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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Sensorelement mit einer photonischen Kristallanordnung zum Sensieren eines Analyten, auf ein Sensorelement mit einer photonischen Kristallanordnung zum Sensieren einer physikalischen Eigenschaft und auf die Verwendung einer photonischen Kristallanordnung als Sensorelement. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Herstellen und zum Einstellen eines Sensorelements sowie auf ein System mit einem derartigen Sensorelement.
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Bei vielen alltäglichen und wissenschaftlichen Anwendungen kommen einfache Sensorelemente, z. B. in Form eines Messstreifens, zum Einsatz. Beispiele hierfür sind pH-Wert-Messtreifen, Blutzucker-Messtreifen oder Dehnungsmesserstreifen. Ein Sensorelement eines pH-Wert-Messestreifens weist beispielsweise Farbstoffe auf, die sich in Abhängigkeit des pH-Werts verfärben, so dass das Messergebnis direkt optisch ablesbar ist. Eine weitere Gruppe dieser Messerstreifen, zu der auch einige Blutzucker-Messtreifen oder Dehnungsmesserstreifen gehören, bezieht sich auf Sensorelemente, die nur mit einer separaten Sensorik auswertbar sind. Derartige Sensorik steht im Widerspruch zu dem Konzept von Messstreifen, das auf einfache Handhabung, kostengünstiger Herstellung und spezifischer Adaption an die Messaufgabe basiert.
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Weitere Sensorsysteme basieren beispielsweise auf photonischen Kristallen oder Bragg-Gittern. In der Patentanmeldung
US 2008/0043248 A1 wird ein photonischer Kristallsensor mit einem photonischen Kristallgitter, einem Generator für elektromagnetische Wellen (wie z. B. ultraviolettes oder sichtbares Licht) und einem Detektor zur Detektion der jeweiligen elektromagnetischen Welle beschrieben.
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Die Patentanmeldung
DE 101 19 618 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur optischen Detektion eines oder mehrerer gasförmiger Stoffe bestehend aus einem photonischen Kristall, einer Lichtquelle und einem Detektor.
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Eine weitere Patentanmeldung
DE 10 2005 030 753 A1 zeigt, wie auf Basis von Bragg-Gittern unter Zuhilfenahme von Trägerfolien optische Dehnungsmessstreifen bereitgestellt werden können.
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Die Patentanmeldung
US 2012/0140208 A1 zeigt einen sogenannten GMR-sensor mit einer Wellenleiterstruktur, Mittel um Licht zu empfangen, um den Wellenleiter in einem resonanten Modus zu betreiben und Mittel um Phasenverschiebungen verursacht durch den Wellenleiter zu detektieren.
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Die Patentanmeldung
WO 2007/139283 A1 zeigt einen Biosensor mit funktionalisierten photonischen Kristallen.
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Die Patentanmeldung
WO 2012/061778 A2 zeigt ein optisches Analysedetektionssystem.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Sensorelement zu schaffen, dass einerseits einen verbesserten Kompromiss aus kostengünstiger Herstellung, hoher Genauigkeit und einfacher Bedienung darstellt und andererseits gut auf die jeweilige Sensoranwendung abgestimmt bzw. abstimmbar ist.
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Die Aufgabe wird durch ein Sensorelement in Form eines medizinischen Verbands gemäß Anspruch 1 und gemäß Anspruch 3, ein Verfahren zur Herstellung gemäß Anspruch 13 und ein Verfahren zum Einstellen der Messfunktionalität gemäß Anspruch 14 gelöst.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Sensorelement mit einer photonischen Kristallanordnung und einer Vielzahl von in die photonische Kristallanordnung integrierten Rezeptorstellen. Die photonische Kristallanordnung weist aufgrund ihrer Struktur eine oder mehrere optische Eigenschaften auf. Die Rezeptorstellen sind zur selektiven Interaktion mit Analyten ausgebildet, wobei die optische Eigenschaft, z. B. eine Farbgebung, eine Absorption, eine Reflexion oder eine Fluoreszenz, der photonischen Kristallanordnung basierend auf den an den Rezeptorstellen angelagerten Analyten und/oder basierend auf direkter chemischer und/oder physikalischer Wechselwirkung der Analyten mit der Rezeptorstelle veränderbar sind. Somit werden also Sensorelemente bzw. allgemein eine optische Sensorik ohne chromophore Systeme im eigentlichen Sinne, d. h. ohne Farbstoffe und Pigmente, geschaffen. Sensorelemente basierend auf photonischen Kristallen stellen eine völlig neue Art an optischen Sensoren dar.
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Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Sensorelement mit einem Messbereich und einer photonischen Kristallanordnung, die optische Eigenschaften aufweist. Die optischen Eigenschaften sind innerhalb des Messbereichs durch Einwirken einer physikalischen Messgröße, wie z. B. einer Temperatur, eines Stroms, einer Ladung oder einer magnetischen Feldstärke, veränderbar.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass eine photonische Kristallanordnung, die beispielsweise aus einer Anordnung von Partikeln geformt ist, durch bestimmte Verfahrensschritte, wie z. B. durch die Wahl der Ausgangs-Partikel, Einbringen von Rezeptorstellen oder durch Einbringen von Fehlstellen, auf eine jeweilige Messanwendung angepasst werden kann. Hierbei wird insbesondere die Reaktion auf eine Messgröße, z. B. auf eine Konzentration von Analyten oder auf eine auf die photonische Kristallanordnung einwirkende mechanische Kraft, eingestellt. Die Auswertung einer Messung mit einem derartigen Sensorelement erfolgt optisch auf Basis der sich infolge der Messgröße einstellenden optischen Eigenschaft, also z. B. auf Basis der Farbgebung. Die optischen Eigenschaften der photonischen Kristallanordnung werden hierbei insbesondere über die in der optischen Kristallanordnung vorhandenen unterschiedlichen (alternierenden) Brechungsindices ausgebildet, wobei sich diese infolge der zu messenden Messgröße verändern. Die alternierenden Brechungsindices bilden sich dadurch aus, dass Partikel mit einem ersten Brechungsindex nebeneinander angeordnet werden, während die bei der Anordnung aufgrund der Geometrie der Partikel entstehenden Zwischenbereiche einen zweiten, unterschiedlichen Brechungsindex (nLuft) aufweisen. Die Änderung der optischen Eigenschaft bzw. des jeweiligen Brechungsindex hat z. B. einen Farbumschlag oder eine andere optische Reaktion zur Folge, wobei diese bevorzugterweise mit dem menschlichen Auge ablesbar ist, also im sichtbaren Bereich liegt. Anwendungsgebiete derartiger Sensorelemente sind mannigfaltig und erstrecken sich von chemischen oder biologischen Teststreifen über komplexe chemische oder biologische Detektoren bis hin zu Dehnungsmessstreifen oder auch Sensoren für physikalische Messgrößen.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen sind also die optischen Eigenschaften der photonischen Kristallanordnung über die eingebrachten Partikel, über die eingebrachten Fehlstellen oder mittels einer Umhüllung oder Polymerumhüllung so eingestellt, dass der Messbereich auf die zu detektierende Messgröße und/oder die gewünschte, optischen Eigenschaften angepasst ist. Im Umkehrschluss heißt das, dass über die genannten Mechanismen eine Anpassung an jeweilige Sensorikanwendung möglich ist.
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Entsprechend Ausführungsbeispielen sind die oben genannten Rezeptorstellen dazu ausgebildet, Analyten selektiv basierend auf einer Protein-Protein-Wechselwirkung ankoppeln zu lassen. Durch die Belegung der Rezeptorstellen mit Analyten werden die optischen Eigenschaften der photonischen Kristallanordnung beeinflusst. Ferner können auch die optischen Eigenschaften durch eine direkte entweder chemische oder physikalische Wechselwirkung zwischen Analyten und bestimmten Bereichen der photonischen Kristallanordnung, die auch als Rezeptorstellen bezeichnet werden, geändert werden. Durch derartige Wechselwirkungen ist es vorteilhafterweise möglich, bisher nicht erfassbare Analyten zu detektieren.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die photonische Kristallanordnung auf einem starren oder flexiblem Substrat, wie z. B. einem Glassubstrat oder Polymersubstrat oder Textilsubstrat aufgebracht werden. Hierdurch können beispielsweise Anwendungen, wie beispielsweise ein medizinischer Verband mit einem oben genannten Sensorelement realisiert werden, das z. B. mittels seiner Farbgebung anzeigt, ob dieser zu eng angelegt ist oder ob Verunreinigungen vorliegen. Ferner sind auch Dehnungsmessstreifen realisierbar, die beispielsweise mit einer Änderung der Farbgebung auf eine Zugkraft reagieren.
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Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel schafft die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren des oben genannten Sensorelements, entsprechend welchem Partikel definierten Brechungsindex, definierter Größe und/oder Form zu einer photonischen Kristallanordnung angeordnet werden und entsprechend welchem die Rezeptorstellen eingebracht werden und/oder der Messbereich eingestellt wird.
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Ein weiteres Verfahren bezieht sich auf die Einstellung der Messfunktionalität des Sensorelements, das den Schritt des Einbringens der Fehlstellen und/oder der Partikel definierten Brechungsindex, bestimmter Größe und/oder Form aufweist, um zur Einstellung der optischen Eigenschaften zumindest zwei alternierende oder mehrere Brechungsindices innerhalb der photonischen Kristallanordnung anzupassen. Dieses Verfahren ermöglicht vorteilhafterweise bei Verwendung einer photonischen Kristallanordnung als Sensorelement die Anpassung derselben auf die jeweilige Messanwendung und insbesondere die Abstimmung zwischen der Messgröße und der optischen Reaktion.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine exemplarische Darstellung eines Sensorelements mit einer photonischen Kristallanordnung und integrierten Rezeptorstellen zur selektiven Interaktion mit Analyten gemäß einem Ausführungsbeispiel;
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2 eine schematische Darstellung eines Sensorelements mit einer photonischen Kristallanordnung und einem Messbereich zur Detektion einer physikalischen Messgröße gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
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3 ein schematisches Schaubild zur Illustration des Verfahrens der Herstellung des Sensorelements sowie des Verfahrens zum Einstellen der Messfunktionalität des Sensorelements gemäß Ausführungsbeispielen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann. Bevor Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert werden, wird vorher allgemein auf photonische Kristalle und die Erkenntnis im Zusammenhang mit diesen, die zu dieser Erfindung geführt haben, eingegangen.
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Unter photonischen Kristallen werden prinzipiell periodische Strukturen unterschiedlicher Brechungsindices verstanden. Diese beeinflussen die Brechung, Streuung, Reflexion und/oder Interferenz von Licht (z. B. sichtbares Licht, Infrarotlicht), das den photonischen Kristall durchleuchtet bzw. durchquert. Auf diese Weise kommt es zur Transmission bzw. Remission von farbigem Licht, obwohl im System kein Farbstoff, Pigment oder ähnliches vorhanden ist. Die Farbe des transmittierten bzw. reflektierten Lichtes kann durch die Art und Anordnung der periodischen Strukturen in der photonischen Kristallanordnung gesteuert werden. Photonische Kristallanordnungen, die typischerweise in einem festen Aggregatzustand vorliegen, grenzen sich von Interferenzschichten und Beugungsgittern dadurch ab, dass sie sowohl eindimensional (vgl. photonic crystal fiber, photonische Kristallfaser), zweidimensional als auch dreidimensional (vgl. reverse opals, Kehrseiten-Opal) sein können. Die optischen Eigenschaften der photonischen Kristallanordnungen können beispielsweise während des Herstellungsprozesses beeinflusst bzw. eingestellt werden.
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Es gibt unterschiedliche Verfahren, auf Basis welcher mit unterschiedlichen Ausgangsmaterialien photonische Kristallanordnungen hergestellt werden können. Eine Möglichkeit besteht darin, feine Löcher definierter Größe in ein optisch transparentes Material mittels Bohren einzubringen. Weitere Herstellungsverfahren entstammen der Halbleitertechnologie (z. B. Lithographie, Nanoimprint oder Heißprägedruck) und umfassen beispielsweise Schritte wie Strukturieren mittels Maskentechnologien oder Ätzen. Ein weiteres Herstellungsverfahren basiert auf der direkten Urformung der Kristallstruktur. Hierbei werden organische oder anorganische Nanopartikel und/oder Mikropartikel direkt angeordnet und/oder immobilisiert, so dass die photonische Kristallanordnung geformt wird. Insofern haben sich die Herstellungsmethoden für photonische Kristallanordnungen in den letzten Jahren diversifiziert und dabei auch vereinfacht, was aus kostentechnischer Betrachtung ermöglicht, derartige photonische Kristallanordnungen für nicht wieder verwendbare Anwendungen, wie z. B. als Sensorelemente einzusetzen, wenn die Hürde des Anpassens der photonischen Kristallanordnung auf die jeweilige Sensoranwendung genommen werden kann.
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1 zeigt ein Sensorelement 10 mit einer photonischen Kristallanordnung 12, die eine Vielzahl von entsprechend einer Kristallstruktur angeordneten Partikeln 12a bis 12f aufweist. Die Partikeln 12a bis 12f können beispielsweise eine Kugelform haben und Metalle, Polymere, Minerale, Kristalle, Naturstoffe, Gewebe, Papier, Textil, Glas, kristalline und/oder amorphe Substanzen umfassen. Die Anordnung der Partikel 12a bis 12f in der Kristallanordnung 12 ist aufgrund ihrer Form so gestaltet, dass zwischen diesen z. B. mit Luft gefüllte Zwischenräume ausgebildet werden. Bei einer derartigen Anordnung der Partikel 12a bis 12f mit einem ersten Brechungsindex n1 zusammen mit den Zwischenräume, die einen zweiten Brechungsindex n2 (bzw. nLuft) aufweisen, wechseln sich also die Brechungsindices n1 und n2 periodisch ab, was dazu führt, dass eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Gitterstruktur ausgebildet wird. Somit definieren die Partikel 12a bis 12f zusammen mit den Zwischenräumen die optischen Eigenschaften der photonischen Kristallanordnung 12 einerseits über die jeweiligen Brechungsindices n1/n2 und andererseits über die räumliche Ausdehnung der Partikel 12a bis 12f und Zwischenräume, die Einfluss auf die Gitterkonstante der photonischen Kristallanordnung 12 hat.
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Die Wiederholung der verschiedenen Brechungsindices n1 und n2 und die Dimension der Partikel 12a bis 12f bzw. Zwischenräume (vgl. Periodenlänge) bestimmen den Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung, mit dem die Kristalle verstärkt wechselwirken, da durch die alternierenden Brechungsindices n1 und n2 die photonischen Kristalle mit elektromagnetischen Wellen in ähnlicher Weise wechselwirken, wie es die periodischen Potentiale in Halbleiterkristallen mit Elektronen tun. So können auch durch die Wellenlängenabhängigkeit photonische Bandstrukturen entstehen, die „verbotene” Energien aufweisen, so dass sich elektromagnetische Wellen bestimmter Wellenlängen innerhalb der Kristallanordnung 12 nicht ausbreiten können bzw. gefiltert werden. Folglich werden über diese Mechanismen die Farbigkeit in Reflexion bzw. Transmission bzw. allgemein die optischen Eigenschaften bestimmt. Neben den Bereichen 12a bis 12f bzw. den Zwischenbereichen unterschiedlicher Brechungsindices n1/n2 und verschiedener Ausdehnung tragen auch relative Permeabilität oder Dielektrizitätszahl ε der photonischen Gitteranordnung 12 zur Festlegung der die optischen Eigenschaften bei. In anderen Worten ausgedrückt heißt das, dass die optischen Eigenschaften (Farbe, Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Chemolumineszenz, Lumineszenzbereich bzw. Lumineszenzintensität oder Transmission, Reflexion Streuung, Emission) durch die Art und Beschaffenheit der verwendeten Materialien bzw. durch die Anordnung der Kristallstruktur, d. h. durch die (hoch-)geordnete periodische Anordnung von Bereichen unterschiedlicher Brechungsindices n1 und n2, verursacht sind und nicht von der Chemie von Farbstoffen abhängen.
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In der Kristallanordnung 12 sind Rezeptorstellen 14 integriert, wobei diese z. B. zwischen den Partikeln 12d bis 12f angeordnet sein können oder an diese Partikel 12d bis 12f angelagert bzw. in dieselben eingelagert sein können. Die Rezeptorstellen 14 sind dazu ausgebildet, selektiv mit einem Analyten 16 (z. B. Flüssigkeiten, Gase, Ionen, Metabolite, Naturstoffe, Biomoleküle, Proteine, Bakterien, Viren, RNA und/oder DNA) zu interagieren. Dazu kann die Rezeptorstelle 14 beispielsweise ein Rezeptormolekül, Liganden, Komplexbildner, Indikatoren, Nanopartikel oder Mikropartikel (z. B. anorganische, organische, polymere Partikel, metallische Mikro- bzw. Nanopartikel aus Silber, Gold, Kobalt etc., Quantenpunkte, Halbleiter, „upconverting” Partikel, anorganische oder organische Pigmente, Kern-Hüllen-Systeme aus organischen und/oder anorganischen Komponenten) aufweisen, wobei jeder dieser Rezeptorstellen-Typen 14 mit unterschiedlichen Analyten 16 wechselwirkt.
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Die Rezeptorstellen 14 sind derart gestaltet, dass sich bei Kontakt mit einer nachzuweisenden Substanz 16 der Brechungsindex n1 der jeweiligen Partikel 12a bis 12f und/oder die Dimension derselben und damit die Gitterkonstante ändert, was eine analytenabhängige Änderung der optischen Eigenschaft (z. B. Absorption, Änderung der Farbgebung, Fluoreszenz oder Phosphoreszenz) zur Folge hat. Alternativ können die Rezeptorstellen 14 ausgebildet sein, dass es bei einer Anlagerung eines Analyten 16 auch zu einer Änderung des Brechungsindex n2 und/oder der Dimension der Zwischenräume kommt. Unabhängig von dem genauen Wirkmechanismus verändert sich das Medium, in dem sich das Licht ausbreitet, so dass das Licht bei Vorhandensein bzw. Anlagerung des Analyten 16 anders gebrochen wird als vorher, beispielsweise so als ob das Licht in einem Bereich mit gleichem Brechungsindex eine weitere Strecke durchlaufen würde. Entsprechend einem Ausführungsbeispiel können sich die optischen Eigenschaften bei Vorhandensein des Analyten 16, wie z. B. eines Amins, dadurch ändern, dass sich die vormals annähernd gleichen Brechungsindices n1 und n2 infolge der Analyten-Wechselwirkung bzw. Interaktion verschieben (d. h. beispielsweise keine Änderung des Brechungsindex n1, aber Vergrößerung des Brechungsindex n2), so dass Frequenzbereiche des Lichts selektiv von der Kristallanordnung 12 transmittiert bzw. reflektiert werden (vgl. Filter). Infolgedessen verändert sich beispielsweise die Farbgebung des Sensorelements 10. Somit können mit diesen sehr einfachen Sensorelementen 10 Analyten 16 detektiert und quantifiziert werden. Anwendungsbeispiele hierbei sind das Detektieren von grenzwertrelevanten Analyten, wobei dann das Sensorelement beispielsweise mit einem Farbumschlag (z. B. grün nach rot bei Überschreiten des jeweiligen Grenzwertes bzw. bei Anwesenheit von bestimmten Analyten 16 oder Parametern) reagiert.
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Ein Beispiel zur Erfassung von Aminen ist die Trifluoracetylgruppe-Amin-Wechselwirkung. Rezeptoren 14, die eine sichtbare Änderung der Kontrollfläche für reaktive Sauerstoffspezies hervorrufen, können zum Beispiel Redoxsysteme sein, wobei häufig Metall-Ligand-Komplexe verwendet werden und die Erkennungsreaktion dann am Metallzentrum stattfindet. Metall-Ligand-Komplexe werden ebenso für die fluoreszente Detektion von Sauerstoff verwendet. Fluorescein-Sulfonatgruppen sind selektive Rezeptorgruppen für Wasserstoffperoxid, Maleimidfunktionen sind selektive Rezeptorgruppen für Thiole, Tricyanovinylgruppen sind selektive Rezeptorgruppen für primäre und sekundäre Amine, Pyrylium-Funktionen sind selektive Rezeptorgruppen für primäre Amine, Hydrazinfunktionen sind selektive Rezeptorgruppen für Aldehyde und Ketone, Aminogruppen sind selektive Rezeptorgruppen für Aldehyde und Ketone, Boronsäurefunktionen sind selektive Rezeptorgruppen für Diole, 1,2-Diaminobenzolgruppen sind selektive Rezeptorgruppen für Stickoxide, Aldehydfunktionen sind selektive Rezeptorgruppen für Aminosäuren. Darüber hinaus können auch noch andere Erkennungsmechanismen wie Antigen-Antikörper-Wechselwirkungen, DNA-DNA bzw. DNA-RNA-Wechselwirkungen, Antikörper-Protein-Wechselwirkungen, Enzym-Substrat-Wechselwirkungen sowie Erkennungsmechanismen über molekular geprägte Polymere (MIP, molekular imprinted polymers) in den photonischen Kristall implementiert werden.
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Wie oben bereits erwähnt, kann auch eine direkte Wechselwirkung eine Änderung der optischen Eigenschaft der photonischen Kristallanordnung 12 erfolgen, wie anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels im Folgenden erläutert wird. Hierbei entsteht eine direkte Wechselwirkung zwischen dem Analyten 16 und einem Bereich der photonischen Kristallanordnung 12, der als Rezeptorstelle 14 bezeichnet wird. Die photonischen Kristalle können derart gestaltet werden, dass sie in bei Kontakt mit bestimmten Substanzen ihre Eigenschaften ändern. So können z. B. die in dem Kristall vorhandenen Polymerpartikel bei Anwesenheit von bestimmten Lösungsmitteln quellen. Hierbei ändern sie ihr Volumen (und damit ihre Größe und Dichte) was, wie oben erläutert, aufgrund der Änderung der Gitterkonstante eine Änderung in ihrer Farbigkeit hervorrufen kann. Hierbei spielt es keine Rolle, ob die zu detektierende Substanz flüssig oder Gasförmig vorliegt. Solche Systeme können z. B. zur Überwachung der Wasserqualität (Detektion von geringen Mengen an organischen Lösungsmitteln im Grundwasser) oder zur Qualitätssicherung von Treibstoffen (Detektion von Wasser in organischen Flüssigkeiten wie in Benzin) eingesetzt werden. Weitere Beispiele für derartig direkt wirkende Wechselwirkungen sind die sogenannte Dipol-Dipol-Wechselwirkung oder auch die magnetische Wechselwirkung, die beispielsweise in bestimmten Partikeln 12a bis 12f eine Veränderung der Kristallstruktur infolge des Vorhandenseins eines magnetischen Feldes zur Folge hat. In diesem Zusammenhang ist auch die sogenannte Quenchen-Wechselwirkung zu nennen, bei der bestimmte Substanzen (sogenannte Quencher) die Fluoreszenz bzw. Phosphoreszenz von Farbstoffen löschen.
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Mit diesen zwei Ausprägungen der Rezeptorstellen 14 lassen sich sowohl gasförmige als auch flüssige Analyten 16, wie z. B. Sauerstoff, reaktive Sauerstoffspezies (inkl. Wasserstoffperoxid und Ozon), CO2, SO2, SO3, CO, Säuren, Laugen, Amine, Carbonsäuren, Aldehyde, Ketone, Ionen im Allgemeinen, Saccharide, Alkohole, Diole, Thiole, Stickoxide, Proteine, Metabolite, Aromaten, Heterocyclen, phosphororganische Verbindungen und Aminosäuren, nachweisen. Die Wechselwirkung mit der (modifizierten) photonischen Kristallanordnung 12 kann sowohl reversibel (Sensor für kontinuierliche Messungen) als auch irreversibel erfolgen.
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Das Sensorelement 10 kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ein optionales Substrat 19 aufweisen. Dieses optionale Substrat 19 kann beispielsweise ein starres Substrat, in Form eines Metallsubstrats, Glassubstrats oder Polymersubstrats sein oder auch als flexibles Substrat in Form eines Textilsubstrats, Polymersubstrats oder Papiersubstrats realisiert sein.
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2 zeigt ein weiteres Sensorelement 10' mit einer photonischen Kristallanordnung 12, die ebenfalls mehrere Partikel 12a bis 12f und dazwischen geformte Zwischenräume mit unterschiedlichen Brechungsindices n1 und n2 aufweist. Ferner weist das Sensorelement 10' einen definierten Messbereich auf. Innerhalb dieses Messbereichs reagiert die photonische Kristallanordnung 12 des Sensorelement 10' oder zumindest ein Teil der photonischen Kristallanordnung 12 auf eine physikalische Messgröße, wie z. B. eine Temperatur, einen Strom, eine äußere Kraft (Schwerkraft, Zugkraft unter Druck) oder ein magnetisches Feld mittels einer Veränderung der optischen Eigenschaften. In diesem Messbereich (z. B. von 0–500°C, 50–2000 mbar oder 3–800 ppm) erfolgt eine Veränderung der optischen Eigenschaft so, dass diese nicht nur detektiert, sondern auch quantifiziert werden kann. Hierzu ist also eine bestimmte optische Eigenschaft (z. B. ein jeweiliger Farbton) einem jeweiligen Messwert zugeordnet.
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Das dahinterstehende Prinzip entspricht grundsätzlich dem in 1 beschriebenen Prinzip, wobei hier die Änderungen der optischen Eigenschaft darauf basieren, dass eine (mechanische) Verschiebung der Gitterstruktur infolge einer auf die Kristallanordnung 12 einwirkenden äußeren Beeinflussung erfolgt. Diese Verschiebung verändert beispielsweise die räumlich Ausdehnung bzw. Dimension der Partikel 12a bis 12f und/oder der Zwischenräume. Die äußere Beeinflussung kann beispielsweise direkt durch eine äußere Kraft (mit eindimensionaler oder mehrdimensionaler Krafteinwirkung) oder durch ein mittels eines Magnetfelds wirkende Kraft oder auch über die Braunsche Molekularbewegung bei einer einwirkenden Temperatur zugeführt werden. Ferner ist auch ein elektrischer Strom, der auch eine Veränderung der makromolekularen Struktur zur Folge hat, eine mögliche Ursache für eine Veränderung der Gitterstruktur 12, so dass diese folglich auch optisch detektiert werden kann. Analog zu dem obigen Beispiel aus 1 erfolgt auch hier eine vorherige Einstellung der optischen Eigenschaft und insbesondere des Messbereichs durch Einstellmechanismen, die hinsichtlich 3 im Detail erläutert werden. Im Folgenden werden zwei exemplarische Beispiele für die Messung von physikalischen Messgrößen erörtert.
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In dem ersten Beispiel wird von der Detektion eines Magnetfeldes, das auf das Sensorelement 10' wirkt, bzw. um genau zu sein, eines magnetischen Flusses als Messgröße ausgegangen. Dieser magnetische Fluss wirkt auf die Kristallanordnung 12, so dass eine Änderung der optischen Eigenschaft, z. B. in Form einer sich einstellenden Reflexion, beobachtbar ist. Beispielsweise bewirkt in den Partikeln 12a bis 12f, die hier magnetisch sind (bzw. allgemein die ausgebildet sind, auf ein Magnetfeld zu reagieren), ein magnetischer Fluss eine Veränderung der Gitterstruktur. Konkret kann beispielsweise das Vorhandensein eines Magnetfeldes mit einer Feldstärke von 1 Weber [Wb] in eine Erhöhung des Brechungsindex um 10% n1 oder in eine Verkleinerung der Gitterkonstante um 10% resultieren, so dass sich die Brechungscharakteristik wellenlängenabhängig ändert. Infolgedessen kann sich also bei dem Sensorelement 10' der Wellenlängenbereich der auftretenden Brechung so verschieben, dass diese nun (unter Einwirkung des Magnetfeldes) im sichtbaren Bereich liegen.
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Die nachfolgend beispielhaft ausgeführte Detektion einer weiteren Messgröße wird anhand einer konkreten Anwendung erläutert. Bei dieser Anwendung handelt es sich um Textilien, die mittels des oben beschriebene Sensorelement 10' mit einer Messfunktionalität versehen sind. Der photonische Kristall 12, der infolge einer mechanischen Spannung (Verschiebung der Gitterstruktur) mit einer Veränderung der optischen Eigenschaften reagiert, ist hierbei in das Textilgewebe, das das optionale Substrat 19 bildet, integriert. Hierbei ist es möglich, die Kristalle der Kristallanordnung 12 in das oder auf dem Gewebe 19 (bzw. Garn) zu immobilisieren, oder die Kristalle selbst als dünnen Faden herzustellen. Auf diese Weise kann das Material (vgl. Partikel 12a bis 12f) in verschiedene textile Produkte eingebracht werden, wodurch beispielsweise Verbandsmaterialien, Thrombosestrümpfe oder Ähnliches mit sensorischen Eigenschaften herstellbar sind. Diese Textilien sind dann in der Lage, eine zu enge Passform oder zu straffe Wicklung des Textils durch einen Farbumschlag oder allgemein durch eine Änderung der optischen Eigenschaft anzuzeigen. Vor allem bei Wundverbänden ist der perfekte Sitz von großer Bedeutung für die Heilung des Patienten. Durch Verbände mit photonischen Kristallen als sensorische Einheit könnte sofort von jedermann durch die Farbigkeit erkannt werden, ob der Verband zu lose oder zu straff angelegt wurde. Hierbei muss nicht zwingend das ganze Textil mit photonischen Kristallen versehen sein. Es ist ausreichend, bestimmte Areale mit der sensorischen Funktion auszustatten (z. B. ein eingewebter Faden oder ein eingearbeiteter sensorischer „Patch”).
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Nachfolgend wird Bezug nehmend auf 3 eine mögliche Herstellung der in 1 und 2 dargestellten Kristallanordnungen 12 für die Sensorelemente 10 und 10' erläutert, wobei insbesondere auf die Einstellung der optischen Eigenschaften und des Messbereichs eingegangen wird.
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3 zeigt in einer Darstellung (a) die Herstellung und die bei der Herstellung durchgeführten Anpassungsschritte. Hierbei werden Mikro- und/oder Nanopartikel 12x in einem Schritt A so angeordnet, dass die photonische Gitteranordnung 12, die zumindest einen ersten Brechungsindex n1 aufweist, entsteht. Die Partikel 12x weisen eine definierte Größe bzw. einen definierten Durchmesser auf, von welchem bei gegebenem Brechungsindex n1 des Materials die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle abhängig ist, bei welcher eine Wechselwirkung zwischen der photonischen Kristallanordnung 12 und der elektromagnetischen Welle ausgebildet wird. Bei diesem Schritt A werden die modifizierten Partikel 12x in eine hochgeordnete Struktur gebracht, wie z. B. in Form einer hexagonal dichtesten Kugelpackung (dreidimensionaler Fall). Durch das Anordnen entstehen zwischen den Partikeln 12x Hohlräume, die beispielsweise mit einem Gas, wie z. B. Luft, gefüllt sind und somit einen Brechungsindex n2 (= nLuft) aufweist. Die mittels dieses Schrittes A hergestellte Kristallanordnung 12 ist bereits in diesem Zustand ein optisch aktives Material, d. h., es ausgebildet ist mit elektromagnetischen Wellen zu interagieren, da sich Bereiche unterschiedlicher Brechungsindices n1 und n2, hier nLuft, periodisch wiederholen.
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Bei dieser chemischen Herstellung (Schritt A) können beispielsweise anorganische, organische, metallische oder polymere Partikel (also z. B. Silica-, Polystyrol-, Polyvinylchlorid-, Kobalt-, Silber- oder Goldpartikel sowie anorganische und/oder organische Pigmente, „upconverting” Nanopartikel, Quantenpunkte oder Halbleiterpartikel) verwendet werden. Ferner sei noch darauf hingewiesen, dass auch eine chemische Verbindung mittels sogenannter Kern-Hüllen-Systeme aus organischen und/oder anorganischen Komponenten möglich ist. Diese so hergestellte photonische Kristallanordnung kann entweder direkt für die jeweilige Messaufgabe (vgl. Analytendetektion aus 1 oder Detektion eines physikalischen Messgröße aus 2) appliziert werden (vgl. Schritt D) oder zuerst so verändert werden, dass die optischen Eigenschaften auf die jeweilige Messfunktionalität abgestimmt werden, was im Folgenden näher erläutert wird.
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Schritt B zeigt das Umhüllen der photonischen Kristallanordnung 12 mit einer transparenten Hülle 22 z. B. einer Polymerhülle, die einen weiteren Brechungsindex n3 aufweist, wobei hierdurch die optischen Eigenschaften des einzustellenden Sensorelements verändert werden. Das Endprodukt des Herstellungsschrittes B weist also gegenüber dem Endprodukt des Herstellungsschrittes A veränderte optische Eigenschaften auf, da in den Zwischenräumen ein anderes Material (im Vergleich zu Gas oder Luft, nämlich die Umhüllung 22 mit dem Brechungsindex n3 (= npolymer ≠ nLuft) angeordnet ist.
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Die photonische Gitteranordnung 12 mit der Umhüllung 22 kann weiter modifiziert werden, indem z. B. die eingesetzten Partikel 12x selektiv entfernt werden und somit periodische Leerstellen bzw. Lücken 24 erzeugt werden. Dieses selektive Integrieren von Fehlstellen 24 erfolgt in dem Herstellungsschritt C. Das Endprodukt des Herstellungsschrittes C hat wiederum veränderte optische Eigenschaften, da die Leerstellen 24 einen weiteren Brechungsindex n4 aufweisen, der sich von dem Brechungsindex n1 der entfernten Partikel unterscheidet bzw. insbesondere ein verändertes Verhältnis zwischen den Brechungsindices n4 zu n3 im Vergleich zu n3 zu n1 entsteht. Ferner werden durch die Fehlstellen 24 auch die chemischen, physikalischen und sensorischen Eigenschaften der photonischen Kristallanordnung beeinflusst, denn die innerhalb der Hülle 22 erzeugten Leerstellen 24 verbessern typischerweise die Permeabilität und das Ansprechverhalten für (gasförmige) Analyten.
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Das mittels den Herstellungsschritten A und den optionalen Herstellungsschritten B und/oder C hergestellte Sensorelement 10 bzw. 10' kann in einem weiteren Schritt D auf die jeweilige Messaufgabe angepasst werden, wie in der Darstellung (b) illustriert ist. Hierbei wird sozusagen ausgehend von der angepassten Kristallgitteranordnung 12 (also entweder ausgehend von dem Endprodukt des Herstellungsschrittes A oder dem Endprodukt des Herstellungsschrittes B oder von dem Endprodukt des Herstellungsschrittes C) die Kristallgitteranordnung 12 so modifiziert, dass das Sensorelement 10 zur Detektion von Analyten (vgl. 1) oder das Sensorelement 10' zur Detektion einer physikalischen Messgröße (vgl. 2) generiert wird.
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Bei dem Schritt D werden somit in einem ersten Fall die (chemische oder physikalische) Rezeptorstellen 14 bzw. Erkennungseinheiten (mit anderen Erkennungsmechanismen) in die Kristallanordnung 12 oder in die Partikel 12x implementiert. Hierdurch kann sich dann eine Veränderung des Brechungsindex n1 zu n1' der Partikel oder n4 zu n4' der Leerstellen 24 ergeben. Ferner kann bei dem Schritt D auch das sensorische System zu einer direkten Wechselwirkung, nämlich z. B. durch die Auswahl bzw. Modifizierung der verwendeten Materialien für die photonische Kristallanordnung 12, ausgebildet werden.
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Der Herstellungsschritt D kann in einem zweiten Fall dazu benutzt werden, um den Messbereich einzustellen. Hierbei erfolgt eine Art Eichung des Sensorelements 10', so dass jeweilige optische Eigenschaften (z. B. eine Vielzahl unterschiedlicher Farbschattierungen) der Kristallanordnung 12 jeweiligen physikalischen Eigenschaften innerhalb des Messbereichs, der sich von einem Minimalwert des zu detektierenden Messwerts bis zu einem Maximalwert desselben erstreckt, zugeordnet werden. Der Messbereich kann in Form einer Skala dokumentiert sein, die eine Zuordnung zwischen einer Ausprägung der optischen Eigenschaft und dem jeweilige Messwert schafft.
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Auch wenn bei oben beschriebenen Herstellungsverfahren von dem Anordnen bzw. chemischen Anordnen der Partikel 12x ausgegangen wird, können die oben dargestellten photonischen Kristallanordnungen 12 (vgl. Schritt A) auch mit weiteren Herstellungsverfahren, wie z. B. mit Methoden aus der Halbleiterindustrie oder mit einem Herstellungsverfahren, entsprechend welchem von einem Vollmaterial ausgegangen wird und die Leerstellen und damit die Struktur mittels eines feinen Bohrers als Bohrungen in das Vollmaterial eingebracht werden, erzeugt werden.
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Bezug nehmend auf 1 sei angemerkt, dass die Partikel 12a bis 12f nicht notwendigerweise dasselbe Material aufweisen müssen, so dass in der Kristallgitteranordnung 12 auch unterschiedliche Partikel mit unterschiedlichen (optischen) Eigenschaften angeordnet sein können. Folglich würde die Kristallgitteranordnung 12 mehr als zwei unterschiedliche (alternierende) Brechungsindices aufweisen.
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Bezug nehmend auf 1 und 2 sei darauf hingewiesen, dass das Sensorelement 10 bzw. 10' die optionale Umhüllung 22 bzw. Polymerumhüllung aufweisen kann, so dass die entstehenden Zwischenräume mit einem anderen Material gefüllt sein können, wie in 3 näher erläutert ist. Diese Umhüllung 22 weist einen weiteren Brechungsindex n3 auf und trägt somit zu der Festlegung der optischen Eigenschaften des Sensorelements 10 bzw. 10' bei.
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Bezug nehmend auf 1 und 2 sei angemerkt, dass entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen die photonische Kristallgitteranordnung 12 auch Fehlstellen, also nicht eingebrachte bzw. selektiv entfernte Partikel mit einem weiteren Brechungsindex aufweisen kann. Diese Fehlstellen können insbesondere dann besonders gut in die Gitteranordnung 12 eingebracht werden, wenn diese mit einer Umhüllung 22 (vgl. oben) fixiert ist.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kristallanordnung 12 aus 1 und 2 zwischen den Partikeln Zwischenräume aufweisen, welche z. B. mit einem Gas oder Luft gefüllt ist und somit einen weiteren Brechungsindex nGas/Luft aufweist. Diese Zwischenräume können entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einer Umhüllung 22, z. B. einer Polymerumhüllung, gefüllt sein, wie Bezug nehmend auf 3 näher erläutert ist. Diese Umhüllung 22 weist einen weiteren Brechungsindex n3 auf und trägt somit zu der Festlegung der optischen Eigenschaften des Sensorelements 10 bzw. 10' bei. Allgemein ausgedrückt heißt das, dass die Kristallanordnung 12 alternativ eine Vielzahl repitiver Einheiten, die bevorzugt periodisch angeordnet sind, umfasst.
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Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wäre auch eine Kombination aus dem Sensorelement 10 und 10' denkbar, bei der sowohl Analyten 16 als auch eine gegebenenfalls mit diesem Analyten 16 verbundene physikalische Eigenschaft detektierbar ist. Bezug nehmend auf 3 heißt das, dass bei dem Herstellungsschritt D die Kristallanordnung 12 sowohl mit den Rezeptorstellen 14 als auch mit einem vordefinierten Messbereich versehen wird.
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Wie oben bereits dargestellt, können die mittels der photonischen Kristallanordnung 12 erzeugten Sensorelemente 10 und 10' vielfältig eingesetzt werden und zeichnen sich insbesondere durch ihre Einfachheit und die damit verbundene kostengünstige Herstellung aus. Insbesondere können die in 3 dargestellten Herstellungsschritte in viele bereits bestehende Herstellungsprozesse integriert werden, so dass sich hieraus viele Anwendungsgebiete für die Sensorelemente 10 bzw. 10' bzw. die so hergestellten Sonden 10 bzw. 10' ergeben. Beispielhafte Weiterverarbeitungsmethoden sind Rolle-zu-Rolle-Verfahren, Siebdruck, Injet-Printing, Spray-Dip-Spincoating, Spritzguss, Lithographie, Ätzverfahren, Heißprägedruck, Eloxal-Verfahren und Nanoimprinting.
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Aufgrund dieser Integrierbarkeit in unterschiedliche Herstellungsverfahren bzw. der Aufbringbarkeit der photonischen Kristallanordnung 12 auf unterschiedliche Substrate 19 kann das Sensorelement 10 bzw. 10' in unterschiedliche Produkte, wie z. B. Halbleiterprodukte, Elektronikbauteile, integriert werden. Wie oben bereits erläutert, können auch unterschiedliche Substrate 19, wie z. B. ein Glassubstrat, Gewebesubstrat, Textilsubstrat oder Plastiksubstrat, eingesetzt werden, so dass maßgeschneiderte Sensoren bzw. Teststreifen (chemische Teststreifen oder Dehnungsmessstreifen) herstellbar sind. Deshalb beziehen sich weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf einen Teststreifen mit einer photonischen Kristallanordnung, die abhängig von einem angelagerten Analyten oder einer einwirkenden physikalischen Messgröße eine Veränderung der optischen Eigenschaften ausbildet.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Messsystem, das eine Sensorelement 10 bzw. 10' sowie ein Auslesegerät umfasst. Das Auslesegerät ist ausgebildet, die optischen Eigenschaften bzw. die Änderung der optischen Eigenschaften zu detektieren und insbesondere eine Korrelation zwischen der Änderung der optischen Eigenschaft (z. B. des Maßes des Farbumschlags) und der Messgröße des zu messenden physikalischen Parameters oder der Konzentration (Gehalt, Menge und/oder Stärke) des Analyten herzustellen. Durch die Wahl der Materialien der photonischen Kristallanordnung 12 können der Messbereich, die Sensitivität und der Bereich der Farbänderung stufenlos eingestellt werden. Darüber hinaus kann über die Wahl der Erkennungseinheit und der verwendeten Materialien (z. B. des Polymers zur Fixierung) Selektivität induziert werden und somit Querempfindlichkeiten minimiert werden.
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Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf die Verwendung einer photonischen Kristallanordnung 12 als Sensorelement. Die Einsatzbereiche erstrecken sich von Wissenschaft und Technik, Medizin, Biologie sowie alle Alltags- und Gebrauchsgegenstände, in denen optische Sensoren, Teststreifen, Erkennungseinheiten oder ähnliches zum Einsatz kommen und/oder integriert sind bzw. Analyten oder physikalische Messgrößen und Parameter angezeigt und/oder quantifiziert werden.
