DE102012105253A1

DE102012105253A1 - Sensor

Info

Publication number: DE102012105253A1
Application number: DE201210105253
Authority: DE
Inventors: Jill Gasser
Original assignee: Hamilton Bonaduz AG
Current assignee: Hamilton Bonaduz AG
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2013-12-19

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Sensor (1) umfassend ein Gehäuse (31), eine Detektionseinheit (32) und eine wenigstens einen Indikator (12) und optional wenigstens einen Indikatorprotektor tragende Sensorkappe (10), wobei die Sensorkappe (10) als einstückiger, mit dem Sensor (1) lösbar fest verbindbarer Körper ausgebildet ist. Ferner umfasst die Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors zur quantitativen und/oder qualitativen Bestimmung wenigstens eines Analyten in einem Medium, ein Behältnis, mit fest oder lösbar fest angeordneter Sensorkappe (10) oder Sensor (1) sowie ein Kit das einen Sensor (1) und wenigstens eine Sensorkappe (10) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor mit einem Gehäuse, einer Detektionseinheit und einer wenigstens einen Indikator und optional wenigstens einen Indikatorprotektor tragenden Sensorkappe.
Zur optischen Messung von Substanzen oder Substanzgemischen in Medien werden Sensoren eingesetzt. Diese nutzen Indikatoren, die ihre optischen Eigenschaften bei Kontakt mit zu messenden Substanzen ändern. Herkömmliche Sensoren weisen ein sensorisches Element auf. In oder auf diesem, insbesondere auf den dem zu untersuchenden Medium zugewandten Oberflächen sind Indikatoren durch direkte Immobilisierung oder Anbindung mit Hilfe polymerer Matrizen angeordnet. Bekannte Sensoren verfügen auf der von dem Medium abgewandten Seite des sensorischen Elementes über eine Detektionseinheit, die es erlaubt, beispielsweise optische Veränderungen der Indikatoren durch Wechselwirkung mit den zu messenden Substanzen aufzunehmen.
Bekannte Sensoren weisen ein als Kappe ausbildetes sensorisches Element auf. Die Kappe verfügt beispielsweise über einen Körper aus Edelstahl, in dem ein gesonderter, insbesondere transparenter und die Indikatormoleküle aufweisender Indikatorträger bzw. alternativ oder zusätzlich hierzu eine die Indikatormoleküle tragende polymere Matrize eingesetzt ist. Die Indikatormoleküle werden aufgrund von thermischen und chemischen Belastungen, welche im Laufe der Anwendung auf das sensorische Element einwirken, zerstört. Das sensorische Element, d.h. die Kappe muss daher regelmäßig ersetzt werden. Bei bspw. aus Edelstahl gefertigten Kappen gestaltet sich der Austausch aufgrund der hohen Material- und Stückkosten und der aufwändigen Herstellung als teuer. Hinzu kommt, dass sich die Positionierung und anschließende Kalibrierung des Sensors als zeit- und kostenintensiv erweist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen kostengünstigen sowie schnell einsatzbereiten Sensor zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den erfindungsgemäßen Sensor. Der Sensor umfasst ein Gehäuse, eine Detektionseinheit und eine wenigstens einen Indikator und optional wenigstens einen Indikatorprotektor tragende Sensorkappe. Der erfindungsgemäße Sensor zeichnet sich dadurch aus, dass die Sensorkappe als einstückiger, mit dem Sensor lösbar fest verbindbarer Körper ausgebildet ist.
Vorteil dieser Ausgestaltung des Sensors ist, dass nach jeder Messung bzw. bei zu starkem Verschleiß und/oder Zerstörung der Indikatormoleküle bzw. der diese tragenden Matrizen, die gesamte Sensorkappe, zusammen mit den verbrauchten bzw. zerstörten Indikatormolekülen ausgetauscht wird. Anders als im Stand der Technik ist keine Trennung von Kappe und darin wechselbar angeordnetem Indikatorträger vorgesehen. Aufgrund von standardisierten Herstellungsverfahren, können in allen Eigenschaften identische Sensorkappen zur Verfügung gestellt werden. Die Kalibrierung des Sensors wird somit wesentlich vereinfacht und die Messergebnisse werden insgesamt genauer.
Einstückig im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bezeichnet einen nicht aus Einzelteilen zusammengesetzten, d.h. einteiligen Körper. Der einstückige Körper im Sinne der Erfindung besteht in allen Teilen bzw. Abschnitten aus demselben Werkstoff und ist als zusammenhängendes Werkstück bzw. aus einem Ausgangsmaterial bzw. je nach Herstellungsverfahren aus einem Materialblock gefertigt.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Sensors sieht vor, dass dieser wenigstens eine Anregungslichtquelle, insbesondere eine lichtimitierende Diode (LED) oder wenigstens einen Laser aufweist. Darüber hinaus kann der Sensor zusätzlich oder alternativ wenigstens einen Photodetektor und/oder wenigstens einen optischen Filter aufweisen.
Die in der bevorzugten Ausführungsform vorgesehene optische Messtechnik erlaubt es, optische Veränderungen der Indikatoren durch die Wechselwirkung in den zu erfassenden Substanzen optisch zu erfassen. Derartige optische Veränderungen sind z. B. die Veränderung der Wellenlängen, der Intensität von emittiertem oder reflektiertem Licht oder auch die Änderungen der Relaxaktionszeit von angeregten Zuständen der Indikatormoleküle.
Das sensorische Prinzip eines beispielhaften optischen Sensors beruht auf der Verwendung von Lumineszenzindikatoren, deren durch Lichteinstrahlung mit einer ersten Wellenlänge angeregte Lumineszenz mit einer zweiten Wellenlänge in Anwesenheit von Sauerstoff dynamisch gelöscht wird, wobei der angeregte Zustand des Lumineszenzindikators durch Sauerstoff strahlungslos deaktiviert wird. Das Prinzip der Phasenmodulationstechnik, welches bei dem beispielhaften Sensor Anwendung findet, besteht darin, dass die Lumineszenz des Indikators mit einer auf dessen Abklinkzeit abgestimmten Frequenz in der Intensität modulierten Lichts der ersten Wellenlänge angeregt wird. Das resultierende, vom Sensor zu erfassende Lumineszenzlicht des Indikators mit der zweiten Wellenlänge ist deshalb ebenfalls moduliert. Aus den Modulationen des Anregungs- und des Lumineszenzlichtes lässt sich eine Phasenverschiebung ermitteln, die auf der mittleren Lumineszenzlebenszeit der angeregten Zustände der Indikatormoleküle, die wiederum vom Sauerstoffpartialdruck im Medium abhängt, basiert.
Um die erfassten Signale auszuwerten, weist der erfindungsgemäße Sensor in einer bevorzugten Weiterbildung eine Auswerteelektronik auf.
Als vorteilhaft wird angesehen, wenn die Detektionseinheit im Gehäuse angeordnet ist. Dieses Gehäuse kann bspw. als Schaft mit einem definierten Durchmesser ausgebildet sein. Um die Sensorkappe mit dem Sensor lösbar fest zu verbinden, sieht eine als günstig angesehene Ausführungsform vor, dass wenigstens ein Befestigungsmittel vorgesehen ist. Dieses Befestigungsmittel kann als an dem Sensor, dem Gehäuse und/oder der Sensorkappe angeordnetes Gewinde ausgebildet sein. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass hier Steck- oder Rastmittel vorgesehen sind. Die Sensorkappe wird somit auf den Sensor bzw. das Gehäuse des Sensors aufgeschraubt, aufgesteckt oder mit diesem verrastet, bspw. durch einen Bajonettverschluss oder dergleichen.
Um eine unbeeinträchtigte Messung durch die auf der medienabgewandten Seite der Sensorkappe angeordneten Detektionseinheit zu ermöglichen und um das Eindringen von Medien bzw. sonstigen Substanzen in das Innere des Sensors zu verhindern, wird es als günstig angesehen, wenn eine mediendichte Verbindung von Sensor und/oder Gehäuse und Sensorkappe zur Verfügung gestellt wird. Hierzu besteht die Möglichkeit, dass am Gehäuse bzw. am Sensor und/oder an der Sensorkappe Dichtmittel, bspw. O-Ringe oder dergleichen angeordnet sind, die die mediendichte Verbindung realisieren bzw. weiter verbessern.
Bevorzugt ist die Sensorkappe als das Gehäuse oder zumindest einen Gehäuseabschnitt umschließender Körper ausgebildet. Neben dieser Ausgestaltung, bei der die Sensorkappe auf den Sensor bzw. das Gehäuse oder den Gehäuseabschnitt aufgesteckt wird, kann selbstverständlich auch vorgesehen werden, dass die Sensorkappe wenigstens einen aus einem Vollmaterial gebildeten Abschnitt oder Bereich aufweist, der in das Gehäuse oder einen Gehäuseabschnitt einsteht.
Als vorteilhaft wird angesehen, wenn der Indikator und optional ein Indikatorprotektor an oder auf einem Trägerabschnitt der Sensorkappe integriert oder immobilisiert ist. Daneben ist von der Erfindung auch umfasst, dass ein den Indikator und optional den Indikatorprotektor aufweisendes Medium in oder auf einem Trägerabschnitt der Sensorkappe integriert oder immobilisiert ist. Ein derartiges Medium kann beispielsweise als (zusätzliche) Membran ausgebildet werden. Der Trägerabschnitt der Sensorkappe ist günstiger Weise auf der dem Medium zugewandten Seite der Sensorkappe angeordnet oder vorgesehen. Es kann hierzu ein Bereich der Sensorkappe als Trägerabschnitt definiert werden.
Als vorteilhafte Weiterbildung wird in diesem Zusammenhang angesehen, wenn eine auf dem Trägerabschnitt beschränkte Immobilisierung oder Integration des Indikators und/oder des Indikatorsprotektors vorgesehen ist. Ist der Indikator und/oder der Indikatorprotektor auf einem gesonderten Element oder Medium immobilisiert, so weist die Sensorkappe bevorzugt einen Bereich oder Abschnitt oder Trägerabschnitt auf, der zur Aufnahme bzw. Anordnung dieses Elementes bzw. der Membran dient.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sensors sieht vor, dass die Sensorkappe als Tubus, Tubusabschnitt, Zylinder oder Hülse ausgebildet ist. Eine derartige Ausführungsform der Sensorkappe ermöglicht ein besonders einfaches Aufstecken oder Aufsetzen der Sensorkappe auf einem Gehäuse, beispielsweise einem rohrförmigen Gehäuse, das durch den Sensor zur Verfügung gestellt wird. Die Form der Sensorkappe ist dabei zumindest in dem Abschnitt, der mit dem Sensor in Eingriff gebracht wird, auf dessen Ausgestaltung abgestimmt und weist Dimensionen auf, die ein in Eingriff bringen ermöglichen.
Eine Weiterbildung des Sensors sieht vor, dass die Sensorkappe als insbesondere einseitig geschlossener Tubus oder Tubusabschnitt ausgebildet ist. Die Bodenfläche des Tubus wird dabei als den Indikator und optionalen Indikatorprotektor oder ein diese tragendes Medium aufnehmender Trägerabschnitt gebildet, bzw. wird durch die Bodenfläche zur Verfügung gestellt.
So ist als Indikator ein Photolumineszenzindikator oder ein Chemolumineszenzindikator vorgesehen. Grundsätzlich können alle dem Fachmann bekannten Lumineszenzindikatoren im erfindungsgemäßen Sensor eingesetzt werden. Weitere geeignete Lumineszenzindikatoren sind z. B. Elektro(chemo)lumineszenz-, Thermolumineszenz-, Radiolumineszenz-, Sonolumineszenzindikatoren und Kombinationen davon. Für den Einsatz in einem optischen Sensor sind Photolumineszenzindikatoren, d.h. fluoreszierende und/oder phosphoreszierende Indikatoren besonders geeignet.
Die Erfindung umfasst gleichermaßen einen Sensor, bei dem zwei oder mehr Indikatoren vorgesehen sind. Die Indikatoren können dabei aus gleich- oder verschiedenartigen lumineszenzaktiven Mitteln ausgewählt sein.
Als günstig wird angesehen, wenn die Sensorkappe in einem Dreh-, Fräs-, Tiefzieh-, Spritzgieß-, Blasform- oder Thermoformverfahren gebildet ist. Diese Verfahren ermöglichen die Herstellung der Sensorkappe als einstückiger Körper d. h. als in einem Stück bzw. vollständig aus dem gleichen Material in einem einzigen Herstellungsverfahrensschritt gefertigter Körper. Die Wahl des jeweiligen Herstellungsverfahrens richtet sich nach dem letztlich verwendeten Material der Sensorkappe. Als vorteilhaft wird in diesem Zusammenhang angesehen, wenn die Sensorkappe aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist. Dieses Kunststoffmaterial ist günstiger Weise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus thermoplastischen Kunststoffen, insbesondere Polycarbonat, Polyvinylidenfluorid, Polyethylenterephthalat, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyamid, Polylactat, Polymethylmethacrylat, Polyethylen und Polyetheretherketon oder Mischungen daraus.
Bevorzugt ist die Sensorkappe transparent, halbtransparent oder opak ausgebildet. Insbesondere bei optischen Sensoren ist es zur Messung in der Regel notwendig, Licht zu den Indikatormolekülen zu senden und von diesen wiederum zu empfangen. Um eine möglichst hohe Sensitivität für die optisch zu detektierenden Veränderungen des Indikators zu erreichen, werden Materialien mit einer möglichst hohen Lichtdurchlässigkeit für die Herstellung der Sensorkappe verwendet. Die zuvor genannten Kunststoffmaterialien erfüllen diese Forderung und ermöglichen somit die zur Verfügungsstellung eines vollwertigen Ersatzes für Glassubstrate, d.h. Sensorkappenabschnitte oder die in aus dem Stand der Technik bekannten Sensorkappen eingesetzten Glasscheiben. Überraschend hat sich gezeigt, dass mit Sensoren mit einstückiger, aus einem transparenten oder halbtransparenten Kunststoffmaterial gefertigter Sensorkappe Messergebnisse erzielt werden können, die mit denen aus Sensoren mit herkömmlichen Sensorkappen mit transparentem Indikatorträger vergleichbar sind. Der Anteil an bei Verwendung von vollständig, d.h. in allen Teilen halbtransparenten bzw. volltransparenten Körpern auftretendem Streulicht ist vernachlässigbar bzw. kann durch geeignete Auswertealgorithmen subtrahiert werden. Die erfindungsgemäßen Sensorkappen können zudem wesentlich einfacher und kostengünstiger hergestellt werden.
Als günstig wird angesehen, wenn die Sensorkappe wenigstens im Bereich der Detektionseinheit für Emissionslicht und ggf. für Anregungslicht des Indikators transparent, halbtransparent und/oder membranartig ausgebildet ist. In der transparenten oder halbtransparenten Ausführungsform der Sensorkappe stellt die Sensorkappe sicher, dass eine für die ordnungsgemäße Funktion eines als optischer Sensor ausgebildeten erfindungsgemäßen Sensors ausreichende Transmissionsleistung gewährleistet ist. Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter einer membranartigen Ausbildung ein Flächengebilde bzw. Flächenabschnitt zu verstehen, dessen Fläche wesentlich größer ist als die Dicke. Über eine geeignet ausgewählte Materialstärke im membranartig ausgebildeten Bereich oder Abschnitt kann dessen Transmissionsleistung eingestellt werden.
Die zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Sensorkappe können in den genannten Herstellungsverfahren eingestellt werden. Durch geeignete Auswahl der Material- und Verfahrensparameter kann hier ein transparenter oder membranartig ausgebildeter Bereich oder Abschnitt gebildet werden.
Als vorteilhaft wird angesehen, wenn die Sensorkappe zumindest abschnittsweise für molekularen Sauerstoff permeabel ausgebildet ist. Dies ist insbesondere bei Mess- oder Detektionsverfahren von Vorteil, bei denen die Lumineszenz in Anwesenheit von Sauerstoff dynamisch gelöscht wird, wobei der angeregte Zustand des Lumineszenzindikators durch Sauerstoff strahlungslos deaktiviert wird.
Der Sensor weist bevorzugt einen rohrförmigen Aufbau mit einem freien Ende auf. Im Zusammenhang mit dieser bevorzugten Ausführungsform des Sensors ist vorgesehen, dass ein wenigstens einen Indikator und optional einen Indikatorprotektor tragender Bereich der Sensorkappe das freie Ende abdeckt. Über das freie Ende kann eine Kommunikation der optischen Messtechnik mit den Indikatoren erfolgen.
Eine kostengünstige und einfach zu handhabende Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors wird dadurch zur Verfügung gestellt, dass die Sensorkappe als Einwegartikel ausgebildet ist. Nach einer Messung bzw. nach einer Reihe von Messzyklen wird die Sensorkappe vollständig vom Sensor getrennt und entsorgt. Eine neue Sensorkappe wird dann in einfacher Art und Weise mit dem Sensor verbunden und dieser steht wiederum für Messungen zur Verfügung. Über die Angabe von einer maximal möglichen bzw. empfohlenen Anzahl von Messzyklen bzw. durch Austausch der Sensorkappe nach einer definierten Benutzungszeit, wird garantiert, dass stets reproduzierbare Messergebnisse generiert werden. Es entfällt bei der Verwendung des Einwegartikels der Austausch des indikatortragenden sensorischen Elementes herkömmlicher Sensoren und es kommt somit nicht zu Fehlmontagen und daraus resultierenden Messfehlern.
Selbstverständlich besteht neben der Möglichkeit zur Ausgestaltung als Einwegartikel auch die Möglichkeit, dass die Sensorkappe als Mehrwegartikel ausgebildet ist. Die Auswahl des Kunststoffmaterials ist dabei darauf ausgerichtet, eine chemische Beständigkeit zur Verfügung zu stellen und geeignet, mehrere Reinigungs- und Desinfektionszyklen, beispielsweise in einem Autoklaven ohne wesentliche Veränderungen der Materialeigenschaften zu überstehen.
Gleichermaßen von erfinderischer Bedeutung und von der Erfindung umfasst ist eine Sensorkappe, wie zuvor definiert.
Die Erfindung umfasst des Weiteren die Verwendung eines Sensors, wie zuvor ausgeführt, zur quantitativen oder qualitativen Bestimmung wenigstens eines Analyten in einem Medium. Bevorzugt wird der Sensor zum Nachweis von molekularem Sauerstoff in einem gasförmigen oder flüssigen Medium und/oder zur Bestimmung des molekularen Sauerstoffgehaltes eines gasförmigen oder flüssigen Mediums verwendet. Ein Medium, bei dem es sich um komplexe Medien, wie Abwässer oder auch Körperflüssigkeiten handeln kann, kann dabei Verbindungen enthalten, welche auf die Indikatoren per se inaktivierend oder zerstörend wirken. Der erfindungsgemäße Sensor stellt hier eine Möglichkeit zur Verfügung, eine stets gleichbleibende Messqualität durch einfachen Austausch der die Indikatoren tragenden Sensorkappe zur Verfügung zu stellen.
Gleichermaßen von erfinderischer Bedeutung ist ein von der Erfindung umfasstes Behältnis, das sich dadurch auszeichnet, dass eine Sensorkappe, wie zuvor beschrieben und/oder ein, wie zuvor angegebener, Sensor fest oder lösbar fest in dem Behältnis angeordnet ist. Wird die Sensorkappe in das Behältnis integriert, so ist diese insbesondere in einer Behältniswand, einem Behältnisdeckel oder einem Behältnisboden eingesetzt oder eingeformt. Die Integration erfolgt dabei bevorzugt kraft- oder formschlüssig. Das Behältnis stellt somit in der bevorzugten Ausführungsform die Sensorkappe zur Verfügung. Die übrigen Bestandteile des Sensors, bspw. das Gehäuse und/oder die Detektionseinheit, wird dann zur Messung des in dem Behältnis aufgenommenen Mediums mit der Sensorkappe verbunden. Das gesamte System steht somit sofort für die Messungen zur Verfügung. Eine quantitative oder qualitative Bestimmung wenigstens eines Analyten in einem in dem Behältnis aufgenommenen Medium ist bevorzugt vorgesehen, wobei zur Bestimmung der Sensor mit der im Behältnis eingeformten Sensorkappe verbindbar ist.
Eine als günstig angesehene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Behältnisses sieht vor, dass das Behältnis, der Sensor und/oder die Sensorkappe als Einwegartikel ausgebildet ist/sind.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Kit, das einen Sensor mit einem Gehäuse, einer insbesondere im Gehäuse angeordnete Detektionseinheit, wenigstens einer Anregungslichtquelle, insbesondere einer lichtemittierenden Diode (LED) oder wenigstens einem Laser, wenigstens einem Photodetektor und/oder wenigstens einem optischen Filter und wenigstens einer Sensorkappe umfasst. Der Sensor kann hierbei als Einzelteil des Kits zur Verfügung gestellt werden und das Kit daneben eine Vielzahl von austauschbar bzw. lösbar fest mit dem Sensor verbindbaren Sensorkappen aufweisen. Die Sensorkappen tragen verschiedene Indikatoren oder Indikatorenkombinationen bzw. Kombinationen von Indikatoren und Indikatorprotektoren, sodass der Sensor in einfacher Art und Weise an verschiedene Messverfahren bzw. zu messende Analyten angepasst werden.
Das zuvor beschriebene Kit umfasst in einer bevorzugten Weiterbildung zusätzlich ein den Sensor oder die Sensorkappe aufweisendes oder aufnehmendes Behältnis. Eine Weiterbildung des Kits sieht vor, dass dieses zusätzlich wenigstens einen in der Detektionseinheit anordenbaren optischen Filter aufweist. Dem Kit in einer als günstig angesehenen Ausführungsform ist des Weiteren eine Auswerteelektronik für eine quantitative oder qualitative Auswertung von Sensorsignalen, insbesondere von Lumineszenzsignalen beigegeben.
Weitere Vorteile, Merkmale und Besonderheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, jedoch nicht beschränkender Ausführungsformen der Erfindung anhand der schematischen, nicht maßstabsgetreuen Zeichnungen. Es zeigen:
1 eine Ausführungsform der mit dem erfindungsgemäßen Sensor verwendbaren Sensorkappe in seitlicher Schnittdarstellung,
2 eine Ausführungsform eines Sensor gemäß der Erfindung in schematisierter Darstellung.
In 1 wird schematisch eine Sensorkappe 10 dargestellt, die mit einem Sensor 1 gemäß der Erfindung verwendet werden kann. Die Sensorkappe 10 ist als einstückiger Körper ausgebildet. Hergestellt wird die in der 1 gezeigte Sensorkappe 10 in einem Spritzgießverfahren und besteht aus einem Kunststoffmaterial. Dieses ist für Thermoformverfahren geeignet. Die Sensorkappe 10 weist einen Trägerabschnitt 11 auf, der zur Integration oder Immobilisierung eines Indikators 12 dient. Die Sensorkappe 10 ist im Ausführungsbeispiel der 1 nach Art eines Tubus ausgebildet. Die Bodenfläche 13 des Tubus stellt dabei den Trägerabschnitt 11 zur Verfügung. Die in 1 dargestellte Sensorkappe 10 weist eine innere Oberfläche 14 sowie eine äußere Oberfläche 15 auf. Während die innere Oberfläche 14 dem Sensor 1 bzw. der im Sensor 1 vorgesehene Detektionseinheit 32 zugewandt ist, tritt die äußere Oberfläche 15 mit dem Analyten in Kontakt.
Die Sensorkappe 10 ist im Ausführungsbeispiel als Aufsteckelement für den Sensor 1 ausgebildet. Um die Sensorkappe 10 mit dem Sensor 1 bzw. einem Sensorgehäuse 31 zu verbinden, wird die Sensorkappe 10 auf einen Gehäuseabschnitt 31a des Sensors 1 aufgesteckt. Die innere Oberfläche 14 der Sensorkappe 10 weist in dem den Gehäuseabschnitt 31a des Sensors 1 kontaktierenden Bereich eine vorspringende Schulter 16 auf, die bei der Verbindung von Sensor 1 und Sensorkappe 10 mit dem Gehäuseabschnitt 31a zur Anlage kommt und ein zu weites Aufstecken der Sensorkappe 10 auf den Gehäuseabschnitt 31a verhindert. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Indikator 12 bzw. der den Indikator tragenden Trägerabschnitt 11 einen gleichbleibenden Abstand zu der im Gehäuse 31 des Sensors 1 angeordneten Detektionseinheit 32 einhält. In der Sensorkappe 10 ist im Ausführungsbeispiel eine membranartige Struktur 17 vorgesehen. Diese überdeckt den in die Sensorkappe 10 einstehenden Gehäuseabschnitt 31a des Sensors 1. Eine an der membranartigen Struktur 17 vorgesehene Dichtung 18 bewirkt einen mediendichten Abschluss.
Alternativ kann auch ein insbesondere umlaufender Begrenzungs- bzw. Abstandsring bzw. ein Vorsprung (nicht dargestellt) in der Sensorkappe 10 vorgesehen werden, um den stets gleichbleibenden Abstand zwischen Detektionseinheit 32 und Indikator 12 zu gewährleisten.
Der Trägerabschnitt 11 stellt einen Abschnitt der Sensorkappe 10 zur Verfügung, in dem der Indikator 12 und/oder ein Indikatorprotektor integriert bzw. immobilisiert wird. Dieser Indikator 12 steht in direkter Wechselwirkung mit dem Analyten. Der Indikator 12 kann bspw. als Photolumineszenzindikator oder Chemolumineszenzindikator ausgebildet sein. Die Erfindung bleibt hierauf jedoch nicht beschränkt. Generell ist die Anordnung sämtlicher dem Fachmann geläufiger Indikatoren 12 möglich und denkbar. Neben der direkten Integration bzw. Immobilisierung eines Indikators 12 oder Indikatorprotektors im oder auf dem Trägerabschnitt 11 kann dieser auch als Aufnahme für ein den Indikator 12 und optional den Indikatorprotektor aufweisendes Medium, bspw. eine Membran, eine Schreibe, ein Trägermedium oder dergleichen dienen. Hierzu weist der Trägerabschnitt 11 entsprechende Haltestrukturen (in 1 nicht dargestellt) auf, die das Einsetzen bzw. Anordnen derartiger Medien ermöglichen bzw. erlauben.
Dadurch, dass die Sensorkappe 10 aus einem Kunststoff gefertigt ist, ist diese in Grenzen elastisch verformbar. Eine Stabilisierung der Sensorkappe 10 erfolgt bei Verbindung mit dem Sensor 1 bzw. mit einem Gehäuseabschnitt 31a. Die Sensorkappe 10 weist im Ausführungsbeispiel der 1 einen zusätzlichen Bereich 19 auf, in dem die Kappenwand eine Abschrägung 21 aufweist. Diese Abschrägung 21 erleichtert das Aufstecken der Sensorkappe 10 auf einen Gehäuseabschnitt 31a des Sensors 1.
Die Sensorkappe 10 ist im Ausführungsbeispiel transparent ausgebildet. Die Transparenz beschränkt sich hierbei nicht nur auf den Bereich des Trägerabschnittes 11. Unter Umständen wird über die äußere Oberfläche 15 eingestrahltes Licht durch geeignete Algorithmen einer Auswertesoftware subtrahiert.
Alternativ zu der hier dargestellten Ausführungsform als aufsteckbare Sensorkappe 10 besteht die Möglichkeit, dass in dem in 1 unteren Bereich 22 der Sensorkappe ein Gewinde oder ein sonstiges Verbindungsmittel vorgesehen ist, das mit einem entsprechenden Gegengewinde am Sensor 1 bzw. Sensorgehäuse 31 bzw. dem in die Sensorkappe 10 einstehenden Gehäuseabschnitt 31a verbindbar ist. Diese Sensorkappe 10 wird dann auf den Sensor 1 bzw. das Sensorgehäuse 31 oder den Gehäuseabschnitt 31a aufgeschraubt und somit lösbar fest mit dem Sensor 1 verbunden. Ein Gewinde oder ein sonstiges Befestigungs- oder Verbindungsmittel kann bereits bei der Herstellung der Sensorkappe 10, beispielsweise in einem Spritzgussverfahren in die Sensorkappe 10 eingeformt werden. Gleichzeitig besteht auch die Möglichkeit, dass hier zusätzlich eine Gewindehülse eingesetzt wird bzw. das Gewinde in die innere Oberfläche 14 der Sensorkappe 10 bzw. in deren unteren Abschnitt 22 eingeschnitten wird. Um eine positionsgenaue Anordnung der Sensorkappe 10 zu gewährleisten, wird vorteilhafter Weise ein Vorsprung oder eine Ausnehmung vorgesehen, die mit einem entsprechenden Gegenelement am Sensor 1 bzw. Sensorgehäuse 31 in Eingriff gebracht eine positionsgenaue Anordnung der Sensorkappe 10 am Sensor 1 gewährleistet.
2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Sensors 1, der im Ausführungsbeispiel eine Sensorkappe 10 trägt. Das sensorische Prinzip dieses Sensors 1 beruht auf der Verwendung von Lumineszenzindikatoren, die in Form einer Lumineszenzindikatorschicht 23 in der Sensorkappe 10 integriert bzw. immobilisiert vorliegen. Das den Trägerabschnitt durchdringende eingestrahlte Licht 24 einer ersten Wellenlänge regt Lumineszenz 25 einer zweiten Wellenlänge an, die in Anwesenheit von Sauerstoff 26 dynamisch gelöscht wird, wobei der angeregte Zustand des in der Lumineszenzindikatorschicht 23 vorgesehenen Indikators 12 durch Sauerstoff 26 strahlungslos deaktiviert wird. Bei dem in 2 beispielhaft dargestellten Sensor 1 findet das Prinzip der Phasenmodulationstechnik Anwendung. Dieses besteht darin, dass die Lumineszenz 25 des Indikators 12 mit einer auf dessen Abklingzeit abgestimmten Frequenz durch in seiner Intensität moduliertes Licht 24 der ersten Wellenlänge angeregt wird. Die resultierende, vom Sensor 1 bzw. der dort vorgesehenen Detektionseinheit 32 zu erfassende Lumineszenz 25 des Indikators 12 mit der zweiten Wellenlänge, das durch den Trägerabschnitt 11 hindurch zur Detektionseinheit 32 zurückgeführt wird ist deshalb ebenfalls moduliert. Aus den Modulationen des Anregungs- und des Lumineszenzlichtes lässt sich eine Phasenverschiebung ermitteln, die auf der mittleren Lumineszenzlebenszeit der angeregten Zustände der Indikatormoleküle, die wiederum vom Sauerstoffpartialdruck im Medium abhängt, basiert. Die Moleküle der Lumineszenzindikatorschicht 23 sind im Beispielsfall in einer für Sauerstoff 26 durchlässigen transparenten oder zumindest abschnittsweise, bevorzugt im Trägerabschnitt 11 transparenten Sensorkappe 10 bzw. dem Trägerabschnitt 11 für die Indikatormoleküle immobilisiert. Die Sensorkappe 10 weist im Ausführungsbeispiel eine dem Medium, dessen Sauerstoffgehalt zu bestimmen ist, zugewandte äußere Oberfläche 15 sowie eine innere, der Detektionseinheit 32 bzw. dem Sensor 1 zugewandte innere Oberfläche 14 auf. Der Sensor 1 verfügt im Ausführungsbeispiel über ein optisches System 28, das eine Anregungslichtquelle 27, im Ausführungsbeispiel bestückt mit einer lichtemittierenden Diode 40, zwei Photodetektoren 29a, b sowie zwei optische Filter 30a, b umfasst.
Zur Messung des Sauerstoffes 26 wird die optische Phasenverschiebung zwischen pulsierendem (blauem) ausgestrahltem Licht 24 und dem Lumineszenzlicht 25 gemessen. Im Ausführungsbeispiel der 2 ist das optische System 28 in einem Gehäuse 31 des Sensors 1 angeordnet. Das Gehäuse 31 ist dabei nach Art eines Rohres ausgebildet und umschließt das gesamte optische System 28. Die Sensorkappe 10 ist auf den vorderen Gehäuseabschnitt 31a des Gehäuses 31 aufgesteckt und umschließt diesen vollständig und mediendicht. Durch die transparente Ausbildung der Sensorkappe 10 bzw. zumindest des Trägerabschnittes 11 wird das Anregungslicht 24 durch die Sensorkappe 10, deren Boden bzw. zumindest den Trägerabschnitt 11 hindurch auf die Indikatormoleküle bzw. Indikatormolekülschicht ausgestrahlt. Das phasenverschobene Lumineszenzlicht 25 wird ebenfalls durch die Sensorkappe 10, deren Boden bzw. zumindest den Trägerabschnittes 11 hindurch in Richtung der Detektionseinheit 32 abgestrahlt und die Messung ausgewertet.
Der in 2 dargestellte Sensor 1 weist im Ausführungsbeispiel eine Sensorkappe 10 aus einem transparenten oder halbtransparenten Kunststoffmaterial auf. Die Sensorkappe 10 ist als Einwegartikel ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Sensorkappe 10 nach jeder Messung verworfen werden kann. Dies garantiert reproduzierbare Messergebnisse stets gleichbleibender Qualität. Der in 2 dargestellte Sensor 1 weist eine Vielzahl von Anwendungsfeldern auf. So eignet sich der hier gezeigte Sensor 1 bspw. für Anwendungen in der Biotechnologie. Hierzu ist das Gehäuse 31 mit darin vorgesehenem optischem System 33 dampfsterilisierbar bzw. autoklavierbar ausgeführt. Die als Einwegartikel vorgesehene Sensorkappe 10 kann nach jeder Messung verworfen werden, sodass die Gefahr von Kreuzkontaminationen reduziert wird.
Ebenfalls geeignet ist der hier gezeigte Sensor 1 für Messungen in der Abwassertechnik, für Grundwasseruntersuchung, Flusswasseruntersuchung oder für den Einsatz in Brauereien. Der Sensor bleibt nicht auf den Einsatz optischer Mess- bzw. Detektionssysteme beschränkt sondern kann gleichermaßen mit anderen, dem Fachmann geläufigen Detektionssystemen verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Sensor
10: Sensorkappe
11: Trägerabschnitt
12: Indikator
13: Bodenfläche
14: innere Oberfläche
15: äußere Oberfläche
16: Schulter
17: membranartige Struktur
18: Dichtung
19: Bereich
20: Kappenwand
21: Abschrägung
22: untere Abschnitt
23: Lumineszenzindikatorschicht
24: Licht
25: Lumineszenz bzw. Lumineszenz licht
26: Sauerstoff
27: Anregungslichtquelle
28: optisches System
29a, b: Photodetektor
30a, b: optischer Filter
31: Gehäuse
31a: Gehäuseabschnitt
32: Detektionseinheit
40: LED

Claims

Sensor (1) umfassend ein Gehäuse (31), eine Detektionseinheit (32) und eine wenigstens einen Indikator (12) und optional wenigstens einen Indikatorprotektor tragende Sensorkappe (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkappe (10) als einstückiger, mit dem Sensor (1) lösbar fest verbindbarer Körper ausgebildet ist.
Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) wenigstens eine Anregungslichtquelle (27), insbesondere eine Licht emittierende Diode (LED) (28) oder wenigstens einen Laser, wenigstens einen Photodetektor (29a, b) und/oder wenigstens einen optischen Filter (30a, b) aufweist.
Sensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseinheit (32) im Gehäuse (31) angeordnet ist.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur lösbar festen Verbindung wenigstens ein Befestigungsmittel vorgesehen ist, wobei das Befestigungsmittel als an dem Sensor (1), dem Gehäuse (31) und/oder der Sensorkappe (10) angeordnetes Gewinde oder als Steck- oder Rastmittel ausgebildet ist.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet, durch eine mediendichte Verbindung von Sensor (1) und/oder Gehäuse (31) und Sensorkappe (10).
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkappe (10) als das Gehäuse (31) oder einen Gehäuseabschnitt (31a) umschließender oder in das Gehäuse (31) oder den Gehäuseabschnitt (31a) einstehender einstückiger Körper ausgebildet ist.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Indikator (12) und optional ein Indikatorprotektor oder eine den Indikator (12) und optional den Indikatorprotektor aufweisendes Medium in oder auf einem Trägerabschnitt der Sensorkappe (10) integriert oder immobilisiert ist, insbesondere wobei eine auf den Trägerabschnitt (11) beschränkte Immobilisierung oder Integration des Indikators (12) und/oder des Indikatorprotektors vorgesehen ist.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkappe (10) als Tubus, Tubusabschnitt, Zylinder oder Hülse ausgebildet ist.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkappe (10) als insbesondere einseitig geschlossener Tubus oder Tubusabschnitt ausgebildet ist, insbesondere wobei eine Bodenfläche (13) des Tubus den den Indikator (12) und optional den Indikatorprotektor oder ein den Indikator (12) und optional den Indikatorprotektor aufweisendes Medium aufnehmenden Trägerabschnitt (11) zur Verfügung stellt.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Indikator (12) ein Photolumineszenzindikator und/oder eine Chemolumineszenzindikator vorgesehen sind.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Indikatoren (12) vorgesehen sind, wobei die Indikatoren (12) aus gleich- oder verschiedenartigen Lumineszenz-aktiven Mitteln ausgewählt sind.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkappe (10) in einem Dreh-, Fräß-, Tiefzieh-, Spritzgiess-, Blasform- oder Thermoformverfahren gebildet ist.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkappe (10) aus einem Kunststoffmaterial gebildet ist.
Sensor (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus thermoplastischen Kunststoffen, insbesondere Polycarbonat, Polyvinylidenfluorid, Polyethylenterephthalat, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyamid, Polylactat, Polymethylmethacrylat, Polyethylen und Polyetheretherketon oder Mischungen daraus.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkappe (10) transparent, halbtransparent oder opak ausgebildet ist.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkappe (10) wenigstens im Bereich der Detektionseinheit (32) für Emissionslicht und gegebenenfalls Anregungslicht des Indikators (12), transparent, halbtransparent und/oder membranartig ausgebildet ist.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkappe (10) zumindest abschnittsweise für molekularen Sauerstoff (26) permeabel ausgebildet ist.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen rohrförmigen Aufbau mit einem freien Ende, wobei ein wenigstens einen Indikator und optional einen Indikatorprotektor tragender Bereich der Sensorkappe (10) das freie Ende abdeckt.
Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkappe (10) als Ein- oder Mehrwegartikel ausgebildet ist.
Sensorkappe (10) wie in einem der vorhergehenden Ansprüche definiert.
Verwendung eines Sensors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19 zur quantitativen und/oder qualitativen Bestimmung wenigstens eines Analyten in einem Medium.
Behältnis, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensorkappe (10) wie in einem der Ansprüche 1 bis 19 definiert und/oder ein Sensor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 fest oder lösbar fest in dem Behältnis angeordnet ist.
Behältnis nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorkappe (10) in das Behältnis, insbesondere in eine Behältniswand, einen Behältnisdeckel oder einen Behältnisboden, bevorzugt kraft- oder formschlüssig eingesetzt oder eingeformt ist.
Behältnis nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass eine quantitative und/oder qualitative Bestimmung wenigstens eines Analyten in einem in dem Behältnis oder einem in dem Behältnis aufgenommenen Medium vorgesehen ist, wobei zur Bestimmung der Sensor (1) mit der in dem Behältnis eingeformten Sensorkappe (10) verbindbar ist.
Behältnis nach Anspruch 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass das Behältnis, der Sensor (1) und/oder die Sensorkappe (10) als Einwegartikel ausgebildet ist.
Kit umfassend – einen Sensor (1) mit einem Gehäuse, einer insbesondere im Gehäuse angeordneten Detektionseinheit (32), wenigstens einer Anregungslichtquelle (27), insbesondere einer Licht emittierenden Diode (LED) (28) oder wenigstens einem Laser, und wenigstens einem Photodetektor (29a, b), und – wenigstens eine Sensorkappe (10) wie in den Ansprüchen 1 bis 19 definiert.
Kit nach Anspruch 26 weiter umfassend – wenigstens ein den Sensor (1) oder die Sensorkappe (10) aufweisendes oder aufnehmendes Behältnis.
Kit nach Anspruch 26 oder 27 weiter umfassend – wenigstens einen in der Detektionseinheit (32) anordenbaren optischen Filter (30a, b).
Kit nach einem der Ansprüche 26 bis 28 weiter umfassend: – eine Auswerteelektronik für eine quantitative oder qualitative Auswertung von Sensorsignalen, insbesondere von Lumineszenzsignalen.