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Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Sensorvorrichtung zum Analysieren eines Analyten und ein Verfahren zur Verwendung einer optischen Sensorvorrichtung zum Analysieren eines Analyten.
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Stand der Technik
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Eine spektroskopische Analyse mittels optischer Messsysteme erlaubt es, einzelne Komponenten in Fluiden, Gasen oder transparenten Festkörpern zu bestimmen. Ein verbreitetes Verfahren ist die ATR(Attenuated Total Reflexion)-Infrarotspektroskopie. Hierbei wird Licht unter Totalreflexion durch einen Kristall oder einen Lichtleiter gesendet, wobei sich die Lichtintensität abschwächt, da Licht quantenmechanisch aus dem Kristall oder Lichtleiter heraustunneln und mit dem umgebenden Analyt interagieren kann. Durch Messung der Abschwächung der Lichtintensität können dadurch Komponenten des Analyten bestimmt werden. Ein Verfahren zur Messung des CO2-Gehaltes von Fluiden mittels eines derartigen ATR-Sensors ist etwa aus der
EP 2 607 887 A2 bekannt.
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Da auf meist geringem Raum zunehmend mehr Sensoren unter teils stark schwankenden Bedingungen eingesetzt werden, besteht Bedarf an kostengünstigen, kompakten und robusten optischen Sensorvorrichtungen, welche gleichzeitig eine hohe Präzision aufweisen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung schafft eine optische Sensorvorrichtung zum Analysieren eines Analyten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Verwendung einer optischen Sensorvorrichtung zum Analysieren eines Analyten mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine optische Sensorvorrichtung zum Analysieren eines Analyten, mit einer Aussendeeinrichtung, die dazu ausgebildet ist, einen Lichtstrahl auszusenden, und einer Detektionseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, den Lichtstrahl zu detektieren. Die Sensorvorrichtung weist weiter ein Gehäuse auf, welches ein optisches Fenster umfasst und die Aussendeeinrichtung und die Detektionseinrichtung einschließt bzw. einhaust. Eine Reflexionseinrichtung zum Reflektieren des Lichtstrahls ist derart an dem Gehäuse angeordnet, dass zwischen der Reflexionseinrichtung und dem optischen Fenster ein Testvolumen bzw. eine Kavität zum Aufnehmen des Analyten ausgebildet ist. Die Aussendeeinrichtung ist dazu ausgebildet, den Lichtstrahl durch das optische Fenster und das Testvolumen auf die Reflexionseinrichtung auszusenden. Die Detektionseinrichtung detektiert den an der Reflexionseinrichtung reflektierten Lichtstrahl nach dem Durchgang durch das Testvolumen und das optische Fenster. Die Detektionseinrichtung gibt basierend auf dem empfangenen Lichtstrahl ein Analysesignal aus.
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Der Analyt kann beispielsweise ein Fluid, ein Gas oder ein zumindest teilweise transparenter Festkörper sein.
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Das Gehäuse kann vorzugsweise ein TO(Transistor Outline)-Gehäuse sein, so dass die optische Sensorvorrichtung kosteneffizient hergestellt werden kann und aufgrund der einheitlichen Normierung mit weiteren Bauteilen kompatibel ist.
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Die Reflexionseinrichtung kann vorzugsweise eine reflektierende bzw. spiegelnde Oberfläche aufweisen, welche der Aussendeeinrichtung zugewandt ist. Die Reflexionseinrichtung kann insbesondere eine gekrümmte Oberfläche aufweisen, welche dazu ausgebildet ist, den Lichtstrahl geeignet umzulenken bzw. zu formen.
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Die Detektionseinrichtung kann das Analysesignal insbesondere anhand einer Frequenz, einer Frequenzverschiebung, einer Intensität, einer Intensitätsänderung, einer Phasenverschiebung und/oder einer Aufweitung des empfangenen Lichtstrahls bestimmen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung einer optischen Sensorvorrichtung zum Analysieren eines Analyten. Hierzu wird in einem ersten Verfahrensschritt der Analyt in das Testvolumen zwischen der Reflexionseinrichtung und dem optischen Fenster eingebracht. Weiter wird der Lichtstrahl mittels der Aussendeeinrichtung ausgesendet und der an der Reflexionseinrichtung reflektierte Lichtstrahl durch die Detektionseinrichtung empfangen und ein Analysesignal durch die Detektionseinrichtung ausgegeben. Der Analyt wird anhand des Analysesignals analysiert.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Vorteile der Erfindung
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Indem die Aussendeeinrichtung und die Detektionseinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, ist ein kompakter Aufbau der Vorrichtung möglich. Die optische Sensorvorrichtung ist sehr robust gegenüber äußeren Umwelteinflüssen und weist gleichzeitig eine hohe Präzision auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung weist das Gehäuse eine Trägereinrichtung und eine Verkapselung auf. Die Aussendeeinrichtung und die Detektionseinrichtung sind hierbei auf der Trägereinrichtung angeordnet. Auf der Trägereinrichtung können weitere elektronische Auswerteeinrichtungen angeordnet sein. Beispielsweise kann die Trägereinrichtung eine Leiterplatte aufweisen, auf welcher die Aussendeeinrichtung und die Detektionseinrichtung angeordnet bzw. befestigt sind.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung sind die Aussendeeinrichtung und/oder die Detektionseinrichtung mittels Pins kontaktierbar, welche sich durch die Trägereinrichtung hindurch aus dem Gehäuse heraus erstrecken. Die Sensorvorrichtung kann insbesondere zur Durchsteckmontage geeignet sein und lässt sich dadurch einfach mit weiteren Bausteinen kombinieren.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der optischen Sensorvorrichtung ist die Aussendeeinrichtung dazu ausgebildet, einen Lichtstrahl mit einer Wellenlänge zwischen 3 und 50 Mikrometern auszusenden. Die Aussendeeinrichtung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, einen Lichtstrahl im mittleren Infrarotbereich auszusenden. Besonders bevorzugt sendet die Aussendeeinrichtung einen Lichtstrahl mit einer Wellenlänge zwischen 3 und 8 Mikrometern aus. Strahlung im mittleren Infrarotbereich wird auch dann gut reflektiert, wenn die Reflexionseinrichtung altersbedingt leicht verschmutzt, so dass auch in diesem Fall die hohe Präzision der optischen Sensorvorrichtung erhalten bleibt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der optischen Sensorvorrichtung ist zwischen der Aussendeeinrichtung und dem optischen Fenster und/oder zwischen dem optischen Fenster und der Reflexionseinrichtung mindestens eine optische Filtereinrichtung angeordnet. So können beispielsweise bestimmte Wellenlängenbereiche gefiltert werden, um bestimmte Komponenten in dem Analyten genauer bestimmen zu können.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist die optische Sensorvorrichtung eine Auswerteeinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, anhand des von der Detektionseinrichtung ausgegebenen Analysesignals eine optische Transmissionseigenschaft und/oder eine Zusammensetzung des Analyten zu bestimmen. So können bestimmte Komponenten des Analyten, etwa ein CO2-Gehalt, des Analyten detektiert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der optischen Sensorvorrichtung weist diese eine Sensoreinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, eine Druckänderung und/oder eine Änderung der chemischen Zusammensetzung im Inneren des Gehäuses zu detektieren. Weiter weist die optische Sensorvorrichtung eine Steuereinrichtung auf, welche dazu ausgebildet ist, die Aussendeeinrichtung zu deaktivieren und/oder ein Warnsignal auszugeben, falls die Sensoreinrichtung eine Druckänderung und/oder eine Änderung der chemischen Zusammensetzung im Inneren des Gehäuses detektiert. Die optische Sensorvorrichtung ist dadurch auch zur Verwendung mit einem temperaturempfindlichen oder entzündlichen Analyten geeignet. Gelangt durch eine Beschädigung oder ein Leck des Gehäuses der Analyt in das Innere des Gehäuses, wird durch Deaktivieren der Aussendeeinrichtung verhindert, dass aufgrund der Betriebstemperatur der Aussendeeinrichtung, welche mehr als 300° betragen kann, der Analyt entzündet wird. Ein Leck in dem Gehäuse kann somit sicher erkannt werden und die Sicherheit der optischen Sensorvorrichtung erhöht werden. Die Sensoreinrichtung kann beispielsweise einen Drucksensor aufweisen, welche bei einem Abweichen des Drucks von einem vorgegebenen Schwellenwert eine Druckänderung feststellt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der optischen Sensorvorrichtung weist die Reflexionseinrichtung eine Schutzbeschichtung aus einem lichtdurchlässigen Material auf. Hierbei ist der unter der Schutzbeschichtung liegende Teil der Reflexionseinrichtung spiegelnd oder reflektierend ausgestaltet und wird durch die Schutzbeschichtung vor Verschmutzung oder Beschädigung geschützt. Die Reflexionseinrichtung kann auch eine Schutzbeschichtung aus einem reflektierenden Material aufweisen, welches den ausgesendeten Lichtstrahl reflektiert.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens umfasst das Analysieren des Analyten das Bestimmen einer Transmissionseigenschaft und/oder einer Zusammensetzung des Analyten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsansicht einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine schematische Schrägansicht der in 1 gezeigten optischen Sensorvorrichtung;
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3 eine schematische Schrägansicht der in 1 gezeigten Sensorvorrichtung, wobei die Kapsel nicht illustriert ist;
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4 eine schematische Querschnittsansicht der in 1 gezeigten optischen Sensorvorrichtung, wobei das optische Fenster und die Reflexionseinrichtung nicht illustriert sind;
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5 eine schematische Draufsicht auf die in 1 gezeigte optische Sensorvorrichtung;
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6 eine schematische Querschnitt-Detailansicht einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform;
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7 eine schematische Schrägansicht einer optischen Sensorvorrichtung mit einem an dem Gehäuse angeordneten ATR-Kristall;
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8 eine schematische Schrägansicht einer optischen Sensorvorrichtung mit einem an dem Gehäuse angeordneten Lichtleiter;
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9 eine schematische Schrägansicht einer optischen Sensorvorrichtung mit einem durch das Gehäuse hindurchgehenden Mediumleitkanal;
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10 eine schematische Querschnittsansicht der in 9 illustrierten optischen Sensorvorrichtung; und
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11 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Analysieren eines Analyten mittels einer optischen Sensorvorrichtung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Nummerierung von Verfahrensschritten dient der Übersichtlichkeit und soll im Allgemeinen keine bestimmte zeitliche Reihenfolge implizieren. Insbesondere können auch mehrere Verfahrensschritte gleichzeitig durchgeführt werden. Verschiedene Ausführungsformen können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern dies sinnvoll ist.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist eine schematische Querschnittsansicht einer optischen Sensorvorrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung illustriert. Eine Aussendeeinrichtung 11 und eine Detektionseinrichtung 12 sind auf einer Trägereinrichtung 132, vorzugsweise einem Siliziumsubstrat oder einer Leiterplatte, angeordnet. Die Aussendeeinrichtung 11 ist dazu ausgebildet, einen Lichtstrahl L auszusenden, wobei eine Wellenlänge des Lichtstrahls L vorzugsweise im mittleren Infrarotbereich liegt. Die Aussendeeinrichtung 11 kann eine LED, einen mikromechanischen Strahler, eine Glühbirne und/oder einen Laser umfassen.
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Auf der Aussendeeinrichtung 11 ist in deren Strahlengang eine optische Filtereinrichtung 17 angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, den ausgesendeten Lichtstrahl L zu filtern. Insbesondere kann die optische Filtereinrichtung 17 einen bestimmten Wellenlängenbereich herausfiltern.
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Die Trägereinrichtung 132 bildet zusammen mit einer Verkapselung 131 ein Gehäuse 13, welches die Aussendeeinrichtung 11 und die Detektionseinrichtung 12 einschließt. Vorzugsweise ist das Gehäuse hermetisch dicht ausgebildet, so dass die Aussendeeinrichtung 11 und die Detektionseinrichtung 12 nicht in fluidischem Kontakt mit der Umgebung stehen. Der Verkapselung 131 umfasst eine Kapsel 1312, welche vorzugsweise aus Metall hergestellt ist, und eine erste Öffnung 191 aufweist, durch welche der von der Aussendeeinrichtung 11 ausgesendete Lichtstrahl L aussendbar ist. Die Kapsel 1312 weist weiter eine zweite Öffnung 192 auf, durch welche Licht auf die Detektionseinrichtung 12 hindurch gelangen kann. Die Öffnungen 19, bestehend aus der ersten Öffnung 191 und der zweiten Öffnung 192, werden durch ein optisches Fenster 1311 hermetisch verschlossen, welches vorzugsweise aus Silizium oder aus einem Kunststoff hergestellt ist und an der Kapsel 1312 angeordnet ist. Das optische Fenster 1311 und die Kapsel 1312 bilden die Verkapselung 131 des Gehäuses 131.
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An der Kapsel 1312 ist eine Reflexionseinrichtung 14 derart angeordnet, dass zwischen der Reflexionseinrichtung 14 und dem optischen Fenster 1311 ein Testvolumen V zum Aufnehmen des Analyten ausgebildet ist. Wie in der Schrägansicht in 2 gezeigt, weist die Kapsel 1312 hierzu eine Ausbuchtung auf, in welcher das optische Fenster 1311 angeordnet ist, so dass die Reflexionseinrichtung 14 von dem optischen Fenster 1311 beabstandet ist. Das Testvolumen kann zu einer oder zu zwei Seiten hin geöffnet sein. Insbesondere kann ein Analyt in Form eines Gases oder eines Fluides in das Testvolumen V einströmen.
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Die Reflexionseinrichtung 14 weist eine dem optischen Fenster 1311 zugewandte verspiegelte Seite auf, welche dazu ausgebildet ist, den von der Aussendeeinrichtung 11 ausgesendeten Lichtstrahl L zu reflektieren. Vorzugsweise weist die Reflexionseinrichtung 14 hierzu eine Schutzbeschichtung aus einem reflektierenden oder einem lichtdurchlässigen Material auf. Der an der Reflexionseinrichtung 14 reflektierte Lichtstrahl L kann nach dem Durchgang durch das Testvolumen V und den in dem Testvolumen V befindlichen Analyten, sowie durch das optische Fenster 1311 auf die Detektionseinrichtung 12 fallen. Die Detektionseinrichtung 12 ist dazu ausgebildet, den Lichtstrahl L zu detektieren und ein entsprechendes Analysesignal auszugeben. So kann die Detektionseinrichtung 12 ein Frequenzspektrum, eine Intensität oder eine Phasenverschiebung des Lichtstrahls L detektieren und ausgeben. Die Detektionseinrichtung 12 kann mindestens eines von einem Thermopile, einem Pyrodetektor oder einem Photodetektor umfassen.
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Weiter ist eine Sensoreinrichtung 16 auf der Trägereinrichtung 132 angeordnet, welche einen Drucksensor umfasst, der eine Druckänderung im Inneren des Gehäuses 13 detektieren kann. Die Sensoreinrichtung 16 kann vorzugsweise weiter dazu ausgebildet sein, eine Änderung der chemischen Zusammensetzung im Inneren des Gehäuses 13 zu detektieren.
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Die Aussendeeinrichtung 11 ist über einen Verbindungsdraht 18 mit einem ersten Pin 151 verbunden, welcher durch die Trägereinrichtung 132 hindurch sich aus dem Gehäuse 13 heraus erstreckt. Analog ist die Detektionseinrichtung 12 mit einem zweiten Pin 152 verbunden und die Sensoreinrichtung 16 ist mit einem dritten Pin 153 verbunden. Die Pins 15, umfassend den ersten Pin 151, den zweiten Pin 152 und den dritten Pin 153, sind mit einer Steuereinrichtung 21 und einer Auswerteeinrichtung 20 verbunden.
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Die Auswerteeinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, anhand des von der Detektionseinrichtung 12 ausgegebenen Analysesignals eine optische Transmissionseigenschaft und/oder eine Zusammensetzung des Analyten zu bestimmen. Die Auswerteeinrichtung 20 kann insbesondere ein Wellenlängen- bzw. Frequenzspektrum des empfangenen Lichtstrahls L auswerten und dadurch den Analyten analysieren.
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Die Steuereinrichtung 21 ist dazu ausgebildet, die Aussendeeinrichtung 11 zu deaktivieren und/oder ein Warnsignal auszugeben, falls die Sensoreinrichtung 16 eine Druckänderung und/oder eine Änderung der chemischen Zusammensetzung im Inneren des Gehäuses 13 detektiert.
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Die optische Sensorvorrichtung 1 ist über die Pins 15 mit Leiterplatten oder weiteren elektronischen Einrichtungen verbindbar.
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In 3 ist die optische Sensorvorrichtung 1 in einer Schrägansicht illustriert, wobei zur besseren Darstellung die Kapsel 1312 weggelassen wurde. In 4 ist eine schematische Querschnittsansicht der optischen Sensorvorrichtung 1 gezeigt, wobei das optische Fenster 1311 und die Reflexionseinrichtung 14 der Übersichtlichkeit halber weggelassen wurden. Wie aus der 4 ersichtlich, weist die Kapsel 1312 einen Vorsprung 13121 auf, welcher derart ausgebildet ist, dass quer einfallende äußere Lichtstrahlung nicht zu den Öffnungen 19 gelangen kann und somit eine Querbeeinflussung reduziert wird. Es wird verhindert, dass Licht von außerhalb der Sensorvorrichtung 1 von der Detektionseinrichtung 12 detektiert wird.
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5 zeigt eine Draufsicht auf die optische Sensorvorrichtung 1.
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6 zeigt eine schematische Schrägansicht eines Details einer optischen Sensorvorrichtung gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Demnach sind die Aussendeeinrichtung 11, die Detektionseinrichtung 12 und die Sensoreinrichtung 16 nicht direkt auf der Trägereinrichtung 132 angeordnet, sondern auf einer Leiterplatte 60, welche auf der Trägereinrichtung 132 angeordnet ist. Der restliche Aufbau der optischen Sensorvorrichtung kann der oben beschriebenen Ausführungsform entsprechen.
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7 zeigt eine optische Sensorvorrichtung 2. Anstelle der Reflexionseinrichtung 14 befindet sich hierbei ein ATR-Kristall 200 in einer Aussparung der Kapsel 1312. Die Aussendeeinrichtung 11 ist dazu ausgebildet, einen Lichtstrahl in Richtung des ATR-Kristalls 200 auszusenden und die Detektionseinrichtung 12 ist dazu ausgebildet, den in dem ATR-Kristall 200 reflektierten Lichtstrahl L zu empfangen und ein entsprechendes Analysesignal auszugeben. Die Detektionseinrichtung 12 misst hierbei eine Abschwächung der Intensität des Lichtstrahls aufgrund einer Wechselwirkung des Lichtstrahls mit einem Analyten L, welcher sich außerhalb des ATR-Kristalls 200 befindet.
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8 zeigt eine weitere optische Sensorvorrichtung 3. Anstelle des ATR-Kristalls 200 ist ein Lichtleiter 303 über eine Lichteinkoppeleinrichtung 301 und eine Lichtauskoppeleinrichtung 302 an der Kapsel 1312 angeordnet. Die Aussendeeinrichtung 11 ist dazu ausgebildet, einen Lichtstrahl L über die Lichteinkoppeleinrichtung 301 in den Lichtleiter 303 einzukoppeln. Der Lichtstrahl L wird unter Totalreflexion durch den Lichtleiter 303 geleitet, wobei eine Abschwächung der Intensität aufgrund einer Wechselwirkung des Lichtstrahls L über den Tunneleffekt mit einem Analyten außerhalb des Lichtleiters 303 auftritt. Der Lichtstrahl L wird von der Detektionseinrichtung 12 detektiert und diese gibt anhand einer Abschwächung der Intensität des Lichtstrahls L ein Analysesignal aus.
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9 zeigt eine schematische Schrägansicht auf eine weitere optische Sensorvorrichtung 4. In 10 ist eine schematische Querschnittsansicht der optischen Sensorvorrichtung 4 illustriert. Ein transparenter Mediumleitkanal 401 verläuft durch die Kapsel 1312 hindurch, wobei der Mediumleitkanal 401 zum Aufnehmen bzw. Durchleiten eines Analyten ausgebildet ist. Mittels Versiegelungsmechanismen 402, 403 werden Eintritts- bzw. Austrittsbereiche des Mediumleitkanals 401 in die Kapsel 1312 verschlossen, so dass die Kapsel 1312, welche auf der Trägereinrichtung 132 angeordnet ist, einen hermetisch versiegelten Raum einschließt. Eine auf der Trägereinrichtung 132 angeordnete Aussendeeinrichtung 11 ist dazu ausgebildet, Licht durch den Mediumleitkanal 401 hindurch auszusenden. Weiter ist eine Detektionseinrichtung 12 auf der Trägereinrichtung 132 angeordnet, welche dazu ausgebildet ist, den Lichtstrahl L nach dem Durchgang durch den Mediumleitkanal 401 mit dem Analyten zu detektieren und ein Analysesignal auszugeben. Die Detektionseinrichtung 12 ist über einen Verbindungsdraht 405 mit einem Pin 404 verbunden und dadurch kontaktierbar. Es kann auch eine Vielzahl von Mediumleitkanälen vorgesehen sein, insbesondere zum Leiten von verschiedenen Analyten.
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11 zeigt ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Verwendung einer optischen Sensorvorrichtung 1 zum Analysieren eines Analyten. Das Verfahren ist vorzugsweise mit einer in den 1 bis 6 illustrierten Sensorvorrichtung 1 durchführbar.
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In einem ersten Verfahrensschritt S1 wird der Analyt in das Testvolumen V zwischen der Reflexionseinrichtung 14 und dem optischen Fenster 1311 eingebracht. Der Analyt kann dadurch eingebracht werden, dass die optische Sensorvorrichtung 1 in einem Fluid oder in einem Gas platziert wird und der Analyt dadurch in das Testvolumen V eindringt.
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In einem zweiten Verfahrensschritt S2 wird ein Lichtstrahl L mittels der Aussendeeinrichtung 11 ausgesendet. Der Lichtstrahl L wird nach Durchgang durch das optische Filter 17, das optische Fenster 1311 und das Testvolumen V mit dem Analyten von der Reflexionseinrichtung 14 reflektiert und wird nach dem erneuten Durchgang durch das Testvolumen V mit dem Analyten und durch das optische Fenster 1311 von der Detektionseinrichtung 12 detektiert. Die Detektionseinrichtung 12 gibt ein Analysesignal basierend auf dem empfangenen Lichtstrahl L aus.
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In einem weiteren Verfahrensschritt S4 wird der Analyt anhand des Analysesignales analysiert. Insbesondere können eine Transmissionseigenschaft des Analyten und/oder eine Zusammensetzung des Analyten bestimmt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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