DE102009005162A1

DE102009005162A1 - Faseroptischer Sensor und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE102009005162A1
Application number: DE102009005162A
Authority: DE
Inventors: Henning Dr. Schröder; Elmar Dr. Schmälzlin; Hans-Gerd Prof. Dr. Löhmannsröben
Original assignee: Universitaet Postdam; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Universitaet Postdam; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2010-07-29

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Der faseroptische Sensor weist eine optische Faser mit einem Faserkern auf, in deren Stirnfläche eine bezüglich der optischen Achse des Faserkerns zentrierte Vertiefung eingebracht ist. In der Vertiefung ist eine Mikrokugel fixiert, die den Sensorfarbstoff trägt. Die Vertiefung sorgt dabei für die Zentrierung der Mikrokugel zur optischen Achse, so dass eine hohe Kopplungseffizienz für Licht erreicht wird, das vom Sensormaterial ausgeht. Durch die Mikrokugel in der Vertiefung wird auch ein robuster Aufbau erreicht, so dass die Gefahr einer mechanischen Beschädigung des Sensors beim Einstecken in Proben verringert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen faseroptischen Sensor, der mindestens eine optische Faser mit einem Faserkern und einem Sensormaterial aufweist, das bei Kontakt mit einem nachzuweisenden Stoff optische Eigenschaften ändert. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung des faseroptischen Sensors.
Mit einem derartigen faseroptischen Sensor, auch unter dem Begriff Optode bekannt, lassen sich Stoffe nachweisen oder deren Konzentration bestimmen, die bei Kontakt mit dem Sensormaterial dessen optische Eigenschaften ändern. Die Änderung der optischen Eigenschaften wird über die optische Faser erfasst, die Licht bis an das Sensormaterial heranführt und von diesem zurückgeworfenes oder emittiertes Licht zu einem Detektor leitet. Im Falle eines lumineszenten Sensormaterials, dessen Lumineszenzintensität und Lumineszenzabklingzeit sich in Abhängigkeit von der Konzentration des nachzuweisenden Stoffes ändern, wird das Sensormaterial durch in der Faser geführtes Anregungslicht zur Lumineszenz angeregt. Ein Anteil des Lumineszenzlichtes koppelt wieder in die Faser ein und wird am Detektor gemessen. Die gemessene Intensität und Abklingzeit des Lumineszenzlichtes sind ein Maß für die Konzentration des nachzuweisenden Stoffes. Der Begriff Lumineszenz wird hierbei als Oberbegriff für Phosphoreszenz und Fluoreszenz verwendet.
Die DE 38 89 757 T2 beschreibt einen faseroptischen Sensor, der eine Sendefaser und mindestens eine Empfangsfaser aufweist. Das Sensormaterial ist auf einem kugel- oder eiförmigen Trägerelement aufgebracht, das in einem Abstand vor den planen Faserenden in einer hülsenförmigen Halterung arretiert ist, Als Trägerelement wird beispielsweise eine poröse Siliziumdioxidkugel vorgeschlagen.
Für eine hohe Nachweisempfindlichkeit ist bei einer derartigen Messung eine gute Kopplungseffizienz bei der Einkopplung des Lumineszenzlichtes in die Faser erforderlich. Weiterhin muss in zahlreichen Fällen die Spitze der Faser mit dem Sensormaterial in die Probe eingestochen werden, um an den Messort zu gelangen.
Für den Nachweis von molekularem Sauerstoff (O₂) in Lösung und in der Gasphase sind hierzu bspw. sogenannte Sauerstoffoptoden bekannt, die eine optische Faser mit einem angespitzten Ende (Taper) aufweisen, auf das eine Polymermatrix mit dem eingebettetem Sensormaterial aufgebracht ist. Die Polymermatrix dient der Fixierung des Sensormaterials an der Faserspitze. Derartig ausgebildete faseroptische Sensoren weisen jedoch nur eine geringe Kopplungseffizienz auf. Weiterhin besteht die Gefahr, dass die fragile Spitze der Faser beim Einstechen abbricht oder die Beschichtung mit dem Sensormaterial abgerieben wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen faseroptischen Sensor der genannten Art sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, der eine höhere Kopplungseffizienz aufweist und mechanisch unempfindlicher ausgebildet ist.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem faseroptischen Sensor sowie dem Verfahren gemäß den Patentansprüchen 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des faseroptischen Sensors sowie des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Der vorgeschlagene faseroptische Sensor weist mindestens eine optische Faser mit einem Faserkern und ein Sensormaterial auf, das bei Kontakt mit einem nachzuweisenden Stoff optische Eigenschaften ändert. An der Stirnfläche der Faser ist eine bzgl. der optischen Achse des Faserkerns zentrierte Vertiefung ausgebildet, in der eine mit dem Sensormaterial versehene Mikrokugel aus einem optisch transparenten Material fixiert ist. Die Vertiefung ist so dimensioniert, dass sie eine Zentrierung der Mikrokugel bzgl. der optischen Achse des Faserkerns erzwingt bzw. sicherstellt.
Durch die Nutzung einer mit dem Sensormaterial versehenen Mikrokugel, die durch eine entsprechend ausgebildete Vertiefung in der Stirnfläche der Faser automatisch zentriert wird, wird eine hohe Kopplungseffizienz bei der Einkopplung der vom Sensormaterial ausgehenden Strahlung in die Faser ermöglicht. Eine geeignete Fixierung kann bspw. durch Einkleben der Mikrokugel in die Vertiefung erreicht werden. Die Vertiefung sorgt gleichzeitig dafür, dass die Mikrokugel stabil an diesem Ende der Faser befestigt werden kann. Im Vergleich zu einer angespitzten Faser ist ein derartiger Aufbau robuster und damit unempfindlicher gegen mechanische Beschädigung.
Die Mikrokugel ist vorzugsweise aus einem Material gewählt, das feine Poren oder Kanäle aufweist, die das Sensormaterial aufnehmen. So können bspw. kommerziell erhältliche, mit Divinylbenzol chemisch quervernetzte Polystyrolkugeln verwendet werden. Diese Kugeln zeichnen sich durch hohe chemische und mechanische Stabilität (kein Abrieb), hohe Sauerstoffpermeabilität und hohe Photostabilität aus.
Unter einer Mikrokugel ist in der vorliegenden Patentanmeldung eine Kugel mit einem Durchmesser im Mikrometerbereich zu verstehen, der an die Größe der jeweiligen optischen Faser angepasst ist. So liegen die Durchmesser der eingesetzten Mikrokugeln vorzugsweise im Bereich zwischen dem Durchmesser des Faserkerns und dem Durchmesser der Faser oder knapp darüber.
Die Vertiefung ist vorzugsweise so dimensioniert, dass die fixierte Mikrokugel um mindestens einen halben Durchmesser über die Stirnfläche der Faser hinausragt. Vorzugsweise ist die Form der Vertiefung an die Form eines Abschnitts der Mikrokugel angepasst. Auf diese Weise passt die Mikrokugel genau in die Vertiefung hinein, so dass ein optimaler Oberflächenkontakt zwischen Mikrokugel und Vertiefung und damit eine stabile Klebeverbindung erzeugt werden kann. Ein Herausrutschen der Kugel beim Einstechen in Proben wird damit zuverlässig verhindert. Im optimalen Fall ist der Radius der Vertiefung gerade um den Betrag größer als der Radius der Mikrokugel, den die Dicke der für die Verklebung erforderlichen Klebeschicht ausmacht.
Als Sensormaterial kommt vorzugsweise ein Sensorfarbstoff zum Einsatz, der durch geeignetes Anregungslicht zur Fluoreszenz oder Phosphoreszenz angeregt werden kann. Bei Kontakt dieses Sensorfarbstoffs mit dem nachzuweisenden Stoff, bspw. Sauerstoff, wird die Fluoreszenz- oder Phosphoreszenzintensität verringert, bspw. durch sogenanntes Quenching, wobei die Stärke der Intensitätsabnahme mit der Konzentration des nachzuweisenden Stoffes korreliert ist.
Der vorgeschlagene Aufbau des faseroptischen Sensors ist nicht auf den Einsatz als Sauerstoffsonde beschränkt, sondern lässt sich generell für alle optischen Sonden nutzen. Dies betrifft beispielsweise Anwendungen, wie sie in der eingangs genannten DE 38 89 757 T2 angeführt sind.
Für die Herstellung eines derartigen faseroptischen Sensors werden optische Fasern mit einer ebenen Stirnfläche bereitgestellt, in die dann die entsprechende Vertiefung eingebracht wird. Weiterhin werden Mikrokugeln bereitgestellt, die zur Aufnahme des Sensormaterials geeignet sind. Diese Mikrokugeln werden mit dem Sensormaterial versehen und in der Vertiefung der jeweiligen Faser fixiert, vorzugsweise durch Kleben.
Das Einbringen der Vertiefung in die Stirnflächen der Fasern kann beispielsweise durch Verfahren der thermischen Ausformung, durch Laserablation oder durch nasschemische Ätzverfahren erfolgen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung werden die Vertiefungen durch ein nasschemisches Ätzverfahren eingebracht. Hierzu wird eine Ätzlösung verwendet, die den Faserkern selektiv zum umgebenden Material ätzt. Dies lässt sich gut bei Fasern erreichen, deren Faserkern und Fasermantel sich lediglich durch eine Dotierung zur Einstellung des unterschiedlichen optischen Brechungsindex zwischen Kern und Mantel unterscheiden. So kann der Kern bspw. mit Germanium dotiert sein, während der Fasermantel undotiert ist. Bei der selektiven Ätzung wird im Faserkern eine höhere Ätzrate als an den Rändern der Faser erreicht. Durch einfaches Eintauchen der Stirnfläche in die Ätzlösung ergibt sich somit automatisch eine bzgl. der optischen Achse des Faserkerns zentrierte Vertiefung für die Mirkokugel. Die Mikrokugel muss anschließend nur noch in diese Vertiefung eingeklebt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Der vorgeschlagene faseroptische Sensor wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Figur nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigt:
1 ein Beispiel für den faseroptischen Sensor.
Wege zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung des faseroptischen Sensors. Die hierbei eingesetzte optische Glasfaser weist in bekannter Weise einen Faserkern 1 auf, der von einem Fasermantel 2 umgeben ist. Die Stirnfläche der Glasfaser wird so präpariert, dass eine konkave Einwölbung in Form der Vertiefung 3 entsteht, in die die Mikrokugel 4 mit dem Sensorfarbstoff 5 genau hineinpasst. Die Mikrokugel 4 wird durch einen Klebstoff in der Vertiefung 3 befestigt. Der dem Kugelradius angepasste Radius der Einwölbung sorgt für einen optimalen Oberflächenkontakt und damit für eine stabile Klebeverbindung. Ein Herausrutschen der Kugel beim Einstechen in Proben wird damit zuverlässig verhindert. Die Mikrokugel 4 zentriert sich außerdem beim Einsetzen in die Vertiefung 3 selbst in der Mitte vor dem Faserkern 1, so dass eine optimale Aus- und Einkopplung des Lichts und damit eine hohe Signalintensität gewährleistet sind.
Vor dem Fixieren auf der Faser wird die Mikrokugel 4 mit einer Sensorchromophorlösung eingefärbt. Der Sensorfarbstoff 5 dringt dabei in die Kanäle und Poren der Kugel ein, ohne dass diese sich auflöst. Das Material der Kugeln, bspw. Polystyrol, wird hierzu geeignet gewählt. Anschließend wird die Kugel vor dem Einsetzen in die Vertiefung 3 zur Entfernung von nicht absorbierten Farbstoffresten gewaschen. In diesem Beispiel wurden mit Divinylbenzol chemisch quervernetzte Polystyrolkugeln mit einem Durchmesser von 50...100 μm verwendet.
Die 1 deutet auch die Funktionsweise eines derartigen faseroptischen Sensors an. Über die Glasfaser wird Anregungslicht 6 zur Mikrokugel 4 mit dem Sensorfarbstoff 5 geleitet. Dieses Anregungslicht regt den Sensorfarbstoff 5 zur Lumineszenz an, wobei ein Teil des abgestrahlten Lumineszenzlichts 7 wieder in die Faser eingekoppelt wird und in der Faser zurück läuft. Am anderen Ende der Faser kann die Intensität dieses Lumineszenzlichts dann über einen geeigneten Detektor gemessen werden. Kommt ein nachzuweisender Stoff, im Beispiel einer Sauerstoffoptode Sauerstoff, mit dem Sensorfarbstoff 5 der Mikrokugel 4 in Kontakt, so verringern sich die Lumineszenzintensität und die Lumineszenzabklingzeit in Abhängigkeit von der Konzentration des Sauerstoffs. Diese Abnahme der Lumineszenzintensität und der Lumineszenzabklingzeit wird am Detektor gemessen, so dass bei geeigneter Kalibrierung die Sauerstoffkonzentration bestimmt werden kann.
Selbstverständlich lässt sich der faseroptische Sensor auch dahingehend modifizieren, dass mehrere Fasern mit mehreren Kugeln in verschiedenen geometrischen Anordnungen verwendet werden.

1: Faserkern
2: Fasermantel
3: Vertiefung
4: Mikrokugel
5: Sensorfarbstoff
6: Anregungslicht
7: Lumineszenzlicht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3889757 T2 [0003, 0014]

Claims

Faseroptischer Sensor, der mindestens eine optische Faser mit einem Faserkern (1) und ein Sensormaterial aufweist, das bei Kontakt mit einem nachzuweisenden Stoff optische Eigenschaften ändert, wobei an einer Stirnfläche der Faser eine bezüglich einer optischen Achse des Faserkerns (1) zentrierte Vertiefung (3) ausgebildet ist, in der eine mit dem Sensormaterial versehene Mikrokugel (4) aus einem optisch transparenten Material fixiert ist und die so dimensioniert ist, dass sie eine Zentrierung der Mikrokugel (4) bezüglich der optischen Achse des Faserkerns (1) sicherstellt.
Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokugel (4) in die Vertiefung (3) eingeklebt ist.
Faseroptischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokugel (4) einen Durchmesser aufweist, der größer als ein Durchmesser des Faserkerns (1) ist.
Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (3) eine Form aufweist, die an eine Form eines Kugelabschnitts der Mikrokugel (4) angepasst ist.
Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (3) so dimensioniert ist, dass die fixierte Mikrokugel (4) um mindestens einen halben Durchmesser über die Stirnfläche der Faser hinausragt.
Faseroptischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormaterial ein Sensorfarbstoff (5) ist.
Faseroptischer Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormaterial ein für einen Sauerstoffnachweis geeigneter Sensorfarbstoff (5) ist.
Verfahren zur Herstellung eines faseroptischen Sensors nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem – eine optische Faser mit einem Faserkern (1) und einer ebenen Stirnfläche bereitgestellt wird, – in die Stirnfläche zentriert zu einer optischen Achse des Faserkerns (1) eine Vertiefung (3) eingebracht wird, – eine optisch transparente Mikrokugel (4) mit einem Sensormaterial versehen wird, das bei Kontakt mit einem nachzuweisenden Stoff optische Eigenschaften ändert, und – die Mikrokugel (4) in der Vertiefung (3) fixiert wird, – wobei die Vertiefung (3) so dimensioniert wird, dass sie eine Zentrierung der Mikrokugel (4) zur optischen Achse des Faserkerns (1) sicherstellt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (3) durch Eintauchen der Stirnfläche in eine Ätzlösung erzeugt wird, die den Faserkern (1) selektiv zu einem umgebenden Fasermantel (2) ätzt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokugel (4) mit einer Sensorchromoformlösung eingefärbt wird, die in Poren und Kanäle der Mikrokugel (4) eindringt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrokugel (4) in die Vertiefung (3) eingeklebt wird.