DE102021133357A1 - Sensor element, sensor system and method for manufacturing the sensor element - Google Patents

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Andreas Löbbert
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement (10) zum Detektieren eines Analyten, umfassend:- einen Lichtleiter (20), welcher sich entlang einer Achse (A) erstreckt und ein erstes Ende (21), ein zweites Ende (22) sowie eine sich zwischen dem ersten Ende (21) und dem zweiten Ende (22) erstreckende Mantelfläche (23) aufweist, wobei der Lichtleiter (20) dazu geeignet ist, am ersten Ende (21) ein Stimulationslicht (S) in den Lichtleiter (20) einzuleiten,- eine Funktionsschicht (30), welche auf dem Lichtleiter (20) angeordnet ist, so dass die Mantelfläche (23) von der Funktionsschicht (30) bedeckt ist, wobei die Funktionsschicht (30) dazu geeignet ist, durch das Stimulationslicht (S) stimuliert zu werden, um ein Lumineszenzlicht (L) zu emittieren.The invention relates to a sensor element (10) for detecting an analyte, comprising: - a light guide (20) which extends along an axis (A) and a first end (21), a second end (22) and a between the first end (21) and the second end (22) extending lateral surface (23), wherein the light guide (20) is suitable for introducing a stimulation light (S) into the light guide (20) at the first end (21), - a Functional layer (30), which is arranged on the light guide (20) so that the lateral surface (23) is covered by the functional layer (30), the functional layer (30) being suitable for being stimulated by the stimulation light (S). to emit a luminescent light (L).

Description

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement, ein Sensorsystem und ein Verfahren zum Herstellen des Sensorelements.The invention relates to a sensor element, a sensor system and a method for producing the sensor element.

In der Analysemesstechnik, insbesondere im Bereich der Wasserwirtschaft, der Umweltanalytik, im industriellen Bereich, z.B. in der Lebensmitteltechnik, der Biotechnologie und der Pharmazie, sowie für verschiedenste Laboranwendungen sind Messgrößen wie der pH-Wert, die Leitfähigkeit, oder auch die Konzentration von Analyten, wie beispielsweise Ionen oder gelösten Gasen in einem gasförmigen oder flüssigen Messmedium von großer Bedeutung. Diese Messgrößen können beispielsweise mittels optochemischer oder elektrochemischer Sensoren erfasst und/oder überwacht werden.In analytical measurement technology, especially in the field of water management, environmental analysis, in the industrial sector, e.g. in food technology, biotechnology and pharmacy, as well as for a wide variety of laboratory applications, measured variables such as the pH value, conductivity or the concentration of analytes, such as ions or dissolved gases in a gaseous or liquid measuring medium is of great importance. These measured variables can be recorded and/or monitored, for example, by means of optochemical or electrochemical sensors.

Optochemische Sensoren weisen ein optochemisches Substrat auf, welches bei Stimulation mit einer Erregerstrahlung ein meist lumineszierendes Antwortsignal abgibt. Das Antwortsignal ist in seinen Signaleigenschaften durch bestimmte Ziel-Analyten beeinflussbar. Ist also ein Ziel-Analyt im Messmedium vorhanden, so wird das Antwortsignal des optochemischen Sensors verändert, was auf die Konzentration des Ziel-Analyten im Messmedium schließen lässt.Optochemical sensors have an optochemical substrate which, when stimulated with excitation radiation, emits a mostly luminescent response signal. The signal properties of the response signal can be influenced by certain target analytes. If a target analyte is present in the measurement medium, the response signal of the optochemical sensor is changed, which indicates the concentration of the target analyte in the measurement medium.

Ein Problem bei optochemischen Substraten ist die meist geringe Quantenausbeute und/oder Extinktionskoeffizienten, was zu relativ schwachen Antwortsignalen und somit zu einem suboptimalen Signal-/Rauschverhältnis führt. Dies wiederum birgt die Gefahr von unsicheren Messsignalen. Um die Intensität der Antwortsignale zu erhöhen und somit eine gesteigerte Messsicherheit zu erreichen, ist es möglich, die Intensität des Stimulationsignals zu erhöhen. Jedoch führt dies unweigerlich zu einer verkürzten Lebensdauer des optochemischen Substrats sowie zu einem erhöhten Energieverbrauch. Ein erhöhter Energieverbrauch jedoch ist besonders nachteilig, wenn der Sensor mit dem Sensorelement in einem explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt werden soll, da dort bestimmte Energievorschriften mit strengen Energiegrenzen gelten.A problem with optochemical substrates is the usually low quantum yield and/or extinction coefficient, which leads to relatively weak response signals and thus to a suboptimal signal-to-noise ratio. This in turn harbors the risk of unreliable measurement signals. In order to increase the intensity of the response signals and thus achieve increased measurement reliability, it is possible to increase the intensity of the stimulation signal. However, this inevitably leads to a shortened lifetime of the optochemical substrate and increased power consumption. However, increased energy consumption is particularly disadvantageous if the sensor with the sensor element is to be used in a potentially explosive area, since specific energy regulations with strict energy limits apply there.

Weitere bekannte Probleme bei optochemischen Substraten sind:

  1. a) eine zu geringe Intensität des Sensorspots aufgrund von einer zu geringen Farbstoffquantenausbeute, eines zu geringen spezifischen Extinktionskoeffizienten des Farbstoffes, einer zu geringen Farbstoffkonzentration (besonders problematisch bei z.B. pH-Sensoren, Biosensoren und Algensensoren);
  2. b) Absorptionsverluste durch zu dicke Sensorschichten und dadurch bedingt zu langsame Ansprechzeiten des Sensors (z.B. Farbstoff gelöst in Fluoropolymer wie HyflonAD oder TeflonAF).
Other known problems with optochemical substrates are:
  1. a) too low an intensity of the sensor spot due to too low a dye quantum yield, too low a specific extinction coefficient of the dye, too low a dye concentration (particularly problematic with pH sensors, biosensors and algae sensors, for example);
  2. b) Absorption losses due to sensor layers that are too thick and the resulting sensor response times that are too slow (e.g. dye dissolved in fluoropolymer such as HyflonAD or TeflonAF).

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Sensorelement bereitzustellen, welches es ermöglicht, die Zuverlässigkeit und die Sensitivität zu maximieren und gleichzeitig den Energieverbrauch zum Betreiben des Sensorelements zu minimieren.It is therefore an object of the invention to provide a sensor element which makes it possible to maximize reliability and sensitivity while at the same time minimizing the energy consumption for operating the sensor element.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Sensorelement gemäß Anspruch 1.This object is achieved according to the invention by the sensor element according to claim 1.

Das erfindungsgemäße Sensorelement zum Detektieren eines Analyten, umfassend:

  • - einen Lichtleiter, welcher sich entlang einer Achse erstreckt und ein erstes Ende, ein zweites Ende sowie eine sich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende erstreckende Mantelfläche aufweist,
wobei der Lichtleiter dazu geeignet ist, am ersten Ende ein Stimulationslicht in den Lichtleiter einzuleiten,
  • - eine Funktionsschicht, welche auf dem Lichtleiter angeordnet ist, so dass die Mantelfläche von der Funktionsschicht bedeckt ist, wobei die Funktionsschicht dazu geeignet ist, durch das Stimulationslicht stimuliert zu werden, um ein Lumineszenzlicht zu emittieren.
The sensor element according to the invention for detecting an analyte, comprising:
  • - a light guide which extends along an axis and has a first end, a second end and a lateral surface extending between the first end and the second end,
wherein the light guide is suitable for introducing a stimulation light into the light guide at the first end,
  • - a functional layer which is arranged on the light guide so that the lateral surface is covered by the functional layer, the functional layer being suitable for being stimulated by the stimulation light in order to emit a luminescent light.

Anhand des erfindungsgemäßen Sensorelements wird ermöglicht, dass die Signalintensität des von der Funktionsschicht abgestrahlten Lumineszenzlichts maximiert wird. Zugleich ermöglicht das Sensorelement, eine Minimierung der Intensität des Stimulationslichts, was zu einer Energieminimisierung führt. Daher eignet sich das Sensorelement besonders für die Verwendung in Sensoren, welche in explosionsgefährdeten Bereichen, in welchen strenge Energiegrenzen für Sensoren herrschen, zum Einsatz kommen. Ebenso wird dank dem möglichen niedrigen Stimulationslicht eine verringerte Langzeitdrift bei ausreichender Schichtdicke der mithilfe dem Sensorelement ermittelten Messwerte erreicht. Somit wird durch das Sensorelement die Zuverlässigkeit der durch das Sensorelement ermittelten Messergebnisse maximiert, die Sensitivität von relevanten Analyten maximiert und der Energieverbrauch eines Sensors mit dem Sensorelement minimiert. Ein weiterer Vorteil ist, dass minimale Materialquantität zur Erstellung der Funktionsschicht notwendig wird. Es wird somit ein Sensorelement zur Verfügung gestellt, welches eine optimale Ansprechzeit und einen minimalen Materialverbrauch für die Funktionssicht aufweist.The sensor element according to the invention makes it possible for the signal intensity of the luminescence light emitted by the functional layer to be maximized. At the same time, the sensor element enables the intensity of the stimulation light to be minimized, which leads to a minimization of energy. The sensor element is therefore particularly suitable for use in sensors which are used in potentially explosive areas in which there are strict energy limits for sensors. Likewise, thanks to the possible low stimulation light, a reduced long-term drift is achieved with a sufficient layer thickness of the measured values determined using the sensor element. The reliability of the measurement results determined by the sensor element is thus maximized by the sensor element, the sensitivity of relevant analytes is maximized and the energy consumption of a sensor with the sensor element is minimized. Another advantage is that minimal material quantity is required to create the functional layer. A sensor element is thus made available which has an optimal response time and minimal material consumption for the functional view.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Funktionsschicht von einer gasdurchlässigen und/oder wasserdurchlässigen Membranschicht bedeckt.According to one embodiment of the invention, the functional layer is a gas-permeable one and/or covered with a water-permeable membrane layer.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die gasdurchlässige und/oder wasserdurchlässige Membranschicht von einer gasdurchlässigen und/oder wasserdurchlässigen Schutzschicht bedeckt.According to a further embodiment of the invention, the gas-permeable and/or water-permeable membrane layer is covered by a gas-permeable and/or water-permeable protective layer.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist am zweiten Ende eine Reflexionsschicht angeordnet, und die Reflexionsschicht ist dazu geeignet, das Stimulationslicht zu reflektieren.According to one embodiment of the invention, a reflection layer is arranged at the second end, and the reflection layer is suitable for reflecting the stimulation light.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Lichtleiter einen Brechungsindex grösser als der Brechungsindex der Funktionsschicht auf.According to one embodiment of the invention, the light guide has a refractive index greater than the refractive index of the functional layer.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist auf der Funktionsschicht eine Reflexionsschicht und/oder eine optische Isolationsschicht aufgebracht.According to one embodiment of the invention, a reflection layer and/or an optical insulation layer is applied to the functional layer.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Lichtleiter eine zylindrische Form, eine Kegelstumpfform, eine Kegelform, eine pyramidenartige Form oder eine tetragonale Form auf.According to an embodiment of the invention, the light guide has a cylindrical shape, a truncated cone shape, a cone shape, a pyramidal shape or a tetragonal shape.

Die oben genannte Aufgabe wird ebenso gelöst durch ein Sensorsystem gemäß Anspruch 8.The above object is also achieved by a sensor system according to claim 8.

Das erfindungsgemäße Sensorsystem umfasst:

  • - mindestens ein erfindungsgemäßes Sensorelement,
  • - eine Lichtquelle, welche dazu geeignet ist, ein Stimulationslicht zu emittieren und derart angeordnet ist, dass das Stimulationslicht am ersten Ende des Lichtleiters in den Lichtleiter einleitbar ist,
  • - einen Detektor, welcher dazu geeignet ist, ein Lumineszenzlicht zu detektieren,
  • - eine Steuereinheit, welche mit der Lichtquelle und dem Detektor verbunden ist, und dazu geeignet ist, eine Emission des Stimulationslichts der Lichtquelle zu steuern und ein von dem Detektor detektiertes Lumineszenzlicht auszuwerten.
The sensor system according to the invention includes:
  • - at least one sensor element according to the invention,
  • - a light source which is suitable for emitting a stimulation light and is arranged in such a way that the stimulation light can be introduced into the light guide at the first end of the light guide,
  • - a detector which is suitable for detecting a luminescent light,
  • - a control unit which is connected to the light source and the detector and is suitable for controlling an emission of the stimulation light of the light source and for evaluating a luminescence light detected by the detector.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Lichtquelle und der Detektor jeweils über eine Lichtfaser mit dem ersten Ende des Lichtleiters verbunden.According to one embodiment of the invention, the light source and the detector are each connected to the first end of the light guide via an optical fiber.

Die oben genannte Aufgabe wird ebenso gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements gemäß Anspruch 10.The above object is also achieved by a method for manufacturing a sensor element according to claim 10.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

  • - Bereitstellen eines Lichtleiterrohlings,
  • - Ausbilden mindestens eines Lichtleiters mittels einem Laserverfahren oder einem spanenden Materialabtragungsverfahren,
  • - Auftragen einer Funktionsschicht auf den mindestens einen Lichtleiter mittels einem Eintauch-Verfahren, Spraycoating-Verfahren, Spincoating-Verfahren oder Inkjet-Verfahen.
The method according to the invention comprises the following steps:
  • - Provision of a light guide blank,
  • - Forming at least one light guide by means of a laser process or a material removal process,
  • - Application of a functional layer to the at least one light guide by means of an immersion method, spray coating method, spin coating method or inkjet method.

Die oben genannte Aufgabe wird ebenso gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements gemäß Anspruch 11.The above object is also achieved by a method for producing a sensor element according to claim 11.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

  • - Ausbilden mindestens eines Lichtleiters mittels einem additiven Materialauftragungsverfahren, insbesondere einem 3D-Druck-Verfahren,
  • - Auftragen einer Funktionsschicht auf den mindestens einen Lichtleiter mittels einem Eintauch-Verfahren, Spraycoating-Verfahren, Spincoating-Verfahren oder Inkjet-Verfahen.
The method according to the invention comprises the following steps:
  • - Forming at least one light guide by means of an additive material application process, in particular a 3D printing process,
  • - Application of a functional layer to the at least one light guide by means of an immersion method, spray coating method, spin coating method or inkjet method.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigen:

  • - 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems mit einem erfindungsgemäßen Sensorelement,
  • - 2: eine weitere schematische Schnittzeichnung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems und eines erfindungsgemäßen Sensorelements,
  • - 3: eine schematische Darstellung eines Schritts des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens des erfindungsgemäßen Sensorelements,
  • - 4: einen auf den in 3 dargestellten Schritt nachfolgenden Schritt,
  • - 5: einen auf den in 4 dargestellten Schritt nachfolgenden Schritt,
  • - 6: einen auf den in 5 dargestellten Schritt nachfolgenden Schritt,
  • - 7: einen auf den in 6 dargestellten Schritt nachfolgenden Schritt,
  • - 8: einen auf den in 6 dargestellten Schritt nachfolgenden alternativen Schritt,
  • - 9: eine alternative Ausführungsform eines Sensorelements,
  • - 10: eine alternative Ausführungsform des Sensorsystems aus 2.
The invention is explained in more detail with reference to the following description of the figures. Show it:
  • - 1 : a schematic representation of a sensor system according to the invention with a sensor element according to the invention,
  • - 2 : another schematic sectional drawing of a sensor system according to the invention and a sensor element according to the invention,
  • - 3 : a schematic representation of a step of the manufacturing method according to the invention of the sensor element according to the invention,
  • - 4 : one on the in 3 shown step following step,
  • - 5 : one on the in 4 shown step following step,
  • - 6 : one on the in 5 shown step following step,
  • - 7 : one on the in 6 shown step following step,
  • - 8th : one on the in 6 shown step subsequent alternative step,
  • - 9 : an alternative embodiment of a sensor element,
  • - 10 : an alternative embodiment of the sensor system 2 .

1 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorsystem 1 mit mindestens einem Sensorelement 10, einer Lichtquelle 2, einem Detektor 3 und einer Steuereinheit 4. 1 shows a sensor system 1 according to the invention with at least one sensor element 10, a light source 2, a detector 3 and a control unit 4.

2 zeigt das erfindungsgemäße Sensorsystem 1 und Sensorelement 10 zum Detektieren eines Analyten. Die Lichtquelle 2 und der Detektor 3 sind ebenfalls schematisch in 2 dargestellt, auf welche später im Detail eingegangen wird. 2 shows the sensor system 1 and sensor element 10 according to the invention for detecting an analyte. The light source 2 and the detector 3 are also shown schematically in 2 shown, which will be discussed in detail later.

Das Sensorelement 10 ist dazu geeignet, einem Messmedium M, in welchem ein spezifischer Analyt N vorhanden ist, ausgesetzt zu werden. Der Analyt N ist ein spezifisches Molekül, beispielsweise Sauerstoff oder ist ein bestimmtes Ion, beispielsweise ein Kaliumion, ein Natriumion oder ein Wasserstoffion.The sensor element 10 is suitable for being exposed to a measurement medium M in which a specific analyte N is present. The analyte N is a specific molecule, such as oxygen, or is a specific ion, such as a potassium ion, a sodium ion, or a hydrogen ion.

Das Sensorelement 10 umfasst einen Lichtleiter 20 und eine Funktionsschicht 30. Das Sensorelement 10 erstreckt sich entlang einer Achse A und weist ein erstes Ende 21, ein zweites Ende 22 sowie eine sich zwischen dem ersten Ende 21 und dem zweiten Ende 22 erstreckende Mantelfläche 23 auf. Die Mantelfläche 23 verbindet das erste Ende 21 und das zweite Ende 22.The sensor element 10 comprises a light guide 20 and a functional layer 30. The sensor element 10 extends along an axis A and has a first end 21, a second end 22 and a lateral surface 23 extending between the first end 21 and the second end 22. The lateral surface 23 connects the first end 21 and the second end 22.

Der Lichtleiter 20 ist dazu geeignet, am ersten Ende 21 ein Stimulationslicht S in den Lichtleiter 20 einzuleiten. Der Lichtleiter 20 ist zum Beispiel aus Glas, Glaskeramik, Silikat, Saphir, Polymer, Polycarbonat, PET, PEN, PVDF, Teflon, oder Hybridmaterialien wie Ormosile sowie Derivate davon, hergestellt. Auch hydrophilisierte Oberflächen dieser Materialien sind zur Verwendung des Lichtleiters 20 möglich. Der Lichtleiter 20 weist zum Beispiel eine zylindrische Form, eine Kegelstumpfform, eine Kegelform, eine pyramidenartige Form, rhombische Form oder eine tetragonale Form auf (siehe 9). Ein Oberflächen-Volumenverhältnis des Lichtleiters 20 ist vorzugsweise größer 3, besonders bevorzugt größer 5 und am meisten bevorzugt größer 10. Der Lichtleiter 20 weist zum Beispiel einen Brechungsindex zwischen 1,3 und 1,7 auf. Vorzugsweise ist der Brechungsindex des Lichtleiters 20 größer als der Brechungsindex der Funktionsschicht 30. Gemäß einer Ausführungsform ist der Lichtleiter 20 als eine Art Seitenlichtfaser ausgebildet. In anderen Worten wird das im Kern des Lichtleiters 20 geführte Stimulationslicht S nicht nur entlang der Achse A geleitet, sondern gezielt auch seitlich in die Funktionsschicht 30 abgestrahlt. Die Mantelfläche 23 des Lichtleiters 20 ist vorzugsweise rau oder porös ausgestaltet, beispielsweise mittels eines Sandstrahlverfahrens, so dass die Haftung der Funktionsschicht 30 optimal ist und/oder dass das Stimulationslicht S dazu geeignet ist, in die Funktionsschicht 30 gestreut zu werden. Wenn die Mantelfläche 23 porös ausgestaltet ist, so erstreckt sich die Funktionsschicht 30 zumindest teilweise in den Lichtleiter 20. In anderen Worten füllt die Funktionsschicht 30 die Poren der Oberfläche des Lichtleiters 20.The light guide 20 is suitable for introducing a stimulation light S into the light guide 20 at the first end 21 . The light guide 20 is made, for example, from glass, glass ceramic, silicate, sapphire, polymer, polycarbonate, PET, PEN, PVDF, Teflon, or hybrid materials such as ormosile and derivatives thereof. Hydrophilized surfaces of these materials are also possible for use of the light guide 20. The light guide 20 has, for example, a cylindrical shape, a truncated cone shape, a cone shape, a pyramidal shape, a rhombic shape, or a tetragonal shape (see FIG 9 ). A surface-to-volume ratio of the light guide 20 is preferably greater than 3, more preferably greater than 5, and most preferably greater than 10. The light guide 20 has, for example, a refractive index between 1.3 and 1.7. The refractive index of the light guide 20 is preferably greater than the refractive index of the functional layer 30. According to one embodiment, the light guide 20 is designed as a type of side light fiber. In other words, the stimulation light S guided in the core of the light guide 20 is not only guided along the axis A, but is also specifically emitted laterally into the functional layer 30 . The lateral surface 23 of the light guide 20 is preferably designed to be rough or porous, for example by means of a sandblasting process, so that the adhesion of the functional layer 30 is optimal and/or that the stimulation light S is suitable for being scattered into the functional layer 30. If the lateral surface 23 is porous, the functional layer 30 extends at least partially into the light guide 20. In other words, the functional layer 30 fills the pores of the surface of the light guide 20.

Die Funktionsschicht 30 ist auf dem Lichtleiter 20 angeordnet, so dass die Mantelfläche 23 von der Funktionsschicht 30 bedeckt ist. Die Funktionsschicht 30 ist dazu geeignet, durch das Stimulationslicht S stimuliert zu werden, um ein Lumineszenzlicht L in den Lichtleiter 20 einzuleiten, so dass das Lumineszenzlicht L am ersten Ende 21 ausleitbar ist (siehe 2 - 8). Die Funktionsschicht 30 weist einen Indikatorfarbstoff auf, welcher bei Stimulation mit dem Stimulationslicht S, vorzugsweise bei einer bestimmten Wellenlänge, zum Beispiel 300 nm -1500 nm, vorzugsweise bei der Wellenlänge von 350 nm - 2000 nm, ein Lumineszenzlicht L abstrahlt. Je nach Konzentration des Analyten N im Messmedium M werden die Eigenschaften (Intensität, Phase, etc.) des Lumineszenzlichts L beeinflusst (sogenanntes Quenching; oder aber eine Intensitätsverstärkung). Das vom Indikatorfarbstoff abgestrahlte Lumineszenzlicht L ist vorzugsweise fluoreszierend. Gemäß einer Ausführungsform weist die Funktionsschicht 30 auch einen Referenzfarbstoff auf, welcher ein Lumineszenzlicht L unabhängig von der Konzentration eines Analyten N im Messmedium abstrahlt. Somit ist in dieser Ausführungsform ein Teil des Lumineszenzlichts L durch den Referenzfarbstoff generiert. Der Anteil des Lumineszenzlicht L, welcher durch den Referenzfarbstoff generiert ist, ist phosphorisierend. Ein Sensorelement 10 dieser Ausführungsform eignet sich zur Verwendung zum sogenannten Dual-life-time-referencing. Die Funktionsschicht weist vorzugsweise eine Dicke von 0,01 µm - 10 µm, besonders bevorzugt von 0,1 - 5 µm auf.The functional layer 30 is arranged on the light guide 20 such that the lateral surface 23 is covered by the functional layer 30 . The functional layer 30 is suitable for being stimulated by the stimulation light S in order to introduce a luminescence light L into the light guide 20, so that the luminescence light L can be led out at the first end 21 (see FIG 2 - 8th ). The functional layer 30 has an indicator dye which emits a luminescent light L when stimulated with the stimulation light S, preferably at a specific wavelength, for example 300 nm-1500 nm, preferably at the wavelength of 350 nm-2000 nm. Depending on the concentration of the analyte N in the measurement medium M, the properties (intensity, phase, etc.) of the luminescence light L are influenced (so-called quenching; or an intensity increase). The luminescent light L emitted by the indicator dye is preferably fluorescent. According to one embodiment, the functional layer 30 also has a reference dye which emits a luminescence light L independently of the concentration of an analyte N in the measurement medium. Thus, in this embodiment, part of the luminescence light L is generated by the reference dye. The portion of the luminescent light L that is generated by the reference dye is phosphorescent. A sensor element 10 of this embodiment is suitable for use in so-called dual lifetime referencing. The functional layer preferably has a thickness of 0.01 μm-10 μm, particularly preferably 0.1-5 μm.

Im Folgenden wird unter Reflexion verstanden: Streuung (z.B. mittels einer Oxydbeschichtung), Spiegelung (z.B. mittels einer Metallbeschichtung), Totalreflexion (Schicht weist geringer Brechzahl als die dem Lichtweg vorgelagerte Schicht auf).In the following, reflection is understood to mean: scattering (e.g. by means of an oxide coating), mirroring (e.g. by means of a metal coating), total reflection (layer has a lower refractive index than the layer in front of the light path).

Ist die Reflexionsschicht 60 am zweiten Ende 22 des Lichtleiters 20 angeordnet, so findet Streuung oder Spiegelung an der Reflexionsschicht 60 statt (siehe 4 - 8).If the reflective layer 60 is arranged at the second end 22 of the light guide 20, then scattering or reflection takes place at the reflective layer 60 (see FIG 4 - 8th ).

Ist die Reflexionsschicht 60' lateral zum Lichtleiter 20 angeordnet, also entlang der Achse A, so findet Totalreflexion, Streuung oder Spiegelung an der Reflexionsschicht 60' statt (siehe 10). In dieser Ausführungsform ist die Reflexionsschicht 60` optional mehrschichtig ausgebildet, wobei die Brechzahl der jeweiligen Schichten umso mehr abnimmt, desto mehr die Schichten von dem Lichtleiter 20 entfernt sind.If the reflection layer 60' is arranged laterally to the light guide 20, i.e. along the axis A, then total reflection, scattering or reflection takes place at the reflection layer 60' (see Fig 10 ). In this embodiment, the reflection layer 60` is optionally formed in multiple layers, with the refractive index of the respective layers decreasing the more the layers are removed from the light guide 20.

Alternativ kann die Reflexionsschicht 60 bei dünnen Schichten und poröser Struktur (sogenannter „Leaky Mode Waveguide“) auch direkt auf dem Indikatorfarbstoff aufgebracht werden. Idealerweise wird die Reflexionsschicht 60 am Faserende, also am zweiten Ende 22 aufgebracht.Alternatively, in the case of thin layers and a porous structure (so-called ter "Leaky Mode Waveguide") can also be applied directly to the indicator dye. Ideally, the reflection layer 60 is applied to the end of the fiber, that is to say to the second end 22 .

Gemäß einer mit Ausführungsformen ist die Funktionsschicht 30 von einer gasdurchlässigen und/oder wasserdurchlässigen Membranschicht 40 bedeckt (siehe 6).According to one embodiment, the functional layer 30 is covered by a gas-permeable and/or water-permeable membrane layer 40 (see FIG 6 ).

Gemäß einer Ausführungsform ist die gasdurchlässige und/oder wasserdurchlässige Membranschicht 40 von einer gasdurchlässigen und/oder wasserdurchlässigen Schutzschicht 50 bedeckt (siehe 7 - 8). Die Schutzschicht 50 weist zum Beispiel auch optisch isolierende Eigenschaften auf.According to one embodiment, the gas-permeable and/or water-permeable membrane layer 40 is covered by a gas-permeable and/or water-permeable protective layer 50 (see FIG 7 - 8th ). The protective layer 50 also has, for example, optically insulating properties.

Gemäß einer mit allen Ausführungsformen kompatiblen Ausführungsform ist am zweiten Ende 22 eine Reflexionsschicht 60 angeordnet. Die Reflexionsschicht 60 ist dazu geeignet, das Stimulationslicht S zu reflektieren (siehe 3 - 8). Die Reflexionsschicht 60 ist zum Beispiel aus Silber oder einem anderen spiegelartigen Material. Die Reflexionsschicht 60 weist vorzugsweise optisch isolierende Eigenschaften auf. Unter optisch isolierend wird verstanden, dass die Reflexionsschicht 60 nicht von zum Beispiel Stimulationslicht S oder Lumineszenzlicht L durchquert werden kann.According to an embodiment that is compatible with all embodiments, a reflection layer 60 is arranged at the second end 22 . The reflection layer 60 is suitable for reflecting the stimulation light S (see FIG 3 - 8th ). The reflective layer 60 is made of silver or another mirror-like material, for example. The reflection layer 60 preferably has optically isolating properties. Optically isolating is understood to mean that the reflective layer 60 cannot be traversed by, for example, stimulation light S or luminescence light L.

Alle über der Funktionsschicht 30 angeordneten Schichten weisen vorzugsweise eine Dicke geringer 10 µm auf, vorzugsweise zwischen 0,01 - 5 µm, besonders bevorzugt zwischen 0,1 - 2 µm.All layers arranged above the functional layer 30 preferably have a thickness of less than 10 μm, preferably between 0.01-5 μm, particularly preferably between 0.1-2 μm.

Die Lichtquelle 2 ist dazu geeignet, ein Stimulationslicht S zu emittieren. Das Stimulationslicht S weist vorzugsweise eine Wellenlänge zwischen 300 nm und 1500 nm, besonders bevorzugt zwischen 450 - 900 µm auf. Die Wellenlänge wird je nach Anwendungsgebiet des Sensorelements, also abhängig vom zu messenden Medium, ausgewählt. Die Lichtquelle 2 ist derart angeordnet, dass das Stimulationslicht S am ersten Ende 21 des Lichtleiters 20 in den Lichtleiter 20 einleitbar ist. Zum Beispiel ist die Lichtquelle 2 mittels einer Lichtfaser 5 mit dem ersten Ende 21 des Lichtleiters 20 verbunden (siehe 1). Vorzugsweise wird das Stimulationslicht S derart in den Lichtleiter 20 eingeleitet, dass das Stimulationslicht S durch Reflexion und/oder Totalreflexion im Lichtleiter 20 propagiert. Beispielsweise tritt das Stimulationslicht S wieder am ersten Ende 21 aus dem Lichtleiter 20 aus.The light source 2 is suitable for emitting a stimulation light S. The stimulation light S preferably has a wavelength between 300 nm and 1500 nm, particularly preferably between 450-900 μm. The wavelength is selected depending on the area of application of the sensor element, i.e. depending on the medium to be measured. The light source 2 is arranged in such a way that the stimulation light S can be introduced into the light guide 20 at the first end 21 of the light guide 20 . For example, the light source 2 is connected to the first end 21 of the light guide 20 by means of an optical fiber 5 (see FIG 1 ). The stimulation light S is preferably introduced into the light guide 20 in such a way that the stimulation light S propagates in the light guide 20 by reflection and/or total reflection. For example, the stimulation light S exits the light guide 20 again at the first end 21 .

Der Detektor 3 ist dazu geeignet, ein Lumineszenzlicht L zu detektieren und ist derart angeordnet, dass ein am ersten Ende 21 des Lichtleiters 20 austretendes Lumineszenzlicht L vom Detektor 3 detektierbar ist. Zum Beispiel ist der Detektor 3 mittels einer Lichtfaser 5 mit dem ersten Ende 21 des Lichtleiters 20 verbunden (siehe 1). Falls das Stimulationslicht S wieder aus dem Lichtleiter 20 austritt und auch auf den Detektor 3 fällt, weist der Detektor 3 beispielsweise einen Filter auf, um das Stimulationslicht S zu filtern, das Lumineszenzlicht L jedoch zu detektieren. Der Detektor 3 ist zum Beispiel dazu geeignet, nur Licht in einem beschränkten Wellenlängenbereich, insbesondere des Wellenlängenbereichs, welcher dem Lumineszenzlicht L entspricht, zu detektieren.The detector 3 is suitable for detecting a luminescence light L and is arranged in such a way that a luminescence light L exiting at the first end 21 of the light guide 20 can be detected by the detector 3 . For example, the detector 3 is connected to the first end 21 of the light guide 20 by means of an optical fiber 5 (see FIG 1 ). If the stimulation light S exits the light guide 20 again and also falls on the detector 3, the detector 3 has a filter, for example, in order to filter the stimulation light S but to detect the luminescence light L. The detector 3 is suitable, for example, for only detecting light in a restricted wavelength range, in particular the wavelength range which corresponds to the luminescence light L. FIG.

Die Steuereinheit 4 ist mit der Lichtquelle 2 und dem Detektor 3 verbunden. Die Steuereinheit 4 ist dazu geeignet, eine Emission des Stimulationslichts S der Lichtquelle 2 zu steuern und ein von dem Detektor 3 detektiertes Lumineszenzlicht L auszuwerten.The control unit 4 is connected to the light source 2 and the detector 3 . The control unit 4 is suitable for controlling an emission of the stimulation light S from the light source 2 and for evaluating a luminescence light L detected by the detector 3 .

10 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorsystems 1, welche auf der sogenannten Durchlichtvariante basiert. Der Unterschied zu dem in 1 dargestellten Sensorsystem 1 ist, dass der Lichtleiter 20 am zweiten Ende 22 frei von Beschichtungen ist, so dass das Stimulationslicht S und Lumineszenzlicht L dazu geeignet ist, an dem zweite Ende 22 des Lichtleiters 20 auszutreten. Der Detektor 3 ist in dieser Ausführungsform am zweiten Ende 22 angeordnet. Zum Beispiel ist der Detektor 3 mit einem Filter 6 versehen, so dass nur das Lumineszenzlicht L den Filter 6 passiert. Optional ist die Reflexionsschicht 60' auf der Funktionsschicht 30 angeordnet, so dass aus der Funktionsschicht 30 austretendes Lumineszenzlicht L zurück in den Lichtleiter 20 reflektiert wird. Die Reflexionsschicht 60' weist zum Beispiel einen niedrigeren Brechungsindex als die Funktionsschicht 30 auf oder weist ein reflektierendes Metall wie Silber, Chrom, etc. auf, oder weist ein lichtstreuendes Material auf, zum Beispiel Metalloxide wie Titanoxyd. 10 shows a further embodiment of the sensor system 1, which is based on the so-called transmitted light variant. The difference to the in 1 Sensor system 1 shown is that the light guide 20 is free of coatings at the second end 22, so that the stimulation light S and luminescence light L is suitable for exiting at the second end 22 of the light guide 20. In this embodiment, the detector 3 is arranged at the second end 22 . For example, the detector 3 is provided with a filter 6 so that only the luminescence light L passes through the filter 6. Optionally, the reflection layer 60 ′ is arranged on the functional layer 30 so that luminescence light L emerging from the functional layer 30 is reflected back into the light guide 20 . The reflective layer 60' has, for example, a lower refractive index than the functional layer 30, or comprises a reflective metal such as silver, chromium, etc., or comprises a light-scattering material, for example metal oxides such as titanium oxide.

Das Sensorsystem 1 ist beispielsweise in verschiedenen Varianten ausbildbar.The sensor system 1 can be designed in different variants, for example.

Variante A:

  • Die Funktionsschicht 30 weist den Indikatorfarbstoff auf und ist auf der Oberfläche des Lichtleiters 20 angeordnet. Die Reflexionsschicht 60 ist am Faserende angeordnet. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Sensorelementen 10 sind mit permeablen Füllmaterial (Silikon+Pigmentmaterial) gefüllt. Der Indikatorfarbstoff ist direkt in Fluoropolymere wie Teflon AF, Hyflon AD etc. gelöst, was das Sensorsystem 1 besonders für Anwendungen wie gelöst Sauerstoffmessungen und für die Verwendung als Biosensor eignen lässt. Die Anregungswellenlänge des Stimulationslichts S liegt hier bei 450 - 1000nm (Ausnahmen möglich bis 1500nm).
Option A:
  • The functional layer 30 has the indicator dye and is arranged on the surface of the light guide 20 . The reflection layer 60 is arranged at the end of the fiber. The spaces between the individual sensor elements 10 are filled with permeable filling material (silicone+pigment material). The indicator dye is dissolved directly in fluoropolymers such as Teflon AF, Hyflon AD, etc., which makes the sensor system 1 particularly suitable for applications such as dissolved oxygen measurements and for use as a biosensor. The excitation wavelength of the stimulation light S is 450 - 1000 nm (exceptions possible up to 1500 nm).

Variante B:

  • Die Funktionsschicht 30 weist den Referenzfarbstoff auf und ist auf der Oberfläche des Lichtleiters 20 angeordnet. Die Reflexionsschicht 60 ist am Faserende angeordnet. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Sensorelementen 10 sind ohne Füllmaterial oder aber mit wasserdurchlässigem Material (Hydrogele, Polyurethane, Polysaccharide, Cellulosederivate, Siloxane, Aerogele, Solgel) versehen, was eine Verwendung des Sensorsystems besonders für Anwendungen wie Algenmessung und Öl-Messung ermöglicht. Die Anregungswellenlänge des Stimulationslichts S liegt bei: 250-550nm.
Variant B:
  • The functional layer 30 has the reference dye and is arranged on the surface of the light guide 20 . The reflection layer 60 is arranged at the end of the fiber. The spaces between the individual sensor elements 10 are provided without filling material or with water-permeable material (hydrogels, polyurethanes, polysaccharides, cellulose derivatives, siloxanes, aerogels, solgel), which allows the sensor system to be used in particular for applications such as measuring algae and oil. The excitation wavelength of the stimulation light S is: 250-550nm.

Variante C:

  • Die Funktionsschicht 30 weist den Indikatorfarbstoff und den Referenzfarbstoff auf und ist auf der Oberfläche des Lichtleiters 20 angeordnet. Die Reflexionsschicht 60 ist am Faserende angeordnet. Die Zwischenräume zwischen den einzelenen Sensorelementen 10 sind mit wasserdurchlässigem Material (Hydrogel, Hydrogele, Polyurethane, Polysaccharide, Cellulosederivate Siloxane, Aerogele, Solgel) gefüllt, was eine Eignung des Sensorsystems 1 besonders für pH-Messungen und eine Verwendung als Biosensor ermöglicht. Die Anregungswellenlänge des Stimulationslichts S liegt bei 450-1000 nm (Ausnahmen möglich bis 1500nm).
Variant C:
  • The functional layer 30 has the indicator dye and the reference dye and is arranged on the surface of the light guide 20 . The reflection layer 60 is arranged at the end of the fiber. The spaces between the individual sensor elements 10 are filled with water-permeable material (hydrogel, hydrogels, polyurethanes, polysaccharides, cellulose derivatives, siloxanes, aerogels, solgel), which makes the sensor system 1 particularly suitable for pH measurements and use as a biosensor. The excitation wavelength of the stimulation light S is 450-1000 nm (exceptions possible up to 1500 nm).

Im Folgenden wird das Verfahren zum Herstellen des Sensorelements 10 beschrieben.The method for producing the sensor element 10 is described below.

Gemäß einem ersten impliziten Schritt wird ein Lichtleiterrohlings bereitgestellt (in 3 gestrichelt dargestellt).According to a first implicit step, a light guide blank is provided (in 3 shown dashed).

Anschließend wird mindestens ein Lichtleiter 20 mittels einem Laserverfahren oder einem spanenden Materialabtragungsverfahren ausgebildet. Vorzugsweise wird eine Vielzahl an Lichtleiter 20 ausgebildet (siehe 3). Vorzugsweise wird eine Basis des Lichtleiterrohlings, ein sogenannter Substratboden zur optimalen Stabilität der Lichtleiter 20 oder des Lichtleiters 20 beibehalten (siehe 3). Die Lichtleiter 20 stehen vorzugsweise lotrecht zum Substratboden.At least one light guide 20 is then formed by means of a laser process or a material-removing process. A plurality of light guides 20 is preferably formed (see FIG 3 ). A base of the light guide blank, a so-called substrate base, is preferably retained for optimum stability of the light guide 20 or the light guide 20 (see FIG 3 ). The light guides 20 are preferably perpendicular to the substrate floor.

Dann erfolgt ein Auftragen der Funktionsschicht 30 auf den mindestens einen Lichtleiter 20 mittels eins Eintauch-Verfahrens, Spraycoating-Verfahren, Spincoating-Verfahren, Inkjet-Verfahren, einer Kombination dieser zuvorgenannter Verfahren, oder einem anderen geeignetem Verfahren (siehe 5).The functional layer 30 is then applied to the at least one light guide 20 by means of an immersion method, spray coating method, spin coating method, inkjet method, a combination of these aforementioned methods, or another suitable method (see 5 ).

Falls das Eintauch-Verfahren, zum Beispiel mittels einem Tauchbad, verwendet wird, so folgt idealerweise ein Schritt des Befreiens des Sensorelements 10 von überflüssigem Material der Funktionsschicht 30, so dass wenn mehrere Lichtleiter 20 jeweils mit der Funktionsschicht 30 beschichtet wurden, die jeweiligen Funktionsschichten 30 sich nicht entlang der Achse A berühren. In anderen Worten ist nach dem Auftragen der Funktionsschicht 30 zwischen den verschiedenen Sensorelementen 10 trotzdem ein Zwischenraum vorhanden. Dies ermöglicht, dass die zu messenden Analyten N dazu geeignet sind, mit den Funktionsschichten 30 in Berührung zu kommen. Das Befreien von überflüssigem Material geschieht zum Beispiel mit Hilfe eines Schleuderverfahrens. Dies ermöglicht, dass eine homogene Schichtdicke der Funktionsschicht 30 erreicht wird.If the immersion method is used, for example by means of an immersion bath, this is ideally followed by a step of removing excess material from the functional layer 30 from the sensor element 10, so that when a plurality of light guides 20 have each been coated with the functional layer 30, the respective functional layers 30 do not touch along axis A. In other words, after the functional layer 30 has been applied, there is still a gap between the various sensor elements 10 . This enables the analytes N to be measured to be apt to come into contact with the functional layers 30 . Excess material is removed, for example, with the help of a centrifugal process. This enables a homogeneous layer thickness of the functional layer 30 to be achieved.

Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird der Lichtleiter 20 mittels einem additiven Materialauftragungsverfahren hergestellt. Gemäß dieser alternativen Ausführungsform entfällt somit der Schritt des Bereitstellens des Lichtleiterrohlings und der Schritt des Ausbildens des Lichtleiters 20 mittels einem Laserverfahren oder einem spanenden Materialabtragungsverfahren. Das additive Materialauftragungsverfahren ist zum Beispiel ein 3D-Druck-Verfahren oder ein Pipettierverfahren mithilfe eines Nanopipettierroboters. Ein Vorteil der Verwendung eines 3D-Druck-Verfahren ist, dass der Lichtleiter 20 in Geometrien herstellbar ist, welche mit anderen Herstellungsverfahren nur mit großem Aufwand oder überhaupt nicht herstellbar sind.According to one embodiment of the manufacturing method, the light guide 20 is manufactured using an additive material application method. According to this alternative embodiment, the step of providing the light guide blank and the step of forming the light guide 20 by means of a laser process or a material-removing process are omitted. The additive material application process is, for example, a 3D printing process or a pipetting process using a nanopipetting robot. An advantage of using a 3D printing method is that the light guide 20 can be produced in geometries that can only be produced with great effort or not at all using other production methods.

Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens, wobei diese Ausführungsform mit allen beschriebenen Ausführungsformen kompatibel ist, und in 4 dargestellt ist, wird vor dem Schritt des Auftragens der Funktionsschicht 30 eine Reflexionsschicht 60 auf dem zweiten Ende 22 des Lichtleiters 20 aufgetragen. Die Reflexionsschicht 60 wird zum Beispiel gerakelt oder mittels einer Schablone auf den, bzw. bei mehreren Lichtleitern 20 auf die einzelnen Lichtleiter 20 aufgebracht. Die Reflexionsschicht 60 wird zum Beispiel durch Bedampfen von Silber oder Aluminium auf den Lichtleiter 20 hergestellt.According to an embodiment of the manufacturing method, this embodiment being compatible with all the described embodiments, and in 4 is shown, a reflection layer 60 is applied to the second end 22 of the light guide 20 before the step of applying the functional layer 30 . The reflective layer 60 is, for example, doctored or applied to the light guides 20 or, in the case of several light guides 20, to the individual light guides 20 by means of a stencil. The reflection layer 60 is produced, for example, by vapor-depositing silver or aluminum onto the light guide 20 .

Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens, welche in 6 und 7 dargestellt ist, erfolgt nach dem Schritt des Auftragens der Funktionsschicht 30 ein Auftragen einer gasdurchlässigen und/oder einer wasserdurchlässigen Membranschicht 40. Falls die Membranschicht 40 eine wasserdurchlässige Schicht ist, so weist die Membranschicht 40 vorzugsweise ein Hydrogel auf. Falls die Membranschicht 40 gasdurchlässig ist, so weist die Membranschicht 40 vorzugsweise ein Polymer, wie ein Silikon oder ein Fluoropolymer, auf.According to an embodiment of the manufacturing method, which in 6 and 7 is shown, after the step of applying the functional layer 30, a gas-permeable and/or a water-permeable membrane layer 40 is applied. If the membrane layer 40 is a water-permeable layer, the membrane layer 40 preferably has a hydrogel. If the membrane layer 40 is gas permeable, the membrane layer 40 preferably comprises a polymer such as a silicone or a fluoropolymer.

Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens, welche in 6 und 7 dargestellt ist, erfolgt nach dem Schritt des Auftragens Membranschicht 40 ein Auftragen einer optischen Isolationsschicht 40`. Die optischen Isolationsschicht 40' absorbiert Licht.According to an embodiment of the manufacturing method, which in 6 and 7 is shown, after the step of applying the membrane layer 40, an optical insulation layer 40' is applied. The optical isolation layer 40' absorbs light.

Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens, welche in 7 und 8 dargestellt ist, erfolgt nach dem Schritt des Auftragens der Funktionsschicht 30, oder nach dem Schritt des Auftragens der Membranschicht 40 ein Auftragen einer Schutzschicht 50. Die Schutzschicht 50 ist vorzugsweise eine Schicht, welche den Sensorelement 10 dazu befähigt, in einem Messmedium M mit besonders hygienischen Vorschriften, zum Beispiel Lebensmittel, zu Messen. Die Schutzschicht 50 ist zum Beispiel aus einem superhydrophilen Polymer bzw. Beschichtung oder einer superhydrophoben / hydrophoben Polymer/ Beschichtung ausgeführt.According to an embodiment of the manufacturing method, which in 7 and 8th is shown, after the step of applying the functional layer 30 or after the step of applying the membrane layer 40, a protective layer 50 is applied. The protective layer 50 is preferably a layer which enables the sensor element 10 to work in a measuring medium M with particularly hygienic regulations, for example food, to measure. The protective layer 50 is made, for example, from a superhydrophilic polymer or coating or a superhydrophobic/hydrophobic polymer/coating.

BezugszeichenlisteReference List

11
Sensorsystemsensor system
22
Lichtquellelight source
33
Detektordetector
44
Steuereinheitcontrol unit
55
Lichtfaserlight fiber
66
Filter filter
1010
Sensorelementsensor element
2020
Lichtleiterlight guide
2121
erstes Endefirst end
2222
zweites Endesecond end
2323
Mantelfläche lateral surface
3030
Funktionsschichtfunctional layer
4040
Membranschichtmembrane layer
40`40`
optische Isolationsschichtoptical isolation layer
5050
Schutzschichtprotective layer
60, 60'60, 60'
Reflexionsschicht reflective layer
SS
Stimulationslichtstimulation light
LL
Lumineszenzlichtluminescent light
AA
Achseaxis
MM
Messmediummeasuring medium
NN
Analytanalyte

Claims (11)

Sensorelement (10) zum Detektieren eines Analyten, umfassend: - einen Lichtleiter (20), welcher sich entlang einer Achse (A) erstreckt und ein erstes Ende (21), ein zweites Ende (22) sowie eine sich zwischen dem ersten Ende (21) und dem zweiten Ende (22) erstreckende Mantelfläche (23) aufweist, wobei der Lichtleiter (20) dazu geeignet ist, am ersten Ende (21) ein Stimulationslicht (S) in den Lichtleiter (20) einzuleiten, - eine Funktionsschicht (30), welche auf dem Lichtleiter (20) angeordnet ist, so dass die Mantelfläche (23) von der Funktionsschicht (30) bedeckt ist, wobei die Funktionsschicht (30) dazu geeignet ist, durch das Stimulationslicht (S) stimuliert zu werden, um ein Lumineszenzlicht (L) zu emittieren.Sensor element (10) for detecting an analyte, comprising: - A light guide (20) which extends along an axis (A) and has a first end (21), a second end (22) and a lateral surface (21) extending between the first end (21) and the second end (22). 23), wherein the light guide (20) is suitable for introducing a stimulation light (S) into the light guide (20) at the first end (21), - A functional layer (30) which is arranged on the light guide (20) so that the lateral surface (23) is covered by the functional layer (30), the functional layer (30) being suitable for being stimulated by the stimulation light (S). to emit a luminescent light (L). Sensorelement (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Funktionsschicht (30) von einer gasdurchlässigen und/oder wasserdurchlässigen Membranschicht (40) bedeckt ist.Sensor element (10) according to claim 1 , wherein the functional layer (30) is covered by a gas-permeable and/or water-permeable membrane layer (40). Sensorelement (10) gemäß Anspruch 2, wobei die gasdurchlässige und/oder wasserdurchlässige Membranschicht (40) von einer gasdurchlässigen und/oder wasserdurchlässigen Schutzschicht (50) bedeckt ist.Sensor element (10) according to claim 2 , wherein the gas-permeable and/or water-permeable membrane layer (40) is covered by a gas-permeable and/or water-permeable protective layer (50). Sensorelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am zweiten Ende (22) eine Reflexionsschicht (60) angeordnet ist, und die Reflexionsschicht (60) dazu geeignet ist, das Stimulationslicht (S) zu reflektieren.Sensor element (10) according to one of the preceding claims, wherein a reflection layer (60) is arranged at the second end (22), and the reflection layer (60) is suitable for reflecting the stimulation light (S). Sensorelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtleiter (20) einen Brechungsindex grösser als der Brechungsindex der Funktionsschicht (30) aufweist.Sensor element (10) according to one of the preceding claims, wherein the light guide (20) has a refractive index greater than the refractive index of the functional layer (30). Sensorelement nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Funktionsschicht (30) eine Reflexionsschicht (60`) und/oder eine optische Isolationsschicht (40`) aufgebracht ist.Sensor element according to one of the preceding claims, characterized in that a reflection layer (60`) and/or an optical insulation layer (40`) is applied to the functional layer (30). Sensorelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtleiter (20) eine zylindrische Form, eine Kegelstumpfform, eine Kegelform, eine pyramidenartige Form oder eine tetragonale Form aufweist.Sensor element (10) according to any one of the preceding claims, wherein the light guide (20) has a cylindrical shape, a truncated cone shape, a cone shape, a pyramidal shape or a tetragonal shape. Sensorsystem (1) umfassend, - mindestens ein Sensorelement (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, - eine Lichtquelle (2), welche dazu geeignet ist, ein Stimulationslicht (S) zu emittieren und derart angeordnet ist, dass das Stimulationslicht (S) am ersten Ende (21) des Lichtleiters (20) in den Lichtleiter (20) einleitbar ist, - einen Detektor (3), welcher dazu geeignet ist, ein Lumineszenzlicht (L) zu detektieren, - eine Steuereinheit (4), welche mit der Lichtquelle (2) und dem Detektor (3) verbunden ist, und dazu geeignet ist, eine Emission des Stimulationslichts (S) der Lichtquelle (2) zu steuern und ein von dem Detektor (3) detektiertes Lumineszenzlicht (L) auszuwerten.Sensor system (1) comprising, - at least one sensor element (10) according to one of Claims 1 until 7 - a light source (2) which is suitable for emitting a stimulation light (S) and is arranged in such a way that the stimulation light (S) can be introduced into the light guide (20) at the first end (21) of the light guide (20). , - a detector (3) which is suitable for detecting a luminescent light (L), - a control unit (4) which is connected to the light source (2) and the detector (3), and thereto is suitable for controlling an emission of the stimulation light (S) of the light source (2) and for evaluating a luminescence light (L) detected by the detector (3). Sensorsystem (1) gemäß Anspruch 8, wobei die Lichtquelle (2) und der Detektor (3) jeweils über eine Lichtfaser (5) mit dem ersten Ende (21) des Lichtleiters (20) verbunden sind.Sensor system (1) according to claim 8 , wherein the light source (2) and the detector (3) are each connected via an optical fiber (5) to the first end (21) of the light guide (20). Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (10) umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Lichtleiterrohlings, - Ausbilden mindestens eines Lichtleiters (20) mittels einem Laserverfahren oder einem spanenden Materialabtragungsverfahren, - Auftragen einer Funktionsschicht (30) auf den mindestens einen Lichtleiter (20) mittels einem Eintauch-Verfahren, Spraycoating-Verfahren, Spincoating-Verfahren oder Inkjet-Verfahen.Method for producing a sensor element (10) comprising the following steps: - Provision of a light guide blank, - Forming at least one light guide (20) by means of a laser process or a material removal process, - Application of a functional layer (30) to the at least one light guide (20) by means of an immersion method, spray coating method, spin coating method or inkjet method. Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (10) umfassend die folgenden Schritte: - Ausbilden mindestens eines Lichtleiters (20) mittels einem additiven Materialauftragungsverfahren, insbesondere einem 3D-Druck-Verfahren, - Auftragen einer Funktionsschicht (30) auf den mindestens einen Lichtleiter (20) mittels einem Eintauch-Verfahren, Spraycoating-Verfahren, Spincoating-Verfahren oder Inkjet-Verfahen.Method for producing a sensor element (10) comprising the following steps: - Forming at least one light guide (20) by means of an additive material application method, in particular a 3D printing method, - Application of a functional layer (30) to the at least one light guide (20) by means of an immersion method, spray coating method, spin coating method or inkjet method.
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