DE102014217176A1

DE102014217176A1 - Messvorrichtung mit Messkopf und Verwendung der Messvorrichtung in einem Verfahren zur Beurteilung der photokatalytischen Wirksamkeit von Oberflächen

Info

Publication number: DE102014217176A1
Application number: DE102014217176.8A
Authority: DE
Inventors: Frank Neumann; Dieter Dinges; Sönke-Nils Baumann; Wolfgang Fürstenberg
Original assignee: Omicron Laserage Laserprodukte GmbH; Omicron-Laserage Laserprodukte GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Omicron Laserage Laserprodukte GmbH; Omicron-Laserage Laserprodukte GmbH; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2016-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Beurteilung der photokatalytischen Wirksamkeit von Oberflächen. Die vorgestellte Messvorrichtung enthält einen optischen Messkopf, der eine hohle Messkopfumhausung umfasst, die eine nach außen offene Seite mit einem Rand aufweist. Der Rand enthält ein flexibles, elastisches Element oder besteht daraus. Dadurch kann mit dem optischen Messkopf eine lichtdichte Kontaktierung zu Oberflächen beliebiger Beschaffenheit hergestellt werden. Zudem enthält der Messkopf einen Indikator bekannter Konzentration, der so in dem Messkopf platziert ist, dass bei einer Kontaktierung des Messkopfes mit einer zu messenden Oberfläche der Indikator zu der Oberfläche einen festgelegten definierten Abstand aufweist. Dadurch kann eine indikatorbedingte Kontamination Beschädigung der zu messenden Oberfläche vermieden werden und die Vergleichbarkeit der mit der Messvorrichtung erhaltenen Messergebnisse verbessert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Beurteilung der photokatalytischen Wirksamkeit von Oberflächen. Die vorgestellte Messvorrichtung enthält einen optischen Messkopf, der eine hohle Messkopfumhausung umfasst, die eine nach außen offene Seite mit einem Rand aufweist. Der Rand enthält ein flexibles, elastisches Element oder besteht daraus. Dadurch kann mit dem optischen Messkopf eine lichtdichte Kontaktierung zu Oberflächen beliebiger Beschaffenheit hergestellt werden. Zudem enthält der Messkopf einen Indikator bekannter Konzentration, der so in dem Messkopf platziert ist, dass bei einer Kontaktierung des Messkopfes mit einer zu messenden Oberfläche der Indikator zu der Oberfläche einen festgelegten definierten Abstand aufweist. Dadurch kann eine indikatorbedingte Kontamination Beschädigung der zu messenden Oberfläche vermieden werden und die Vergleichbarkeit der mit der Messvorrichtung erhaltenen Messergebnisse verbessert werden.
Die Verwendung von photokatalytisch ausgerüsteten Baustoffen mit selbstreinigenden oder luftreinigenden Eigenschaften gewinnt insbesondere im Hinblick auf den Einsatz nachhaltiger, ressourcenschonender Materialen immer mehr an Bedeutung. Allerdings ist es bisher nahezu unmöglich, die Wirksamkeiten dieser Oberflächen auch noch nach Jahren im verbauten Zustand vor Ort zu bestimmen, ohne die Oberflächen nachhaltig zu zerstören. Entsprechend haben sich in den letzten Jahren verschiedene Messverfahren zur schnellen und quantitativen Beurteilung photokatalytischer Oberflächen etabliert (z. B. einfacher Farbumschlag, Methylenblau-, Methanol-, Stickoxidabbau usw.).
Allerdings sind nahezu alle dieser Verfahren auf den Einsatz im Labormaßstab beschränkt. Eine Vermessung von Proben vor Ort ist aufwändig bzw. aufgrund des Einsatzes leichtflüchtiger, wässriger oder gasförmiger Indikatoren und dem damit verbundenem hohen präparativen Aufwand und komplexer Analytik, sowie mitunter extrem langer Reaktions- bzw. Messzeiten bis zu mehreren Stunden, technisch und wirtschaftlich nicht sinnvoll.
Zudem sind bei den meisten der bekannten Verfahren z. B. bei einem Abbau über Spalt, der sogenannten „remote oxidaton", insbesondere auf rauhen Oberflächen, entweder die Wirkabstände zwischen Katalysator, Lichtquelle und Oberfläche meist nicht spezifiziert, zu groß oder zu ungleichmäßig, was die ortsaufgelöste quantitative Beurteilung der Messwerte erschwert. Dagegen führt eine direkte Beschichtung der zu messenden Oberfläche mit Indikator aufgrund von unterschiedlicher Porosität, pH-Werte oder Trocknungszustände der Oberflächen (insbesondere bei Baustoffen) zu unerwünschten Nebenreaktionen und somit ebenfalls zu einer Verfälschung der Messergebnisse.
Parallel hierzu hat sich die Lumineszenzmesstechnik im Bereich der photokatalytischen Analytik etabliert, die es ermöglicht, photokatalytische Oberflächen schnell und quantitativ zu vermessen.
So beschreibt die DE 10 2004 027 118 B4 ein Verfahren zur quantitativen Bestimmung des photokatalytischen Abbaus organischer Farbstoffe auf photokatalytisch aktiven Oberflächen mittels Fluoreszenzanalyse. Hierzu werden die zu untersuchenden Oberflächen sowie photokatalytisch inaktive Referenzsubstrate mit organischen Farbstoffen im Vakuum beschichtet. Anschließend werden die Proben mit UV- oder sichtbaren Licht bekannter Intensität und spektraler Verteilung bestrahlt und deren Fluoreszenzintensität während der Bestrahlung erfasst.
Die DE 10 2009 043 378 B4 beschreibt ein Verfahren und die Verwendung lumineszenter Verbindungen (Indikatoren) zur Messung einer photokatalytischen Oberflächenaktivität. Auch hierbei werden die erfindungsgemäßen Indikatoren aus der Gas-(z. B. Aufdampfen) oder Flüssigphase (Sprühen) direkt mit dem Katalysator, d.h. der zu messenden Oberfläche, in Kontakt gebracht und bestrahlt.
Ferner beschreibt die DE 10 2005 003 878 B3 eine Messvorrichtung zum Messen photokatalytischer Aktivität einer mit einer Strahlungsquelle bestrahlten photokatalytischen Schicht. Hierbei wird die Messsonde, die den Indikator enthält, ohne weitere Abschirmung nach dem Prinzip der „remote oxidaton" in einem geringen, jedoch nicht näher spezifizierten, Abstand zur photokatalytischen Schicht positioniert.
Keines der oben genannten Verfahren ermöglicht jedoch die hinreichend quantitative und reproduzierbare Vermessung technischer Oberflächen vor Ort.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, unter Vermeidung der Nachteile des Stands der Technik eine Messvorrichtung bereitzustellen, die es ermöglicht, reale technische Oberflächen mit unterschiedlichen Rauhigkeiten und Porositäten vor Ort zu vermessen und dabei deren photokatalytische Aktivität exakt und reproduzierbar auf einer größeren Fläche zu bestimmen. Insbesondere sollen der direkte Kontakt des Indikators mit der photokatalytischen Oberfläche durch Beschichtung vermieden, aber dennoch die Oberflächentopografie des zu untersuchenden Substrats möglichst exakt abgebildet werden, um so einen definierten Wirkabstand von Indikator zu Katalysatoroberfläche zu gewährleisten.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Messvorrichtung gemäß Anspruch 1, das Verfahren zur Beurteilung der photokatalytischen Wirksamkeit einer Oberfläche gemäß Anspruch 20 und die Verwendung der Messvorrichtung gemäß Anspruch 24.
Erfindungsgemäß wird eine Messvorrichtung bereitgestellt, enthaltend

a) einen Messkopf, enthaltend i) eine hohle Messkopfumhausung mit einer nach außen offenen Seite aufweist, wobei die Messkopfumhausung an dieser Seite einen Rand ausbildet; ii) mindestens ein flexibles, transparentes, optisches Element, dass innerhalb der Messkopfumhausung angeordnet ist; und iii) mindestens einen Indikator definierter Konzentration;
b) optional einen flexiblen optischen Pfad, wobei der optische Pfad so mit der Messkopfumhausung verbunden ist, dass Strahlung vom Inneren der Messkopfumhausung in den optischen Pfad gelangen kann und umgekehrt;
c) optional einen Detektor zur Detektion von Strahlung aus dem optischen Pfad;
d) optional mindestens eine Strahlungsquelle, wobei die Strahlungsquelle mit dem optischen Pfad so verbunden ist, dass Strahlung von der Strahlungsquelle in den optischen Pfad gelangen kann;
e) optional mindestens einen Filter, wobei der Filter in dem optischen Pfad angeordnet ist;

Die Messvorrichtung erlaubt es, unter definierter Strahlung einer Strahlungsquelle die Oberfläche eines photokatalytischen Werkstoffs unabhängig von seiner Geometrie zu bestrahlen und zu gleichzeitig (bidirektional) unter Abschirmung gegen störende Witterungseinflüsse (z. B. Umgebungslicht, Regen) zu vermessen. Die Veränderung (Zu- oder Abnahme) eines Signals des Indikators (z.B. Fluoreszenzsignal oder Lumineszenzsignal) oder dessen Abbauprodukte kann dabei als Maß für die photochemische Reaktion an der Oberfläche bestimmt werden. Durch das flexible elastische Element am Rand der Messkopfumhausung ergibt sich der entscheidende Vorteil, dass die Messvorrichtung vor Ort an Oberflächen mit unterschiedlichem Grad an Rauigkeit und Porosität lichtdicht aufgesetzt werden kann. Dadurch werden Einflüsse von Fremdstrahlung, d.h. Strahlung, die nicht von einer eingesetzten Strahlungsquelle stammt, ausgeschlossen. Zudem werden weitere Störfaktoren, wie z.B. eine Verfälschung der Messung durch Regenwasser, eliminiert. Es wird somit eine schnelle, quantitative und zuverlässige Messung ermöglicht, die unabhängig von der Oberflächengeometrie der zu messenden Oberfläche ist.
Durch die Anordnung des Indikators in der Messkopfumhausung, dass der Indikator bei der Kontaktierung mit der zu messenden Oberfläche einen bestimmten, vordefinierten Abstand zur Oberfläche aufweist, wird eine Kontaktierung von Indikator und Oberfläche weitgehend bis vollständig vermieden. Erstens wird dadurch die zu messende Oberfläche vor einer Kontamination und/oder Beschädigung durch Indikator geschützt. Zudem ist das Messverfahren dadurch – im Gegensatz zu Verfahren aus dem Stand der Technik – nicht anfällig auf Störeinflüsse, die sich durch die chemische Beschaffenheit der zu messenden Oberfläche ergeben.
Die Messvorrichtung ist bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass das flexible, elastische Schutzelement am Rand der Messkopfumhausung ein flexibles, elastisches Schutzelement ist, das eine geringe Wärmeleitfähigkeit und/oder Wasserdurchlässigkeit aufweist. Bevorzugt enthält das elastische Element eine elastische Membran und/oder elastische Lippe, besonders bevorzugt eine Membran und/oder Lippe aus Gummi, oder besteht daraus. Ein solches elastisches Element hat den Vorteil, dass es gegenüber unebenen und rauen Oberflächen eine sehr gute Abdichtung gegenüber Temperatur und Wasser gewährleistet, sodass verfälschenden Einflussfaktoren wie Umgebungsluftfeuchtigkeit und Umgebungstemperatur effektiv reduziert werden.
Das mindestens eine flexible, transparente, optische Element innerhalb der Messkopfumhausung kann einen Schwamm, einen Schaum und/oder ein Gel enthalten oder zusammen mit dem Indikator daraus bestehen.
Das mindestens eine flexible, transparente, optische Element enthält in einer bevorzugten Ausgestaltungsform ein chemisch inertes Material, bevorzugt eine Folie, eine Membran, eine optische Faser und/oder ein Bündel optischer Fasern, besonders bevorzugt eine optische Faser und/oder ein Bündel optischer Fasern, oder besteht daraus. Insbesondere ist das chemisch inerte Material zumindest bereichsweise mit dem Indikator definierter Konzentration beschichtet. Die Fasern und/oder Faserbündel können, insbesondere mittels angedockter Mikrooptik oder Diffusor-Rollen, die zu vermessende photokatalytische Oberfläche großflächig homogen ausleuchten. Besonders bevorzugt kommen Fasern und/oder Faserbündel zum Einsatz, welche bereits selbst so hergestellt sind, dass sie über ihr „cladding“ das gewollte Leuchtfeld erzeugen.
Das flexible, transparente, optische Element weist bevorzugt die Funktion eines Diffusors auf. Besonders bevorzugt ist der Diffusor dazu geeignet, von einer Strahlungsquelle emittierte Strahlung homogen auf die nach außen offene Seite der Messkopfumhausung zu verteilen und von einem Indikator emittierte Strahlung zu bündeln. Es wird damit durch den Diffusor sowohl die zu messende Oberfläche als auch der Indikator mittels Strahlung einer geeigneten Wellenlänge großflächig homogen bestrahlt und anregt. Gleichzeitig werden sowohl auf der zu messenden Oberfläche als auch am Indikator zeitveränderliche photochemische Prozesse (z. B. Photolyse, Photokatalyse bzw. Lumineszenz, Fluoreszenz) ausgelöst, ohne dabei die eingekoppelte Strahlung zu absorbieren oder selbst von dieser geschädigt oder degradiert zu werden. Der Diffusor dient zudem als Detektionselement, um die Emissionsstrahlung des Indikators, die im Vergleich zur Strahlung der Strahlungsquelle in den langwelligen Bereich verschoben ist, zu sammeln und über einen optischen Pfad zu einem Detektor zu senden.
Bevorzugt ist das flexible, transparente, optische Element ablösbar innerhalb der Messkopfumhausung angeordnet. Optional kann es über ein ablösbares Element an der Messkopfumhausung befestigt sein. Der Vorteil dieser Ausgestaltungsform ist, dass das flexible, transparente, optische Element leicht austauschbar ist. Beispielsweise kann ein Austausch erforderlich werden, wenn dieses Element mit Indikator definierter Konzentration beschichtet ist und der Indikator durch mehrfache Anwendung der Messvorrichtung verbraucht ist.
Der Indikator der Messvorrichtung kann so in der Messkopfumhausung angeordnet sein, dass sein Abstand zu der zu messenden Oberfläche > 0 bis ≤ 1 mm, bevorzugt > 0 bis ≤ 100 µm, besonders bevorzugt > 0 bis ≤ 10 µm, beträgt.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform enthält die hohle Messkopfumhausung zwischen dem flexiblen, transparenten, optischen Element und der nach außen offenen Seite der Messkopfumhausung ein Trägermaterial, bevorzugt eine Folie und/oder Membran. Insbesondere ist das Trägermaterial zumindest bereichsweise mit dem Indikator definierter Konzentration beschichtet.
Die Messvorrichtung enthält in einer bevorzugten Ausgestaltungsform einen optischen Pfad. Der optische Pfad kann mindestens eine Faser und/oder ein Bündel von Fasern enthalten. Die Faser ist bevorzugt mindestens eine Multimode Faser und/oder Liquid Light Guide Faser, insbesondere eine Faser mit einem Durchmesser von > 2 mm und/oder einer numerischen Apertur (NA) von > 0,5. Aufgrund Ihrer relativ großen Durchmesser und der großen NA kann LED-Licht mit einer großen Effizienz eingekoppelt werden. Diese Fasern passen somit am besten zu LED Strahlungsquellen. Die Fasern bzw. Faserbündel haben zudem den Vorteil, dass sie eine hohe Flexibilität aufweisen. Dadurch kann die Messvorrichtung auf flexible Art und Weise an eine Auswerte- oder Zähleinheit (Detektor) für die aufgenommenen Lichtsignale, als auch an eine Strahlungsquelle, angeschlossen werden. Somit ist es möglich, den Messkopf der Messvorrichtung unabhängig von dem angeschlossenen Detektor und/oder der angeschlossenen Strahlungsquelle auf der zu vermessende Oberfläche zu platzieren (z. B. an vertikalen Flächen).
Ferner kann der optische Pfad mindestens einen Spiegel und/oder eine Linse enthalten.
Die Messvorrichtung kann mindestens einen Filter enthalten. Der mindestens eine Filter ist bevorzugt dazu geeignet, Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge und/oder unterschiedlicher Polarisation zu separieren. Insbesondere ist der Filter ein dichroitischer Filter, der von einer Strahlungsquelle emittierte Strahlung passieren lässt und von einem Indikator emittierte Strahlung reflektiert. Filter mit Effizienzen von größer als 97% sowohl in der Transmission als auch in der Reflektion sind hierbei bevorzugt.
Die Messvorrichtung kann einen Detektor enthalten. Bevorzugt ist der Detektor ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Spektrometer, Fluoreszenzdetektor, Fluoreszenzmikroskop, Fluoreszenzscanner, Luminometer, CCD-Kamera, Photomultiplier, Chip-Reader und Kombinationen hiervon. Diese Detektoren sind in der Lage, Unterschiede im ankommenden Licht mit einer hinreichend großen Auflösung zu erkennen. Durch die Auswertung der Emissionslichtausbeute, insbesondere der zeitlich sich verändernden Unterschiede in der ankommenden Emissionslichtausbeute, kann gemäß direkt auf die photokatalytische Wirksamkeit der zu untersuchenden Oberfläche geschlossen werden.
Hierbei kann der Detektor so konfiguriert sein, dass er lediglich Strahlung einer höheren Wellenlänge als die in den Messkopf eingekoppelte Strahlung detektiert d.h. ohne Filter in dem optischen Pfad auskommt.
Die Messvorrichtung kann eine Strahlungsquelle enthalten. Die Strahlungsquelle ist bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Strahlungsquellen, die Strahlung eines schmalbandigen Spektrums von < 50 nm Breite emittieren, optional Strahlung einer Breite von ≤ ±15 nm FWHM. Besonders bevorzugt ist die Strahlungsquelle eine LED, OLED, Multi-LED, Multi-OLED, ein Laser und/oder Multi-Laser, insbesondere eine LED, OLED, Multi-LED und/oder Multi-OLED. Besonders bevorzugt ist die Strahlungsquelle eine LED-Lichtquelle, da diese schmalbandig genug sind (+/–15 nm FWHM), eine ausreichend hohe Bestrahlungsstärke im angestrebten Wellenlängenbereich bieten (z. B. 0,1–10 mW/cm²) und kostengünstig am Markt erhältlich sind.
Alternativ kann die Strahlungsquelle ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Strahlungsquellen, die Strahlung eines breitbandigen Spektrums emittieren (z.B. bevorzugt eine Kontinuumslichtquelle wie eine Entladungslampe), wobei die Strahlungsquelle insbesondere mindestens einen Filter aufweist, um aus dem breitbandigen Spektrum Strahlung eines schmalbandigen Spektrums von < 50 nm Breite zu selektieren. Für die Selektion des schmalbandigen Spektrums können auch mindestens zwei Filter eingesetzt werden.
Die Strahlungsquelle kann eine Strahlungsintensität von 0,01 bis 100 mW/cm², bevorzugt 0,02 bis 50 mW/cm², besonders bevorzugt 0,05 bis 20 mW/cm², insbesondere 0,1 bis 10 mW/cm², aufweisen. Eine ausreichend hohe Strahlungsintensität sorgt dafür, dass die lichtinduzierte photochemische Reaktion an der Oberfläche das optische Signal des Indikators, oder dessen unmittelbarer Abbauprodukte, in hohem Maße stattfindet, wobei das durch den Indikator produzierte Emissionssignal dann entsprechend über einen Detektor erfasst werden kann.
Die Strahlungsquelle kann ein Emissionsspektrum von 100 bis 1000 nm, bevorzugt 200 bis 800 nm, besonders bevorzugt 240 bis 450 nm, aufweisen.
In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Messvorrichtung spannt die nach außen offenen Seite der hohlen Messkopfumhausung eine Fläche von 10 mm² bis 10 cm² auf, bevorzugt eine Fläche von 0,1 cm² bis 9 cm², besonders bevorzugt 1 cm² bis 7 cm², insbesondere 2 cm² bis 5 cm², auf. Es kann mit der Messvorrichtung somit selektiv eine Fläche bestrahlt werden, die dieser aufgespannten Fläche entspricht, wobei auch bei entsprechender Anordnung des flexiblen, transparenten, optischen Elements innerhalb der Messkopfumhausung eine Bestrahlung nur eines Teilbereichs dieser Fläche möglich ist.
Der in der Messvorrichtung enthaltene Indikator ist dazu geeignet, die katalytische Aktivität einer zu messenden katalytisch wirksamen Oberfläche anzuzeigen, insbesondere durch eine Änderung seines Emissionsspektrums (bzw. seiner Emissionsintensität bei einem bestimmten Wellenlängenbereich oder einer bestimmten Wellenlänge), die durch die katalytisch wirksame Oberfläche hervorgerufen wird. Der Indikator kann ein organischer Indikator sein, bevorzugt ein metallorganischer Indikator, besonders bevorzugt ein Perylenderivat, Therephthalderivat, Seltenerdmetallkomplex und/oder Metallphtalocyanin.
Darüberhinaus wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Beurteilung der photokatalytischen Wirksamkeit einer Oberfläche bereitgestellt, umfassend die Schritte:

a) Kontaktieren einer zu messenden Oberfläche mit der Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, sodass der Rand der hohlen Messkopfumhausung einen lichtdichten Kontakt zur Oberfläche herstellt;
b) Einkoppelung von Strahlung in den optischen Pfad der Messvorrichtung über eine Strahlungsquelle;
c) Messung der Intensität der Strahlung aus dem optischen Pfad, die eine höhere Wellenlänge als die eingekoppelte Strahlung aufweist, zu mindestens einem Zeitpunkt über einen Detektor; und
d) Beurteilung der photokatalytischen Wirksamkeit der Oberfläche durch Vergleich der gemessenen Intensität mit einem Referenzwert.

Die Strahlung aus dem optischen Pfad kann durch die Emission des Indikators selbst hervorgerufen werden oder durch dessen unmittelbaren Abbauprodukte (z. B. Hydroxy-Terephthalsäure [HTPA]).
Die Strahlung kann dabei direkt oder indirekt, z. B. über Spiegel, Linsen, Filter oder optische Fasern, in den Messkopf und das flexible, transparente, optische Element eingekoppelt und von diesem wieder diffus abgestrahlt werden.
Das Verfahren kann dadurch gekennzeichnet sein, dass die Messung der Intensität der Strahlung zu mehreren Zeitpunkten durchgeführt wird (optional permanent) und die jeweils gemessene Intensität, bevorzugt der Mittelwert der gemessenen Intensitäten, mit einem Referenzwert verglichen wird.
In dem Verfahren kann der Kontakt der Messvorrichtung mit der zu messenden Oberfläche durch manuelles Andrücken der Messkopfumhausung an die zu messende Oberfläche und/oder der Verwendung von Gurten und/oder Klebestreifen sichergestellt werden.
Bei der zu messenden Oberfläche kann es sich um die Oberfläche von einer einer Wand, einem Dachziegel, einer Wandfarbe, einem Rauhputz, einer Fassade, einer Straße, einem Fenster und/oder von Pflastersteinen handeln.
Darüberhinaus wird die Verwendung der erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Beurteilung der photokatalytischen Wirksamkeit einer Oberfläche vorgeschlagen, bevorzugt zur Beurteilung der photokatalytischen Wirksamkeit einer Oberfläche von einer Wand, einem Dachziegel, einer Wandfarbe, einem Rauhputz, einer Fassade, einer Straße, einem Fenster und/oder von Pflastersteinen.
Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier dargestellten spezifischen Ausgestaltungsformen einschränken zu wollen.
1 zeigt den prinzipieller Aufbau und die Signalführung einer beispielhaften erfindungsgemäßen Messvorrichtung. Diese Messvorrichtung weist eine hohle Messkopfumhausung, einen Diffusor 5 als flexibles, transparentes, optisches Element, einen Indikator in der Messkopfumhausung und einen Detektor 6 zur Detektion von Strahlung auf. Zudem weist diese Messvorrichtung einen flexiblen optischen Pfad 3, eine Lichtquelle 1 als Strahlungsquelle und einen optischen Filter 2 auf. Der optische Filter 2 ist innerhalb des optischen Pfades 3 angeordnet, wobei von der Lichtquelle emittierte Lichtquanten bzw. Photonen den optischen Filter 2 passieren und über den optischen Pfad 3 zum Messkopf 4 geleitet werden. Der optische Pfad 3 ist hierbei dermaßen gestaltet, dass er Licht in beiden Richtungen von der Lichtquelle 1 zur Messkopfumhausung und vom der Messkopfumhausung Richtung Lichtquelle 1 und Detektor 6 leiten kann (bidirektionale Signalführung). Am Ende des optischen Pfades 3 erreicht die erzeugte Lichtemission den Messkopf 4. Der Messkopf 4 erzeugt hier eine durch den Rand der Messkopfumhausung begrenzte, homogene Ausleuchtung der zu bestrahlenden Fläche.
Der Messkopf 4 der Messvorrichtung ist so gestaltet, dass beim Kontakt zur untersuchenden Oberfläche der zu messende Bereich mittels einer umlaufenden Schutzmembran oder Gummilippe vollständig vor Umgebungslicht und anderen den Messwert verfälschenden Einflussfaktoren (z. B. Luftfeuchtigkeit und Temperatur) geschützt wird. Die Membran oder Gummilippe ist so ausgeführt, dass sie ihre Schutzaufgabe auch an unebenen und rauen Oberflächen optimal nachkommen kann.
Das vom Messkopf 4 aufgenommene und vom Diffusorelement 5 gesammelte Emissionslicht des Indikators, oder dessen Abbauprodukte, wird über den optischen Pfad 3 zurück in Richtung Lichtquelle 1 geleitet. Der optische Filter 2 ist für das Emissionslicht des Indikators nicht permeabel, sondern wirkt als Spiegel, der das Emissionslicht in Richtung Detektor 6 reflektiert. Am Detektor 6 kann die Intensität des Emissionslichts erfasst werden.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Messkopf mit kompaktem Diffusor 5. In der lichtdichten Messkopfumhausung 7 ist das flexible, optische Element ein sich der Oberfläche anpassendes Diffusorelement 5, das mit Indikator beschichtet ist oder diesen enthält. Das Innere des Messkopfes ist durch die umlaufende Gummilippe 9 als flexibles, elastisches Schutzelement von der Außenwelt gegen störende Einwirkungen wie Nässe und Temperatur abgeschirmt. A deutet die bidirektionale Signalführung der Photonen an, B die Verteilung bzw. Bündelung der Emission im Diffusorelement 5 und C die zu messende photokatalytische Oberfläche
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Messkopf mit mehrfachen Diffusoren 5. Hier ist in der lichtdichten Messkopfumhausung 7 das flexible, optische Element als mehrere sich der Oberfläche anpassende Diffusorelemente 5 ausgestaltet, die jeweils mit Indikator beschichtet sind oder diesen enthalten. Durch die Vielzahl der Diffusionselemente kann eine noch genauere Anpassung an eine zu messende Oberfläche realisiert werden als mit einem einzeknen Diffusorelement. Das Innere des Messkopfes ist auch hier durch die umlaufende Gummilippe 9 als flexibles, elastisches Schutzelement von der Außenwelt gegen störende Einwirkungen wie Nässe und Temperatur abgeschirmt. Auch hier deutet A die bidirektionale Signalführung der Photonen an, B die Verteilung bzw. Bündelung der Emission im Diffusorelement 5 und C die zu messende photokatalytische Oberfläche.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102004027118 B4 [0006]
DE 102009043378 B4 [0007]
DE 102005003878 B3 [0008]

Claims

Messvorrichtung, enthaltend a) einen Messkopf, enthaltend i) eine hohle Messkopfumhausung mit einer nach außen offenen Seite aufweist, wobei die Messkopfumhausung an dieser Seite einen Rand ausbildet; ii) mindestens ein flexibles, transparentes, optisches Element, dass innerhalb der Messkopfumhausung angeordnet ist; und iii) mindestens einen Indikator definierter Konzentration; b) optional einen flexiblen optischen Pfad, wobei der optische Pfad so mit der Messkopfumhausung verbunden ist, dass Strahlung vom Inneren der Messkopfumhausung in den optischen Pfad gelangen kann und umgekehrt; c) optional einen Detektor zur Detektion von Strahlung aus dem optischen Pfad; d) optional mindestens eine Strahlungsquelle, wobei die Strahlungsquelle mit dem optischen Pfad so verbunden ist, dass Strahlung von der Strahlungsquelle in den optischen Pfad gelangen kann; e) optional mindestens einen Filter, wobei der Filter in dem optischen Pfad angeordnet ist; oder bestehend daraus, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand der Messkopfumhausung ein flexibles, elastisches Schutzelement enthält oder daraus besteht und der Indikator so in der hohlen Messkopfumhausung angeordnet ist, dass bei Kontaktierung der nach außen offenen Seite der Messkopfanordnung mit einer zu messenden Oberfläche der Indikator zu der Oberfläche einen vordefinierten Abstand aufweist.
Messvorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible, elastische Schutzelement eine elastische Membran und/oder elastische Lippe, besonders bevorzugt eine Membran und/oder Lippe aus Gummi, enthält oder daraus besteht.
Messvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine flexible, transparente, optische Element einen Schwamm, einen Schaum und/oder ein Gel enthält oder zusammen mit dem Indikator daraus besteht.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine flexible, transparente, optische Element ein chemisch inertes Material enthält, bevorzugt eine Folie, eine Membran, eine optische Faser und/oder ein Bündel optischer Fasern, besonders bevorzugt eine optische Faser und/oder ein Bündel optischer Fasern, wobei das chemisch inerte Material insbesondere zumindest bereichsweise mit dem Indikator beschichtet ist.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible, transparente, optische Element die Funktion eines Diffusors aufweist, der bevorzugt dazu geeignet ist, von einer Strahlungsquelle emittierte Strahlung homogen auf die nach außen offene Seite der Messkopfumhausung zu verteilen und von einem Indikator emittierte Strahlung zu bündeln.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible, transparente, optische Element ablösbar innerhalb der Messkopfumhausung angeordnet ist, optional über ein ablösbares Element an der Messkopfumhausung befestigt ist.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Indikator so in der Messkopfumhausung angeordnet ist, dass sein Abstand zu der Oberfläche > 0 bis ≤ 1 mm, bevorzugt > 0 bis ≤ 100 µm, besonders bevorzugt > 0 bis ≤ 10 µm, beträgt.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hohle Messkopfumhausung zwischen dem flexiblen, transparenten, optischen Element und der nach außen offenen Seite der Messkopfumhausung ein Trägermaterial enthält, bevorzugt eine Folie und/oder Membran, wobei das Trägermaterial insbesondere zumindest bereichsweise mit Indikator beschichtet ist.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Pfad mindestens eine Faser und/oder ein Faserbündel enthält, bevorzugt mindestens eine Multimode Faser und/oder Liquid Light Guide Faser, insbesondere eine Faser mit einem Durchmesser von > 2 mm und/oder einer numerischen Apertur von > 0,5.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Pfad mindestens einen Spiegel und/oder eine Linse enthält.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Filter dazu geeignet ist, Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge und/oder unterschiedlicher Polarisation zu separieren, wobei der Filter bevorzugt ein dichroitischer Filter ist, der von einer Strahlungsquelle emittierte Strahlung passieren lässt und von einem Indikator emittierte Strahlung reflektiert.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Spektrometer, Fluoreszenzdetektor, Fluoreszenzmikroskop, Fluoreszenzscanner, Luminometer, CCD-Kamera, Photomultiplier, Chip-Reader und Kombinationen hiervon.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor so konfiguriert ist, dass er lediglich Strahlung einer höheren Wellenlänge als die in den Messkopf eingekoppelte Strahlung detektiert.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Strahlungsquellen, die Strahlung eines schmalbandigen Spektrums von <50 nm Breite emittieren, bevorzugt Strahlung einer Breite von ≤ ±15 nm FWHM, besonders bevorzugt ist die Strahlungsquelle eine LED, OLED, Multi-LED, Multi-OLED, ein Laser und/oder Multi-Laser, insbesondere eine LED, OLED, Multi-LED und/oder Multi-OLED.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Strahlungsquellen, die Strahlung eines breitbandigen Spektrums emittieren, bevorzugt eine Kontinuumslichtquelle, besonders bevorzugt eine Entladungslampe, wobei die Strahlungsquelle insbesondere mindestens einen Filter aufweist, um aus dem breitbandigen Spektrum Strahlung eines schmalbandigen Spektrums von <50 nm Breite zu selektieren.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle eine Strahlungsintensität von 0,01 bis 100 mW/cm², bevorzugt 0,02 bis 50 mW/cm², besonders bevorzugt 0,05 bis 20 mW/cm², insbesondere 0,1 bis 10 mW/cm², aufweist.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle geeignet ist, in einem Wellenlängenbereich von 100 bis 1000 nm, bevorzugt 200 bis 800 nm, besonders bevorzugt 240 bis 450 nm, zu emittieren, wobei die Strahlungsquelle bevorzugt geeignet ist, aus diesem Wellenlängenbereich ein schmalbandiges Spektrum von <50 nm Breite zu emittieren.
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nach außen offenen Seite der hohlen Messkopfumhausung eine Fläche von 10 mm² bis 10 cm² aufspannt, bevorzugt 0,1 cm² bis 9 cm², besonders bevorzugt 1 cm² bis 7 cm², insbesondere 2 cm² bis 5 cm².
Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Indikator ein organischer Indikator, bevorzugt ein metallorganischer Indikator ist, besonders bevorzugt ein Perylenderivat, Therephthalderivat, Seltenerdmetallkomplex und/oder Metallphtalocyanin.
Verfahren zur Beurteilung der photokatalytischen Wirksamkeit einer Oberfläche, umfassend die Schritte: a) Kontaktieren einer zu messenden Oberfläche mit der Messvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, sodass der Rand der hohlen Messkopfumhausung einen lichtdichten Kontakt zur Oberfläche herstellt; b) Einkoppelung von Strahlung in den optischen Pfad der Messvorrichtung über eine Strahlungsquelle; c) Messung der Intensität der Strahlung aus dem optischen Pfad, die eine höhere Wellenlänge als die eingekoppelte Strahlung aufweist, zu mindestens einem Zeitpunkt über einen Detektor; und d) Beurteilung der photokatalytischen Wirksamkeit der Oberfläche durch Vergleich der gemessenen Intensität mit einem Referenzwert.
Verfahren gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Intensität der Strahlung zu mehreren Zeitpunkten durchgeführt wird und die jeweils gemessene Intensität, bevorzugt der Mittelwert der gemessenen Intensitäten, mit einem Referenzwert verglichen wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Kontakt der Messvorrichtung mit der Oberfläche durch manuelles Andrücken der Messkopfumhausung an die Oberfläche und/oder der Verwendung von Gurten und/oder Klebestreifen sichergestellt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Oberfläche um die Oberfläche von einer Wand, einem Dachziegel, einer Wandfarbe, einem Rauhputz, einer Fassade, einer Straße, einem Fenster und/oder von Pflastersteinen handelt.
Verwendung der Messvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 19 zur Beurteilung der photokatalytischen Wirksamkeit einer Oberfläche, bevorzugt der photokatalytischen Wirksamkeit einer Oberfläche von einer einer Wand, einem Dachziegel, einer Wandfarbe, einem Rauhputz, einer Fassade, einer Straße, einem Fenster und/oder von Pflastersteinen.