DE102021133357A1 - Sensor element, sensor system and method for manufacturing the sensor element - Google Patents
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- G01N2021/7769—Measurement method of reaction-produced change in sensor
- G01N2021/7786—Fluorescence
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:
- 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);
- b) Absorptionsverluste durch zu dicke Sensorschichten und dadurch bedingt zu langsame Ansprechzeiten des Sensors (z.B. Farbstoff gelöst in Fluoropolymer wie HyflonAD oder TeflonAF).
- 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);
- 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
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,
- - 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.
- - 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,
- - 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.
- - 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
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.
- - 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.
- - 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 in3 dargestellten Schritt nachfolgenden Schritt, - -
5 : einen auf den in4 dargestellten Schritt nachfolgenden Schritt, - -
6 : einen auf den in5 dargestellten Schritt nachfolgenden Schritt, - -
7 : einen auf den in6 dargestellten Schritt nachfolgenden Schritt, - -
8 : einen auf den in6 dargestellten Schritt nachfolgenden alternativen Schritt, - -
9 : eine alternative Ausführungsform eines Sensorelements, - -
10 : eine alternative Ausführungsform desSensorsystems aus 2 .
- -
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 in3 shown step following step, - -
5 : one on the in4 shown step following step, - -
6 : one on the in5 shown step following step, - -
7 : one on the in6 shown step following step, - -
8th : one on the in6 shown step subsequent alternative step, - -
9 : an alternative embodiment of a sensor element, - -
10 : an alternative embodiment of thesensor system 2 .
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
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
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
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
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
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
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
Gemäß einer mit Ausführungsformen ist die Funktionsschicht 30 von einer gasdurchlässigen und/oder wasserdurchlässigen Membranschicht 40 bedeckt (siehe
Gemäß einer Ausführungsform ist die gasdurchlässige und/oder wasserdurchlässige Membranschicht 40 von einer gasdurchlässigen und/oder wasserdurchlässigen Schutzschicht 50 bedeckt (siehe
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
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
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
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
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
Das Sensorsystem 1 ist beispielsweise in verschiedenen Varianten ausbildbar.The
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 zwischenden einzelnen Sensorelementen 10 sind mit permeablen Füllmaterial (Silikon+Pigmentmaterial) gefüllt. Der Indikatorfarbstoff ist direkt in Fluoropolymere wie Teflon AF, Hyflon AD etc. gelöst, wasdas 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).
- The
functional layer 30 has the indicator dye and is arranged on the surface of thelight guide 20 . Thereflection layer 60 is arranged at the end of the fiber. The spaces between theindividual 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 thesensor 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 zwischenden 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.
- The
functional layer 30 has the reference dye and is arranged on the surface of thelight guide 20 . Thereflection layer 60 is arranged at the end of the fiber. The spaces between theindividual 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 zwischenden 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).
- The
functional layer 30 has the indicator dye and the reference dye and is arranged on the surface of thelight guide 20 . Thereflection layer 60 is arranged at the end of the fiber. The spaces between theindividual sensor elements 10 are filled with water-permeable material (hydrogel, hydrogels, polyurethanes, polysaccharides, cellulose derivatives, siloxanes, aerogels, solgel), which makes thesensor 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
Gemäß einem ersten impliziten Schritt wird ein Lichtleiterrohlings bereitgestellt (in
Anschließend wird mindestens ein Lichtleiter 20 mittels einem Laserverfahren oder einem spanenden Materialabtragungsverfahren ausgebildet. Vorzugsweise wird eine Vielzahl an Lichtleiter 20 ausgebildet (siehe
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
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
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
Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens, wobei diese Ausführungsform mit allen beschriebenen Ausführungsformen kompatibel ist, und in
Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens, welche in
Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens, welche in
Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens, welche in
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)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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