DE102019127914A1

DE102019127914A1 - Eine optochemische Sensoreinheit und ein Verfahren zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung eines Analyten in einem Messmedium mit der Sensoreinheit

Info

Publication number: DE102019127914A1
Application number: DE102019127914.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Löbbert
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2018-10-19
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2020-04-23
Also published as: US20200124537A1; CN111077120B; US10866192B2; US20210055227A1; CN111077120A; US11644423B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optochemische Sensoreinheit (1) umfassend einen Lichtwellenleiter (10), eine Sendeeinheit (6) zum Aussenden eines ersten Sendesignals zur Anregung eines Luminophors, eine Empfangseinheit (8) zum Empfang eines Empfangssignals umfassend einen durch das angeregte Luminophor ausgesandten Signalanteil,wobei die Sensoreinheit (1) einen Messraum (15) zur Aufnahme eines Fluids aufweist, wobei das Fluid (50) magnetische Mikrosphären umfasst,wobei die Sensoreinheit (1) eine Membran (20) aufweist, welche zwischen dem Messraum (15) und einem Messmedium (21) angeordnet ist und welche vorgesehen ist zum Austausch eines Analyten zwischen Messmedium (21) und dem Fluid (50) im Messraum (15), wobei die Membran (20) impermeabel für die magnetischen Mikrosphären (30) ist,wobei die Sensoreinheit (1) einen Elektromagneten (14 oder 104) aufweist, welcher vorgesehen ist zur Anziehung magnetischer Mikrosphären (30) zu einer Sensormembran (11) des optochemischen Sensors (1) mit fluidberührender Oberfläche, welche in bestimmungsgemäßem Betrieb in Kontakt mit dem Fluid (50) ist, und/oder zu einer fluidberührenden Oberfläche des Lichtwellenleiters (10) oder einer Oberfläche einer mit dem Lichtwellenleiter verbundenen transparenten oder transluzenten Wand (100) der optischen Sensoreinheit (1).Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung eines Analyten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optochemische Sensoreinheit und ein Verfahren zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung eines Analyten in einem Messmedium mit der vorgenannten Sensoreinheit.
Der Einsatz von magnetischen Mikrosphären in einem Messmedium ist an sich bekannt. Problematisch dabei ist, dass zum Anziehen von Mikrosphären aus einem Messmedium ein vergleichsweise starkes Magnetfeld benötigt wird.
Ausgehend von dieser Vorbetrachtung ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Sensoreinheit für den Einsatz von magnetischen Mikrosphären bereitzustellen, welche mit geringem Energieaufwand betrieben werden kann.
Die Erfindung löst die vorliegende Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäße optochemische Sensoreinheit umfasst einen Lichtwellenleiter, eine Sendeeinheit zum Aussenden eines ersten Sendesignals zur Anregung eines Luminophors und eine Empfangseinheit zum Empfang eines Empfangssignals umfassend einen durch das angeregte Luminophor ausgesandten Signalanteil.
Die optochemische Sensoreinheit dient der qualitativen und/oder quantitativen Ermittlung eines Analyten in einem Messmedium. Der Analyt kann zuvor in eine sensor-aktive Substanz umgewandelt werden. Dies kann vorzugsweise katalytisch oder enzymatisch erfolgen. Die sensor-aktive Substanz kann sich sodann als Quencher an das Luminophor anlagern und die Lumineszenz, insbesondere die Fluoreszenz, verringern.
Typischerweise kann der Lichtwellenleiter als Faserbündel ausgebildet sein. Der Lichtwellenleiter ist insbesondere vorgesehen zur Signalübertragung des Sendesignals und des Empfangssignals. Das Sendesignal ist insbesondere ein Lichtsignal, welches durch eine Signalquelle, insbesondere eine Lichtquelle, beispielsweise eine LED, ausgesendet werden kann.
Die Empfangseinheit kann eine Fotodiode sein. Als Messprinzip des Sensors kann vorzugsweise das Prinzip der Fluoreszenzlöschung genutzt werden, allerdings ist die Fluoreszenzanregung lediglich eine Variante des Messprinzips. Das empfangene Lichtsignal umfasst einen Anteil an angeregter, beispielsweise fluoreszenter, Strahlung.
Die Sensoreinheit weist einen Messraum zur Aufnahme eines Fluids auf, wobei das Fluid magnetische Mikrosphären umfasst. Das Fluid kann beispielsweise ein Lösungsmittel, z.B. Wasser, mit den Mikrosphären sein. Der Messraum ist vorzugsweise ein gegenüber einem Messmedium abgeschlossener Raum.
Der Messraum weist eine Membran auf, welche zwischen dem Messraum und dem Messmedium angeordnet ist, und welche vorgesehen ist zum Austausch eines Analyten zwischen dem Messmedium und dem Fluid im Messraum. Die Membran ist somit analyt-permeabel.
Die Membran ist undurchlässig für die magnetischen Mikrosphären. Sie ist mikrosphären-impermeabel.
Die vorliegende Erfindung unterscheidet zwischen der vorgenannten Membran und einer Sensormembran. Die Sensormembran ist, sofern überhaupt vorhanden, keine mediumsberührende Membran und steht somit nicht in Kontakt mit dem Messmedium, sondern eine fluidberührende Membran. Sie steht somit in Kontakt mit dem Fluid im Messraum. Da die Sensoreinheit auch mit unbefülltem Messraum vertrieben oder gelagert werden kann, ist die Sensoreinheit jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung unabhängig davon geschützt, ob das Fluid im Messraum angeordnet ist oder nicht.
Anstelle der Sensormembran kann allerdings auch eine transparente oder transluzente Wand ohne weitere Schichten vorgesehen sein oder direkt ein Lichtwellenleiter. In diesem Fall kann die vorgenannte Wand analog einer unbeschichteten Substratschicht einer Sensormembran, z.B. als Glas- oder Quarzglas-Fenster, ausgebildet sein.
Die Wand oder die Substratschicht als Teil einer Sensormembran kann bevorzugt als eine transparente oder transluzente und leitfähige Schicht aus Siliziumoxid, Indiumzinnoxid, Graphen-Fasern, Titanoxid, Wolframoxid, Zinkoxid, Zinnoxid, Vanadiumoxid und/oder Galliumoxid ausgebildet sein oder eine solche Schicht aufweisen.
Die Sensoreinheit weist einen Elektromagneten auf, welcher vorgesehen ist zur Anziehung magnetischer Mikrosphären zu der vorgenannten Sensormembran oder Wand mit fluidberührender Oberfläche und/oder einem Lichtwellenleiter mit fluidberührender Oberfläche.
Durch den Messraum wird ein definierter Raum bereitgestellt, in welchem die Mikrosphären mit dem Analyten in Kontakt treten können. Die Mikrosphären können sodann durch ein Magnetfeld mit geringer Stärke angezogen werden. Durch die Ansammlung der Mikrosphären entlang der Oberfläche kann zudem eine höhere Intensität bei der Messung erzielt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es ist von Vorteil, wenn die optochemische Sensoreinheit eine Steuereinheit zur Steuerung des Elektromagneten umfasst, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist zur Steuerung des Elektromagneten zwischen einem aktivierten und deaktivierten Zustand derart, dass Mikrosphären im aktivierten Zustand angezogen werden und im deaktivierten Zustand nicht angezogen werden.
Ein deaktivierter Zustand ist dabei so zu verstehen, dass der Elektromagnet z.B. durch Umpolung auch eine Abstoßung der Mikrosphären bewirkt. Dabei ist es allerdings schwer, eine optimale Homogenität der Mikrosphären im Fluid innerhalb des Messraumes zu erreichen. Daher ist es besonders vorteilhaft, wenn zeitweise kein Magnetfeld im Messraum vorliegt.
Im Messbetrieb der Sensoreinheit ist es allerdings vorteilhaft, wenn die Mikrosphären vom Elektromagneten angezogen werden.
Der Elektromagnet kann vorteilhaft um einen Lichtwellenleiter herum oder in dem Lichtwellenleiter, insbesondere in einem Faserbündel des Lichtwellenleiters, angeordnet sein. In der ersten Variante kann der Elektromagnet in Form einer Spule ausgebildet sein, welche um den Lichtwellenleiter herum angeordnet, insbesondere umwickelt ist. Alternativ kann der Elektromagnet auch als eine oder mehrere magnetische Fasern ausgebildet sein. Die magnetische Faser kann eine magnetisierbare Faser sein. Sind mehrere magnetische Fasern vorhanden, können diese magnetisierbare Fasern umfassen. Diese Fasern können zwischen den lichtleitenden Fasern eines Faserbündels eines Lichtleiters angeordnet sein.
Der Elektromagnet kann alternativ oder zusätzlich in oder auf einer Sensormembran angeordnet sein. Vorzugsweise kann der Elektromagnet als Flachspule angeordnet sein, welche einlagig ausgebildet sein kann, beispielsweise als eine auf einem Substrat der Sensormembran aufgeprinteten Spule.
Die Sensormembran kann als eine Substratschicht ausgebildet sein vorzugsweise als eine Schicht aus Siliziumoxid, Titanoxid, Wolframoxid, Zinkoxid, Zinnoxid, Vanadiumoxid und/oder Galliumoxid. Das Substrat ist vorzugsweise lichtdurchlässig für das Sende- und/oder Empfangssignal.
Die Sensormembran kann weitere Schichten umfassen, beispielsweise eine analyt-sensitive Schicht, welche fluidseitig auf Substratschicht angeordnet ist. Diese analyt-sensitive Schicht umfasst ein Luminophor.
Weitere optionale Schichten sind eine Reflexionsschicht, eine Diffusionsbarriereschicht und/oder eine optisch-isolierende Schicht, eine fluidberührende Deckschicht und ggf. eine oder mehrere Haftvermittlerschichten.
Der Elektromagnet kann als Flachspule, vorzugsweise mit rechteckigem oder spiralförmigem Aufbau, ausgebildet sein. Die Flachspule kann Teil, insbesondere eine Schicht, der vorgenannten Sensormembran sein.
Der Messraum kann vorzugsweise einen Zulauf und einen Ablauf zum Austausch des Fluids im Messraum aufweisen, so dass Mikrosphären, bei welchen ein eingelagertes oder angelagertes Enzym oder ein eingelagertes oder angelagertes Luminophor verbraucht sind, ausgetauscht werden können.
Die Sensoreinheit kann eine Rührvorrichtung aufweisen zum Homogenisieren der magnetischen Mikrosphären im Fluid innerhalb des Messraums. Teile der Rührvorrichtung, z.B. ein Dauermagnet, welcher durch ein Rührwerk betrieben werden kann, können vorteilhaft im Messraum angeordnet sein. Sollte es zu unerwünschten Interaktionen mit den magnetischen Mikrosphären kommen, so können auch rein mechanische Rührwerke als Rührvorrichtungen eingesetzt werden.
Die Sensoreinheit kann zudem eine Dosier- und/oder Injektionsvorrichtung aufweisen zur dosierten Zugabe an Fluid in den Messraum und/oder zur Einstellung der Konzentration von Mikrosphären im Fluid im Messraum. So ist es auch möglich mehrere unterschiedliche Mikrosphären, z.B. gesondert mit Enzymen und analyt-sensitiven Mitteln, zu dosieren. Durch die Zuleitung kann beispielsweise lediglich ein Lösungsmittel für das Fluid zugeführt werden und durch die Dosiervorrichtung die Mikropartikel zudosiert werden.
Die Mikrosphären können als eine magnetische Substanz ein ferromagnetisches Material, vorzugsweise ein Material ausgesucht aus einer Gruppe umfassend: elementares Eisen, Cobalt und/oder Nickel, Nickel-, Cobalt- und/oder Eisensalze, Seltenerdmagnete, insbesondere Neodym-Eisen-Bor, Samarium-Cobalt, Samarium-Eisen-Stickstoff-Legierungen, Strontiumferrite und/oder ferritische Materialien, aufweisen.
Die magnetische Substanz kann als Kern der Mikrosphäre angeordnet sein, während ein Luminophor oder ein Katalysator oder ein Enzym in einer Beschichtung des Kerns vorgesehen sein kann.
Die Mikrosphären weisen vorzugsweise zumindest ein Mittel zur Umwandlung des Analyten in eine sensoraktive Substanz, vorzugsweise ein Enzym und/oder einen Katalysator, insbesondere Platin, auf.
Die Mikrosphären können ein analyt-sensitives Material zum Nachweis des Analyten umfassen oder ein analyt-sensitives Material zum Nachweis einer durch Umwandlung des Analyten erhaltenen sensoraktiven Substanz umfassen. Dabei kann es sich vorzugsweise um ein luminophorhaltiges Material, besonders bevorzugt um ein Material umfassend ein Fluoreszenzmittel, handeln.
Die Mikrosphäre kann zudem eine Kapselschicht aus einem Naturstoff oder aus einem Synthesepolymer aufweisen.
Weiterhin erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung eines Analyten in einem Messmedium mit einer erfindungsgemäßen Sensoreinheit umfassend die folgenden Schritte:

Einführen eines Fluids umfassend magnetische Mikrosphären mit zumindest einem Mittel zur Umwandlung des Analyten in eine sensor-aktive Substanz und/oder mit einem analyt-sensitiven Material zum Nachweis des Analyten oder einer aus dem Analyten umgewandelten Substanz in den Messraum;
Zumindest bereichsweises Einführen der Sensoreinheit in ein Messmedium, zumindest mit der mediumsberührenden Oberfläche der Membran;
Aktivieren des Elektromagneten, so dass sich die Mikrosphären an einer Sensormembran mit fluidberührender Oberfläche und/oder zu einer fluidberührenden Oberfläche eines Lichtwellenleiters ansammeln;
Ermittlung eines Messsignals während sich die Mikrosphären an der fluidberührenden Oberfläche angesammelt haben.

Nach einmaliger oder mehrmaliger Abfolge der vorgenannten Schritte kann eine Kalibration unter Einführen der optochemischen Sensoreinheit in eine Armatur oder unter temporärem Versiegeln der den Messraum abschließenden, analyt-permeablen und mikrosphären-impermeablen Membran erfolgen. Diese Kalibration kann vorzugsweise als eine In-Situ Kalibration in der Rohrleitung erfolgen.
Nachfolgend werden weitere Ausführungsvarianten der Erfindung näher erläutert.
Die Steuereinheit kann Teil eines Messumformers, einer Steuerelektronik und/oder einer Energieversorgung sein. Die vorgenannten Elemente können Teil der Sensoreinheit sein oder Teil eines Messgeräts mit der Sensoreinheit.
Die Sensoreinheit und die restlichen Bauteile des Messgeräts können über eine galvanisch getrennte Verbindung, insbesondere eine induktive Steckverbinderkupplung und/oder eine Funkverbindung, miteinander gekoppelt sein.
Vorzugsweise kann die Energie zur Versorgung der Sensoreinheit, unidirektional von weiteren Teilen einer übergeordneten Einheit zu der Sensoreinheit über die galvanisch getrennte Verbindung übertragen werden. Die übergeordnete Einheit und die Sensoreinheit bilden dabei eine erfindungsgemäße Messanordnung.
Die Mikrosphären können insbesondere aus einem Naturprodukt und/oder einem Biopolymer gewonnen werden.
Die Mikrosphäre kann einen naturstoffgewonnenen Füllstoff enthalten. Dieser Füllstoff kann eine reaktionsbeschleunigende Substanz, also ein Mittel zur Umwandlung des Analyten, so z.B. Enzyme, enthalten
Die Partikelgröße der Mikrosphären kann bevorzugt im Bereich zwischen 1 und 1000 µm liegen, sofern ein Mittel zur Umwandlung des Analyten eingebettet ist.
Die Partikelgröße der Mikrosphären kann bevorzugt im Bereich zwischen 1 und 100 µm liegen, sofern ein sensorspezifischer Farbstoff bzw. ein Luminophor eingebettet ist.
Die Mikrosphären können Zusätze zur Verkapselung wie Tocopherol oder Cholesterin aus pflanzlichen und tierischen Komponenten enthalten. Die Zusätze sind vorzugsweise unbedenklich gemäß FDA und/oder GRASS und enthalten vorzugsweise keine flüchtigen Komponenten.
Die vorgenannte Sensormembran kann eine Polymermatrix, ein Luminophor und ein Substrat aufweisen. Optional können weitere Schichten in der Sensormembran vorgesehen sein, beispielsweise eine Schicht mit einem optischen Isolator, eine Reflexionsschicht, eine diffusionsbestimmende Schicht oder eine hygienische Schicht.
Die Enzyme können separat in Mikrosphären verkapselt sein und magnetische Partikel enthalten und in der Messkammer frei beweglich vorliegen.
Eine oder mehrere der Mikrosphären können mit einer magnetischen Substanz im Kern und Enzym und / oder Indikatorfarbstoff an der Oberfläche versehen sein. Die Begriffe Luminophor und Indikatorfarbstoff sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung als synonym zu verstehen.
Der Elektromagnet und das Luminophor können jeweils in einem Polymer eingebettet sein. Dieses wird auch als Einbettungsmatrix bezeichnet. Bei der Einbettungsmatrix kann es sich bevorzugt um ein Polymer mit reaktiven funktionellen Gruppen handeln. Eine bevorzugte Polymerklasse mit solchen Gruppen sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung für Sauerstoffsensoren Silikone. Für Sensoren mit enzymhaltigen Schichten sind wasserdurchlässige Polymere bevorzugt, wie vorzugsweise Polyurethane, Acrylamide, Acrylate und/oder Methacrylate.
Der Sensor kann alternativ zur Sensormembran beispielsweise eine transparente oder transluzente Wandung aufweisen. Diese Wandung weist eine dem Messraum zugewandte Oberfläche auf, welche in Kontakt mit dem Fluid umfassend die Mikrosphären treten kann.
Bevorzugt wird jedoch eine Sensormembran mit der vorgenannten transparenten oder transluzenten Wand genutzt, welche eine Substratschicht darstellt und welche mit einer analyt-sensitiven Schicht und/oder weiteren Schichten versehen ist, wobei diese Schichten dann eine Oberfläche aufweisen, welche in Kontakt mit dem Fluid umfassend die Mikrosphären treten kann.
Es kann wie gesagt auch lediglich die transparente und/oder transluzente Wandung vorliegen, auf welcher jedoch optional auch weitere Schichten, insbesondere die vorgenannte analyt-sensitive Schicht, angeordnet sein können.
Es können zudem im Fluid sensorspezifische Mikrosphären umfassend ein Einkapselungsmaterial mit magnetischem Material und einem analyt-sensitiven Agenz, insbesondere Luminophor, vorliegen, wobei die magnetischen Einkapselungsmaterialien durch eine magnetische Anziehungskraft zumindest während eines Messintervalls im Bereich des Lichtwellenleiters und/oder der Sensormembran gehalten werden.
Alternativ kann auch z.B. im Falle einer optischen pH-Messung, ein Referenzfarbstoff, z.B. ein Phosphorophor, zusätzlich zum Indikatorfarbstoff, z.B. einem Fluorophor, in der Sensormembran enthalten sein.
Die sensorspezifischen Komponenten müssen somit nicht oder nicht alle in der Sensormembran enthalten sein, sondern können vorzugsweise in den Mikrosphären, welche mit magnetischen Partikeln beladen sind, enthalten sein.
Diese sensorspezifischen Komponenten sind insbesondere mindestens ein Analytindikator in Form eines Luminophors und/oder mindestens ein Aktivator, z.B. ein Enzym, zur Umsetzung des Analyten in eine mittels des Sensors messbare bzw. sensor-aktive Substanz.
Weiterhin können die Mikrosphären mindestens ein Schutzmaterial für den sensorspezifischen Indikatorfarbstoff enthalten. Das Schutzmaterial kann allerdings auch für den Schutz des Enzyms vorgesehen sein.
Das Schutzmaterial kann als Schutzschicht ausgebildet sein, welche um das Kapselmaterial der Mikrosphäre herum angeordnet ist. Das umschließende Schutzmaterial kann ein Elastomer oder ein thermoplastisches Elastomer sein. Auch Thermoplaste kann sowohl als Füll- oder Umhüllungsmaterial für die Mikrosphären genutzt werden.
Zur Bereitstellung der Mikrosphären kann ein Naturprodukt, z.B. Sporen, durch Hydrolyse von inneren Bestandteilen befreit werden. Die daraus resultierenden Hohlkörper werden als Kapselmaterial für die Mikrosphären genutzt. Beispielsweise kann im Inneren des Kapselmaterials ein magnetisches Material eingelagert sein und entlang der äußeren Oberfläche kann ein Enzym oder ein Luminophor angeordnet sein. Es sind allerdings auch andere Varianten zur Anlagerung denkbar.
Der Zu- und/oder Abfluss von Fluid in den Messraum kann durch ein Durchflussmessgerät überwacht werden.
Durch Verschließen des Messraumes der Sensoreinheit kann eine In situ Kalibrierung im Prozess durch einen Bypass ermöglicht werden.
Eine erfindungsgemäße Messanordnung umfasst eine erfindungsgemäße optochemische Sensoreinheit und eine mit der optochemischen Sensoreinheit verbundene übergeordnete Einheit, insbesondere einen Messumformer oder eine Steuerelektronik und/oder eine Energieversorgung, wobei die optochemische Sensoreinheit und die übergeordnete Einheit über eine, insbesondere lösbare, Verbindung, vorzugsweise eine induktiv koppelnde Steckverbinderkupplung und/oder eine Funkverbindung, miteinander gekoppelt sind, und wobei Energie unidirektional von der übergeordneten Einheit zu der optochemischen Sensoreinheit über die Verbindung übertragen wird.
Die Verbindung kann vorteilhaft eine galvanisch getrennte Verbindung sein
Die übergeordnete Einheit kann vorteilhaft eine Datenverarbeitungseinheit umfassen, und wobei zusätzlich Daten, insbesondere die Messgröße, bidirektional zwischen der optochemischen Sensoreinheit und der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit über die Verbindung übertragen werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert wird. Der Fachmann wird die in der Zeichnung, der Beschreibung und den Ansprüchen in Kombination offenbarten Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen:

1 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen optochemischen Sensors;
2a schematische Darstellung einer Abwandlung des optochemischen Sensors der 1;
2b schematische Darstellung des optochemischen Sensors der 1;
3a schematische Darstellung einer ersten Variante einer Sensormembran;
3b schematische Darstellung einer zweiten Variante einer Sensormembran;
3c schematische Darstellung einer dritten Variante einer Sensormembran;
3d schematische Darstellung einer vierten Variante einer Sensormembran;
4a schematische Darstellung einer ersten Variante einer eingesetzten Mikrosphäre;
4b schematische Darstellung einer zweiten Variante einer eingesetzten Mikrosphäre;
5a-5c schematische Darstellung der Verteilung von magnetischem Material innerhalb einer Mikrosphäre;
6a-c Darstellung verschiedener abgewandelter Varianten eines erfindungsgemäßen Sensors; und
7 Schematische Darstellung einer Kalibration des in Positionen A, B und C dargestellten Sensors der 1.

Ausführungsform(en) der Erfindung
Im Folgenden wird ein erfindungsgemäßer optischer Sensor 1 exemplarisch anhand einer möglichen Ausführungsform beschrieben. Die in diesem Zusammenhang genannten Merkmale, technischen Wirkungen und Vorteile lassen sich selbstverständlich auch auf andere optische bzw. optochemische Sensoren übertragen.
1 zeigt eine optochemische Sensoreinheit 1, welche auch als optischer Sensor oder als optische Sensoreinheit bezeichnet werden kann.
Das Messprinzip der optochemischen Sensoreinheit 1 beruht auf dem Prinzip der Fluoreszenzlöschung und wird nachfolgend anhand der Ermittlung einer Konzentration von gelöstem Sauerstoff im Messmedium näher erläutert.
Die Konzentration an Sauerstoffmolekülen in der Sensormembran, also auch der Partialdruck an Sauerstoff, steht im Gleichgewicht mit der Sauerstoffkonzentration bzw. dem Sauerstoffpartialdruck im Messmedium. Beim Messvorgang erfolgt zunächst das Aussenden eines ersten Lichtsignals mit zumindest einer entsprechenden ersten Wellenlänge zum Anregen der Luminophor-Moleküle durch die Lichtquelle.
Trifft das Lichtsignal auf die Luminophor-Moleküle so werden diese angeregt und emittieren Lumineszenzstrahlung, die in Form eines zweiten Lichtsignals von der Sensoreinheit 1 erfasst werden kann.
Sind Sauerstoffmoleküle in der Sensormembran vorhanden, so wechselwirken diese mit den Luminophor-Molekülen und beeinflussen die Emission des zweiten Lichtsignals (z.B. andere Intensität, anderer Phasenwinkel oder andere Abklingzeit). So erfolgt z.B. eine Energieübertragung durch das zweite Lichtsignal auf die Sauerstoffmoleküle. Dadurch nimmt die Intensität des zweiten Lichtsignals ab. Dieser Effekt wird auch als Quenching bezeichnet und die Sauerstoffmoleküle sind dabei die sogenannten Quencher.
Die Intensität, der Phasenwinkel oder die Abklingzeit des zweiten Lichtsignals ist abhängig von der Konzentration an Quencher-Molekülen. Selbstverständlich können nicht nur Sauerstoffmoleküle sondern auch andere Moleküle, je nachdem welches Luminophor eingesetzt wird, auf diese Weise ermittelt werden.
Als Luminophor kann insbesondere ein Fluoreszenzmittel dienen, allerdings kann auf analoge Weise auch ein Phosphoreszenzmittel eingesetzt werden, so dass hier eine Phosphoreszenzlöschung durch Quenching erfolgt.
Die in 1 dargestellte optochemische Sensoreinheit weist ein Sensorgehäuse 2 auf. Dieses Sensorgehäuse 2 ist über eine Signalleitung 3 mit einer Auswerteeinheit 4, welche vorzugsweise als Messumformer ausgebildet ist, verbunden.
Die Auswerteeinheit 4 ist mit einer Steuereinheit 5 verbunden. Die Auswerte- und Steuereinheit können allerdings auch als eine Einheit realisiert sein. Die optochemische Sensoreinheit 1 kann entlang der Signalleitung 3 eine Kopplungsstelle zur Ankopplung an eine Auswerteeinheit 4 aufweisen.
Die optochemische Sensoreinheit 1 weist eine Sendeeinheit 6 auf. Diese Sendeeinheit 6 weist eine Lichtquelle 7, die z.B. eine LED umfassen kann, zum Aussenden eines optischen Signals auf. Weiterhin weist der optische Sensor eine Empfangseinheit 8, die z.B. eine Fotodiode umfassen kann, zum Empfang des veränderten optischen Signals, z.B. des durch den Lumineszenzfarbstoff (Indikatorfarbstoff) emittierten und durch Lumineszenzquenching beeinflussten zweiten optischen Signals, und zur Wandlung des optischen Signals in einen strom- und/oder spannungsäquivalenten Messwert, auf. Die Empfangseinheit 8 ist in 1 in kompakter Bauweise mit der Sendeeinheit 6 zu einer Sende- und Empfangseinheit zusammengefasst.
Der optische Sensor 1 weist einen hülsenförmigen Gehäuseabschnitt 9 auf, welcher sich an die Empfangs- und Sendeeinheit 6 anschließt. Innerhalb des Gehäuseabschnitts 9 ist ein Lichtleiter 10 bzw. Lichtwellenleiter geführt. Der Lichtleiter 10 leitet das optische Signal von der Lichtquelle 7 zu einer Sensormembran 11 oder von der Sensormembran 11 zur Empfangseinheit 8. Weiterhin kann innerhalb des Gehäuseabschnitts 9 eine Einstelleinheit 12, vorzugsweise eine Regeleinheit, zur Einstellung eines Elektromagneten angeordnet sein.
Sowohl die Einstelleinheit 12 als auch die Empfangs- und Sendeeinheit 6 können unmittelbar oder mittelbar, beispielsweise über eine Sensorkopplung 27, mit der Auswerteeinheit 4 verbunden sein.
Der optische Sensor 1 weist vorzugsweise stirnseitig einen Magneten, vorzugsweise einen Elektromagneten 14, auf. Der Elektromagnet 14 wird über die Einstelleinheit 12 mit Strom betrieben, wobei der Strombezug über die Einstelleinheit 12 einstellbar ist. Besonders bevorzugt wird der Elektromagnet 14 in einem ersten Betriebszustand aktiviert und in einem zweiten Betriebszustand deaktiviert.
Die Sensormembran 11 ist stirnseitig an dem Gehäuseabschnitt 9 angeordnet und bildet zugleich einen Wandungsabschnitt eines Messraumes 15. Der Gehäuseabschnitt 9 ist eine von der Zu- und Ableitung 16, 17 lösbare Baueinheit des Sensorgehäuses 2. Der Messraum 15 ist zur Aufnahme eines Fluids 50, vorzugsweise einer Flüssigkeit umfassend einen Analyten und magnetische und/oder magnetisierbare Mikrosphären 30, vorgesehen, welche nachfolgend auch als „beads“ bezeichnet werden. Diese magnetischen Mikrosphären 30 sind insbesondere ferromagnetisch. Als magnetische Mikrosphären im Sinne der vorliegenden Erfindung sind auch magnetisierbare Mikrosphären zu verstehen.
Das Fluid kann zudem zumindest einen Indikator und/oder zumindest einen Katalysator umfassen. Der Katalysator und/oder der Indikator können jeweils frei in der Lösung oder ggf. auch in den magnetischen Mikrosphären 30 eingelagert vorliegen. Zwei Ausführungsvarianten der magnetischem Mikrosphären 30 sind in 4a und 4b schematisch dargestellt. In 4a weist die Mikrosphäre 30 einen Kern 35 aus magnetischem Material, z.B. Eisenoxid, auf, welcher durch ein Kapselmaterial 36 ummantelt ist. Dieses Kapselmaterial 36 stellt die Mikrosphäre dar und ist mit mehreren Funktionsschichten 31-34 beschichtet. Eine äußere Schicht ist als eine Enzymschicht 31, umfassend ein Enzym zur Umwandlung des Analyten, ausgebildet. Eine Zwischenschicht ist als Reflektorschicht 34 ausgebildet.
4b zeigt eine alternative Mikrosphäre 30 mit einem Kern 35 aus magnetischem Material, z.B. Eisenoxid, auf, das mit Kapselmaterial umhüllt ist. Eine äußere Schicht ist als eine Deckschicht 33, z.B. zum Schutz der darunterliegenden Schichten vor mechanischem und/oder chemischen Einwirkungen, beispielsweise vor Hydrolyse, ausgebildet. Eine dazu benachbarte Schicht ist als eine Enzymschicht 31 ausgebildet, umfassend ein Enzym zur Umwandlung des Analyten. Dazu benachbart ist eine Indikatorschicht 32 umfassend zumindest ein Luminophor angeordnet. Sodann ist eine Reflektorschicht 34 zwischen der Reflektorschicht 34 und dem den Kern 35 umhüllenden Kapselmaterial der Mikrosphäre 30 angeordnet.
Die Indikatorschicht 32 der Mikrosphäre 30 und die analyt-sensitive Schicht 101 der Sensormembran können vorzugsweise aus dem gleichen Material aufgebaut sein.
Im Kapselmaterial 36, vorzugsweise Naturstoffkapseln, z.B. Exine, sind vorzugsweise nur die magnetischen Bestandteile eingekapselt. Die Reflexionsschicht bzw. Reflektorschicht 34 ist vorzugsweise außerhalb des Kapselmaterials 36 angeordnet, wobei das Kapselmaterial benachbart zur Reflexionsschicht ist. Auf der Reflexionsschicht 34 ist die Indikatorschicht 32 und ggf. eine enzymhaltige Schicht bzw. die Enzymschicht 31 angeordnet. Die enzymhaltige Schicht bzw. Enzymschicht kann Platinpartikel enthalten. Eine Schicht mit Platinpartikeln zur Umwandlung des Analyten kann auch alternativ zur Enzymschicht vorgesehen sein. Natürlich sind noch Zwischenschichten und Deckschichten, z.B. die Deckschicht 33, zusätzlich möglich.
Die magnetische Substanz in der Mikrosphäre 30 kann auf unterschiedliche Weise verteilt sein. Dies wird schematisch in 5 a-c dargestellt. 5a zeigt eine Konzentration des magnetischen Materials in einem Kern 35. Darüber hinaus weist die Mikrosphäre das Kapselmaterial 36 einer Mikrosphäre auf, welches den magnetischen Kern verkapselt.
Innerhalb des Kapselmaterials 36 sind in der Variante der 5b die magnetischen Partikel 38 verteilt angeordnet.
In 5c sind magnetische Partikel 38 um einen Polymerkern 37 herum als Beschichtung angeordnet. Der beschichtete Polymerkern 37 ist mit Kapselmaterial 36 zu einer Mikrosphäre verkapselt.
Das Kapselmaterial 36 kann mit weiteren Schichten, z.B. den Schichten 31-34, beschichtet sein.
Der Messraum 15 ist mediumsdicht gegenüber dem Gehäuseabschnitt 9 angeordnet und kann über eine Zuleitung 16 und eine Ableitung 17 befüllt und/oder entleert werden. Entlang der Zuleitung 16 und der Ableitung 17 kann jeweils zumindest ein Ventil angeordnet sein. Im konkreten Ausführungsbeispiel der 1 ist ein Ventil 18 jeweils auf der Zu- und Ableitung 16 und 17 vorgesehen und zudem entlang jeder der beiden Leitungen jeweils ein Hahn 13, insbesondere ein Mehrwegehahn, für eine optimale Zirkulation.
Über die Zuleitung kann insbesondere ein Lösungsmittel 25 zugeführt werden. Ggf. kann das Lösungsmittel 25 auch bereits den Indikator und/oder den Katalysator enthalten. Entlang der Zuleitung 16 ist eine Dosiereinheit 19 angeordnet, mittels welcher die Mikrosphären und, sofern nicht bereits im Lösungsmittel vorhanden, ggf. auch der Katalysator und der Indikator zudosiert werden können. Innerhalb des Messraumes 15 ist eine Durchmischung bevorzugt. Hierfür kann der Sensor eine Durchmischungsvorrichtung aufweisen, welche im vorliegenden Fall ein Dauermagnet 26, umgangssprachlich auch Rührfisch genannt, sein kann, welcher von einer Rühreinrichtung, beispielsweise durch den Elektromagneten 14, betrieben werden kann. Es ist allerdings auch denkbar, die Rühreinrichtung außerhalb des Messraumes 15 anzuordnen, wobei die Mikrosphären selbst als Magnete dienen und eine Durchmischung ermöglichen.
Auf der entgegengesetzten Seite zur Sensormembran 11 ist der Messraum 15 durch eine analytpermeable Membran 20 begrenzt. Diese Membran 20 ist im bestimmungsgemäßen Gebrauch mediumsberührend gegenüber dem eigentlichen Messmedium 21 angeordnet. Sie ist, abgesehen vom Analyten, vorzugsweise undurchlässig gegenüber den in Messraum befindlichen Komponenten, insbesondere den Mikrosphären, dem Indikator und dem Katalysator.
Die Sensormembran 11 selbst ist ebenfalls magnetisierbar. Hierfür kann die Sensormembran 11 eine Flachspule 22 aufweisen. Die Flachspule kann vielfältige Form aufweisen, sie kann beispielsweise als Spiral oder Rechteckspule ausgebildet sein.
In 3 a-d wird genauer auf den Aufbau für eine Sensormembran 11 eingegangen, wobei 3a und 3b Vorstufen einer Sensormembran darstellen und erst 3d eine fertige Sensormembran zeigt.
Die Sensormembran ist vorzugsweise mehrschichtig aufgebaut mit mehreren übereinander gelagerten Schichten. Diese definieren eine Stapelrichtung. Die Sensormembran kann fest montiert oder austauschbar im Messraum 15 angeordnet sein.
Die Sensormembran 11 kann eine transparente oder transluzente Wand als Substratschicht bzw. Substrat 100 aufweisen. Das Substrat kann beispielsweise aus Siliziumoxid oder alternativ aus Titanoxid, Wolframoxid, Zinkoxid, Zinnoxid, Vanadiumoxid und/oder Galliumoxid bestehen.
Auf dem Substrat 100 kann in Stapelrichtung zum Medium hin eine analyt-sensitive Schicht 101, insbesondere umfassend ein Luminophor, angeordnet sein.
Auf der analyt-sensitiven Schicht 101 kann die Sensormembran eine fluidberührende Schicht 102 zum Kontakt mit dem Fluid 50 im Messraum 15 aufweisen. Je nach Anwendungsgebiet kann diese fluidberührende Schicht 102 eine Polarität aufweisen, beispielsweise kann die Schicht 102 superhydrophob, hydrophil oder omniphob ausgebildet sein.
Weitere nicht-dargestellte Schichten können ebenfalls vorhanden sein. Dies betrifft beispielsweise mindestens eine Reflexionsschicht, Diffusionsschicht und/oder eine optisch-isolierende Schicht, welche zwischen der fluidberührenden Schicht 102 und der analytsensitiven Schicht 101 angeordnet sein kann.
Zwischen den vorgenannten Schichten kann jeweils eine Haftvermittlerschicht angeordnet sein. Eine solche Schicht 103 ist beispielsweise in 3c zwischen dem Substrat 100 und der analyt-sensitiven Schicht angeordnet.
In der Sensormembran ist zwischen der analytsensitiven Schicht 101 und der fluidberührenden Schicht 102 eine Schicht mit einem zweiten Magneten, insbesondere einem Elektromagneten 104, angeordnet. Der Elektromagnet 104 kann vorzugsweise als Flachspule, besonders bevorzugt als Planarspule, ausgebildet sein und somit Teil der Sensormembran 11 sein.
Beim Messprinzip des erfindungsgemäßen Sensors 1 der 1 können die Mikrosphären durch Aktivierung, insbesondere Induktion, eines Magnetfeldes in Kontakt mit der Oberfläche der Sensormembran 11 gebracht werden. Dabei werden die magnetischen Mikrosphären durch den Elektromagneten 104 angezogen, so dass es zu einer lokalen Konzentration der Mikrosphären entlang der Sensormembran 11 kommt. Erst nach dem Aufbau des Magnetfeldes ist daher eine reproduzierbare störungsfreie Messung auch bei niedriger Leistungsaufnahme möglich.
Als Messgrößen zur Auswertung eignen sich alle möglichen im optischen Messverfahren einsetzbaren Messmethoden wie z.B. die Bestimmung der Abklingzeit, Phasenwinkelverschiebung, Intensitätsänderung, Absorptionsänderungen.
Zu bestimmende Parameter durch den Sensor 1 sind vorzugsweise Parameter wie Glukose, Laktose und/oder Alkohol, welche zur Messung Enzyme zur Umwandlung in eine vom Sensor erfassbare Substanz, wie beispielsweise Sauerstoff, benötigen. Die vom Sensor erfassbare Substanz wird auch als sensor-aktive Substanz bezeichnet. Enzyme erfahren in der Regel eine Alterung bei Belastung bei hohen Temperaturen in wasserhaltiger Umgebung über längere Zeiträume, welche zu Degradationen (Hydrolyse) insbesondere der Proteinstruktur führt.
Durch Einlagerung der eingesetzten Enzyme in die Mikrosphären wird eine höhere Hydrolysestabilität der Enzyme erreicht. Die Einlagerung kann in einem vorbereitenden Schritt bereits vor dem Einsatz der Mikrosphären im Sensor erfolgen.
Daher kann es vorteilhaft sein, wenn die empfindlichen Enzyme entweder außerhalb der Hauptbelastungszone gelagert oder dem Prozess wieder zugeführt oder regeneriert und wieder zugeführt werden können, was durch den vorliegenden erfindungsgemäßen Sensor ermöglicht wird.
In der Ausgestaltungsvariante des Sensors 1 mit einer Sensormembran gemäß der 3c kann eine Flachspule in der Sensormembran 11 aufgebracht werden oder alternativ oberflächlich auf der Oberfläche der Sensormembran oder der transparenten oder transluzenten Wand aufgebracht werden. So kann eine entsprechende Flachspule beispielsweise als eine Spiralstruktur oder eine Rechteckstruktur aufgebracht werden. Dabei ist bei der Ausgestaltung zu beachten, dass eine hinreichend aktive Messfläche zur Signalleitung zur Verfügung steht, da die aufgebrachten Strukturen nicht transparent sind.
Idealerweise kann daher die Struktur im Randbereich der Sensormembran aufgebracht werden und möglichst nur geringe Flächen in eigentlichen Messbereich des analyt-sensitiven Bereiches der Sensormembran 11 bedecken.
Das Spulenmaterial kann direkt auf dem Substrat angeordnet in die Sensormembran eingebracht oder auf der Membranoberfläche aufgebracht werden. Idealerweise erfolgt durch den konstruktiven Aufbau der Spule keine Beeinflussung des Lichtantwortsignals.
Bei den sogenannten Flachspulen kann es sich besonders bevorzugt um eine planarspiralförmige Spule, eine planar-mäanderförmige Spule, eine dreidimensionale mäanderförmige Spule und/oder um eine helixförmige Spulen handeln.
Die Spule kann sich insbesondere direkt vor dem Lichtwellenleiter des Sensors befinden oder auf der mediumsabgewandten Seite des Substrats der Sensormembran oder auf der mediumszugewandten Seite des Substrats der Sensormembran oder in einer anderen Zwischenschicht der Sensormembran oder auf der mediumsberührenden Oberfläche der Sensormembran zum Messraum 15 hin.
Der Elektromagnet 104, in 3c in Form der Flachspule, kann zudem mit dem Substrat kontaktiert sein, sofern es leitfähig ist, z.B. wenn Indium-Zinnoxidschicht oder Leiterbahnen auf oder in dem Substrat vorliegen. Diese Schichten können z.B. aufgesputtert sein.
Alternativ oder zusätzlich kann der Elektromagnet 104 auch durch den Induktionsstrom einer zweiten Spule, beispielsweise auch der Spule 14, betrieben werden.
Alternativ zu dem in 1 dargestellten Sensor 1 kann auch anstatt der Sensormembran 11 lediglich ein Lichtwellenleiter mit endständiger mediumsberührender, insbesondere stirnseiter Oberfläche, oder ein Lichtwellenleiter mit einem Substrat 100 (Variante 3a) mit mediumsberührender Oberfläche oder ein Lichtwellenleiter mit einem Substrat 100 und einer analytsensitiven Schicht 101 (Variante 3b) mit mediumsberührender Oberfläche oder aber ein Lichtwellenleiter mit einem Substrat 100, einer analytsensitiven Schicht 101 und der fluidberührenden Schicht 102 (Variante 3c) mit mediumsberührender Oberfläche vorgesehen sein. Die mediumsberührende Oberfläche des Lichtwellenleiters bzw. die analytsensitive Schicht berühren im Betrieb des Sensors jedoch nicht das Messmedium 21, sondern das Fluid 50 im Messraum 15.
Bei den vorgenannten alternativen Varianten kann eine elektromagnetische Vorrichtung bzw. ein Elektromagnet, beispielsweise in Form einer Spule, im oder um den Lichtleiter herum angeordnet sein. Dabei kann insbesondere eine magnetisierbare Faser oder ein Draht, vorzugsweise eine oder mehrere ferromagnetische Fasern, verwendet werden, welche zwischen Fasern des Lichtleiters angeordnet sein oder um einen Lichtleiter herumgewickelt vorliegen.
Vorzugsweise kann eine Spule entlang dem Lichtwellenleiter 10, beispielsweise einem Bündel aus lichtleitenden Fasern, auf an einem dem Medium zugewandten Ende des Lichtwellenleiters 10 angeordnet sein. Es muss, wie bereits zuvor erörtert, auch nicht zwingend eine Sensormembran 11 eingesetzt werden, sondern der Lichtwellenleiter kann ebenfalls über eine fluidberührende Oberfläche verfügen, entlang welcher ein Elektromagnet angeordnet sein kann.
Selbstverständlich kann sowohl der Elektromagnet 104 innerhalb der Sensormembran 11 als auch der zusätzliche Elektromagnet 14 zur Anziehung der Mikrosphären vorgesehen sein oder jeweils auch nur einer der beiden vorgenannten Elektromagnete.
Der Messraum 15 ist so ausgestaltet, dass ein Austausch an Analyt durch die dargestellte analyt-durchlässige jedoch mikrosphären-undurchlässige Membran 20 möglich ist. Ein Austauschsystem ermöglicht den Austausch gealterter Mikrosphären.
Optimalerweise weist der Messraum 15 eine Rührvorrichtung zur Homogenisierung der Lösung im Messraum, vorzugsweise bei deaktiviertem Elektromagnet 104, auf. Hier stellt der Dauermagnet als Teil eines Magnetrührwerks lediglich eine Ausführungsvariante zur Realisierung einer Rührvorrichtung dar. Daneben können auch andere Rührvorrichtungen, beispielsweise mechanische Rührvorrichtungen, eingesetzt werden.
Als Vorrichtungen zur Durchmischung können auch zentrifugale Rühreinheiten oder Levitatoren eingesetzt werden. Messvorrichtungen können die Geschwindigkeit des Rührens, z.B. durch Durchflussmessvorrichtungen, überwachen.
Bezüglich der Mikrosphären sind mehrere Varianten für den Sensor 1 denkbar, wobei konstruktive Details mit der Art der Mikrosphären variieren können.
In einer ersten Ausführungsvariante des Sensors 1 kann die Sensormembran 11 mit zumindest einem Substrat 100 und einer analyt-sensitiven Schicht 101 in direktem Kontakt mit dem Lichtwellenleiter 10 stehen, so dass ein Analyt, z.B. Sauerstoff, gemessen werden kann. Der Analyt ist hierbei aber nur ein Produkt oder Edukt einer chemischen Reaktion, welches indirekt den eigentlich zu bestimmenden Analyten nachweist. Beispielsweise kann ein Enzym vorgesehen sein, welches bei einer chemischen Reaktion Sauerstoff freisetzt oder verbraucht. Glukose oxidase (GOx oder GOD) oxidiert Glukose zu Glucolacton und reduziert hierdurch den Sauerstoffanteil im System. Die Messung der Glukose kann als Sauerstoffreferenzmessung erfolgen. Der Sauerstoffverlust geht einher mit der Glukosekonzentration. Das Enzym ist hierbei chemisch nicht so stabil, sodass in diesem Fall nur das Enzym in den Mikrosphären enthalten ist. In dieser ersten Ausführungsvariante ist nur das Enzym in den magnetischen Mikrosphären im im Sensor 1 integrierten Messraum 15 angeordnet.
2b zeigt eine entsprechende Variante mit einer Anordnung als Schnitt durch eine Schicht der Sensormembran 11. Dabei ist in diesem Fall der Elektromagnet 14 zur Erzeugung des Magnetfeldes zur Anziehung der Mikrosphären vorgesehen und ein metallisches Gitter 105 dient zur Leitung des Magnetfeldes entlang der Schicht der Sensormembran 11. Dieses kann beispielsweise in der mediumsberührenden Schicht 102 der Sensormembran 11 angeordnet sein.
Der Sensor 1 weist in einer zweiten Ausführungsvariante als Sensormembran 11 lediglich das Substrat 100 auf. In diesem Fall enthalten die Mikrosphären den Indikator, z.B. ein Luminophor, welches sich in der ersten Ausführungsvariante in der analyt-sensitiven Schicht 101 befindet und welches in der zweiten Ausführungsvariante bereits in dem Fluid im Messraum 15 den Analyten nachweist.
Der Sensor 1 weist in einer dritten Ausführungsvariante als Sensormembran 11 lediglich das Substrat 100 auf. In diesem Fall enthalten die Mikrosphären den Indikator und das Enzym, welche gemeinsam oder jeweils für sich in Mikrosphären verkapselt sein können, so dass Mikrosphären mit dem verkapselten Enzym und Mikrosphären mit verkapselten Indikator eingesetzt werden können und in diesem Fall indirekt wie anhand der ersten Ausführungsvariante beschrieben der Analytgehalt ermittelt werden kann. Indirekt bedeutet dabei, dass das Enzym den eigentlichen Analyten abbaut und der Analyt anschließend lediglich über die Änderung eines Abbauproduktes, wie z.B. die Änderung des Sauerstoffgehalts, nachgewiesen wird. Für eine Referenzmessung sind auch zwei Messzellen oder zwei Sensoren denkbar, z.B. einmal für Sauerstoff ohne den Analyten und einmal für den Analyten, z.B. für Glukose, durch Ermittlung des Differenzgehaltes an Sauerstoff.
Allen in den hier beschriebenen Varianten eingesetzten Mikropartikeln oder Mikrosphären ist gemeinsam, dass sie magnetische Substanzen (im Mikrosphären-inneren) und darüberliegend a) ein Enzym, b) einen Indikatorfarbstoff, c) ein Enzym und einen Farbstoff) aufweisen. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Elektromagneten im Sensor können die Mikrosphären angezogen und optisch vermessen werden.
Die Referenzmessung kann durch einen Referenzsensor erfolgen. Der Referenzsensor kann ebenfalls ein einfacher optischer Sauerstoffsensor oder DO-Sensor (dissolved oxygen sensor) sein. Im Falle von zwei separaten Mikrosphärentypen kann das Verhältnis zwischen Mikrosphären mit der Indikatorschicht zu Mikrosphären mit der Enzymschicht so gewählt sein, dass wesentlich mehr Mikrosphären mit der Enzymschicht vorliegen, wobei die Anzahl dieser Mikrosphären zumindest 50% höher, vorzugsweise doppelt so hoch, ist als die der Mikrosphären mit Indikatorschicht. Es ergeben sich somit drei bevorzugte Varianten für die Mikrosphären:

a) Sensor mit Membran, welche den Indikator aufweist + Mikrosphären mit Enzymschicht im Fluid;
b) Sensor mit transparenter oder transluszenter Wand + Mikrosphären mit Indikatorschicht im Fluid;
c) Sensor mit transparenter oder transluzenter Wand + Mikrosphären mit Enzymschicht und Indikatorschicht im Fluid.

Der vorgenannte Elektromagnet 104 oder der Elektromagnet 14 zum Anziehen von magnetischen Mikrosphären kann als eine Spule ausgebildet sein. Diese Spule kann aus einem diamagnetischen, paramagnetischen und/oder superparamagnetischen Material, wie beispielsweise Eisen, Cobalt, Nickel, bestehen.
Die Lichtwellenleiter-Faserbündel können auch mit magnetischen Bestandteilen versetzt sein. Im Lichtwellenleiter können auch ferroelektrische Materialien, z.B. unlösliche Nickel-, Cobalt- und/oder Eisensalze, Seltenerdmagnete wie Neodym-Eisen-Bor, Samarium-Cobalt, Samarium-Eisen-Stickstoff Legierungen, Strontiumferrite, oder andere ferritische Materialien, beispielsweise als dünne Hohlrohre oder Fasern, vorliegen.
2a zeigt eine Anordnung eines metallischen Gitters 105 innerhalb eines Lichtleiters 10, so dass sich das Magnetfeld über den Querschnitt des Lichtleiters 10 erstreckt. Nicht dargestellt ist dabei eine magnetische Spule, welche außerhalb des Lichtleiters 10 angeordnet sein kann.
Die Anordnung der vorgenannten Materialien kann somit im oder entlang des Lichtwellenleiters erfolgen. Idealerweise sollte die Anordnung derart erfolgen, dass die optischen Eigenschaften des Lichtwellenleiters nicht nachteilhaft beeinträchtigt sind.
Hierzu können die Substanzen zum Beispiel schwarz eingefärbt werden, oder die optischen Faserbündel werden mit einem schwarzen Klebstoff verklebt. Bei der Verwendung von Faserbündeln bestehend aus Lichtwellenleitern und magnetischem Fasermaterial verringert sich zwar die optisch aktive Fläche des Lichtwellenleiters, aber es vergrößert sich die magnetische Wirkung auf die Sensorbeads in der Lösung.
Bei der Sensormembran 11 in der dargestellten Ausführungsvariante kann es sich um eine gewöhnliche Membran eines optischen Sauerstoffsensors handeln, die eine Schicht umfassend einen Lumineszenzfarbstoff, insbesondere einen Fluoreszenzfarbstoff, und einen optischen Isolator aufweisen kann. Der optische Isolator kann beispielsweise in einer weiteren Schicht vorgesehen sein.
Bei den magnetischen Mikrosphären kann es sich um Kapseln auf Naturstoffbasis handeln, welche beispielsweise Zellwände aus Algen, z.B. der Kieselalge, oder die Exine von Pollen sind, oder die aus Sporen, z.B. Pilzsporen, gewonnen werden können.
Alternativ kann es sich auch um Kapseln auf Basis eines Synthesepolymers, wie z.B. Polystyrol-Divinylbenzol und deren Derivate handeln. Diese Kapseln können sodann mit Eisenoxid beladen werden.
In der vorbeschriebenen zweiten oder dritten Ausführungsvariante kann anstelle der Sensormembran 11 ein Substrat eingesetzt werden, das aus einem transparenten Material wie einem Quarz- oder Borosilikatglas, aus Saphir oder einem Kunststoff besteht.
Die Mikrosphären können, wie zuvor beschrieben, Kapseln auf Naturstoffbasis oder auf Synthesepolymerbasis sein.
Sie enthalten im Fall der zweiten Ausführungsvariante sowohl die magnetischen Bestandteile, z.B. in Form von Eisenoxid, als auch das Luminophor, z.B. ein Fluoreszenzmittel, und optional einen optischen Isolator, wenn die Mikrosphäre selbst nicht wie ein solcher wirkt.
Ebenfalls optional kann die Mikrosphäre ein Enzym, z.B. Glukose-Oxidase aufweisen, welches vorzugsweise im äußeren Bereich der Kavität vorgesehen sein kann. Eine Möglichkeit der Anordnung des Enzyms auf der Mikrosphäre ist eine Beschichtung. Falls notwendig, kann diese Enzymschicht noch mit einem wasserdurchlässigen Polymer wie zumindest einem Polyvinylcarbazol, einem vernetzten oder unvernetzten Polyacrylamid, einem Polymethacrylat, einer Hydroethylcellulose, einem Polyethylenglykol und/oder einem Polyvinylpyrrolidon oder Derivaten der vorgenannten Verbindungen beschichtet sein. Diese äußere Polymerschicht kann zur Erstellung einer Membran auf der Oberfläche der Mikrosphäre dienen und kann vorzugsweise Glukose-durchlässig ausgebildet sein.
Die eingesetzten magnetischen Mikrosphären können unterschiedlich ausgebildet sein.
Verschiedene Abbildungen von Mikrosphären sind in 4 und 5 dargestellt. Zur Herstellung von Kapseln für die Mikrosphären kann ein Verfahren eingesetzt werden, welches ein Quellen und Ausfällen in ein Lösungsmittel umfasst, sowie ein Verdampfen des Lösungsmittels, eine Sprühtrocknung, eine Flüssigkeitsverkapselung oder Kern-Hüllen (core-shell) Verkapselungen.
Ein Beispiel zur Herstellung verschiedener Mikrosphären wird nachfolgend aufgelistet:
Um Mikrokapseln, z.B. Exine zur Einkapselung von magnetischen Substanzen, herzustellen, müssen labile fluoreszierende Materialien wie Proteine, Lipide, Nukleinsäuren und Kohlenhydrate von Ausgangsstoffen wie z.B. Sporen entnommen werden. Hierzu können Lycopodium clavatum Sporen (250 g) in Aceton suspendiert und unter Rückfluss 4 h gekocht werden. Die Dispersion wird zentrifugiert und der Überstand abdekantiert. Die entfetteten Sporen werden in 4%-iger Kaliumhydroxidlösung unter Rückfluss über Nacht gerührt (basische Hydrolyse), dann filtriert, mit heißem Wasser neutral gewaschen und dann mit Ethanol farblos gewaschen. Die basenhydrolysierten Sporopollenine werden dann über Nacht im Exsikkator an Phosphorpentoxid getrocknet. 150 g des so gewonnenen Produktes werden in Orthophosphat-Lösung (85 %, 600 ml) suspendiert und eine Woche unter Rückfluss gerührt (saure Hydrolyse). Die entfetteten, und base- und säure-hydrolysierten Sporopollenine werden filtriert, mit Wasser neutral gewaschen und erneut mit Salzsäure (200 ml), Aceton (200 ml) und Ethanol gewaschen und 1 h unter Rückfluss gekocht, erneut filtriert und im Exsikkator mit Phosphorpentoxid getrocknet. Anschließend erfolgt eine Behandlung der erhaltenen Exine mit Natriumhypochlorit zur Erzielung heller Mikrosphären für optische Anwendungen. Die vorbehandelten Exine (5 g) aus werden in einer 10 %-igen Natriumhypochlorit-Lösung (250 ml), bei 60 °C für 2h gerührt und nach Erkalten abfiltriert und mit deionisiertem Wasser neutral gewaschen (ca. 1 I). Anschließend werden die Exine mit Aceton (3 x 200 ml) und Ethanol (3 x 200ml) gewaschen und im Exsikkator getrocknet.
Sodann erfolgt die Beladung der Mikrosphären mit Eisenoxid und/oder Enzymen und/oder Indikatorfarbstoff, z.B. einem Fluorophor, oder einem Referenzfarbstoff, z.B. ein Phosphorophor.
Es werden zu einer Wasser-Ethanol Lösung (9:1, 50 ml) 10 g einer Eisen(III)chlorid und 20 g Eisen(II)chloridtetrahydrat und 5 ml Salzsäure (3M) zugemischt und dann 0,4 g Exine beigemengt. Die Dispersion wird für ca. 30 min bei 45 °C stark gerührt, filtriert und mit deionisiertem Wasser gewaschen und dann 25 ml einer 1 M Ammoniaklösung beigemischt. Nach 2 h wird die Lösung abfiltriert und mit deionisiertem Wasser gewaschen. Nach der Trocknung im Exsikkator werden die mit magnetischen Partikeln beladenen Kapseln zu einer 10% wässrigen Lösung von Glukose-Oxidase und Bovine Serum Albumin (Verhältnis 1:2 v/v) in einer 1 %-igen wässrigen Glutaraldehydlösung zugetropft und in diese Lösung Exine zugegeben. Die Dispersion wird bei Raumtemperatur ca. 1 h gerührt und dann filtriert und gefriergetrocknet.
Optional kann auch eine Beladung der Mikrosphären mit einem Luminophor, beispielsweise einem Indikator- oder Referenzfarbstoff, vorzugsweise mit einem Fluorophor oder einem Phosphorophor, erfolgen.
Für die Ermittlung der Analytkonzentration kommen im Rahmen der vorliegenden Erfindung unterschiedliche optische Messverfahren in Betracht, so z.B. die Messung der Phasenwinkelverschiebung, der Abklingzeit und/oder der Intensitätsänderung. Mit einem Fluorophoren kann man über die Intensitätsänderung eine Konzentration bestimmen. Die anderen beiden Verfahren können vorzugsweise bei Low Power Sensoren ein Phosphorophor verwenden. Für bestimmte Messungen ionischer Substanzen werden in der Regel ein Fluorophor als Indikator eingesetzt und ein Phosphorophor als Referenzfarbstoff verwendet, z.B. zur Ermittlung des pH-Wertes oder einer Ionenkonzentration.
Nachfolgend wird die Verkapselung eines Luminophors anhand eines Beispiels näher erläutert:
Ruthenium-tris(4,7-diphenyl-1,10-phenanathrolin)-trichlorid (10 mg) wird in Dichlormethan (2 ml) und Exine (1 g) der Charge aufgenommen und auf einem Magnetrührer für ca. 2-3 min gerührt. Die Dispersion wird dann in Wasser langsam zugetropft und weitere 2-3 min gerührt. Die Exine werden dann filtriert und getrocknet. Die Einkapselungseffizienz kann über Gewichtszunahme oder analytisch mittels Extraktion und HPLC bestimmt werden. Die so hergestellten Hohlkörper werden im Exsikkator getrocknet, und dann mit Ethanol / THF / Wasser (80: 10: 10) und Eisenoxid dispergiert und durch Sprühen mit einer Sprühpistole in ein vorgewärmtes Becherglas verkapselt und aufgefangen.
Das vorgenannte Beispiel ist lediglich eine Möglichkeit der Verkapselung. Es sind auch deutlich komplexere Mikrosphären realisierbar. Für eine derartige komplexere Mikrosphäre können die Sensorbestandteile durch sukzessives Verkapseln in die Mikrosphären eingebracht werden. Durch die unterschiedlichen Schichten kann eine möglichst große Intensität vom Sensor erfasst werden.
Gleichzeitig können die Mikrosphären beliebig durch den Elektromagneten anziehbar sein, so dass eine schnelle, reproduzierbare Messung möglich ist.
Bei der Herstellung kann zunächst eine magnetische Mikrosphäre bereitgestellt werden, auf welche sodann die weiteren Schichten nach und nach aufgebracht werden können.
Nachfolgend wird die Variantenvielfalt der Mikrosphären näher erläutert. Zunächst erfolgt ein Bereitstellen von unbeladenen Kapseln. Sodann können die folgenden Schritte erfolgen:

A) Beladung mit magnetischen Bestandteilen, beispielsweise gemäß dem vorbeschriebenen Beispiel
B) Optional: Aufbringung einer Reflexionschicht vorzugsweise umfassend TiO₂, ZrO₂, oder BaSO₄
C) Optional: Aufbringen einer Trennschicht als Schicht zur Verhinderung der Partkelwanderung von Partikeln auf der analyt-sensitiven Schicht (D) in untere Schichten
D) Aufbringen des Fluoreszenzfarbstoffs bzw. der analyt-sensitiven Schicht mit dem Fluoreszenzfarbstoff
E) Optional: Aufbringen einer Diffusionsbarriere und/oder einer hygienischen Schicht,

Die Ausbildung der vorgenannten Trennschicht kann beispielsweise wie folgt erfolgen: Titantetraethanolat (auch englisch: titanium ethoxide) kann als Precurser verwendet werden, da TiO₂ im Wesentlichen unlöslich ist. Zur Beschichtung kann eine Emulsionspolymerisation genutzt werden. Eine Wasserzugabe initiiert die Vernetzung. Das gebildete TiO₂ bildet sodann eine unlösliche Teilschicht auf dem Kapselmaterial der Mikrokapsel. ZrO₂ kann in ähnlicher Weise aufgebracht werden. Zum Auftrag von Bariumsulfat kann eine Fällungsreaktion genutzt werden. Hier kann BaCl₂ und H₂SO₄ zur Reaktion gebracht werden.
Als Diffusionsbarriereschicht kann Silikon, Teflon AF, Hyflon und/oder Polyurethan, insbesondere für ionische Analyten, genutzt werden.
Zur Einbindung von Enzymen können polare Substanzen wie Polyacrylate, Polyethyleglykole (PEG) und/oder Polyvinylalkohole (PVA) genutzt werden.
Als hygienische Schicht können u.a. RTV Silikone und/oder Polyurethan (PUR) genutzt werden.
Nachfolgend wird eine weitere Variante zur Herstellung von beladenen Mikrosphären beschrieben. Zunächst erfolgt ein Bereitstellen von unbeladenen Kapseln. Sodann können die folgenden Schritte erfolgen:

A) Beladung mit magnetischen Bestandteilen beispielsweise gemäß dem vorbeschriebenen Beispiel
B) Aufbringung einer Reflexionschicht z.B. einer TiO₂-, ZrO₂- und/oder BaSO₄-haltigen Schicht, in welcher ein Luminophor, z.B. ein Fluoreszenzfarbstoff, enthalten ist. Alternativ kann eine analyt-sensitive Schicht aufgetragen werden.
C) Optional: Aufbringen einer Diffusionsbarriere oder einer hygienischen Schicht beispielsweise durch Dippen in eine verdünnten Silikonlösung (Hexan als Lösungsmittel) oder in eine Fluoroalkylsiloxanlösung

Im Folgenden werden verschiedene Varianten der Ausgestaltung der Membran 20 näher erläutert.
Die Membran 20 ist beispielsweise aus einer Polymermembran gebildet, die durchlässig für den Analyten ist. Die Membran 20 ist in diesem Beispiel mit dem übrigen Sensorgehäuse verbunden. Es sind jedoch eine Vielzahl alternativer Ausgestaltungen möglich. Beispielsweise kann die Membran 20 auch als poröse Wandung des Sensorgehäuses ausgebildet sein, z.B. durch einen den Messraum 15 abschließenden, ein oder mehrere Durchgangslöcher, z.B. Nanolöcher, aufweisenden Wandungsbereich. Alternativ kann die Membran 20 auch durch eine den Messraum 15 abschließenden Wandung oder Lage aus einer porösen und/oder ionenleitenden Substanz, beispielsweise einem Molekularsieb, einem Zeolithmaterial, einer Keramik, einem Ionentauscher, einem Protonenleiter, einem MOF (Metal Organic Framework) und/oder einem ZIF (Zeolitic Imidazolate Framework) gebildet sein. Die Membran 20 kann einstückig mit dem Sensorgehäuse 2 ausgebildet sein oder fest mit dem Sensorgehäuse verbunden sein.
6a-c zeigen verschiedene Varianten eines Sensors 1. Dieser kann gemäß 6a einstückig aufgebaut sein, wie er auch bereits in 1 dargestellt wurde.
Die Membran 20 kann allerdings auch Bestandteil einer lösbar mit einem Gehäusekörper verbindbaren Membrankappe 40 sein, wie dies schematisch in 6b angedeutet wurde. In dieser Ausgestaltung bilden ein Gehäusekörper 39 und die Membrankappe 40 zusammen das Sensorgehäuse 2 und den Messraum 15, und die Membrankappe 40 schließt das Sensorgehäuse 2 und den darin gebildeten Messraum 15 zum Messmedium hin ab. Die Membrankappe 40 ist dabei auf das restliche Sensorgehäuse 2 aufgesteckt.
Ist die Membran 20, wie in 6c dargestellt, aus einem porösen Material, z.B. einer porösen Keramik oder Zeolith, gebildet, kann sie in Form einer teilweise oder vollständig aus dem porösen Material bestehenden Kappe 41 gebildet sein, die lösbar, beispielsweise durch eine Steck- oder Schraubverbindung, mit dem restlichen Gehäusekörper 39 verbunden wird, so dass die Kappe den Messraum 15 messmediumsseitig abschließt.
In dieser Ausgestaltung ist ein schneller Analytaustausch zwischen dem Messfluid und dem in dem Messraum enthaltenen Indikator möglich. Vorteilhaft ist hierbei, wenn die gegebenenfalls in der Indikatorlösung enthaltenen Hilfsstoffe die Membran 20 nicht in Richtung Messmedium passieren können. Die poröse Keramik kann außenseitig mit einer analyt-selektiven Polymerbeschichtung und/oder innenseitig mit einer ablagerungsabweisenden Beschichtung versehen sein.
Optional kann die Keramik Polymere enthalten, welche analyt-selektiv wirken, wie spezielle Acrylamide und/oder Hydroxycellulose. Die Trennung erfolgt in der Regel via Größenausschluss.
Generell soll die Membran 20 vor störenden Substanzen wie Proteinen oder Farbstoffmolekülen geschützt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltungsmöglichkeit kann daher aber auch die mediumsberührende Membran 20 schon analytselektiv sein. Dies ist aber im Sinne der Erfindung nicht notwendigerweise vorgegeben.
Im einfachsten Fall liegt im Messraum fast alles vor, was auch im Messmedium vorliegt, mit Ausnahme von großen abrasiven Materialien oder Materialien, welche dazu neigen, die Membran 20 zu verblocken und/oder eine Verfälschung der Messung bewirken können. Die Membran 20 soll primär das Austreten von den magnetischen Mikrosphären/Beads aus dem Messraum 15 verhindern. Der Begriff analyt-selektiv ist als Zusatzfunktion eines groben Partikel- und/oder Substanzfilters zu verstehen.
Im Folgenden werden verschiedene Varianten der Ausgestaltung des Messraumes 15 näher erläutert.
Die optische Sensoreinheit 1 kann mindestens einen Lichtleiter zum Leiten von durch die Sendeeinheit bzw. die Strahlungsquelle emittierte Strahlung in den Messraum 15 und zum Leiten von Lumineszenzstrahlung aus dem Messraum 15 zur Empfangseinheit umfassen.
Der Messraum 15 kann mit mindestens einem, außerhalb des Messraums 15 angeordneten Reservoir, welches magnetische, mit Indikator und/oder Enzym beladene Mikrosphären, enthält, über eine erste Fluidleitung, die Zuleitung 16, fluidisch verbunden sein. Das Reservoir kann als Teil einer Dosiereinheit 19 vorgesehen sein. Der Messraum 15 kann mit einer zweiten Fluidleitung, der Ableitung 17, fluidisch verbunden sein. Die zweite Ableitung 17 kann mit einem nicht näher dargestellten Sammelbehälter zum Auffangen von verbrauchten Mikrosphären verbunden sein. In dieser Ausgestaltung können die im Messraum 15 vorliegenden Mikrosphären in regelmäßigen Zeitabständen, bei Bedarf oder kontinuierlich gegen Mikrosphären aus dem Reservoir der Dosiereinrichtung 19 ausgetauscht werden. Hierzu kann die Sensoreinheit 1 Mittel zum Transport von Fluid aus dem Reservoir in den Messraum und zum Transport von Fluid aus dem Messraum 15 in die Ableitung 17 umfassen. Diese Mittel können Ventile, Pumpen, abfallende Fluidleitungen oder sonstige Mittel zum Erzeugen von Druckgradienten, entlang derer Fluid transportierbar ist, umfassen. Das mindestens eine Reservoir der Dosiereinheit 19 und/oder der Sammelbehälter können innerhalb des Sensorgehäuses 2 angeordnet sein. Alternativ können das Reservoir und/oder der Sammelbehälter außerhalb des Sensorgehäuses 2 angeordnet sein. In diesem Fall sind die Zuleitung 16 und die Ableitung 17 aus dem Sensorgehäuse 2 herausgeführt, um das Reservoir der Dosiereinheit 19 und/oder den Sammelbehälter fluidisch mit dem Messraum 15 zu verbinden.
Vorteilhaft kann das im Messraum 15 angeordnete Reservoir mit einem oder mehreren, beispielsweise zwei oder drei, außerhalb des Messraums 15 angeordneten nicht-dargestellten Reservoirs fluidisch verbunden sein. Jedes der Reservoirs kann einen Indikator und/oder ein Enzym umfassen, welche in magnetischen Mikrosphären gebunden, vorzugsweise verkapselt, sind. Die jeweiligen Mikrosphären der jeweiligen Reservoirs können sich hinsichtlich des Indikators und/oder des Enzyms voneinander unterscheiden. Zum Beispiel kann in einem ersten Reservoir eine mit einem Indikator und/oder Enzym beladene Art von Mikrosphären enthalten sein, die zur Bestimmung der Konzentration eines ersten Analyten geeignet ist, während in einem zweiten Reservoir eine mit einem zweiten Indikator und/oder Enzym beladene Art von Mikrosphären enthalten sind, der zur Bestimmung der Konzentration eines von dem ersten Analyten verschiedenen zweiten Analyten geeignet ist. Es ist dann möglich, im Betrieb der Sensoreinheit 1 wahlweise den ersten oder den zweiten Indikator und/oder Katalysator in den Messraum 15 einzuleiten, um nach Wahl oder abwechselnd die Konzentration des ersten oder des zweiten Analyten zu bestimmen. Die Membran 20 ist in diesem Fall so ausgestaltet, dass sowohl der erste als auch der zweite Analyt durch die Membran 20 in den Messraum 15 gelangen. Zusätzlich ist der Messraum 15 in dieser Ausgestaltung mit mindestens einem Sammelbehälter zum Auffangen von verbrauchtem Indikator und/oder Katalysator verbunden, in den der Indikator und/oder Katalysator aus dem Messraum 15 abgeleitet werden kann.
Der räumlich abgegrenzte Messraum kann darüber hinaus auch zur Kalibrierung der Mikrosphären genutzt werden, wie dies z.B. in 7 dargestellt ist, wenn die analyt-durchlässige Membran 20 z.B. mechanisch verschließbar ausgestaltet ist. Hierzu wird die Sensoreinheit 1 ausgehend von Messposition A zum Beispiel durch Rückführung der Sensoreinheit 1 in eine Position C innerhalb einer Armatur 200 aus der Messposition A, in der sich die Membran 20 beispielsweise in einem Behälter befindet, oder durch Herausbewegung der Sensoreinheit 1 aus der Armatur 200, bis die Membran an einer flachen Wandung der gegenüberliegenden Seite des Behälters anliegt (Position B), bewegt. Der Behälter kann z.B. eine Rohrleitung oder ein Reaktionsgefäß, z.B. ein Fermenter, sein. In den in 7 dargestellten Positionen B und C ist die Membran 20 temporär gegenüber dem im Behälter befindlichen Messmedium versiegelt. Während dieser temporären Versiegelung der Membran 20 kann ein den Analyt enthaltender Standard in den Messraum zugesetzt, kalibriert und gewaschen und ein neuer Standard zugesetzt, und abermals kalibriert und gewaschen werden. Während des Waschens kann der Elektromagnet 104 die Mikrosphären fixieren, sodass nur die Kalibrierlösung ausgetauscht wird. Auf diese Weise ist die Durchführung einer Vielzahl von Kalibrierungen möglich. Optional kann ein separater Sauerstoffreferenzsensor vorgesehen sein, welcher auch im Messraum angeordnet sein kann und welcher den Sauerstoffgehalt der Lösung als Referenzwert detektiert.
Bezugszeichenliste

1: optische Sensoreinheit
2: Sensorgehäuse
3: Signalleitung
4: Auswerteeinheit
5: Steuereinheit
6: Sendeeinheit (+ Messwertverarbeitungseinheit bei intelligenten Sensoren)
7: Lichtquelle
8: Empfangseinheit
9: Gehäuseabschnitt
10: Lichtwellenleiter
11: Sensormembran
12: Einstelleinheit
13: Hahn
14: Elektromagnet
15: Messraum
16: Zuleitung
17: Ableitung
18: Ventil
19: Dosiereinheit
20: Membran
21: Messmedium
22: Flachspule
25: Lösungsmittel
26: Dauermagnet (Rührvorrichtung)
27: Sensorkopplung
30: Mikrosphäre
31: enzymhaltige Schicht
32: luminophorhaltige Schicht
33: Deckschicht
34: Reflektorschicht
35: magnetischer Kern
36: Kapselmaterial / Kapselschicht
37: Polymerkern
38: magnetische Partikel
39: Gehäusekörper
40: Membrankappe
41: Kappe
100: Substratmaterial
101: analyt-sensitive Schicht
102: mediumsberührende Schicht
103: Haftvermittlerschicht
104: Elektromagnet, z. B. Flachspule
105: metallisches Gitter
200: Armatur
300: Messvolumen

Claims

Optochemische Sensoreinheit (1) umfassend einen Lichtwellenleiter (10), eine Sendeeinheit (6) zum Aussenden eines ersten Sendesignals zur Anregung eines Luminophors, eine Empfangseinheit (8) zum Empfang eines Empfangssignals umfassend einen durch das angeregte Luminophor ausgesandten Signalanteil, wobei die Sensoreinheit (1) einen Messraum (15) zur Aufnahme eines Fluids aufweist, wobei das Fluid (50) magnetische Mikrosphären umfasst, wobei die Sensoreinheit (1) eine Membran (20) aufweist, welche zwischen dem Messraum (15) und einem Messmedium (21) angeordnet ist und welche vorgesehen ist zum Austausch eines Analyten zwischen Messmedium (21) und dem Fluid (50) im Messraum (15), wobei die Membran (20) impermeabel für die magnetischen Mikrosphären (30) ist, wobei die Sensoreinheit (1) einen Elektromagneten (14 oder 104) aufweist, welcher vorgesehen ist zur Anziehung magnetischer Mikrosphären (30) a) zu einer Sensormembran (11) des optochemischen Sensors (1) mit fluidberührender Oberfläche, welche in bestimmungsgemäßem Betrieb in Kontakt mit dem Fluid (50) ist, und/oder b) zu einer fluidberührenden Oberfläche des Lichtwellenleiters (10) oder einer Oberfläche einer mit dem Lichtwellenleiter verbundenen transparenten oder transluzenten Wand (100) der optischen Sensoreinheit (1).
Optochemische Sensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optochemische Sensoreinheit eine Steuereinheit (5) umfasst zur Steuerung des Elektromagneten (14 oder 104), wobei die Steuereinheit (5) ausgebildet ist zur Steuerung des Elektromagneten (14 oder 104) zwischen einem aktivierten und deaktivierten Zustand derart, dass Mikrosphären (30) im aktivierten Zustand angezogen werden und im deaktivierten Zustand nicht angezogen werden.
Optochemische Sensoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (14 oder 104) um einen Lichtwellenleiter (10) herum oder in dem Lichtwellenleiter (10), insbesondere in einem Faserbündel des Lichtwellenleiters, angeordnet ist.
Optochemische Sensoreinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (14 oder 104) in oder auf einer Sensormembran angeordnet ist.
Optochemische Sensoreinheit nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormembran (11) gemäß Variante a) zumindest eine Substratschicht (100) umfasst, welche eine transparente oder transluzente und leitfähige Schicht aus Siliziumoxid, Indiumzinnoxid, Graphen-Fasern, Titanoxid, Wolframoxid, Zinkoxid, Zinnoxid, Vanadiumoxid und/oder Galliumoxid aufweist oder dass die Wand gemäß Variante b) eine oder mehrere diese Materialien umfasst.
Optochemische Sensoreinheit nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensormembran (11) zumindest die Substratschicht (100) sowie eine analytsensitive Schicht (101), umfassend ein Luminophor, aufweist.
Optochemische Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (14 oder 104) als Flachspule, vorzugsweise mit rechteckigem oder spiralförmigem Aufbau, ausgebildet ist.
Optochemische Sensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Messraum (15) einen Zulauf (16) und einen Ablauf (17) zum Austausch des Fluids (50) im Messraum (15) aufweist.
Optochemische Sensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (1) eine Rührvorrichtung (26) aufweist zum Homogenisieren der magnetischen Mikrosphären (30) im Fluid innerhalb des Messraums.
Optochemische Sensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit eine Dosier- und/oder Injektionsvorrichtung (19) aufweist zur dosierten Zugabe an Fluid in den Messraum (15) und/oder Einstellung der Konzentration von Mikrosphären (30) im Fluid im Messraum (15).
Optochemische Sensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrosphären (30) eine magnetische Substanz in Form eines ferromagnetischen Materials aufweist, wobei das Material bevorzugt ausgesucht ist aus einer Gruppe umfassend: elementares Eisen, Cobalt und/oder Nickel, Nickel-, Cobalt- und/oder Eisensalze, Seltenerdmagnete, insbesondere Neodym-Eisen-Bor, Samarium-Cobalt, Samarium-Eisen-Stickstoff-Legierungen, Strontiumferrite und/oder ferritisches Materialien.
Optochemische Sensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrosphären (30) zumindest ein Mittel zur Umwandlung des Analyten (21) in eine sensoraktive Substanz, vorzugsweise ein Enzym und/oder einen Katalysator, insbesondere Platin, aufweist.
Optochemische Sensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrosphären (30) ein analyt-sensitives Material zum Nachweis des Analyten (21) oder einer aus dem Analyten umgewandelten Substanz umfasst, vorzugsweise ein luminophorhaltiges Material, besonders bevorzugt ein Material umfassend ein Fluoreszenzmittel.
Optochemische Sensoreinheit nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrosphären (30) jeweils eine Kapselschicht (36) aus einem Naturstoff oder aus einem Synthesepolymer aufweisen.
Messanordnung umfassend eine optochemische Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und eine mit der optochemischen Sensoreinheit verbundenen übergeordneten Einheit, insbesondere einen Messumformer oder eine Steuerelektronik und/oder eine Energieversorgung, wobei die optochemische Sensoreinheit und die übergeordnete Einheit über eine, insbesondere lösbare, Verbindung, vorzugsweise eine induktiv koppelnde Steckverbinderkupplung und/oder eine Funkverbindung, miteinander gekoppelt sind, und wobei Energie unidirektional von der übergeordneten Einheit zu der optochemischen Sensoreinheit über die Verbindung übertragen wird.
Messanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung eine galvanisch getrennte Verbindung ist.
Messanordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die übergeordnete Einheit eine Datenverarbeitungseinheit umfasst, und wobei zusätzlich Daten, insbesondere Werte der Messgröße, bidirektional zwischen der optochemischen Sensoreinheit und der übergeordneten Datenverarbeitungseinheit über die Verbindung übertragen werden.
Verfahren zur qualitativen und/oder quantitativen Bestimmung eines Analyten in einem Messmedium mit einer optochemischen Sensoreinheit (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend die folgenden Schritte: a. Einführen eines Fluids umfassend magnetische Mikrosphären (30) mit zumindest einem Mittel zur Umwandlung des Analyten (21) in eine sensoraktive Substanz oder mit einem analyt-sensitiven Material zum Nachweis des Analyten (21) oder einer aus dem Analyten umgewandelten Substanz in den Messraum (15); b. Einführen der Sensoreinheit (1) in ein Messmedium; c. Aktivieren des Elektromagneten (14 oder 104) so dass sich die Mikrosphären (30) an einer Sensormembran (11) mit fluidberührender Oberfläche und/oder zu einer fluidberührenden Oberfläche eines Lichtwellenleiters (10) ansammeln; d. Ermittlung eines Messsignals während sich die Mikrosphären (30) an der fluidberührenden Oberfläche angesammelt haben.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass nach einmaliger oder mehrmaliger Abfolge der Schritte a-d eine Kalibration unter Einführen der optochemischen Sensoreinheit (1) in eine Armatur (200) oder unter temporärem Versiegeln der Membran (20) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibration als eine In-Situ Kalibration in einer Rohrleitung erfolgt.