DE19545414A1 - Optisches Sensorelement - Google Patents
Optisches SensorelementInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein optisches Sensorelement zum Nachweis von
organischen Verbindungen, insbesondere Kohlenwasserstoffen, welches
z. B. im Umwelt- und Gesundheitsschutz eingesetzt werden kann.
Kohlenwasserstoffe können die Umwelt belasten und die Gesundheit des
Menschen gefährden. Die Messung von Kohlenwasserstoffen ist deshalb
eine wichtige Aufgabe.
Übliche Verfahren zur Detektion von Kohlenwasserstoffen sind die
Chromatographie, IR-Absorptionsverfahren, optoakustische Meßver
fahren, Wärmeleitfähigkeitsmessungen, Wärmetönungsmessungen bei
katalytischer Zersetzung der Kohlenwasserstoffe oder elektrolytische
Leitfähigkeitsmessungen.
Die drei erstgenannten Meßverfahren sind apparativ aufwendig und sind
praktisch nur in Laboratorien ausführbar. Die übrigen Verfahren sind
geeignet für die Ausgestaltung von Meßsonden, die an verschiedenen
Orten der Umwelt oder industrieller Prozeßabläufe einsetzbar sind. Unter
korrosiven Umgebungsbedingungen ist ihre Lebensdauer gering. Weil
ihre Funktionsweise auf elektrischen Prinzipien beruht, sind sie in
explosiven Umgebungen nur mit Explosionsschutzvorkehrungen einsetz
bar und die Meß- bzw. Verstärkungselektronik muß in unmittelbarer
Nähe der Meßsonden angeordnet sein. Dagegen erfordern faseroptische
Sensoren im allgemeinen keine zusätzlichen Explosionsschutzvor
kehrungen und es können auf Grund der extrem dämpfungsarmen und
störsicheren Meßsignalübertragung über Lichtwellenleiter größere
Entfernungen bis in den Kilometerbereich zwischen Meßort und elektro
nischer Signalauswertung realisiert werden ("remote sensing"). Damit
erhöhen sich gegenüber elektronischen Sensoren Einsatzmöglichkeiten
auch unter widrigen Umgebungsbedingungen bzw. an schwer zugäng
lichen Meßstellen. Bisher sind einige Vorschläge von faseroptischen
Sensoren zur Detektion von Kohlenwasserstoffen bekannt geworden.
So wurde zum Beispiel vorgeschlagen, Lichtleitfasern aus porösem Glas
herzustellen, anschließend eine chemische Reagenzie, die sensibel auf die
zu detektierenden Substanzen reagiert, fest an die Glasoberfläche zu
binden [M. Tabacco, et al: "Chemical Sensors for Environmental
Monitoring"; SPIE Vol 1587 Chemical, Biochemical and Environmental
Fiber Sensors III (1991) 271]. Für den praktischen Einsatz als Sensor ist
eine derartig präparierte poröse Faser allerdings wenig geeignet, weil sie
sehr zerbrechlich ist. Außerdem sind die bei diesem Sensorprinzip ver
wendeten Intensitätsmessungen an Lichtleitfasern ein wenig geeignetes
Mittel, um eine stabile und quantitativ zuverlässige Bestimmung der
nachzuweisenden Stoffkonzentration zu gewährleisten, da jegliche Ände
rungen der Lichtintensität der Lichtquelle oder der Faserzuleitungen zum
Sensor das Meßsignal verfälschen.
In anderen Beispielen wird eine Lichtleitfaser benutzt, die einen Kern aus
Quarzglas und einen optischen Mantel aus Silikon aufweist [J. P. Conzen,
et al: "Characterization of a Fiber-Optic Evanescent Wave Absorbance
Sensor for Nonpolar Organic Compounds"; Applied Spektroscopy Vol.
47, 6 (1993) 753 oder C. Ronot, et al: "Detection of chemical vapours
with a specifically coated optical fibre sensors; Sensors and Actuators B,
11 (1993) 375-381]. Der Silikonmantel schützt den Faserkern vor Wasser
und anderen polaren Substanzen. Hingegen können aber organische
Verbindungen, wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffverbindungen, in den
Silikonmantel eindiffundieren. Brechzahländerungen, Quellung und opti
sche Absorptionsänderungen können die Folge sein. Diese Änderungen
beeinflussen die Transmission der Lichtleitfaser, weil ein bestimmter Teil
des im Lichtwellenleiter geführten Lichtes als sogenannte evaneszente
Welle auch in den optischen Mantel eindringt und dort von den Ände
rungen beeinflußt wird. Sensoren, die auf diesen Effekten beruhen, benö
tigen meist mehrere Meter lange Lichtleitfasern, um ausreichende
Sensorempfindlichkeit zu gewährleisten und daher auch einigen Platz,
weil der evaneszente Lichtanteil nur einen kleinen Teil des gesamten
geleiteten Lichtes ausmacht. Außerdem gilt auch hier, daß das Prinzip der
Transmissionsmessung an Lichtleitfasersensoren sehr nachteilig in bezug
auf Stabilität und Reproduzierbarkeit der Sensoren ist. Derartige Nach
teile können die grundlegenden Vorteile von Lichtleitfasersensoren wie
Explosionssicherheit, Immunität gegenüber elektromagnetischen Stör
feldern, optimale elektrische Potentialtrennung oder Überbrückbarkeit
großer Entfernungen zwischen Meßstelle und dem Ort der elektronischen
Signalauswertung beeinträchtigen und eine praktische Anwendung ver
hindern.
Weiterhin ist bekannt, daß eine sichere unverfälschte Übertragung opti
scher Sensorsignale auch über größere Entfernungen über Lichtleitfasern
möglich ist, wenn die Meßinformation als spektralkodiertes optisches
Signal übertragen wird, wobei Änderungen der Meßinformation als
spektrale Verschiebungen von Maxima oder Minima der Lichtintensität
meßbar gemacht werden. Ein Beispiel eines solchen Prinzips ist ein
faseroptischer Feuchtesensor [EP 0536 656 A1] und ein zugehöriges Ver
fahren zur Signalauswertung [EP 0538 664 A2]. Das eigentliche
feuchteempfindliche Element genannten faseroptischen Feuchtesensors
ist ein optisches Schmalbandfilter, bestehend aus einem Stapel überein
anderliegender optischer Schichten aus anorganischen dielektrischen
Substanzen mit abwechselnd hoher und niedriger optischer Brechzahl.
Die optischen Schichtdicken entsprechen immer Vielfachen eines
Viertels bzw. Halben einer festzusetzenden mittleren Arbeitswellenlänge
des Meßlichtes. Es ist seit längerem bekannt, daß solche Schichten, wenn
sie im Vakuum durch Aufdampfen hergestellt werden, porös sind und bei
Vorhandensein von Wasserdampf in der Umgebung Wasser aufnehmen
können [H. Koch: "Optische Untersuchungen zur Wasserdampfsorption in
Aufdampfschichten" phys. stat. sol. 12 (1965) 533-543]. Durch die Auf
nahme von Wasser ändern sich die optischen Brechzahlen der einzelnen
Schichten und das Filterspektrum des Schichtstapels verschiebt sich zu
längeren Wellenlängen.
Die spektralen Verschiebungen der Filterspektren sind selbst über große
Lichtleitfaserstrecken hinweg sehr genau meßbar und faseroptische
Feuchtesensoren, die mit solchen Schichtpaketen ausgestattet sind,
können sehr zuverlässig ausgewertet werden.
Allerdings sind solche Schichten beim bisherigen Stand der Technik nur
sensorisch wirksam gegenüber Wasserdampf, wobei kleinere uner
wünschte Querempfindlichkeiten gegenüber anderen Dämpfen, wie z. B.
Alkoholdampf oder Ammoniak, auftreten können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Sensorelement
zum Nachweis von organischen Verbindungen, insbesondere Kohlen
wasserstoffen, anzugeben, das deren selektive Detektion unter Anwen
dung Spektralverschiebungen erzeugender Baugruppen ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten
Patentanspruchs gelöst. Das Wesen der Erfindung besteht in der
Schaffung wenigstens einer optischen Schicht, die Bestandteil eines
Spektralbandfilters aus mehreren λ/4 bzw. λ/2-Schichten ist und der
definierte Eigenschaften in bezug auf die Affinität zu ein oder mehreren
nachzuweisenden Substanzen gegeben sind, die sich dahingehend aus
wirken, das die optische Dicke genannter Schicht bzw. eines Pakets
solcher Schichten eine Variation erfährt.
Die Erfindung soll nachstehend anhand dreier Ausführungsbeispiele und
schematischer Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
Fig. 1a und Fig. 1b stellen mögliche Oberflächenbelegungen und
ihre Ausbildung auf porösen Schichten gemäß der Erfindung
dar,
Fig. 2 eine Verwendungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen
Schichtpaktes als Sensorkopf eines faseroptischen Detektors,
der im Reflexionsbetrieb arbeitet,
Fig. 2a eine detailliertere schematische Darstellung des Schicht
paketes gemäß Fig. 2 und
Fig. 3 eine Verwendungsmöglichkeit eines ausgedehnten erfin
dungsgemäßen Schichtpaketes, welches in Transmission von
bspw. von einer CCD-Kamera ausgelesen wird.
Ausgangspunkt aller weiteren Betrachtungen ist ein Spektralbandfilter
mit mehreren optischen Dünnschichten einer Dicke von λ/4 bzw. λ/2
oder einem Vielfachen davon, die abwechselnd hoch- (nh) und nieder
brechend (nn) in bezug auf die zum Einsatz gelangende mittlere Arbeits
wellenlänge des Meßlichtes angeordnet sind. Dabei ist es im Rahmen der
Erfindung unwesentlich, ob der Spektralbandfilter als Transmissions-
oder Reflexionsfilter, Kantenfilter, Schmalbandfilter usw. ausgebildet ist.
Wesentlich ist, daß er wenigstens eine Schicht mit einer veränderbaren
optischen Dicke (worunter das Produkt aus Brechzahl und geometrischer
Dicke zu verstehen ist) von λ/4 bzw. λ/2 oder einem Vielfachen davon
beinhaltet, welche hydrophobe Eigenschaften aufweist und organische
Affinitätsgruppen beinhaltet, deren Auswahl der zu detektierenden Ver
bindung anpaßbar ist, bzw. ausschließlich aus derartigen Schichten auf
gebaut ist.
In einem ersten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 2 dargestellt, soll
genannte erfindungsgemäße Schicht 31 aus einem dielektrischen anorga
nischen Material, z. B. aus einem oder mehreren Metalloxiden, bestehen,
welches herstellungsbedingt mit Poren P einer Maximalgröße von bis zu
einigen 10 nm versehen ist. Diese Porengrößen gewährleisten, daß die
Schicht optisch homogen erscheint und im wesentlichen keine
Lichtstreuung auftritt. Diese Schicht ist beidseitig von abwechselnd hoch
nh und niederbrechenden nn Dünnschichten in Form eines
Reflexionsfilters erfaßt. Dabei weisen die Reflexionsfilterschichten auf
der detektierenden Seite (in Fig. 2a rechts) ebenfalls Poren auf, die mit
den Poren der Schicht 31 in Verbindung stehen und den Eintritt der zu
detektierenden Substanz ermöglichen. Erfindungsgemäß sind wenigstens
die Poren der Schicht 31, deren Porenoberflächen und auch
Schichtoberfläche von Natur aus sehr hydrophil sind, mit Molekülen
belegt, die den Charakter der Oberfläche stark hydrophob machen. Diese
Belegung wird z. B. durch eine Silanisierung erreicht. Geeignet sind
hierfür z. B. Organosilanverbindungen mit der allgemeinen chemischen
Formel RzSiX(4-z) mit (1 z 4). X steht als Bezeichnung für eine
hydrolysierbare Gruppe z. B. eine Alkoxy-Gruppe oder ein Halogen z. B.
Chlor und R steht für ein nicht hydrolysierbares organisches Radikal,
welches der Porenoberfläche eine spezielle funktionelle Eigenschaft, im
Sinne der Erfindung, insbesondere eine hydrophobe Eigenschaft,
verleihen soll. Beispiele für Alkoxy-Gruppen sind die Methoxy-(-O
CH₃) und die Ethoxy-(O CH₂ CH₃)-Gruppe.
Durch chemische Reaktion einer solchen Organosilanverbindung mit
einer hydratisierten Metalloxidoberfläche werden die hydrolysierbaren
Gruppen X mit dem Wasserstoff der Hydroxylgruppen an der Metalloxid
oberfläche chemisch reagieren und abgespalten, woraufhin das Silizium
mit seiner funktionellen Gruppe R chemisch mit der Metalloxidoberfläche
verbunden wird. Mögliche Oberflächenausbildungen genannter Art sind
in den Fig. 1a und 1b angedeutet.
In einem einfachen Beispiel wird als Organosilanverbindung
Methylchlorsilan, z. B. (CH₃)₂SiCl2, eingesetzt. Da Methylchlorsilane
zwischen 57°C und 70°C sieden, arbeitet man vorzugsweise leicht
oberhalb dieser Temperaturen und läßt den Dampf mit den Porenober
flächen reagieren. Dabei scheidet sich ein dünner Methylpolysiloxanfilm
im Inneren der Poren ab, während der freiwerdende Chlorwasserstoff
sich verflüchtigt.
Eine so hergestellte Oberflächenbelegung besitzt eine ausgeprägte
Affinität gegenüber unpolaren bzw. niederpolaren Molekülen, wodurch
eine Benetzung mit solchen Verbindungen auftritt, Wasser hingegen
abgestoßen wird. Da die gemäß der Erfindung bekleideten Porenober
flächen stark konkav gekrümmt sind, kommt es zu Dampfdruckerniedri
gungen in der benetzenden Flüssigkeit, die um so größer sind, je ausge
prägter die Benetzbarkeit ist und je kleiner die Poren sind. Aus einem
Gasgemisch, welches beispielsweise unter anderem kondensierbare un
polare Dämpfe, wie z. B. organische Lösungsmitteldämpfe, oder andere
kondensierbare Kohlenwasserstoffverbindungen enthält, führt die
Dampfdruckerniedrigung dazu, daß diese Dämpfe in den Poren konden
sieren können. Der Hohlraum verschiedener Poren, der ursprünglich mit
Gas bzw. Dampf gefüllt war, ist nun mit Flüssigkeit gefüllt. Damit erhöht
sich die optische Brechzahl der porösen Schicht und somit ihre optische
Dicke.
Um diese Änderung der optischen Dicke der Schicht meßbar zu machen,
wird die optische Dicke der Schicht bei der Schichtherstellung so einge
stellt, daß sie gleich einem Viertel oder einem Halben einer mittleren
Arbeitswellenlänge eines ausgewählten Lichtspektrums oder ein ganz
zahliges Vielfaches davon beträgt. Gemäß optischer Zusammenhänge,
die dem Fachmann geläufig sind, zeigen optische Schichten bei diesen
Wellenlängen Transmissions- oder Reflexionsmaxima. Bei erfindungs
gemäßer Änderung der optischen Dicke durch Kondensation von un
polaren Dämpfen in den Poren verschiebt sich die ursprüngliche mittlere
Arbeitswellenlänge proportional zur optischen Dickenänderung. Diese
spektralen Verschiebungen können unter Anwendung spektraler Meß
techniken, wie sie in EP 0538 664 A2 beschrieben sind, mit großer
Genauigkeit und Zuverlässigkeit ausgewertet werden.
Um die für eine Auswertung günstigen Transmissionsmaxima oder
-minima kontrastreicher zu machen, ist es sinnvoll, die poröse Schicht
bzw. das Schichtsystem beidseitig durch halbdurchlässige Spiegel
schichten zu begrenzen. Im Sinne der Erfindung sind diese Schichten so
auszuführen, daß wenigstens die Spiegelschichten einer Seite ebenfalls
porös sind und alle Poren der mittleren porösen und die Arbeitswellen
länge wesentlich bestimmenden sensitiven Schicht einen Zugang nach
außen haben, durch den die Dampfmoleküle von der Umgebung in die
Poren und auch wieder zurück gelangen können. Diese Spiegelschichten
können aus dielektrischen Substanzen mit einer optischen Dicke entspre
chend einem Viertel der Lichtwellenlänge oder aus optisch teildurch
lässigen metallischen Substanzen ausgeführt sein.
In einer weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements
kann das spektral filternde Schichtsystem 3 am Detektorkopf 2 mit den
Endflächen von Lichtleitfasern 1 fest verbunden oder auf diese unmittel
bar aufgebracht sein, wobei die Lichtleitfasern 1 der Beleuchtung I [λ]
des Schichtsystems 3 und der Zurückleitung des gefilterten Lichtes
I [λ(C)], wobei C für die Konzentration des zu detektierenden Stoffes
steht, zu einer optischen Auswerteeinheit, die in Fig. 2 strichliniert
umrandet dargestellt ist, dienen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfin
dung, das spektral filternde Schichtsystem 3, 31 als eine ausgedehnte
räumliche Platte, die auf einem transparenten Träger 4 aufgebracht ist
(wie in Fig. 3 dargestellt), auszubilden und die spektrale Auswertung
räumlich entfernt bspw. über eine CCD-Kamera 5 zu bewerkstelligen.
Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung auch andere als die
beschriebenen Organosilanverbindungen verwendet werden, um ent
weder die Temperaturbeständigkeit der Siloxanfilme zu erhöhen, oder um
den polaren Charakter zu verändern oder um die Selektivität der
Wechselwirkung mit speziellen Molekülen zu erhöhen.
Insbesondere können anstelle der dielektrischen anorganischen
Grundsubstanz für die poröse Schicht auch organische Substanzen
verwendet werden, deren Moleküle käfigförmige Hohlräume bilden, wie
z. B. Cyclodextrine, wobei die Selektivität gegenüber bestimmten
Molekülen durch die Übereinstimmung der Größe dieser Moleküle mit
den Größen der molekularen Käfige erreichbar ist.
Da es sich im beschriebenen Beispiel um Belegung der Oberflächen von
Mikroporen mit hydrophoben Molekülen handelt, ist die Anwendung der
solcherart modifizierten mikroporösen Schichten für die Detektion von
Substanzen mit unpolaren Molekülen nicht auf gasförmige Umgebungen
beschränkt, sondern es können auch in Wasser gelöste unpolare Kohlen
wasserstoffe detektiert werden, soweit von ihnen eine kondensierbare
Phase existiert.
Wesentlich im Sinne der Erfindung ist, daß durch die Belegung der
Porenoberfläche mit einer dünnen Schicht, diese Porenoberfläche eine
Eigenschaft bekommt, die die Anlagerungsfähigkeit von Stoffen in
Abhängigkeit von deren polarem oder unpolarem Molekülcharakter, also
ihre Benetzbarkeit, entscheidend bestimmt. So können z. B. anstelle der
im obigen Beispiel benutzten Methylgruppen natürlich auch andere,
vorzugsweise an Silizium gebundene Gruppen benutzt werden, z. B.
Phenyl-, oder Aminogruppen, um die Selektivität der Sensoren gegen
über bestimmten Kohlenwasserstoffen, Aminen u. a. zu modifizieren.
Beispielsweise erhöht eine Phenylgruppe ganz wesentlich die gewünschte
hydrophobe Wirkung und ist selbst bis zu Temperaturen von ca. 300°C
noch stabil. Belegungen der Porenoberfläche bspw. mit Molekülgruppen
wie C₃H₇NH₂ führen zu einer deutlich bevorzugten Affinität zu Substan
zen aus der Klasse der Amine. Außerdem bringen derartige Oberflächen
belegungen den zusätzlichen Vorteil, daß auf gesonderte Filter
membranen, wie sie bei vergleichbaren Sensorelementen nach dem Stand
der Technik erforderlich sind, verzichtet werden kann.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist für die Schicht mit veränder
barer optischer Dicke eine poröse, dielektrische organische Schicht
eingesetzt, die von Haus aus einen unpolaren Oberflächencharakter auf
weist. Eine solche poröse Polymerschicht kann zum Beispiel hergestellt
werden aus einer Mixtur von polymerisierbaren Monomeren und einem
inerten organischen Lösungsmittel, welche auf ein Substrat aufgebracht
wird. Durch Polymerisation und anschließendes Entfernen des inerten
Lösungsmittels entsteht eine poröse Schicht. Wegen ihrer ausgezeich
neten optischen Transmissionseigenschaften können z. B. Methyl-
Methacrylat (MMA) oder Triethylen-Glykol-Di-Methcrylat (TGMA) als
monomere Ausgangsstoffe benutzt werden, als inertes Lösungsmittel
kann Oktan verwendet werden. Als Polymerisationsinitiator kann
Benzoylperoxid dienen. Nach vollständiger Polymerisation und nach
Entfernen des inerten Lösungsmittels Oktan durch Auswaschen mit
Azeton entsteht eine poröse polymere Schicht mit der gewünschten un
polaren und hydrophoben Oberfläche, so daß dampfförmige Stoffe mit
unpolaren Molekülen in Abhängigkeit von ihrem Dampfdruck in den
Poren entsprechender Größe kondensieren können. Die Größe und
Anzahl der Poren kann gezielt durch das Mischungsverhältnis der Mixtur
und die Polymerisierungsbedingungen beeinflußt werden. Die Dicke der
Schicht kann in vorgebbarer Weise gewählt werden, um verwendungs
gemäße optische Wirkungen zu erzielen. Ebenfalls kann sie zu diesem
Zweck mit anderen Schichten zu Schichtsystemen kombiniert werden.
Die Poren können natürlich, insbesondere wenn sie größer sein sollen,
auch durch einen in der Mikrolithographie üblichen
"Belichtungsvorgang" (z. B. mit Elektronenstrahlen) und nachfolgender
Entwicklung hergestellt werden. In der Elektronenstrahl-Lithographie
übliche PMMA-Schichten sind hierfür geeignet.
In einem dritten Ausführungsbeispiel, was wahlweise bei den bisher
beschriebenen Anwendung finden kann, ist für die Schicht 31 mit ver
änderbarer optischer Dicke eine dielektrische Schicht eingesetzt, die
explizit keine erkennbaren Porenstrukturen besitzt, die aber in der Lage
ist, bspw. unpolare Kohlenwasserstoff-Verbindungen oder solche mit
kleinem molekularen Dipolmoment zu lösen und damit aufzunehmen,
wobei als Folge Änderungen der optischen Brechzahl und/oder der Dicke
der Schicht 31 auftreten. Wasser hingegen ist in diesen Schichten nicht in
nennenswerter Konzentration lösbar. Die Schicht oder die Schichten soll
in ein optisches Filterschicht-System integrierbar sein oder aus ihnen soll
ein optisches Filterschicht-System aufbaubar sein.
In einem typischen Beispiel bestehen solche Schichten aus Siloxanen z. B.
Dimethylpolysiloxan (DMPS) und aus Polytetrafluorethylen (z. B. Teflon
AF). In beiden Substanzen sind Kohlenwasserstoffverbindungen insbe
sondere chlorierte Kohlenwasserstoffe leicht löslich, Wasser hingegen
kaum. DMPS mit optischen Brechzahlen von 1,4 und leicht darüber kann
die Rolle einer optisch hochbrechenden Schicht ausführen und Teflon AF
mit einer Brechzahl von etwa 1,3 die einer optisch niedrig brechenden
Schicht, so daß mit alternierenden Folgen dieser Schichten mit festzu
legenden optischen Dicken, die einem Viertel bzw. einem Halben einer
optischen Arbeitswellenlänge entsprechen, optische Filterschichtsysteme
aufgebaut werden können. Da sich bei Lösung von Kohlenwasserstoff-Molekülen
in diesen Schichten aufgrund von damit verbundenen Brech
zahl- und Dickenänderungen die optisch wirksamen Dicken ändern,
kommt es zu Verschiebungen der optischen Arbeitswellenlängen der
Filter, bei denen maximale Transmission oder Reflexion stattfindet. Diese
spektralen Verschiebungen können mit großer Genauigkeit und Zuver
lässigkeit meßtechnisch ausgewertet werden.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der
Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in
beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Bezugszeichenliste
1 Lichtleitfaser
2 Detektorkopf
3 spektral filterndes Schichtsystem
31 erfindungsgemäßes Schichtsystem
4 transparenter Träger
5 CCD-Kamera
nh hochbrechende Schicht
nn niederbrechende Schicht
P Poren.
2 Detektorkopf
3 spektral filterndes Schichtsystem
31 erfindungsgemäßes Schichtsystem
4 transparenter Träger
5 CCD-Kamera
nh hochbrechende Schicht
nn niederbrechende Schicht
P Poren.
Claims (7)
1. Optisches Sensorelement zum Nachweis von organischen Verbin
dungen, insbesondere Kohlenwasserstoffen, im wesentlichen
bestehend aus einem Spektralbandfilter mit mehreren optischen Dünn
schichten einer optischen Dicke von λ/4 bzw. λ/2 oder einem
Vielfachen davon, die abwechselnd hoch- und niederbrechend in
bezug auf die zum Einsatz gelangende mittlere Arbeitswellenlänge des
Meßlichtes angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das
Spektralbandfilter wenigstens eine Schicht mit einer veränderbaren
optischen Dicke von λ/4 bzw. λ/2 oder einem Vielfachen davon
beinhaltet, welche hydrophobe Eigenschaften aufweist und organische
Affinitätsgruppen beinhaltet, deren Auswahl der zu detektierenden
Substanz anpaßbar ist.
2. Optisches Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht veränderbarer optischer Dicke durch eine anorga
nische, dielektrische poröse Schicht gebildet ist, bei der zumindest die
Poren mit einer molekularen Organosiliziumverbindung ausgekleidet
sind.
3. Optisches Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht veränderbarer optischer Dicke durch eine organische,
dielektrische, poröse polymere Schicht gebildet ist.
4. Optisches Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die poröse polymere Schicht durch Polymerisation und anschlie
ßender Entfernung eines inerten Lösungsmittels gebildet ist.
5. Optisches Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Poren der polymeren Schicht durch molekulare
Käfigstrukturen mit einer vorgebbaren Formaffinität gebildet sind.
6. Optisches Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schicht veränderbarer optischer Dicke durch eine organische,
dielektrische Schicht gebildet ist, die in der Lage ist, die nachzu
weisenden unpolaren Substanzen, bzw. solche mit einem, im Vergleich
zu Wasser kleineren Dipolmoment, zu lösen.
7. Optisches Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht veränderbarer optischer
Dicke Belegungen beinhaltet, die aus einer Organosilanverbindung der
allgemeinen chemischen Formel RzSiX(z-4), mit 1 z 4, abgeleitet
sind, wobei X für eine hydrolysierbare Gruppe, z. B. eine Alkoxy-Gruppe
oder ein Halogen und R für ein nicht hydrolysierbares Radikal
steht, oder genannte Schicht vollständig aus einer Organo
siliziumverbindung gebildet ist.
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE19545414A DE19545414C2 (de) | 1995-12-06 | 1995-12-06 | Optisches Sensorelement |
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