DE102012214502A1 - Measuring chamber for an optically operating sensor, manufacturing method for the measuring chamber and optically operating sensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messkammer für einen optisch arbeitenden Sensor (1) zum Bestimmen einer Konzentration eines Stoffes, der in Gewebeflüssigkeit (40) eines Säugers enthalten ist, wobei die Messkammer (2) zum Einsetzen in den Körper des Säugers ausgebildet ist, die Messkammer (2) als längliches Röhrchen (4) mit einer ersten und einer zweiten Stirnseite (10a, 11a) ausgebildet ist, wobei das Röhrchen (4) anschließend an die erste Stirnseite (10a) einen Kopfabschnitt (10), einen daran angrenzenden Mittelabschnitt (12) und wiederum daran angrenzend einen Fußabschnitt (11) aufweist, der sich bis zur zweiten Stirnseite (11a) erstreckt, wobei der Mittelabschnitt (12) sich vom Kopfabschnitt (10) und vom Fußabschnitt (11) hinsichtlich einer materialbedingten Diffusionsdurchlässigkeit unterscheidet, die Messkammer (2) ein erstes Messkammerverschlussstück aufweist, das ein Messkammerfenster (5) aufweist ist, am Fußabschnitt (10) in das Röhrchen (4) eingesetzt ist, und so dick ist, dass es sich mindestens bis zu einer Grenze (15) zwischen Fußabschnitt (10) und Mittelabschnitt (12) des Röhrchen (4) erstreckt, und an der Innenwand des Fußabschnittes (10) flüssigkeitsdicht befestigt ist, wobei die Befestigung sich nicht bis zur Grenze (15) zwischen Fußabschnitt (10) und Mittelabschnitt (12) erstreckt, und die Messkammer (2) ein zweites Messkammerverschlussstück aufweist, das ein Messkammerfenster (6) oder einen Spiegel aufweist ist, am Kopfabschnitt (11) in das Röhrchen (4) eingesetzt ist, und so dick ist, dass es sich mindestens bis zu einer Grenze (14) zwischen Kopfabschnitt (11) und Mittelabschnitt (12) des Röhrchen (4) erstreckt, und an der Innenwand des Kopfabschnittes (11) flüssigkeitsdicht befestigt ist, wobei die Befestigung sich nicht bis zur Grenze (14) zwischen Kopfabschnitt (11) und Mittelabschnitt (12) erstreckt, wobei die Messkammerverschlussstücke (5, 6) das Röhrchen (4) flüssigkeitsdicht verschließen, so dass ein Meßkammervolumen (7) zur Aufnahme eines flüssigen Messmediums ausschließlich von den Messkammerverschlussstücken (5, 6) und Wandung des Mittelabschnittes (12) begrenzt ist.The invention relates to a measuring chamber for an optically operating sensor (1) for determining a concentration of a substance contained in the tissue fluid (40) of a mammal, the measuring chamber (2) being designed for insertion into the body of the mammal, which Measuring chamber (2) is designed as an elongated tube (4) with a first and a second end face (10a, 11a), the tube (4) adjoining the first end face (10a) with a head section (10), an adjoining middle section ( 12) and in turn has a foot section (11) adjoining it, which extends to the second end face (11a), the middle section (12) differing from the head section (10) and from the foot section (11) in terms of a material-related diffusion permeability, the measuring chamber (2) has a first measuring chamber closure piece, which has a measuring chamber window (5), is inserted into the tube (4) at the foot section (10) and is so thick, that it extends at least up to a boundary (15) between the foot section (10) and the middle section (12) of the tube (4), and is fastened to the inner wall of the foot section (10) in a liquid-tight manner, the fastening not extending to the limit ( 15) extends between the foot section (10) and middle section (12), and the measuring chamber (2) has a second measuring chamber closure piece, which has a measuring chamber window (6) or a mirror, is inserted into the tube (4) at the head section (11) , and is so thick that it extends at least up to a boundary (14) between the head section (11) and the middle section (12) of the tube (4), and is fastened in a liquid-tight manner to the inner wall of the head section (11), the fastening does not extend to the border (14) between the head section (11) and the middle section (12), the measuring chamber closure pieces (5, 6) closing the tube (4) in a liquid-tight manner, so that a measuring chamber volume (7) for receiving ei nes liquid measuring medium is limited exclusively by the measuring chamber closure pieces (5, 6) and the wall of the central section (12).
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messkammer für einen optisch arbeitenden Sensor zum Bestimmen einer Konzentration eines Stoffes, der in Gewebeflüssigkeit eines Säugers enthalten ist, wobei die Messkammer als längliches Röhrchen zum Einsetzen in den Körper des Säugers ausgebildet ist. The invention relates to a measuring chamber for an optically operating sensor for determining a concentration of a substance contained in tissue fluid of a mammal, wherein the measuring chamber is formed as an elongated tube for insertion into the body of the mammal.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf einen optisch arbeitenden Sensor zum Bestimmen einer Konzentration eines Stoffes, der in Gewebeflüssigkeit eines Säugers enthalten ist, sowie auf ein Verfahren zum Herstellen der genannten Messkammer. The invention further relates to an optically operating sensor for determining a concentration of a substance contained in tissue fluid of a mammal and to a method for producing said measuring chamber.
Die Messung von Stoffkonzentrationen ist eine häufig zu findende technische Aufgabe. Sie begegnet dann besonderen Schwierigkeiten, wenn der zu messende Stoff in einem Gemisch anderer Stoffe vorliegt. Eine solche Matrix führt dazu, dass für eine gute Konzentrationsmessung nicht nur eine möglichst hohe Empfindlichkeit, sondern auch eine möglichst hohe Selektivität des Messverfahrens benötigt wird. Oftmals kommt man deshalb mit einer einzigen Messung nicht aus oder muß sehr aufwendige Selektionsmechanismen, wie beispielsweise Gaschromatographie etc. einsetzen. Dabei steigt die Schwierigkeit der Messaufgabe mit der Komplexität der Matrix. The measurement of substance concentrations is a frequently encountered technical task. It then encounters particular difficulties when the substance to be measured is present in a mixture of other substances. Such a matrix means that not only the highest possible sensitivity, but also the highest possible selectivity of the measuring method is needed for a good concentration measurement. Often therefore one does not get by with a single measurement or must use very expensive selection mechanisms, such as gas chromatography, etc. The difficulty of the measuring task increases with the complexity of the matrix.
Sehr komplexe Stoffgemische findet man naturgemäß in der Biologie. Die Messung einer Stoffkonzentration in einer biologischen Matrix ist deshalb eine der aufwendigsten Aufgaben. Naturally, very complex mixtures are found in biology. The measurement of a substance concentration in a biological matrix is therefore one of the most complex tasks.
Grundsätzlich läuft der Messaufwand den Möglichkeiten zur Miniaturisierung eines Messsystems zuwider. Miniaturisierte Stoffsensoren sind jedoch besonders für biologische Anwendungen von hohem Interesse. Bekanntermaßen ist es lebensnotwendig, dass beim Menschen einige Stoffe, wie z. B. Glukose, Kochsalz, Harnsäure, Aminosäuren etc., in einer geregelten Konzentration vorliegen. Im Falle einer Erkrankung kann es jedoch zu einer Entgleisung des biologischen Regelkreises kommen, so dass die Stoffkonzentration eines oder auch mehrerer lebensnotwendiger Stoffe außerhalb des physiologisch unbedenklichen Bereiches liegt. Um solch einer Entgleisung durch therapeutische Maßnahmen entgegenzuwirken, muß der Wert der aktuellen Konzentration des (der) entsprechenden Stoffes (Stoffe) dem behandelnden Arzt bekannt sein; die Konzentration muß also gemessen werden, und das mitunter kontinuierlich. Einmal messende Teststreifen sind dafür dann unzureichend. Basically, the measurement effort runs counter to the possibilities for miniaturization of a measuring system. However, miniaturized material sensors are of particular interest for biological applications. As is known, it is vital that in humans some substances, such as. As glucose, saline, uric acid, amino acids, etc., in a controlled concentration. In the case of a disease, however, it can lead to a derailment of the biological control loop, so that the substance concentration of one or more vital substances is outside the physiologically harmless range. In order to counteract such a derailment by therapeutic measures, the value of the current concentration of the corresponding substance (s) must be known to the attending physician; the concentration must therefore be measured, and sometimes continuously. Once measuring test strips are then insufficient.
So nimmt beispielsweise beim Diabetes mellitus, hervorgerufen durch eine gestörte Regulation der Verstoffwechslung der Glukose im Körper, der Glukosespiegel zu hohe (Überzuckerung) oder zu niedrige (Unterzuckerung) Werte an. Dies führt längerfristig zu irreversiblem Absterben von Nervenzellen und ruft eine Reihe krankhafter Veränderungen vor allem an den Blutgefäßen hervor. Folgeerkrankungen, wie Erblindung, Verlust der Nierenfunktion, Herzinfarkt, Bluthochdruck sowie ein Absterben von Gliedmaßen können die Folge sein. Die Diabetes-Therapie erfordert deshalb, dass der Glukosespiegel möglichst präzise und anhaltend auf Werte in einem medizinisch akzeptablen Bereich eingestellt wird, z. B. durch Gabe von Insulin oder Traubenzucker. Zeitpunkt und Menge des zu injizierenden Insulins, oder die Notwendigkeit, Nahrung zu sich zu nehmen, sind dabei von der aktuellen Konzentration der Glukose, wie auch von dem Konzentrationsverlauf während des Tages abhängig. For example, in diabetes mellitus, caused by impaired regulation of the metabolism of glucose in the body, the glucose level assumes too high (hypoglycaemia) or too low (low blood glucose) levels. This leads in the long term to irreversible death of nerve cells and causes a number of pathological changes, especially on the blood vessels. Consequences such as blindness, loss of kidney function, myocardial infarction, high blood pressure and a death of limbs can be the result. Diabetes therapy therefore requires that the glucose level be adjusted as accurately and consistently as possible to values in a medically acceptable range, e.g. B. by administration of insulin or glucose. The time and amount of insulin to be injected, or the need to eat, depends on the current concentration of glucose as well as on the course of the concentration during the day.
Die Glukosekonzentration ist somit ein Beispiel für eine Stoffkonzentration in einer komplexen Matrix, die man möglichst kontinuierlich, ohne zeitliche Unterbrechung sowie ohne aufwendig wiederkehrende Anpassungsmaßnahmen kontrollieren möchte. Ausnahmslos alle zur Zeit durchgeführten Therapien widmen sich der Beeinflussung des Blutglukosespiegels, weshalb die meisten Glukosekonzentrationsmesseinrichtungen auch den Glukosegehalt im Blut bestimmen. Es ist jedoch auch bekannt, die interstitielle Flüssigkeit zu verwenden, da deren Glukosegehalt dem des Blutes mit nur geringer zeitlicher Verzögerung proportional folgt. The glucose concentration is thus an example of a substance concentration in a complex matrix, which one wishes to control as continuously as possible, without any time interruption and without elaborately recurring adaptation measures. Without exception, all current therapies are dedicated to influencing blood glucose levels, which is why most glucose concentration measuring devices also determine the level of glucose in the blood. However, it is also known to use the interstitial fluid, since its glucose content proportionally follows that of the blood with only a slight delay.
So wird beispielsweise in der
Einen ähnlichen Ansatz offenbart die
Möchte man die Stoffkonzentration in einem biologischen Gewebe erfassen, stellt das Gewebe bzw. die Zwischengewebeflüssigkeit eine Matrix dar. Hierzu wird ein Sensor benötigt, der in das Gewebe eingebracht werden kann, da dann eine kontinuierliche Überwachung der Stoffkonzentration möglich ist. Ein solcher Sensor ist aus der
Aus Anwendungsgründen möchte man einen Sensor, wie er in der
Um bei einem schrägen Einstich zu gewährleisten, dass die gesamte Messkammer in einen Bereich des Körpers kommt, in dem Gewebeflüssigkeit vorliegt, könnte man daran denken, zwischen der Messkammer und der nachgeordneten optischen Sensorik eine Verlängerung durch ein Glaselement vorzusehen. Dieses stellt einen entsprechenden ungestörten Lichtweg zur Messkammer bereit. Eine solche Verlängerung verursacht jedoch zusätzlichen Bauaufwand, da es sich um ein lichtführendes Bauteil handelt. Zugleich ist die Verlängerung mechanisch belastet, da sie bei Bewegungen des Körpers die im Körper liegende Messkammer mit den außerhalb des Körpers liegenden optischen Bauteilen, beispielsweise Sende- oder Empfängerelektronik etc. auch mechanisch verbindet. Zudem muß sichergestellt werden, dass durch die Verlängerung keine Störstrahlung eingekoppelt wird. All diese Anforderungen bedingen eine nur aufwendig zu realisierende Bauweise. In order to ensure, in an oblique puncture, that the entire measuring chamber comes into a region of the body in which tissue fluid is present, one might think of providing an extension through a glass element between the measuring chamber and the downstream optical sensor system. This provides a corresponding undisturbed light path to the measuring chamber. However, such an extension causes additional construction costs, since it is a light-conducting component. At the same time, the extension is mechanically stressed, since it also mechanically connects the measuring chamber in the body with the optical components lying outside the body, for example transmitter or receiver electronics, etc. during movements of the body. In addition, it must be ensured that no interference is coupled in by the extension. All these requirements require a complicated to be realized construction.
Ein weiteres Problem des Sensors der
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Messkammer für das Sensorprinzip der
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Messkammer für einen optisch arbeitenden Sensor zum Bestimmen einer Konzentration eines Stoffes, der in Gewebeflüssigkeit eines Säugers enthalten ist, wobei die Messkammer zum Einsetzen in den Körper des Säugers ausgebildet ist, die Messkammer als längliches Röhrchen mit einer ersten und einer zweiten Stirnseite ausgebildet ist, wobei das Röhrchen anschließend an die erste Stirnseite einen Kopfabschnitt, einen daran angrenzenden Mittelabschnitt und wiederum daran angrenzend einen Fußabschnitt aufweist, der sich bis zur zweiten Stirnseite erstreckt, wobei der Mittelabschnitt sich vom Kopfabschnitt und vom Fußabschnitt hinsichtlich einer materialbedingten Diffusionsdurchlässigkeit unterscheidet, die Messkammer ein erstes Messkammerverschlussstück aufweist, das ein Messkammerfenster aufweist, am Fußabschnitt in das Röhrchen eingesetzt ist, und so dick ist, dass es sich mindestens bis zu einer Grenze zwischen Fußabschnitt und Mittelabschnitt des Röhrchen erstreckt, und an der Innenwand des Fußabschnittes flüssigkeitsdicht befestigt ist, wobei die Befestigung sich nicht bis zur Grenze zwischen Fußabschnitt und Mittelabschnitt erstreckt, und die Messkammer ein zweites Messkammerverschlussstück aufweist, das als Messkammerfenster oder als Spiegel aufweist ist, am Kopfabschnitt in das Röhrchen eingesetzt ist, und so dick ist, dass es sich mindestens bis zu einer Grenze zwischen Kopfabschnitt und Mittelabschnitt des Röhrchen erstreckt, und an der Innenwand des Kopfabschnittes flüssigkeitsdicht befestigt ist, wobei die Befestigung sich nicht bis zur Grenze zwischen Kopfabschnitt und Mittelabschnitt erstreckt, wobei die Messkammerverschlussstücke das Röhrchen flüssigkeitsdicht verschließen, so dass ein Messvolumen zur Aufnahme eines flüssigen Messmediums ausschließlich von den Messkammerverschlussstücken und Wandung des Mittelabschnittes begrenzt ist. This object is achieved according to the invention with a measuring chamber for an optically operating sensor for determining a concentration of a substance contained in tissue fluid of a mammal, wherein the measuring chamber is designed for insertion into the body of the mammal, the measuring chamber as an elongated tube with a first and a second end face is formed, wherein the tube subsequent to the first end side has a head portion, an adjoining central portion and in turn adjacent thereto a foot portion which extends to the second end side, wherein the central portion of the head portion and the foot portion with respect to a material-related diffusion permeability The measuring chamber has a first measuring chamber closing piece, which has a measuring chamber window, is inserted into the tube at the foot portion, and is so thick that it extends at least to a boundary between the foot portions tt and central portion of the tube, and is attached liquid-tightly to the inner wall of the foot portion, wherein the attachment does not extend to the boundary between the foot portion and central portion, and the measuring chamber has a second Meßkammerverschlussstück, which is as Messkammerfenster or as a mirror, at the head portion is inserted into the tube, and is so thick that it extends at least to a boundary between the head portion and central portion of the tube, and is attached liquid-tight to the inner wall of the head portion, wherein the attachment does not extend to the boundary between the head portion and central portion , wherein the Meßkammerverschlussstücke liquid-tightly close the tube, so that a measuring volume for receiving a liquid medium is limited exclusively by the Meßkammerverschlussstücken and wall of the central portion.
Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem optisch arbeitenden Sensor zum Bestimmen einer Konzentration eines Stoffes, der in Gewebeflüssigkeit eines Säugers enthalten ist, wobei der Sensor eine Messkammer der genannten Art aufweist und eine Empfangseinrichtung zur Aufnahme der optischen Strahlung durch das erste Messkammerverschlussstück nach deren Durchgang durch das Messkammervolumen aufweist, wobei die Empfangseinrichtung am Fußabschnitt befestigt ist. The object is further achieved with an optically operating sensor for determining a concentration of a substance that is contained in tissue fluid of a mammal, wherein the sensor has a measuring chamber of the type mentioned and a receiving device for receiving the optical radiation through the first Meßkammerverschlussstück after their passage through having the measuring chamber volume, wherein the receiving device is attached to the foot portion.
Die Aufgabe wird weiter gelöst mit einem Herstellverfahren für die genannte Messkammer, wobei ein Prozeß verwendet wird, der mittels Laserstrahlschreiben eine pulvrige oder körnige Ausgangssubstanz schichtweise verfestigt und so die Messkammer schichtweise aufbaut und die Messkammer als längliches Röhrchen hergestellt wird, wobei die Schichten längs des Röhrchens aufeinanderfolgen und das Röhrchen vorzugsweise steht. The object is further achieved with a manufacturing method for said measuring chamber, wherein a process is used, which solidifies a powdery or granular starting material by layers and thus builds up the measuring chamber in layers and the measuring chamber is made as an elongated tube, the layers along the tube successive and the tube is preferably.
Die Erfindung verwendet eine Messkammer, die mehrere Abschnitte hat. Der Mittelabschnitt ist für die Diffusion geeignet ausgebildet. Er erlaubt den Durchtritt der zu messenden Substanz aus der Gewebeflüssigkeit in das Messmedium, welches sich in der Messkammer befindet. Der Mittelabschnitt ist durch den Fußabschnitt und den Kopfabschnitt begrenzt, die sich in ihren Diffusionseigenschaften unterscheiden, in der Regel nicht diffusionsdurchlässig ausgestaltet sind. Beim erfindungsgemäßen Herstellverfahren kann dieser Unterschied sehr einfach dadurch erzeugt werden, dass die Laserparameter beim Verfestigen der Ausgangssubstanz für den Fuß- und den Kopfabschnitt anders gewählt werden als für den Mittelabschnitt, so dass nur der Mittelabschnitt beim Herstellverfahren eine Porosität bekommt, die die Diffusion des zu messenden Stoffes erlaubt. The invention uses a measuring chamber which has several sections. The middle section is designed to be suitable for diffusion. It allows the passage of the substance to be measured from the tissue fluid into the measuring medium, which is located in the measuring chamber. The middle section is delimited by the foot section and the head section, which differ in their diffusion properties, are generally not designed to be diffusion-permeable. In the manufacturing process according to the invention, this difference can be generated very simply by selecting the laser parameters when consolidating the starting substance for the foot and head sections to be different than for the middle section, so that only the middle section in the manufacturing process acquires porosity which increases the diffusion of the allowed to measure.
Wenn im Herstellverfahren die Röhrchen stehend gefertigt werden, ist das Umschalten der Laserparameter sehr einfach. Für die Schichten, welche den Fußabschnitt oder den Mittelabschnitt bilden, werden Laserparameter eingestellt, die im wesentlichen keine Diffusion durch das verfestigte Material erlauben. In den Schichten des Mittelabschnittes wird hingegen mit Laserparametern gearbeitet, die gegenüber Kopfabschnitt und Fußabschnitt eine sehr viel höhere Diffusion, weil Porigkeit und Porengröße, zur Folge haben. Man muß dann beim Herstellverfahren also lediglich zwischen dem Abarbeiten zweier Schichtpaare, nämlich an der Grenze zwischen Kopfabschnitt und Mittelabschnitt und an der Grenze zwischen Mittelabschnitt und Fußabschnitt die Laserparameter so ändern, dass die gewünschten Diffusionseigenschaften, d.h. Struktureigenschaften des verfestigten Materials erreicht werden. If the tubes are made upright in the manufacturing process, the switching of the laser parameters is very easy. For the layers forming the root section or the central section, laser parameters are set which allow substantially no diffusion through the solidified material. In the layers of the middle section, on the other hand, laser parameters are used which, compared to the head section and foot section, result in much higher diffusion because of porosity and pore size. In the manufacturing process, therefore, it is only necessary to change the laser parameters between the processing of two pairs of layers, namely at the boundary between the head section and middle section and at the boundary between the middle section and foot section, in such a way that the desired diffusion properties, i. Structural properties of the solidified material can be achieved.
In der hier vorliegenden Beschreibung wird als Kopf des Sensors und damit auch als Kopfabschnitt der Messkammer derjenige Teil verstanden, der zuerst in die Haut eingestochen wird. Der gegenüberliegende Teil des Sensors bzw. der Messkammer ist dann dementsprechend der Fuß bzw. der Fußabschnitt. In the present description, the head of the sensor and thus also the head section of the measuring chamber is understood as that part which is first pierced into the skin. The opposite part of the sensor or the measuring chamber is then accordingly the foot or the foot section.
Der in seinen Diffusionseigenschaften sich vom Mittelabschnitt unterscheidende Fußabschnitt hat den Vorteil, dass er die oben diskutierte Verlängerung auf einfache Weise ersetzt. Es ist damit sichergestellt, dass der diffusionsdurchlässige Teil der Messkammerwandung – also der Mittelabschnitt – sich nach dem Einstechen des Sensors zuverlässig unter der Haut befindet. Zugleich sind Festigkeitsprobleme vermieden. Ein Ausdiffundieren von Messflüssigkeit und eine unerwünschte Blasenbildung ist auch bei schrägen Einstichsituationen vermieden und der in
Der vorgesehene Kopf- und Fußabschnitt erreicht jedoch noch einen weiteren überraschenden Vorteil aus folgendem Grund: bei den Sensoren der genannten Art wird bislang ein Röhrchen durch Fenster verschlossen, um das abgeschlossene Volumen für das Messmedium zu schaffen. Es zeigt sich nun, dass die hierfür übliche Verklebung nahe der Stirnseite die Diffusionseigenschaften des Röhrchens nachteilig verändert. Die Diffusion in die Messkammer ist dadurch beeinflußt. Die sich in ihren Diffusionseigenschaften unterscheidenden Fuß- und Kopfabschnitte erlauben es nun, die Messkammerabschlussstücke in die Messkammer hineinzuschieben, so dass sie präzise an der Grenze zwischen Kopf- bzw. Fußabschnitt und Mittelabschnitt liegen. Somit ist sichergestellt, dass die Messkammer ausschließlich von den Messkammerabschlussstücken und der Wandung im Mittelabschnitt des Röhrchens begrenzt wird, in dem die gewünschten Diffusionseigenschaften durchgängig vorliegen. Gleichzeitig ist es dennoch möglich, die Messkammerabschlussstücke an der Innenwand des Röhrchens zu verkleben. Anstelle einer Verklebung kann natürlich auch eine andere Befestigung erfolgen, die einen flüssigkeitsdichten Anschluss der Messkammerabschlussstücke an der Innenwand des Röhrchens bewirkt. Beispielsweise sind kegelförmige Dichtungsstrukturen oder für einen Presssitz ausgebildete Dichtringe etc. an der Innenwand möglich, in die die Messkammerabschlussstücke dichtend eingesetzt werden. Auch ist ein Ansprengen möglich. Soweit nachfolgend eine Verklebung an der Innenwand beschrieben wird, sei dieser Begriff stellvertretend für eine allgemeine Befestigung, welche bezüglich der Messflüssigkeit dicht ist, zu verstehen. Damit erreicht man den überraschenden Vorteil, dass die Stirnflächen des Röhrchens für die Befestigung von Elektronik etc. vollständig zur Verfügung stehen, ohne dass man bei dieser Befestigung auf die Diffusionseigenschaften des Röhrchens Rücksicht nehmen müßte. However, the intended head and foot section achieves yet another surprising advantage for the following reason: in the case of the sensors of the type mentioned, a tube has hitherto been closed by windows in order to create the closed volume for the measuring medium. It now appears that the customary bonding near the front side adversely changes the diffusion properties of the tube. The diffusion into the measuring chamber is influenced by this. The foot and head sections differing in their diffusion properties now allow the measuring chamber end pieces to be pushed into the measuring chamber so that they lie precisely at the boundary between the head or foot section and the middle section. This ensures that the measuring chamber is bounded exclusively by the measuring chamber end pieces and the wall in the middle section of the tube, in which the desired diffusion properties are continuous. At the same time it is still possible to glue the Meßkammerabschlussstücke on the inner wall of the tube. Instead of a bond, of course, another attachment can be made, which causes a liquid-tight connection of the Meßkammerabschlussstücke on the inner wall of the tube. For example, cone-shaped sealing structures or sealing rings, etc. designed for a press fit are possible on the inner wall into which the measuring chamber end caps are sealingly inserted. Also, a wringing is possible. As far as an adhesion to the inner wall is described below, this term is to be understood as representative of a general fastening, which is dense with respect to the measuring liquid. This achieves the surprising advantage that the end faces of the tube for the attachment of electronics, etc. are completely available, without having to take into account in this attachment to the diffusion properties of the tube.
Der definierte Übergang zwischen Fuß- bzw. Kopfabschnitt und Mittelabschnitt gewährleistet die homogenen Diffusionseigenschaften der Messkammer, da eine Befestigung der Messkammerabschlussstücke ausschließlich in Bereichen stattfindet, in denen keine für die Messung relevante Diffusion stattfindet. Gleichzeitig ist eine klare Grenze zwischen diesen Abschnitten (Mittelabschnitt und Fuß- bzw. Kopfabschnitt) realisiert, was ein exaktes Positionieren der Messkammerabschlussstücke idealer Weise mit ihren Grenzflächen genau auf Höhe der Grenzen, ermöglicht. Das Volumen der wirksamen Messkammer kann damit bei gegebener Länge des Röhrchens maximal ausgeschöpft werden, da keine Sicherheitsmargen für klebstoffbedingte Änderung einer diffusionsgeeigneten Messkammerwandung vorgesehen werden müssen. Die Fuß- und Kopfabschnitte sind für die Befestigung der Messkammerabschlussstücke für alle oben genannten Befestigungsmethoden vorteilhaft. Im Falle einer Verklebung ist gesichert, dass keine dem Grunde nach ungewisse Beeinflussung der Diffusionseigenschaften der Messkammerwand erfolgt. Eine Verklebung würde ansonsten die Materialbedingten Diffusionseigenschaften stören. Im Falle einer andersartig abdichtenden Befestigung, beispielsweise durch entsprechende Dichtstrukturen, gewährleisten die Fuß- und Kopfabschnitte, dass die Wandung der Messkammer in diffusionsrelevanten Bereichen nicht durch Abweichungen der Geometrie, beispielsweise der Wanddicke, zu inhomogenen Diffusionseigenschaften führt. Die Fuß- und Kopfabschnitte gewährleisten somit, dass die Diffusion ausschließlich im Mittelabschnitt stattfindet, indem die gewünschten Diffusionseigenschaften sowohl was Materialzusammensetzung als auch was Wandstärke angeht, präzise eingehalten sind. The defined transition between the foot or head section and middle section ensures the homogeneous diffusion properties of the measuring chamber, since an attachment of the Messkammerabschlussstücke takes place only in areas where no relevant for the measurement diffusion takes place. At the same time, a clear boundary between these sections (middle section and foot or head section) is realized, which makes possible an exact positioning of the measuring chamber end pieces ideally with their boundary surfaces exactly at the level of the borders. The volume of the effective measuring chamber can thus be maximally exploited for a given length of the tube, since no safety margins for adhesive-related change of a diffusion-suitable measuring chamber wall must be provided. The foot and head sections are advantageous for attaching the measuring chamber end pieces for all the above-mentioned fastening methods. In the case of bonding, it is ensured that there is no fundamentally uncertain influencing of the diffusion properties of the measuring chamber wall. Bonding would otherwise interfere with the material diffusion properties. In the case of a different sealing manner, for example by means of corresponding sealing structures, the foot and head sections ensure that the wall of the measuring chamber in diffusion-relevant areas does not lead to inhomogeneous diffusion properties due to deviations of the geometry, for example the wall thickness. The foot and head sections thus ensure that the diffusion takes place exclusively in the middle section, in that the desired diffusion properties, both in terms of material composition and wall thickness, are precisely met.
Messkammerfenster, die für den Durchtritt der optischen Strahlung vorgesehen sind, müssen dafür sorgen, dass die Strahlung in einem definierten Bereich durch das Röhrchen fällt. Im Stand der Technik hat man dazu Streulichtblenden auf die Messkammerfenster aufgedampft, welche den Strahlquerschnitt, in dem die Strahlung in die Messkammer eintreten bzw. austreten kann, festlegen. Die Fertigung solcher Blenden an den Messkammerfenstern, die üblicherweise eine Weite von wenigen Zehntelmillimetern haben, ist aufwendig, da auf exakte Lage der Blendenstrukturen auf den sehr kleinen Messkammerfenstern geachtet werden muß. Measuring chamber windows, which are provided for the passage of the optical radiation, must ensure that the radiation falls through the tube within a defined range. In the prior art, scattered light diaphragms have been evaporated onto the measuring chamber windows, which define the beam cross section in which the radiation can enter or exit the measuring chamber. The production of such diaphragms on the measuring chamber windows, which usually have a width of a few tenths of a millimeter, is complicated, since care must be taken to ensure the exact position of the diaphragm structures on the very small measuring chamber windows.
Solche Blenden können nun überraschend einfach dadurch ersetzt werden, dass an der Grenze zwischen Mittelabschnitt und Fuß- und/oder Kopfabschnitt ein Anschlag vorgesehen ist, der zum einen das Einschieben des entsprechenden Messkammerverschlussstückes in das Röhrchen begrenzt und zum anderen als Blende für die optische Strahlung ausgebildet ist. Der Anschlag weist eine entsprechende Blendenöffnung auf, beispielsweise indem er ringförmig an der Röhrcheninnenwand ausgebildet ist. Diese Doppelfunktion des Anschlags erleichtert nicht nur die Montage der Messkammerverschlussstücke in der richtigen Lage, d.h. exakt an den Grenzen des Mittelabschnittes, sondern vereinfacht darüber hinaus die Fertigung der Messkammerverschlussstücke drastisch. Surprisingly, such diaphragms can be replaced simply by providing a stop at the boundary between the middle section and the foot and / or head section, which, on the one hand, limits the insertion of the corresponding measuring chamber closing piece into the tube and, on the other hand, forms a diaphragm for the optical radiation is. The stop has a corresponding aperture, for example, by being annularly formed on the tube inner wall. This dual function of the stop not only facilitates the assembly of the metering chamber closures in the correct position, i. exactly at the boundaries of the middle section, but also simplifies the manufacture of Meßkammerverschlussstücke drastically.
Unter Diffusionsgesichtspunkten ist es zu bevorzugen, dass der Mittelabschnitt möglichst einen kreisförmigen Innenquerschnitt hat. Kreisförmige Messkammerverschlussstücke sind hingegen schwieriger zu fertigen, insbesondere wenn man an Abmessungen im Millimeterbereich denkt. From a diffusion point of view, it is preferable that the middle section has as far as possible a circular inner cross section. Circular Meßkammerverschlussstücke are however more difficult to manufacture, especially if one thinks of dimensions in the millimeter range.
Hier sind rechteckige oder quadratische Formen sehr viel einfacher herzustellen und zu verarbeiten. Es ist deshalb in einer Weiterbildung bevorzugt, dass der Mittelabschnitt des Röhrchens einen kreisförmigen Innenquerschnitt hat und zum Fußabschnitt und/oder Kopfabschnitt in einen rechteckigen oder quadratischen Innenquerschnitt übergeht. Der Fuß- bzw. Kopfabschnitt hat dann in dem Bereich, in dem das entsprechende Messkammerverschlussstück eingesetzt ist, einen rechteckigen oder quadratischen Innenquerschnitt. Das entsprechende Messkammerverschlussstück ist folglich quaderförmig bzw. würfelförmig. Here, rectangular or square shapes are much easier to manufacture and process. It is therefore preferred in a development that the middle section of the tube has a circular inner cross-section and merges with the foot section and / or head section into a rectangular or square inner cross-section. The foot or head section then has a rectangular or square inner cross-section in the region in which the corresponding measuring chamber closure piece is inserted. The corresponding measuring chamber closure piece is therefore cuboid or cube-shaped.
Wie bereits erwähnt kann aufgrund des Fußabschnittes das erste Messkammerverschlussstück so gefertigt werden, dass es nicht über die erste Stirnseite vorsteht. Dadurch ist die erste Stirnseite zur Befestigung einer optischen Sende- oder Empfangseinrichtung verfügbar. Sie kann beispielsweise direkt angeklebt werden. As already mentioned, due to the foot section, the first measuring chamber closing piece can be manufactured in such a way that it does not protrude beyond the first end face. As a result, the first end face is available for fastening an optical transmitting or receiving device. It can for example be glued directly.
Die Messkammer eignet sich für einen reinen transmissiven Betrieb, in dem am Kopf der Messkammer optische Strahlung eingestrahlt und am Fuß der Messkammer detektiert wird, genauso wie für eine reflektiv arbeitende Bauweise, bei der die optische Strahlung am Fuß eingestrahlt wird, am Kopf reflektiert wird und dann wieder am Fuß detektiert wird. Bei einer transmissiven Betriebsweise ist am Kopf des Sensors, d.h. anschließend an das in den Kopfabschnitt eingesetzte Messkammerverschlussstück eine Strahlungsquelle für die optische Strahlung vorgesehen. Sie muß elektrisch kontaktiert werden. Es ist nun einfach möglich, diese elektrische Kontaktierung so vorzunehmen, dass sie keine an der Messkammer außen verlaufenden Kabel oder Leitungen hat. The measuring chamber is suitable for a pure transmissive operation in which optical radiation is radiated in at the head of the measuring chamber and detected at the foot of the measuring chamber, just as for a reflective working construction in which the optical radiation is radiated at the foot, reflected at the head and then again detected at the foot. In a transmissive mode of operation, at the head of the sensor, i. then a radiation source for the optical radiation is provided following the measuring chamber closing piece inserted in the head section. It must be contacted electrically. It is now easily possible to make this electrical contact so that it has no outside on the measuring chamber extending cables or lines.
Eine erste Variante liegt darin, die Leitungen im Inneren der Messkammer zu führen. Damit sie den Durchgang der optischen Strahlung dort nicht stören, ist bevorzugt an der Messkammerinnenwand im Mittelabschnitt eine Haltemechanik zum Fixieren eines von der ersten zur zweiten Stirnseite laufenden, elektrischen Kabels ausgebildet. Im erfindungsgemäßen Herstellverfahren kann eine solche Haltemechanik beispielsweise in Form von Klammern etc. einfach durch geeignete Ansteuerung beim schichtweisen Aufbau mittels Laserstrahlschreiben erzeugt werden. A first variant is to guide the lines inside the measuring chamber. So that they do not interfere with the passage of the optical radiation there, a holding mechanism for fixing an electrical cable extending from the first to the second end side is preferably formed on the measuring chamber inner wall in the middle section. In the manufacturing process according to the invention, such a holding mechanism, for example in the form of brackets etc. simply by suitable control during layered structure can be generated by means of laser beam writing.
Eine zweite Variante in oder an der Wandung des Röhrchens mindestens einen Kabelkanal auszubilden, der von der ersten zur zweiten Stirnseite läuft und in den eine entsprechende Leitung einschiebbar ist. Dieser Kabelkanal hat den Vorteil, dass keine Durchführung des Kabels zwischen Röhrchen und Messkammerverschlussstücken erfolgen muß, da der Kabelkanal bevorzugt seine Öffnungen an den Stirnseiten des Röhrchens hat. A second variant in or on the wall of the tube to form at least one cable channel, which runs from the first to the second end face and in which a corresponding line can be inserted. This cable channel has the advantage that no passage of the cable between the tube and Meßkammerverschlussstücken must be made, since the cable channel preferably has its openings at the end faces of the tube.
In einer optionalen Weiterbildung dieses Kabelkanals können Leitungen verwendet werden, deren Isolierung in Flüssigkeit nicht die erforderlichen Standzeiten hätte. Dazu ist der Kabelkanal im an und für sich diffusionsfreundlichen Mittelabschnitt mit einer Wandung umgeben, deren materialbedingte Diffusionsdurchlässigkeit sich von der des sonstigen Mittelabschnittes unterscheidet. Der Kabelkanal kann dadurch für Gewebsflüssigkeit wie auch für die Messflüssigkeit dicht ausgestaltet sein, so dass ein im Kabelkanal liegendes Kabel trocken bleibt, d.h. nicht ständig der Belastung durch Flüssigkeit ausgesetzt ist. Es kommt bei dieser Frage natürlich auf die materialbedingte Diffusionsdurchlässigkeit an, d.h. diejenige Diffusionsdurchlässigkeit, die sich durch die Materialstruktur, nicht jedoch durch die Wandstärke des Materials ergibt, da die Dicke der Wand zwischen Kabelkanal und Innerem bzw. Äußerem des Röhrchens meist geringer ist, als die Dicke der Wand in Fußabschnitt, Kopfabschnitt oder Mittelabschnitt. In an optional further development of this cable duct, it is possible to use lines whose insulation in liquid would not have the required service life. For this purpose, the cable channel is surrounded in a per se diffusion-friendly middle section with a wall whose material-related diffusion permeability differs from that of the other center section. The cable channel can thereby be made dense for tissue fluid as well as for the measuring liquid, so that a lying in the cable channel cable remains dry, i. is not constantly exposed to the load of liquid. Of course, in this question, it depends on the material diffusion permeability, i. the diffusion permeability that results from the material structure, but not the wall thickness of the material, since the thickness of the wall between the cable channel and the interior or exterior of the tube is usually less than the thickness of the wall in foot section, head section or middle section.
Das fußseitige Messkammerverschlussstück ist als Messkammerfenster ausgebildet, wenn am Fuß des Sensors eine Sendeeinrichtung für optische Strahlung angebracht ist. Um die optische Strahlung zu formen, sind geeignete optische Bauteile nötig. Diese können bevorzugt am Messkammerverschlussstück selbst ausgebildet sein oder diesem vom Kopf aus gesehen vorgelagert werden. Es ist deshalb bevorzugt, dass das zweite Messkammerverschlussstück als Messkammerfenster ausgebildet ist und dem Messkammerfenster vom Mittelabschnitt her gesehen vorgelagert eine Strahlformungsoptik aufweist, wobei auch die Strahlformungsoptik innerhalb des Kopfabschnittes liegt. The foot-side measuring chamber closing piece is designed as a measuring chamber window if a transmitting device for optical radiation is attached to the foot of the sensor. To form the optical radiation, suitable optical components are necessary. These may preferably be formed on the Meßkammerverschlussstück itself or upstream of this seen from the head. It is therefore preferred for the second measuring chamber closure piece to be designed as a measuring chamber window and for the measuring chamber window to have beam-shaping optics arranged in front of the central portion, wherein the beam-shaping optical unit is also located within the head portion.
Für das erfindungsgemäße Herstellverfahren eignen sich als körnige oder pulvrige Substanz Kügelchen einer Titanlegierung, weshalb bevorzugt das Röhrchen aus einem Titanlegierungskörper besteht. Um dann die Diffusionseigenschaften des Mittelabschnittes auf ein gewünschtes Maß einzustellen, ist es meist erforderlich, den Titanlegierungskörper zu beschichten, so dass das Röhrchen bevorzugt aus einem beschichteten Titanlegierungskörper besteht. Alternativ kann auch Edelstahl verwendet werden. For the production process according to the invention, beads of a titanium alloy are suitable as a granular or powdery substance, for which reason the tube preferably consists of a titanium alloy body. In order to then adjust the diffusion properties of the central portion to a desired level, it is usually necessary to coat the titanium alloy body, so that the tube preferably consists of a coated titanium alloy body. Alternatively, stainless steel can also be used.
Die Messkammer kann auch mehrteilig ausgeführt werden, indem Mittelabschnitt, Kopfabschnitt und Fußabschnitt aus unterschiedlichen Bauteilen zusammengesetzt werden. Dies kann die Fertigung erleichtern, da dann die Messkammerverschlussstücke zuerst in den Kopf- bzw. Fußabschnitt eingefügt werden und dann diese beiden Bauteile mit dem Mittelabschnitt vereinigt werden. Falls für diesen letzten Schritt eine Verklebung vorgesehen wird, ist an den stirnseitigen Enden des Röhrchens ein Streifen vorgesehen, dessen materialbedingte Diffusionseigenschaften denen des Fußabschnittes und des Kopfabschnittes gleichen. The measuring chamber can also be made in several parts, by middle section, head section and foot section are composed of different components. This can facilitate the manufacture, since then the Meßkammerverschlussstücke are first inserted into the head or foot section and then these two components are combined with the central portion. If an adhesion is provided for this last step, a strip is provided at the front ends of the tube whose material-related diffusion properties are similar to those of the foot portion and the head portion.
Zur Herstellung der Röhrchen wird ein laserstrahlschreibender Prozeß verwendet, der aus einer pulvrigen oder körnigen Ausgangssubstanz schichtweise das Röhrchen aufbaut, wobei die Schichten längs des Röhrchens aufeinanderfolgen. Als Ausgangssubstanz kommen insbesondere Titan- oder Edelstahlkügelchen in Frage. Solche Prozesse sind für sogenanntes rapid prototyping bekannt und werden hier überraschenderweise für die Großserienfertigung eingesetzt, die, wie noch ausgeführt wird, im Bauraum existierender Prototyping-Maschinen bis zu 100.000 Röhrchen in einem Herstelldurchlauf erzeugen kann. To make the tubes, use is made of a laser-beam-writing process which builds up the tube in layers from a powdery or granular starting substance, the layers following one another along the tube. Titanium or stainless steel beads are particularly suitable as the starting substance. Such processes are known for so-called rapid prototyping and are here surprisingly used for large-scale production, which, as will be explained, can produce up to 100,000 tubes in a production run in the space of existing prototyping machines.
Dieses Herstellverfahren erlaubt es, in einem Laserstrahlschreibprozeß mehrere Röhrchen herzustellen, wenn Röhrchenstapel hergestellt werden, in denen mehrere Röhrchen aufeinanderstehen. Diese mehreren Röhrchen sind durch Verbindungsbereiche verbunden, die jeweils die Stirnseite eines unteren Röhrchens mit der Stirnseite eines darüberstehenden Röhrchens verbinden. Diese Verbindungsbereiche werden anschließend in einem Trennprozeß entfernt, beispielsweise einem Sägeprozeß, so dass dadurch die Röhrchenstapel in einzelne Röhrchen geteilt werden. Der Trennprozeß kann besonders einfach ausgeführt werden, wenn zusätzlich in den Verbindungsbereichen die Dichte der verfestigten Ausgangssubstanz gegenüber dem sonstigen Röhrchenmaterial reduziert ist. Verwendet man eine Sägeprozeß zum Trennen, ist beispielsweise der Sägeblattabtrag reduziert. This manufacturing method makes it possible to produce a plurality of tubes in a laser beam writing process when producing tube stacks in which a plurality of tubes are stacked on each other. These multiple tubes are connected by connecting portions, each connecting the end face of a lower tube with the end face of an overlying tube. These connection areas are then removed in a separation process, such as a sawing process, thereby dividing the tube stacks into individual tubes. The separation process can be carried out particularly simply if, in addition, the density of the solidified starting substance in relation to the other tube material is reduced in the connecting regions. Using a sawing process for cutting, for example, the saw blade removal is reduced.
Eine weitere Parallelisierung des Herstellprozesses erreicht man, wenn mehrere Röhrchenstapel hergestellt werden, die in Zeilen nebeneinander stehen und über Verbindungsstege miteinander verbunden sind. Ordnet man diese Verbindungsstege in den selben Ebenen an, wie die Verbindungsbereiche zwischen aufeinanderstehenden Röhrchen, werden die Verbindungsstege beim Entfernen der Verbindungsbereiche automatisch mit entfernt. Der Begriff „Ebene“ ist dabei auf den Trennprozeß zu beziehen, z.B. die Sägeblattdicke. Das Vereinzeln der Röhrchenstapel in einzelne Röhrchen zerlegt zugleich die Zeilen, so dass in einem einzigen Trennprozeß aus den die Röhrchenstapel umfassenden Zeilen einzelne Röhrchen entstehen. A further parallelization of the manufacturing process is achieved when a plurality of tube stacks are produced, which are in rows next to each other and connected by connecting webs. If one arranges these connecting webs in the same levels as the connecting areas between successive tubes, the connecting webs are automatically removed when the connecting areas are removed. The term "plane" is to refer to the separation process, eg the saw blade thickness. The separation of the tube stacks into individual tubes simultaneously breaks up the lines, so that in a single separation process from the Tubular stacks consist of lines of single tubes.
Eine noch weitere Parallelisierung ist möglich, wenn ein Block aus mehreren nebeneinanderstehenden Zeilen mit Röhrchenstapeln hergestellt wird, wobei die Zeilen über Abstandshalter miteinander verbunden sind. Ein Block von 100.000 Röhrchen passt in den Bauraum existierender Prototyping-Maschinen, wenn man von Röhrchen ausgeht, die wenige mm Außendurchmesser haben und wenige cm lang sind. Gestaltet man die Abstandshalter lösbar oder mit Sollbruchstellen, was durch geeignete Ansteuerung des Laserstrahls beim Laserstrahlschreiben völlig unproblematisch möglich ist, und ordnet diese Abstandshalter in den selben Ebenen an, wie die Verbindungsbereiche und die Verbindungsstege, ist eine besonders vorteilhafte Bearbeitung bzw. Herstellung erreicht. Solange die Abstandshalter nicht gelöst oder getrennt werden, hat man einen Block aus einer Vielzahl von Röhrchen, die in Röhrchenstapeln übereinander stehen und deren Röhrchenstapel in Zeilen nebeneinander angeordnet sind. Dieser Block kann besonders bequem hinsichtlich eventuell erforderlicher Beschichtungsprozesse prozessiert werden, wobei einfach dafür Sorge getragen ist, dass alle Röhrchen gleichermaßen bearbeitet werden, wenn beispielsweise ein Tauchprozeß verwendet wird. Further parallelization is possible if a block is made up of several juxtaposed rows of tube stacks, the rows being interconnected by spacers. A block of 100,000 tubes fits into the space of existing prototyping machines, starting from tubes that have a few mm outside diameter and a few cm long. If the spacers are designed detachably or with predetermined breaking points, which is completely unproblematic by suitable control of the laser beam during laser beam writing, and arranges these spacers in the same planes as the connecting regions and the connecting webs, a particularly advantageous machining or production is achieved. As long as the spacers are not dissolved or separated, one has a block of a plurality of tubes, which are stacked in tube stacks and their tube stacks are arranged in rows next to each other. This block can be processed in a particularly convenient manner with regard to any coating processes that may be required, while simply ensuring that all tubes are processed equally, for example when a dipping process is used.
Der Block kann einfach zu Zeilen vereinzelt werden, indem die Abstandshalter gelöst oder durchbrochen werden. Da die Abstandshalter in den selben Ebenen liegen, wie die Verbindungsbereiche und die Verbindungsstege, werden etwaige Reste der Abstandshalter, die an den Röhrchen verblieben sind, beim Entfernen der Verbindungsbereiche und der Verbindungsstege automatisch mitentfernt. The block can easily be singulated into lines by loosening or breaking the spacers. Since the spacers lie in the same planes as the connecting regions and the connecting webs, any remnants of the spacers remaining on the tubes are automatically removed when the connecting regions and the connecting webs are removed.
Der Block wird in Zeilen zerlegt, indem die Abstandshalter gelöst oder durchbrochen werden und das anschließende Vereinzeln der Zeilen erzeugt einzelne Röhrchen. The block is decomposed into lines by loosening or breaking the spacers, and the subsequent singulation of the lines creates individual tubes.
Für das Herstellverfahren können Laserschreibprozesse verwendet werden, die automatisch die gewünschte Porosität des Körpers und damit materialbedingte Diffusionseigenschaften der Wandung im Mittelabschnitt der Röhrchen bewirkt. Hierfür ist die Granularität des Ausgangsmaterials entscheidend. Eine einfache Prozessführung erreicht Porengrößen zwischen 5 und 20 µm. Vorteilhaft ist es, im Prozess diese größere Porosität einzustellen und im Mittelabschnitt die gewünschten Diffusionsdurchlässigkeiten durch einen separaten Beschichtungsprozess einzustellen, der die Wandrauhigkeit reduziert. Für diesen Beschichtungsprozess kommt insbesondere ein Sol-Gel-Prozess mit Titanoxid in Frage, der in einem Tauchverfahren ausgeführt wird. Damit erzeugt man eine nanoskalige Trennmembran an der Außenseite des Mittelabschnittes mit Porengrößen kleiner 10 nm. For the manufacturing process laser writing processes can be used, which automatically causes the desired porosity of the body and thus material-related diffusion properties of the wall in the central portion of the tubes. The granularity of the starting material is crucial for this. Simple process control achieves pore sizes between 5 and 20 μm. It is advantageous to set this larger porosity in the process and to set the desired diffusion permeabilities in the middle section by means of a separate coating process which reduces the wall roughness. For this coating process, in particular a sol-gel process with titanium oxide comes into question, which is carried out in a dipping process. This creates a nanoscale separation membrane on the outside of the central portion with pore sizes smaller than 10 nm.
Die Beschichtung erfolgt bevorzugt an der Außenwand, weil dadurch die vom schichtaufbauenden Prozess herrührende Welligkeit reduziert, also die Oberflächengüte verbessert wird. The coating preferably takes place on the outer wall, because this reduces the waviness resulting from the layer-building process, ie improves the surface quality.
Eine besonders gleichmäßige Beschichtung erreicht man dabei dann, wenn bei der Bearbeitung des Blockes das Tauchverfahren so ausgeführt wird, dass die Röhrchen horizontal liegen. Eine unterschiedliche Benetzung der Röhrchen je nach ihrer Lage im Röhrchenstapel ist damit vermieden. Besonders bevorzugt wird nur außen beschichtet, indem die Röhrchenstapel an ihren Enden vor dem Tauchverfahren verschlossen sind oder geschlossen ausgebildet werden. A particularly uniform coating is achieved when, during the processing of the block, the dipping process is carried out so that the tubes are horizontal. A different wetting of the tubes depending on their location in the tube stack is thus avoided. Particularly preferred is coated only outside by the tube stacks are closed at their ends before the dipping process or formed closed.
Eine gleichmäßige Beschichtung kann darüber hinaus dadurch gefördert werden, dass der Block nach dem Entnehmen oder während des Entnehmens aus der Tauchflüssigkeit rotiert, gedreht und geschwenkt wird. Insbesondere kann durch geeignete Wahl der Viskosität und der Austaufgeschwindigkeit die Menge der Beschichtung pro Tauchvorgang eingestellt werden. Die weitere Bewegung des Blockes vergleichmäßigt den Auftrag pro Beschichtungsschritt. In addition, a uniform coating can be promoted by rotating, rotating and swiveling the block out of the dipping liquid after removal or during removal. In particular, the amount of coating per dipping process can be adjusted by suitable choice of the viscosity and the rate of removal. The further movement of the block makes the job uniform per coating step.
Optional oder alternativ kann bei der Herstellung eine thermische Nachbehandlung eingesetzt werden, um die Elastizität der Röhrchen und die Porengeometrie und damit letztlich die Diffusionseigenschaften zu modifizieren. Optionally or alternatively, a thermal aftertreatment can be used in the production in order to modify the elasticity of the tubes and the pore geometry and thus ultimately the diffusion properties.
Die Befestigung von Sender- und/oder Empfängervorrichtung an der Messkammer kann auf verschiedenste Art erfolgen, beispielsweise durch eine Verklebung. Im Hinblick auf einen modularen Einsatz der Messkammervorrichtung ist jedoch ein Befestigungsmittel zum Befestigen des anzuschließenden Senders bzw. Empfängers zu bevorzugen, das gleichzeitig eine präzise Lagejustierung bewirkt. Dies kann beispielsweise durch eine Verklebung oder Verkittung in Kombination mit geeigneten Justierstrukturen erreicht werden. Auch möglich ist ein Flansch für die Befestigungsmittel, an welchen die Sender- und Empfängervorrichtung angebracht werden. The attachment of transmitter and / or receiver device to the measuring chamber can be done in various ways, for example by gluing. With regard to a modular use of the measuring chamber device, however, a fastening means for fastening the transmitter or receiver to be connected is to be preferred, which simultaneously effects a precise positional adjustment. This can be achieved for example by gluing or cementing in combination with suitable alignment structures. Also possible is a flange for the fastening means to which the transmitter and receiver device are attached.
Das Anbringen von Sender und Empfänger muß selbstverständlich so erfolgen, daß die optische Strahlung ein- bzw. daraus ausgekoppelt werden kann. Neben einer die optischen Anforderungen erfüllenden Verklebung oder Verkittung ist es auch möglich, ein Reservoir für eine Immersionsflüssigkeit vorzusehen, um den Durchtritt der optischen Strahlung durch die Verbindungsstelle sicherzustellen. Dies kann beim Anschluß der Sendervorrichtung und/oder beim Anschluß der Empfängervorrichtung verwendet werden. The attachment of transmitter and receiver must of course be such that the optical radiation on and can be coupled out of it. In addition to a bonding or cementation that fulfills the optical requirements, it is also possible to provide a reservoir for an immersion liquid in order to ensure the passage of the optical radiation through the connection point. This can be done when connecting the transmitter device and / or used in the connection of the receiver device.
Sender und/oder Empfänger können auch über eine Lichtleitfaser angeschlossen werden. Hierfür wird vorzugsweise eine polarisationserhaltende Single-Mode-Fiber verwendet, wenn eine Polarisationsauswertung erfolgen soll. Zum Anschluß von Sender und/oder Empfänger über die Lichtleitfaser ist es bevorzugt, den entsprechenden bzw. die entsprechenden Messkammerverschlussstück(e) als Faserkoppler auszubilden. Die Ankopplung von Sender und/oder Empfänger über die Lichtleitfaser hat den Vorteil, daß Sterilisierungsanforderungen leichter erfüllbar sind. Zudem ist die Lage von Sender und Empfänger dadurch variabler. Transmitter and / or receiver can also be connected via an optical fiber. For this purpose, a polarization-preserving single-mode fiber is preferably used if a polarization evaluation is to take place. For connecting the transmitter and / or receiver via the optical fiber, it is preferred to form the corresponding or the corresponding measuring chamber closure piece (s) as a fiber coupler. The coupling of transmitter and / or receiver via the optical fiber has the advantage that sterilization requirements are easier to fulfill. In addition, the position of transmitter and receiver is more variable.
Für die Funktion des Sensors ist eine möglichst blasenfreie Füllung der Messkammer nötig. Um eventuelle Restblasen in der Messkammer tolerieren zu können, ist es vorteilhaft, bei dem/den Messkammerfenster(n) die zum Messkammerinneren zeigende Fläche mindestens konvex auszubilden. Durch diese konvexe Ausbildung werden Gasbläschen nach außen gedrückt und stören so die optische Durchstrahlung der Messkammer nicht oder zumindest weniger. Prinzipiell genügt es, das fußseitige Messkammerverschlussteil konvex auszugestalten, da eventuelle Glasbläschen nach oben steigen. For the function of the sensor a bubble-free filling of the measuring chamber is necessary. In order to be able to tolerate any residual bubbles in the measuring chamber, it is advantageous for the measuring chamber window (s) to form the surface facing the measuring chamber interior at least convex. As a result of this convex formation, gas bubbles are pressed outward and thus do not disturb the optical transmission of the measuring chamber or at least less. In principle, it suffices to make the foot-side measuring chamber closure part convex, since possible glass bubbles rise upwards.
Durch den Brechzahlunterschied zwischen Material des Messkammerfensterabschnittes und dem Medium, können die konvexen Flächen optional zusätzlich als optische Flächen zur Strahlformung ausgebildet und genutzt werden. Damit erreicht man eine bessere Fokussierung des Lichtstrahles bzw. kann störende Randstrahlen vermeiden. Due to the refractive index difference between the material of the measuring chamber window section and the medium, the convex surfaces can optionally also be designed and used as optical surfaces for beam shaping. This achieves a better focusing of the light beam or can avoid disturbing marginal rays.
Durch die Diffusionsabtrennung des Stoffes aus der Matrix (Gewebeflüssigkeit) löst das Sensorprinzip das im Stand der Technik bestehende Problem der geringen Spezifizität, mit dem eine rein physikalische Messmethode meist behaftet ist. Durch die diffusionsbedingte Abtrennung des Stoffes aus der Matrix kommt der Sensor mit einem einfachen optischen Messaufbau aus und ist somit sehr kompakt. Die Wandung des Mittelabschnittes selektiert durch ihre Diffusionseigenschaften den Stoff aus der Matrix und reichert ihn in der Messkammer an, indem er von anderen Matrixbestandteilen getrennt wird. Die Diffusionstrennung kann dabei durch eine Größen- und/oder eine Formselektion erfolgen, d.h. die Wandung läßt nur Stoffe in einen bestimmten Größenbereich oder einem bestimmten Formbereich ihrer Moleküle passieren. Due to the diffusion separation of the substance from the matrix (tissue fluid), the sensor principle solves the existing in the prior art problem of low specificity, which is usually a purely physical measurement method afflicted. Due to the diffusion-related separation of the substance from the matrix, the sensor has a simple optical measuring setup and is thus very compact. The wall of the middle section selects by its diffusion properties the substance from the matrix and enriches it in the measuring chamber by being separated from other matrix components. The diffusion separation can be carried out by a size and / or a shape selection, i. The wall allows only substances in a certain size range or a specific shape range of their molecules happen.
Durch die diffusionsabtrennende Funktionalität des Sensors wird das optische Messverfahren wesentlich vereinfacht, was eine kompakte, miniaturisierbare und kostengünstige Umsetzung ermöglicht. Insbesondere kann durch die Diffusionsabtrennung verhindert werden, daß Substanzen, die auf das verwendete optische Messverfahren ebenfalls und möglicherweise in einem viel stärkeren Maß als der nachzuweisende Stoff ansprechen, in die Messkammer gelangen. Due to the diffusion-separating functionality of the sensor, the optical measuring method is considerably simplified, which enables a compact, miniaturizable and cost-effective implementation. In particular, it can be prevented by the diffusion separation that substances which also respond to the optical measuring method used, and possibly to a much greater degree than the substance to be detected, enter the measuring chamber.
Der von der Sendervorrichtung erzeugte elektromagnetische, optische Messstrahl (z. B. mit Wellenlängen zwischen 0,8 und 1,5 µm) durchstrahlt das Messmedium. Über Polarisationszustände (un-, teil-, linear-, elliptisch- oder zirkularpolarisiert) und/oder Wellenlängenverteilung des Messstrahls ist es möglich, die Art des Messverfahrens (Polarimetrie oder Absorptions- oder Streulichtmessung) vorzugeben und somit den Sensor auf einen oder mehrere Stoffe auszulegen. Der Messstrahl trifft nach Durchlauf durch das Messmedium auf die Empfängervorrichtung, die vorzugsweise aus mindestens zwei voneinander unabhängigen Detektoren besteht, denen ein Strahlteiler vorgeschaltet ist. Dadurch ist eine umfangreiche Messstrahlanalyse möglich. Liegt der Empfänger dem Sender gegenüber, wird nur ein Durchgang durch das Messmedium benötigt, was zu einem schlanken Aufbau führt. The electromagnetic, optical measuring beam (eg with wavelengths between 0.8 and 1.5 μm) generated by the transmitter device radiates through the measuring medium. About polarization states (un, partial, linear, elliptical or circular polarized) and / or wavelength distribution of the measuring beam, it is possible to specify the type of measurement method (polarimetry or absorption or scattered light measurement) and thus interpret the sensor to one or more substances , After passing through the measuring medium, the measuring beam strikes the receiver device, which preferably consists of at least two independent detectors, which are preceded by a beam splitter. This makes an extensive measuring beam analysis possible. If the receiver is opposite the transmitter, only one pass through the measuring medium is required, resulting in a slim design.
Die Diffusionseigenschaften des Mittelabschnittes sind vorzugsweise so gewählt, daß eine gute Diffusion und damit ein guter Durchtritt nur für den zu messenden Stoff, nicht jedoch für andere Substanzen der zu messenden Matrix gegeben ist. Es ist also durchaus im Rahmen der Erfindung möglich, bei der Auslegung des Sensors die Diffusionseigenschaften der Wandung passend zur Matrix und dem Stoff vorzugeben bzw. einzustellen. The diffusion properties of the central portion are preferably chosen so that a good diffusion and thus a good passage is given only for the substance to be measured, but not for other substances of the matrix to be measured. It is therefore quite possible within the scope of the invention to predetermine or adjust the diffusion properties of the wall to match the matrix and the substance in the design of the sensor.
Die Diffusionseigenschaften des Mittelabschnittes sorgen für die gewünschte Selektivität des Sensors, so daß die in der Messkammer stattfindende optische Messung eine hohe spezifische Genauigkeit und eine niedrige Nachweisgrenze für den Stoff erreicht, ohne daß aufwendige optische Aufbauten nötig sind. Auch entfällt durch die Diffusionsselektion das Bedürfnis für eine lange Messstrecke, wodurch der Aufbau kompakt gehalten werden kann. The diffusion properties of the central portion provide the desired selectivity of the sensor, so that the optical measurement taking place in the measuring chamber achieves a high specific accuracy and a low detection limit for the substance, without the need for expensive optical structures. Also eliminated by the diffusion selection the need for a long measuring distance, whereby the structure can be kept compact.
Die optische Messung in der Messkammer wird natürlich passend zum nachzuweisenden Stoff sowie zum Messmedium in der Messkammer gewählt. Eine mögliche optische Messung ist ein photometrisches Verfahren. Photometrische Methoden zeichnen sich gegenüber anderen analytischen Verfahren durch hohe Empfindlichkeit, Einfachheit und die Möglichkeit von großen Reihenversuchen unter standardisierten Bedingungen aus. Für eine quantitative Analyse durch Absorptionsphotometrie benutzt man z. B. ultraviolette oder sichtbare Strahlung. Dieser Spektralbereich entspricht Änderungen in der Energie der Valenzelektronen. Möglich ist auch die Nutzung des infraroten Spektralbereiches, bei dem in Molekülen des nachzuweisenden Stoffes Veränderungen der Kernschwingungsenergie erfolgen. The optical measurement in the measuring chamber is of course chosen to match the substance to be detected as well as the measuring medium in the measuring chamber. One possible optical measurement is a photometric method. Photometric methods are distinguished from other analytical methods by high sensitivity, simplicity and the possibility of large series tests under standardized conditions. For a quantitative analysis by absorption photometry z. As ultraviolet or visible radiation. This spectral range corresponds to changes in the energy of the valence electrons. Also possible is the use of the infrared spectral range, in which Molecules of the substance to be detected changes in the nuclear vibrational energy take place.
Allerdings zeigt nur ein geringer Teil der zu untersuchenden Substanzen Absorptionsbanden im Licht (Farbe) oder im ultravioletten Bereich. In den meisten Fällen ist es aber möglich, den Stoff durch geeignete chemische Reaktionen in eine charakteristisch absorbierende Verbindung zu überführen und somit deren Konzentration zu bestimmen. Seit Einführung photometrischer Messverfahren sind weit über 1000 Analysemethoden beschrieben worden, die prinzipiell alle hier eingesetzt werden können. Die chemische Reaktion kann dadurch eingeleitet werden, daß der Stoff in die Flüssigkeit der Kammer eindiffundiert. Beispielsweise kann nach entsprechender Aufarbeitung folgendes nachgewiesen werden: Acetonkörper, Bilirubin, Cholesterin, Eisen, Gallensäure, Hämoglobin, Harnsäure, Kohlenmonoxid, Reststickstoff im Blut, etc. However, only a small proportion of the substances to be examined shows absorption bands in the light (color) or in the ultraviolet range. In most cases, however, it is possible to convert the substance into a characteristic absorbing compound by suitable chemical reactions and thus to determine its concentration. Since the introduction of photometric measurement methods, well over 1000 analysis methods have been described, which in principle can all be used here. The chemical reaction can be initiated by diffusing the substance into the liquid of the chamber. For example, after appropriate workup, the following can be detected: acetone body, bilirubin, cholesterol, iron, bile acid, hemoglobin, uric acid, carbon monoxide, residual nitrogen in the blood, etc.
Das flüssige Messmedium in der Messkammer ist somit mitunter abhängig von Stoff und/oder von der Matrix zu wählen. Insbesondere kann sie so gewählt sein, daß es den zu messenden Stoff in einer Normkonzentration enthält. Das Empfängersignal zeigt dann Abweichungen von der Normkonzentration an. The liquid measuring medium in the measuring chamber is therefore sometimes to be selected depending on the substance and / or the matrix. In particular, it may be chosen so that it contains the substance to be measured in a standard concentration. The receiver signal then indicates deviations from the standard concentration.
Als erfaßte Messgröße kommt die Abschwächung der Strahlung beim Durchgang durch das Messmedium in Frage, wobei auch eine wellenlängen- oder polarisationsselektive Auswertung erfolgen kann. Auch können mehrere Strahlen bei verschiedenen Wellenlängen ausgewertet werden. Es ist dazu bevorzugt, daß die Sendervorrichtung eine Strahlungsquelle und ein optisches Filtersystem oder ein Abbildungssystem oder beides aufweist. Das Abbildungssystem sorgt für möglichst optimalen Durchtritt der Strahlung durch die Messkammer und paßt insbesondere die optische Strahlung, die von der Strahlungsquelle emittiert wird, an den Querschnitt und die Länge der Messkammer an. Es kann dazu beispielsweise eine Kollimatoroptik umfassen. Die Strahlungsquelle kann als Leuchtdiode, Laserdiode oder Leuchtdiodenarray ausgebildet sein. As detected measured value, the attenuation of the radiation during passage through the measuring medium in question, whereby a wavelength or polarization selective evaluation can be done. Also, multiple beams can be evaluated at different wavelengths. It is preferable that the transmitter device has a radiation source and an optical filter system or an imaging system or both. The imaging system ensures optimum passage of the radiation through the measuring chamber and in particular adapts the optical radiation emitted by the radiation source to the cross section and the length of the measuring chamber. It may include, for example, a collimator optics. The radiation source can be designed as a light-emitting diode, laser diode or light-emitting diode array.
Das Filtersystem ist auf den auszuwertenden optischen Effekt abgestimmt, der beispielsweise Breitbandabsorption, wellenlängenselektive Absorption, polarisationsabhängige Absorption oder Polarisationsdrehung umfassen kann. Es ist deshalb zweckmäßig, daß das Filtersystem ein Polarisationsfilter und/oder ein Interferenzfilter und/oder ein Kantenfilter umfaßt. The filter system is tuned to the evaluated optical effect, which may include, for example, broadband absorption, wavelength-selective absorption, polarization-dependent absorption or polarization rotation. It is therefore expedient that the filter system comprises a polarizing filter and / or an interference filter and / or an edge filter.
Eine besonders hohe Messgenauigkeit erreicht man, wenn empfängerseitig eine Differenzanalyse erfolgt oder zwei unterschiedliche optische Effekte ausgewertet werden. Es ist deshalb bevorzugt, daß die Empfängervorrichtung mindestens zwei fotoempfindliche Detektoren und mindestens ein optisches Filtersystem aufweist, das zum senderseitigen Filtersystem paßt. A particularly high accuracy of measurement is achieved when a difference analysis takes place on the receiver side or two different optical effects are evaluated. It is therefore preferred that the receiver device comprise at least two photosensitive detectors and at least one optical filter system which matches the transmitter-side filter system.
Das Messmedium wird, wie bereits erwähnt, vorzugsweise passend zur Matrix gewählt. Bei einem biologischen Gewebe bietet sich als Messmedium eine physiologische Kochsalzlösung oder eine Glukoselösung an. Bei Auswertung der Polarisationsdrehung ist es zu bevorzugen, daß das senderseitige Filtersystem einen Polarisationsfilter aufweist, das empfängerseitige Filtersystem ebenfalls einen Polarisationsfilter aufweist und die Auswerteschaltung die Polarisationsdrehung der Strahlung beim Durchgang durch die mit dem Messmedium gefüllte Messkammer ermittelt und daraus die Konzentration des Stoffes ableitet. The measuring medium is, as already mentioned, preferably chosen to match the matrix. In the case of a biological tissue, a physiological saline solution or a glucose solution is suitable as the measurement medium. When evaluating the polarization rotation, it is preferable that the transmitter-side filter system has a polarizing filter, the receiver-side filter system also has a polarizing filter and the evaluation circuit determines the polarization rotation of the radiation as it passes through the filled with the measuring medium measuring chamber and derives the concentration of the substance.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the specified combinations but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielsweise anhand der beigefügten Zeichnungen, die auch erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Es zeigen: The invention will be explained in more detail for example with reference to the accompanying drawings, which also disclose characteristics essential to the invention. Show it:
Die Sensor
Die Messkammer
Die Wandung der Messkammer
Die Wandung läßt Substanzen mit einer Größe kleiner einer Maximalgröße in das Innere der Messkammer
Die Messkammer
Die Messkammer
Am gegenüberliegenden Fuß des Sensors
Der von der Diode
Die Sendervorrichtung
Die Optik
Das Röhrchen
Diese zur Diffusion nicht beitragenden Abschnitte sind vorgesehen, um die Messkammerfenster
Durch die Fuß- und Kopfabschnitte
In
Die innenliegenden Begrenzungsflächen der Fenster
Die lokal auf bestimmte Weise variierenden Diffusionseigenschaften des Röhrchens
In einer weiteren Abwandlung weist das Röhrchen
In
Zur Einstellung der Lage der Messkammerfenster
Durch die Kopf- und Fußabschnitte
Das Röhrchen
Das Herstellverfahren für das Röhrchen erlaubt es, eine Vielzahl von Röhrchen
In einem einzigen Herstellprozeß entstehen damit eine Vielzahl an Röhrchen
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Röhrchen
Ebenfalls auf der Höhe der Verbindungsbereiche
Die Verbindungsbereiche
Somit steht am Ende des schichtaufbauenden Laserschreibprozesses ein Block
Der Block
Das Vereinzeln des Blocks
Das Außenbeschichten der Röhrchen
Die Ausbildung bzw. Verwendung eines Flansches ist natürlich nur eine von mehreren Möglichkeiten, die Empfängereinheit
Zum Befestigen des Sensors nach Insertierung des Moduls in den Körper ist am Fußabschnitt eine Befestigungs- und Schutzvorrichtung angebracht, die beispielsweise in Form einer Manschette
Trotz des schrägen Einstichs unter die Haut liegt der gesamte Mittelabschnitt
Die Sendevorrichtung ist durch einen im Röhrchen
Die Empfängervorrichtung
Der Sensor ist mittels seiner Manschette
Zum Auswechseln der in den Körper ragenden Teile des Sensors, was nach etwa 7 bis 14 Tagen üblicherweise erforderlich ist, wird die Schutzkappe
Die oben erwähnte Bauweise des Röhrchens
In den Röhrchenstapeln
Verwendet man als Trennverfahren einen Sägeprozeß, ist es bevorzugt, im Verbindungsbereich
Die beschriebene Wandrauhigkeit der Röhrchen
Verwendet man ein Beschichtungsverfahren ist es bei einem edelstahl- oder titanbasierten Aufschmelzverfahren bevorzugt, eine Titanoxidlösung für die Beschichtung zu verwenden. Durch mehrfache Beschichtung und geeignetes Rotieren und Drehen des Blockes nach der Beschichtung und vor der Aushärtung der Schicht kann im Ergebnis die Wandrauhigkeit auf eine Größenordnung von 10 nm reduziert werden. When using a coating method, in a stainless steel or titanium-based reflow method, it is preferable to use a titanium oxide solution for the coating. As a result of multiple coating and proper rotation and rotation of the block after coating and prior to curing of the layer, the wall roughness can be reduced to the order of 10 nm.
Die Abstandshalter
Die Fertigung mehrerer Röhrchen
Das kopfseitige Messkammerverschlussstück muß nicht als Fenster ausgeführt werden, sondern kann auch ein lichtumlenkendes Element, z.B. in Spiegelelement, sein, wenn die Strahlung am Fuß eingekoppelt wird und mind. 2 x durch die Messkammer
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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