungseinheit, beispielsweise einen Mikrocontroller
oder einen PC.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10316685
A1 [0003]
- - EP 850409 B1 [0004, 0006]
- - EP 1000345 B1 [0008, 0025]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ”Dual
wavelength referencing of optical fibre sensors” von G.
Murtaza, J. M. Senior, Optics Communications 120 (1995), S. 348–357 [0007]
- - „Dual Lifetime Referencing (DLR) – a New
Scheme for Domain Information” in „New Trends
in fluorescence spectroscopy: application to chemical and life science”,
B. Valeur, J.-C. Brochon (Eds.), Springer Verlag Berlin Heidelberg
2001, S. 257–274 [0008]
