DE3532563A1

DE3532563A1 - Anordnung zur fluoreszenzoptischen messung von stoffkonzentrationen in einer probe

Info

Publication number: DE3532563A1
Application number: DE19853532563
Authority: DE
Inventors: Herbert Dipl.-Ing. Dr. Kroneis; Helmut Dr. Graz Offenbacher
Original assignee: Avl AG
Current assignee: Avl AG
Priority date: 1984-09-17
Filing date: 1985-09-12
Publication date: 1986-03-27
Also published as: AT383684B; ATA295584A; US4703182A; JPH0678982B2; JPS6177745A; DE3532563C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur fluoreszenzoptischen Messung von Stoffkonzentrationen in einer Probe, mit einer Lichtquelle für Anregungsstrahlung, einem nach Anregung abhängig von der zu messenden Stoffkonzentration fluoreszierenden Sensorelement, und einem Detektor für die Emissionsstrahlung, wobei das Sensorelement ein zumindest an einem Bereich seiner Oberfläche mit der zu vermessenden Probe zumindest indirekt in Kontakt bringbares Trägerelement aufweist, das für Anregungs- und Emissionsstrahlung transparent ist und einen Brechungsindex η- aufweist, der größer ist als der Brechungsindex n₃ des vorliegenden Umgebungsmediums, sodaß Lichtstrahlen die unter Auftreffwinkeln oC . - bezogen auf Senkrechte auf die Grenzflächen zwischen Trägerelement und Umgebung - größer

ⁿ3
als cC _n = arc sin — im Trägerelement unter Total-

G1,3 ⁿ1
reflexion transportiert werden.

Eine Anordnung der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 3 604 927 bekannt. Bei dieser bekannten An-Ordnung erfolgt die Anregung der Probe mittels evaneszenten Wellen, welche bei Totalreflexion der Anregungsstrahlung an der Grenzschicht zwischen optisch dichterem und optisch dünnerem Medium in letzterem entstehen und rasch exponentiell abklingen. Die Probe muß somit einen kleineren Brechungsindex aufweisen als das totalreflektierende Trägerelement. Aufgrund der speziellen Winkelanforderungen für den gerichteten, kollimierten Anregungsstrahl müssen die Flächen für den Ein- und Austritt des Anregungslichtes aus dem Trägerelement speziell behandelt sein. Daraus ergibt sich ein sehr aufwendiges Meßsystem mit hohen Ansprüchen an eine

exakte Positionierung, wobei aufgrund der geringen Eindringtiefe der evaneszenten Wellen in das fluoreszierende Probenmedium nur geringe Signalintensitäten zu erwarten sind. Weiters ist anzumerken, daß die optischen Eigenschaften der Probe im Bereich der evaneszenten Wellen, beispielsweise die Lichtabsorption durch nicht fluoreszierende Stoffe, Einflußgrößen auf die Meßsignale darstellen.

Anordnungen zur Messung physikalischer oder chemischer Parameter und insbesonders von interessierenden Stoffkonzentrationen mit Hilfe von lumineszierenden Indikatoren sind z.B. aus der DE-OS 25 08 637, US-PS 3 612 866, GB-PS 1 190 583, EP-O 109 959-A1 oder der EP-O 109 958-A1 bekannt.

Die letztgenannten Anordnungen basieren auf Sensorelementen, welche mit lumineszierenden Schichten ausgestattet sind, welche ihrerseits mit der Probe in Kontakt gebracht werden und nach Lichtanregung Licht in spektraler Abhängigkeit und/oder Intensitätsabhängigkeit von der zu messenden Größe abgeben. Ein Teil dieses vom Sensorelement emittierten Lichtes wird mit Detektor en. gemessen, sodaß entsprechend physikalischer bzw. chemischer Gesetze der Wechselwirkung zwischen Probenmedium und Lumineszenzschicht bzw. Indikatormaterial auf die Größe der interessierenden Probenparameter geschlossen werden kann.

All diese Anordnungen haben den Nachteil, daß die Ausbeute an der zu bestimmenden Größe zuordenbarem Emissionslicht relativ klein ist, wodurch das Auflösungsvermögen entsprechend den gegebenen Möglichkeiten der verwendeten Detektoren (Photodetektoren) limitiert ist. Diesem Umstand kann auch nicht durch eine Erhöhung der Intensität des Anregungslichtes entgegengewirkt werden, da die in diesem Zusammenhang bekannten bzw. verwendeten lumineszierenden Indikatormaterialien mehr oder weniger starken Photozersetzungsprozessen unterliegen, deren Umsatzrate proportional zur absorbierten Lichtmenge ist. Eine Erhöhung der Intensität des Anregungs-

lichtes würde also unmittelbar zu Alterungsprozessen im Indikatormaterial und damit wiederum zu einer Erhöhung der Messungenauigkeit führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Anordnung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß die angeführten Nachteile der bekannten Anordnungen nicht auftreten und daß insbesondere die Ausbeute an zum Detektor gelangendem Emissionslicht bei gegebenem Indikatormaterial erhöht wird, ohne daß die mit einer Erhöhung der Intensität des Anregungslichts einhergehenden Nachteile in Kauf genommen werden müssen.

Dies wird gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, daß das Trägerelement zumindest an einem Bereich seiner Oberfläche mit einer Indikatorschicht mit vorgegebenem Brechungsindex n~ bedeckt ist, die auf der dem Trägerelement abgewandten Seite während der Messung mit der Probe in Kontakt steht, daß die zum Detektor gelangende Emissionsstrahlung, und/oder die Anregungsstrahlung, in dem mit der Probe während der Messung über die Indikatorschicht in Kontakt stehenden Bereich des Trägerelementes Winkel 0C₁ aufweist, die

n2 ' kleiner als oCr, = arc sin — sind. Das mit dem In-

Gi,2 ni
dikatormaterial beschichtete Trägerelement weist also zumindest teilweise reflektierende Flächen auf, deren Form und Lage auf das Anregungs- und/oder Detektionssystem in einer Weise abgestimmt sind, daß sich eine lichtsammelnde bzw. lichtleitende Funktion des Trägerelements für Anregungs- und/oder Emissionslicht und zwar gerichtet zur Indikatorschicht und/oder zum Detektor ergibt.

Als Trägerelement wird in diesem Zusammenhang allgemein ein transparenter Körper verstanden, der zumindest an einem Teil seiner Oberfläche mit der lumineszierenden Indikatorschicht in Kontakt steht und in diesem Bereich zugleich die Indikatorschicht begrenzt, wobei der Ort der Indikatorschicht relativ zum Trägerelement fixiert ist. Die nach Anregung fluoreszierende Indikatorschicht kann dabei durch chemische

oder physikalische Wechselwirkungen mit dem Trägerelement an dieses gebunden sein. Beispiele für derartige Bindungen sind: Adhäsion von Flüssigkeitsfilmen, Adhäsion oder chemische Bindung (z.B. kovalente Bidnung) von Poymerschichten - jeweils mit eingelagerten lumineszierenden Farbstoffen, Adsorption oder chemische Bindung von lumineszierenden Farbstoffen direkt an das Trägerelement.

Reflexion im Trägerelement kann entweder durch Verspiegelung der entsprechenden Flächen nach bekannten Methoden oder durch Einhalten der Bedingungen für die Totalreflexion erzielt werden. Totalreflexion tritt dann ein, wenn Licht aus einem optisch dichteren Medium auf die Grenzfläche eines optisch dünneren fällt und der Einfallswinkel größer ist,als der Grenzwinkel für die Totalreflexion.

Allgemein ist dieser Grenzwinkel durch die Brechungsindexunterschiede der beiden aneinandergrenzenden Medien nach Gleichung 1 bestimmt.

(G.	1)	sin O	^Ga,b "	ⁿb ⁿa	; mit CX_G	: Grenzwinkel für ,b die Totalre flexion
					ⁿa^:	Brechungsindex des optisch dichteren Mediums
					n_b:	Brechungsindex des optisch dünneren Mediums

Der zuletzt beschriebene Fall der Totalreflexion an Grenzflächen von Medien unterschiedlicher optischer Dichte ist bevorzugt gegenüber aer ebenfalls gegebenen Möglichkeit der Reflexion an verspiegelten Flächen anzuwenden. Die Vorteile liegen dabei nicht nur im geringen Aufwand der Herstellung von Sensorelementen mit

total reflektierenden Flächen, sondern vor allem in der Möglichkeit die Lichtwege von Anregung und Emission zu trennen, und damit das Anregungslicht vom Emissions(=Lumineszenz)licht zu unterscheiden. Diese Unterscheidungsmöglichkeit wird im folgenden für die einzelnen bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung gesondert aufgezeigt und beruht im wesentlichen auf der Winkelabhängigkeit der Totalreflexion (Lichtstrahlen mit Einfallswinkel >eC_r werden totalreflektiert - verbleiben also im

a,b
Medium des Trägerelements; Lichtstrahlen mit Einfallskeln <oC

'G.

^ra,b.

werden vom Lot gebrochen, verlassen also

das Trägerelement) .

Wie erwähnt ist dafür zu sorgen, daß die Umgebung der für Totalreflexion vorgesehenen Flächen aus Medien mit kleinerem Brechungsindex besteht als das Medium des Trägerelements .

Beispiele für Träger- und Umgebungsmaterialien sind folgende:

	Bezeichnung	Brechungsindex
Trägerelement	Glas Quarzglas Plexiglas Polycarbonate ungesättigte Polyester	1,46-1,9 (je nach Glas type) 1,46 1,50 1,60 1,52
Umgebung:	Luft Wasser Silicon PVC mit Weichmacher	1,00 1,33 1,40-1,58 1,5

Zur Umgebung: Polymeramterialien (Silicon, PVC) können dabei als Beschichtung der Trägerelemente oder als Einbettmassen für diese Anwendung finden und zugleich als Haltevorrichtung dienen oder mit einer solchen in Verbindung stehen.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung betrifft die häufig angewandte Technik der Lumineszenzmessung in "Remission", beispielsweise mit Hilfe zweiarmiger Faserlichtleiter als Kopplungselement zwischen Lichtquelle,

-O-

Sensor und Photodetektor. Es ist dabei vorgesehen, daß das Trägerelement zylindrische bzw. prismatische Form aufweist und an einer der Indikatorschicht gegenüberliegenden Deckfläche mit einem Ende eines lichtleitenden Kopplungselementes, wie insbesonders einem Totalreflexion ausnützenden, mehrarmigen Faserlichtleiterbündel, in Verbindung steht, dessen anderes Ende mit der Lichtquelle bzw. dem Detektor zusammenwirkt, und daß die Mantelfläche des Trägerelementes zumindest annähernd senkrecht auf dieser Deckfläche steht.

über das gemeinsame Ende des im Bereich des Trägerelementes statistisch vermischten Faserlichtleiterbündels kann beispielsweise sowohl Anregungslicht von der Lichtquelle zur Indikatorschicht als auch Lumineszenzlicht von dort zum Detektor befördert werden.

Das Trägerelement für die fluoreszierende Indikatorschicht weist beispielsweise eine "total reflektierende" Zylindermantelfläche auf. Die normal zur Zylinderachse geschnittene Deckfläche des im wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Trägerelements grenzt an einen zweiarmigen Faserlichtleiter; der Durchmesser des Trägerelements ist im günstigsten Fall gleich dem Durchmesser des angrenzenden Endes des Faserlichtleiterbündels. Die gegenüberliegende Grundfläche des Trägerelementes ist zumindest teilweise mit der Indikatorschicht bedeckt und kann unterschiedlich geformt sein.

Im einfachsten Fall ist auch diese Fläche eine Schnittfläche normal zur Zylinderachse, bzw. zur Prismenachse im Fall der Ausbildung des Trägerelementes als Prisma. Ein besonderer Vorteil derartiger Trägerelemente liegt darin, daß auch die Lichtwege für die Anregungsstrahlung durch die reflektierende Mantelfläche begrenzt werden, sodaß das Anregungslicht auf die Indikatorschicht gesammelt wird und Lichtwechselwirkungen mit der Sensorumgebung vermieden werden.

Zur Vermeidung von (partieller) Rückreflexion des Anregungslichtes in das Kopplungselement kann die die lumineszierende Schicht tragende "Grundfläche" des

Trägerelementes als einfach schief zur Deckfläche geschnittene Fläche, als kegelförmige Vertiefung, oder als aufgesetzter Kegel ausgestaltet sein.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die die Indikatorschicht tragende, dem Kopplungselement gegenüberliegende Grundfläche des Trägerelementes zur Deckfläche unter einem Winkel ß

sin 0Co geneigt ist, für den gilt: sin ß>— ; wobei A.3

der halbe maximale Austrittswinkel des Anregungslichtes aus dem Kopplungselement ins Umgebungsmedium ist.

Der Winkel ß, den diese Schnittfläche bzw. die Erzeugenden der Kegelmantelfläche zu der normal auf die Zylinder- bzw. Prismenachse stehenden Deckfläche einnehmen, ist somit auf den Austrittswinkel des Faserlichtleiters abgestimmt.

Unter den in Gleichung 2 angegebenen Bedingungen können partiell rückreflektierte Anregungslichtstrahlen nicht mehr im lichtleitenden Kopplungselement, bzw. im Faserlichtleiter, weitergeleitet werden:

nt

(Gl. 2) sin ß>·^^-—~ ; mit: n, = Brechungsindex des

ⁿ1 Materials des Träger

elementes

Dies gilt unter der Annahme gleichen Umgebungsmediums (beispielsweise Luft) an der Deckfläche und der Mantelfläche des Trägerelementes.

Die reflektierten Strahlen des Anregungslichtes können die Deckfläche des Trägerelementes damit nur mehr unter Winkeln verlassen, welche größer sind, als der maximale öffnungswinkel des Kopplungselementes ins Umgebungsmedium und können somit im Kopplungselement nicht mehr zum Detektor geleitet werden.

Bei einer Anordnung, bei welcher das Trägerelement in Form einer Platte mit planparallelen Deckflächen ausgeführt und die Indikatorschicht an einer der Deckflächen angeordnet ist, kann die Totalreflexion an den planparallelen Deckflächen für den Transport von Anregungslicht zum Indikator und/oder von Emissionslicht vom Indikator zum Detektor ausgenutzt werden. Die Lichteintritts- bzw.

Lichtaustrittsflächen für totalreflektierte Strahlen im Trägerelement sind Kantenflächen der planparallelen Platte, die im wesentlichen senkrecht zu den planparallelen, totalreflektierenden Deckflächen liegen. Wie bereits erwähnt, kann nach der vorliegenden Erfindung die Winkelabhängigkeit der Totalreflexion für die Trennung der Strahlengänge von Anregungs- und Emissionslicht ausgenutzt werden. Dadurch können übliche Maßnahmen zur Unterscheidung von Anregungs- und Lumineszenzlicht (Monochromatoren, optische Filter) zumindest teilweise durch die Formgebung des Trägerelementes ersetzt werden. Es können demnach Photodetektoren bei räumlicher Entfernung von der Lichtquelle in unmittelbarer Umgebung der Lichtaustrittsfläche für Emissionslicht am Trägerelement positioniert werden. Durch den Entfall der Monochromatoren bzw. Filter sowie die Möglichkeit, die Detektoren näher an den Entstehungsort des Emissionslichts heranzurücken, bzw. durch die Ausnützung der Tatsache, daß die Lichtleitung mittels Totalreflexion praktisch verlustlos erfolgt, wird die Lichtausbeute und damit die Meßgenauigkeit erhöht, ohne daß die Intensität des Anregungslichts angehoben werden müßte.

In diesem Zusammenhang ist nach einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung vorgesehen, daß die zur Anregung dienende Lichtquelle im wesentlichen normal zur Indikatorschicht angeordnet ist und daß der. Detektor an zumindest einer im wesentlichen senkrecht zur Indikatorschicht liegenden seitlichen Begrenzungsfläche des Trägerelementes angeordnet ist. Damit wird im Inneren des Trägerelementes total reflektiertes Emissionslicht an zumindest einer seitlichen Kante des Trägerelementes detektiert ,wobei die .Lichtanregung ohne Totalreflexion im Trägerelement erfolgt. Dabei ist die Lichtquelle so angeordnet, daß die Achse des Anregungsstrahlenganges im wesentlichen senkrecht zur Indikatorschicht und damit zur planparallelen Trägerplatte steht. Da für das dabei in das Trägerelement

eintretende Anregungslicht auf alle Fälle die Winkelbedingungen für Totalreflexion im Trägerelement nicht erfüllt sind ist gewährleistet, daß kein Anregungslicht im Inneren des planparallelen Trägerelementes durch Totalreflexion zum Detektor bzw. zu den Detektoren gelangt.

In diesem Zusammenhang ist es von Vorteil, wenn erfindungsgemäß die Indikatorschicht eine Deckfläche des Trägerelementes vollständig bedeckt und der Brechungsindex n_? der Indikatorschicht größer als der Brechungsindex n₃ des Umgebungsmediums ist.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung zwischen Lichtquelle und Trägerelement eine Blendenanordnung vorgesehen ist, welche den Einfallswinkel des Anregungslichtes begrenzt. Dies dient zur Verminderung von partiellen Reflexionen des Anregungslichtes im planparallelen Trägerelement. Dazu könnten auch andere Maßnahmen zur Lichtbündelung (wie z.B. opt. Linsen) vorgesehen werden, welche Winkelabweichungen des Anregungslichtes von der optischen Achse der Anregungsstrahlung reduzieren. Die lumineszierende Indikatorschicht kann dabei eine der beiden planparallelen Deckflächen entweder ganz oder nur teilweise bedecken, zum Beispiel nur in jenem Bereich, der mit der Probe in Kontakt steht.

Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Blendenanordnung zwischen Lichtquelle und Trägerelement nur Anregungslicht mit Winkeln <. 90 relativ zum Lichtweg zwischen Indikatorschicht und Detektor durchläßt, da damit die Gefahr, daß ein Teil des Anregungslichtes trotzdem durch teilweise Reflexion innerhalb der planparallelen Deckflächen des Trägerelementes zum Detektor bzw. zu den Detektoren gelangt, weiter verringert wird.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwischen der detektorseitigen Begren-

_ 13 ---■ ■

zungsfläche und dem Detektor eine Kopplungsschicht angeordnet ist, die einen Brechungsindex rir aufweist, der größer ist als der Brechungsindex r;₃ der Umgebung des Trägerelementes. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Brechungsindex n, der Kopplungsschicht größer oder gleich dem Brechungsindex n- des Trägerelements selbst ist, wobei die Kopplungsschicht nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung aus einem, vorzugsweise auf dem Detektor aufgebrachten, Polymermaterial bestehen kann. Durch diese Ausgestaltungen kann die Lichtübertragung von der jeweiligen Begrenzungs- bzw. Kantenfläche zum Detektor durch indexangepaßte Medien zwischen Kantenfläche und Detektor verbessert werden (z.B.: Immersionsöl, Polymerbeschichtung).

Der wesentliche Vorteil dieser Ausgestaltungen besteht darin, daß an den seitlichen Begrenzungsflächen ein deutlich größerer Anteil von Emissionslicht abgestrahlt wird als an den beiden planparallelen Deckflächen, deren eine die Indikatorschicht trägt. Tab. 1 vergleicht die Emissionslichtanteile, welche von den planparallelen Deckflächen und von den seitlichen Begrenzungsflächen abgestrahlt werden. Die Brechungsindizes der an der Totalreflexion beteiligten Medien (Trägerelement, Umgebung und lumineszierende Indikatorschicht), werden in drei gebräuchlichen Kombinationen angegeben.

Tab. 1: Vergleich von Emissionslichtanteilen, welche an den planparallelen Deckschichten 0 und durch die normal dazu stehende(n)

Begrenzungsfläche(n) eines Trägerelementes abgestrahlt werden, wobei der Brechungsindex der Indikatorschicht variert ist und die geometrischen Bedingungen konstant angenommen sind.

Brechungsindiz es	n₂ Indika tor schicht	ⁿ3 Umge bung	Emissionslichtan teile % des gesamten Lumineszenzlichtes	Austritt an plan- paralle len Deck flächen	Verhältnis der Lichtanteile
^Ω1 Trä- ger- ele- ment	1,47 (Sili con)	1,00 (Luft)	Austritt an seitl. Begren zungsflä chen	26,7 %	seitl./Deck fläche
1,47 (Du- ran Glas)	1,40 (Sili con)	1,00	68,0 %	29,3 %	2,55
1,47	1,50 (PVC + Weich- mascher)	1,00	68,1 %	25,5 %	2,33
1,47	49,7 %	1,95

Die Tab. 1 zeigt, daß Brechungsindexunterschiede zwischen Trägerelement und Indikatorschicht in gewissen Grenzen erlaubt sind. Als unkritisch für die Lichtausbeute an der seitlichen Begrenzungsfläche kann der Fall n₂<n. angesehen werden. Für den Fall n₂>n₁ treten durch Totalreflexion zwischen Indikatorschicht und Trägerelement Verluste an der Lichtausbeute an der seitlichen Begrenzungsfläche ein. Dieser entlang der Indikatorschicht totalreflektierte Lichtanteil, der in der Tab. 1 nicht berücksichtigt ist, kann allerdings zumindest teilweise mitdetektiert werden, wenn die Indikatorschicht die gesamte Deckfläche bedeckt und an der seitlichen Begrenzungsfläche des Trägerelements ebenfalls an die photoempfindliche Schicht des Detektors angrenzt.

Tab. 1 zeigt weiters, daß für realistische Kombinationen von Trägerelement, Indikatorschicht und Umgebung der seitlich abgestrahlte Lichtanteil an emittiertem Lumineszenzlicht zwei- bis zweieinhalb mal so groß ist, als der von den beiden planparallelen Deckflächen abgestrahlte Anteil.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich auch durch den bereits erwähnten Umstand, daß der (die) Detektor(en) direkt an der (den) seitlichen Kante(n) positioniert werden kann (können), während zur Messung des von der planparallelen Deckfläche abgestrahlten Lichtes Vorrichtungen zur Unterscheidung, z.B. Filter, von Anregungs- und Lumineszenzlicht zwischen abstrahlender Fläche und Detektor vorgesehen werden müßten.

Der Detektor kann im wesentlichen normal zur Indikatorschicht angeordnet sein, wobei die zur Anregung dienende Lichtquelle an einer im wesentlichen senkrecht zur Indikatorschicht liegenden Begrenzungsfläche des Trägerlementes angeordnet ist, Diese Begrenzungsfläche weist dabei einen Abstand zur vom Anregungslicht ausgeleuchteten Indikatorschicht auf, der zumindest eine einmalige Totalreflexion des Anregungslichtes im Trägerelement ermöglicht. Zwischen der Begrenzungsfläche und der Indikatorschicht kann dabei auch eine lichtundurchlässige Abdeckung um das Trägerelement angebracht sein, die vorzugsweise von der Begrenzungsfläche einen Abstand aufweist. Damit erfolgt also der Lichttransport für das Anregungslicht hauptsächlich mittels Totalreflexion innerhalb des planparallelen Trägerelements und das Emissionslicht (Lumineszenzlicht) wird an zumindest einer der planparallelen Deckflächen des Trägerelements detektiert. Um teilweise Absorption des Anregungslichtes durch die Indikatorschicht zu vermeiden, ist es dabei vorteilhaft, nur jenen Teil der planparallelen Deckflächen mit der lumineszierenden Indikatorschicht zu bedecken, der tatsächlich in Kontakt mit der Probe bringbar ist. Als Bedingungen für diese Art von Anordnung gelten, daß die Brechungsindizes von sowohl Trägerelement als auch lumineszierender Indikatorschicht größer sind als der Brechungsindex der Umgebung.

Das Anregungslicht wird im Inneren des planparallele Deckflächen aufweisenden Trägerelements solange totalreflektiert, bis ein gegenüber der Umgebung erhöhter Brechungsindex der angrenzenden Indikatorschicht einen

Durchtritt durch die Grenzfläche ermöglicht und somit die Anregung der lumineszierenden Moleküle gewährleistet ist.

Da der Großteil des Anregungslichtes (Streulicht ausgenommen) weder die lumineszierende Indikatorschicht noch die gegenüberliegende Deckfläche der planparallelen Platte des Trägerelementes in Richtung Umgebung verlassen kann - an diesen Grenzflächen wird es total reflektiert - können Photodetektoren entweder an der der Indikatorschicht gegenüberliegenden Deckfläche der planparallelen Platte oder an eine Meßgutkammer anschließend (z.B. für die Messung transparenter Gase) oder an beiden Stellen im wesentlichen auf Deckung mit der lumineszierenden Indikatorschicht angeordnet sein.

Der Vorteil dieser Art von Anordnungen besteht wieder darin, daß der (die) Detektor(en) näher den abstrahlenden planparallelen Flächen positioniert werden kann (können), da optische Filter entweder weggelassen werden können oder lediglich zur Absorption von gestreutem Anregungslicht vergleichsweise dünn ausgeführt sein können. Außerdem bietet sich der Vorteil, das an den planparallelen Grenzflächen abgestrahlte Lumineszenzlicht von beiden Seiten der planparallelen Platte zu detektieren, da kein Lichtweg für die Anregungsstrahlung in diesem Bereich freigehalten werden muß. Vorteilhafterweise kann der Brechungsindex der lumineszierenden Indikatorschicht klein gewählt werden, ohne aber die grundlegende Bedingung n2/>n., zu verletzen. Dadurch können die durch die planparallelen Deckflächen abgestrahlten Lumineszenzlichtanteile vergrößert werden (vgl. Tab. 1). Für eine effektive Beleuchtung sollte andererseits der Brechungsindex des Trägerelements nicht wesentlich größer sein als jener der lumineszierenden Indikatorschicht, da für n.j> n₂ ein Teil des Anregungslichtes an der Grenzfläche Trägerelement/Indikatorschicht ebenfalls total reflektiert wird.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung können die Begrenzungsflächen zur Einleitung des Anre-

gungslichtes und zur Detektierung des Emissionslichtes sowie die Indikatorschicht jeweils senkrecht zueinander angeordnet sein. Dies stellt im wesentlichen eine Korabination der oben beschriebenen beiden bevorzugten Ausführungsvarianten dar.

Durch entsprechende Wahl der Grundfläche des planparallelen Trägerelemtenes ist es also möglich, sowohl Anregung als auch Detektion an Kantenflächen bzw. seitlichen Begrenzungsflächen des Trägerelements durchzuführen. Zusätzlich zur Detektion an den seitlichen Begrenzungsflächen ist es dabei auch möglich, Lumineszenzlicht, welches von den planparallelen Deckflächen abgestrahlt wird zu detektieren.

Es ist dabei auch möglich, daß die Deckflächen des Trägerelements trapezförmig ausgebildet sind, was den Vorteil hat, daß auch Materialkombinationen (Umgebung, Trägerelemente) möglich sind, für die der Grenzwinkel der Totalreflexion > 45° ist.

Die Erfidung wird im folgenden anhand der in - der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die

Fig. 1- und 2 zeigen·jeweils unterschiedliche Ausführungsformen von . Anordnungen nach der vorliegenden Erfindung in teilweise geschnittener,

schematischer Darstellung, Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel in

Schrägansicht,

Fig. 4 zeigt ein Detail eines anderen Ausführungsbeispiels in schematischer Darstellung,

Fig. 5 zeigt ein Detail eines weiteren Ausführungsbeispieles,
Fig. 6 zeigt die Lichtreflexionsbedingungen in einem Trägerelement eines anderen Ausführungsbeispiels nach der Erfindung und die

Fig. 7 bis 9 zeigen jeweils unterschiedliche Gestaltungen von Trägerelementen für Anordnungen nach der vorliegenden Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung zur optischen Messung von Stoffkonzentrationen in einer Probe weist ein Sensorelement 1 mit einem an einem Bereich seiner Oberfläche mit einer Indikatorschicht 2 versehenen Trägerelement 3 auf. An der mit der Indikatorschicht 2 versehenen Seite des Trägerelementes 3, welches in Form einer Platte 4 mit planparallelen Deckflächen 5 ausgeführt ist, ist eine Meßgutkammer 6 vorgesehen, welche über Einlaß 7 und Auslaß 8 von der zu messenden Probe durchspült sein kann.

An der der Indikatorschicht 2 abgewandten Seite ist im Inneren der Meßgutkammer 6 ein Detektor 9 angeordnet, der als sogenannter Photodetektor ausgeführt ist und über Anschlüsse 10, 11 der nachgewiesenen Strahlung entsprechende elektrische Signale an eine hier nicht weiter dargestellte Auswerteeinheit abgeben kann. An der der Indikatorschicht 2 gegenüberliegenden Seite der Platte 4 ist an der planparallelen Deckfläche 5 ein weiterer Detektor 9 angeordnet, der im wesentlichen gleich wie der im Inneren der Meßgutkammer 6 liegende ausgeführt sein kann.

An einer im wesentlichen senkrecht zur Indikatorschicht 2 liegenden seitlichen Begrenzungsfläche 12 der Platte 4 bzw. des Trägerelementes 3 ist eine Lichtquelle 13 angeordnet, die über die Fläche 12 Anregungslicht ins Innere der für die verwendete Strahlung transparenten Platte 4 schickt. Im Bereich der Begrenzungsfläche 12 ist zur Vermeidung einer direkten Beleuchtung der Detektoren 9 durch die Lichtquelle 13 eine Abdeckung 14 angeordnet.

Das Trägerelement 3 bzw. die planparallele Platte 4 weist einen Brechungsindex für die Strahlung der Lichtquelle 13 auf, der größer ist als der des an der indikatorfreien Oberfläche der Platte 4 vorliegenden Umgebungsmediums, womit - wie dargestellt - das Anregungslicht von der Lichtquelle 13 im Inneren der planparallelen Platte 4 unter Totalreflexion weitergeleitet wird. Erst im Bereich der Indikatorschicht 2, wo ein gegenüber

der Umgebung erhöhter Brechungsindex eine Aufhebung der Totalreflexion und einen Durchtritt durch die Grenzfläche der Platte A ermöglicht, kann Anregungslicht aus der Platte 4 aus- und in die Indikatorschicht 2 eintreten. Zufolge der Eigenschaft des verwendeten Indikatormaterials, welches entsprechend physikalischer bzw. chemischer Gesetze mit dem nachzuweisenden Stoff aus der in der Meßgutkammer 6 befindlichen Probe in Wechselwirkung tritt, wird durch das Anregungslicht (in Fig. 1 mit durchgezogenen Linien angedeutet) in der Indikatorschicht 2 Lumineszenz angeregt - das auf diese Weise emittierte Licht ist in Fig. 1 strichliert angedeutet. Aufgrund spektraler Abhängigkeit und/oder Intensitätsabhängigkeit des Emissionslichtes von der zu messenden Größe kann aus dem Signal der Detektoren 9 auf diese bzw. auf Änderung derselben geschlossen werden.

Da zufolge der Totalreflexion des Anregungslichtes im Trägerelement 3 ausgenommen von Streulichtanteilen kein Anregungslicht zu den Detektoren 9 gelangen kann und andererseits zufolge der dargestellten geometrischen Verhältnisse für das von der Indikatorschicht 2 ausgehende Emissionslicht die geometrischen Bedingungen für die Totalreflexion an den planparallelen Deckflächen 5 nicht erfüllt sind, sind vor den Detektoren 9 keine FiI-ter erforderlich um Anregungs- und Emissionslicht in spektraler Hinsicht unterscheiden zu können. Da weiters damit auch die Detektoren 9 sehr nahe an die Indikatorschicht 2 herangerückt werden können, ist eine hohe Ausbeute an Emissionslicht möglich ohne die Intensität des Anregungslichtes zu steigern, was eine Erhöhung der Meßgenauigkeit erlaubt.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Unterschied zu Fig. 1 die Lichtquelle 13 nun im wesentlichen normal zu der hier die gesamte Oberfläche der planparallelen Deckfläche 5 bedeckenden Indikatorschicht 2 angeordnet. Mittels einer Blendenanordnung 15 wird der Einfallswinkel cL des Anregungslichtes auf geringe Werte begrenzt womit partielle Reflexion des An-

re^ungsiichtes verringert wird. Dieses kann damit zwar durch die planparallele Platte k hindurch zur Indikatorschicht 2 nicht aber zu dem an der seitlichen Begrenzungsfläche 12 angeordneten Detektor 9 gelangen. Die Meßgutkammer ist wiederum mit 6, der Einlaß mit 7 und der Auslaß mit 8 bezeichnet.

Das von der Indikatorschicht 2 im Bereich der Meßgutkammer 6 nach Anregung durch die Lichtquelle 13 ausgesandte Emissionslicht ist wiederum strichliert eingezeichnet - ab einem gewissen Abstand von der Meßgutkarnmer 6 in Richtung zum Detektor 9 werden wieder die Bedingungen für die Totalreflexion im Inneren des Trägerelements 3 erfüllt. Es ist also auch mit dieser Anordnung ohne zusätzliche Filter möglich sicherzustellen, daß zum Detektor 9 nur Emissionslicht gelangt.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist im wesentlichen eine Kombination der Anordnung nach den Fig. 1 und 2 gegeben. Die Lichtquelle 13 ist wie in Fig. 1 an einer seitlichen Begrenzungsfläche des Trägerelementes 3 bzw. der dieses bildenden planparallelen Platte A angeordnet und mit einer Abdeckung 14 versehen. An zwei, zu der die Lichtquelle aufweisenden Begrenzungsfläche senkrecht stehenden seitlichen Begrenzungsflächen sind Detektoren 9 angeordnet; die Indikatorschicht 2 ist an einer sowohl zu der den Detektoren 9 als auch zu der der Lichtquelle 13 zugewandten seitlichen Begrenzungsfläche senkrecht stehenden Deckfläche 5 aufgebracht; die Meßgutkammer ist hier nicht eigens dargestellt.

Zufolge der dargestellten geometrischen Bedingungen ist sichergestellt, daß für in das Trägerelement 3 eintretendes Anregungslicht - im Hinblick auf die senkrecht zur Eintrittskante liegenden Detektoren 9 - an den Austrittskanten zu den Detektoren die Bedingungen für Totalreflexion erfüllt sind. Damit ist auch mit dieser Anordnung sichergestellt, daß die Lichtleitung von der Anregungslichtquelle 13 zu Indikatorschicht 2 sowie von der Indikatorschicht 2 zu den Detektoren 9 unter Aus-

BAD ORIGINAL

nutzung der Totalreflexion im Trägerelement 3 erfolgen kann und daß von den Detektoren w abgesehen von Streulichtanteilen im wesentlichen nur Emissionslicht registriert wird. Unter Umständen Kann sich bei einer derartigen Anordnung aber die Anordnung von Anregungslichtfiltern für das Streulicht günstig erweisen, die allerdings nur sehr dünn ausgeführt werden müssen.

In Fig. A ist die Anordnung einer Kopplungsschicht 15' zwischen der seitlichen Begrenzungsfläche 12 des Trägerelements 3 und dem Detektor 9 dargestellt, welche auch beispielsweise aus einem direkt auf dem Detektor 9 aufgebrachten Polymermaterial bestehen kann. Der Brechungsindex dieser Kopplungsschicht 15' ist größer als der Brechungsindex der Umgebung des Trägermaterials und vorzugsweise größer oder gleich dem Brechungsindex des Trägerelements selbst. Auf diese Weise kann die Lichtübertragung zum Detektor 9 durch die lichtsammelnde Wirkung der Kopplungsschicht 15' verbessert werden.

Das in Fig. 5 dargestellte Detail betrifft eine An-Ordnung unter Ausnutzung der häufig angewandten Technik der Lumineszenzmessung in "Remission". Dazu ist ein zweiarmiges Faserlichtleiterbündel 16 vorgesehen, das eine Vielzahl von einzelnen, Totalreflexion ausnützenden Lichtleitern aufweist und in hier nicht dargestellter Weise mit einem Teil der Lichtfasern mit einer Lichtquelle und mit einem anderen Teil der Lichtfasern mit einem Detektor in Verbindung steht. Das Ende 17 des mit einer Umhüllung 18 versehenen Faserlichtleiterbündels steht mit einem Trägerelement 3 für die Indikatorschicht 2 in Verbindung, welches zylindrisch oder prismatisch ausgebildet ist. Durch die senkrecht auf die Deckfläche 5 stehende Mantelfläche bzw. Mantelflächen 19 wird sowohl eine Sammlung des Anregungslichtes auf die Indikatorschicht 2 als auch eine Sammlung des von der Indikatorschicht ausgehenden Emissionslichtes in Richtung zum Ende 17 des Faserlichtleiterbünüels 16 erreicht. Diese Wirkung könnte an sich auch durch ein Verspiegeln der Mantelfläche 19 erzielt werden - unter Ausnützung der

Totalreflexion im Trägerelement 3 gestaltet sich jedoch dessen Herstellung wesentlich einfacher.

In Fig. 6 ist ein Trägerelement 3 zur Anwendung in einer Anordnung gemäß Fig. 5 dargestellt, wobei hier zur Vermeidung partieller Rückreflexion des Anregungslichtes in das nicht dargestellte Faserlichtleiterbündel die die Indikatorschicht 2 tragende Grundfläche des Trägerelements unter einem Winkel ß zur Deckfläche 5 geneigt angeordnet ist. Unter der Annahme, daß der maximal mögliche Austrittswinkel (im Hinblick auf Totalreflexion im Lichtleiter) vom Faserlichtleiterbündel ins Umgebungsmedium ^C beträgt muß der Winkel ß folgende Beziehung erfüllen:

sin
sin ß y· — ; mit: n* .... Brechungsindex

1 des Trägerele-

Dies unter der Annahme, daß an der Mantel- und Deckfläche Umgebungsmedium mit gleichem Brechungsindex (z.B. Luft) vorliegt.

Durch diese Neigung der die Indikatorschicht 2 tragenden Grundfläche kann also sichergestellt werden, daß an dieser Grundfläche partiell reflektierte Anregungslicht nicht mehr retour im Faserlichtleiter zum Detektor transportiert werden kann.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen verschiedene Möglichkeiten, die erforderliche Neigung der die Indikatorschicht 2 tragenden Grundfläche an einem zylindrisch oder prismatisch ausgebildeten Trägerelement 3 zu realisieren.

Soferne das Faserlichtleiterbündel bei einer Anordnung nach den Fig. 6 bis 9 direkt (ohne Luftspalt) bzw. über eine indexangepaßte Kopplungsschicht an die Deckfläche des Trägerelements anschließen sollte, so müßte der unterschiedliche Brechungsindex in der angegebenen Beziehung für ß unter Umständen noch separat berücksichtigt werden,

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Claims

Patenansprüche

1.J Anordnung zur fluoreszenzoptischen Messung von Stoffkonzentrationen in einer Probe, mit einer Lichtquelle für Anregungsstrahlung, einem nach Anregung abhängig von der zu messenden Stoffkonzentration fluoreszierenden Sensorelement, und einem Detektor für die Emissionsstrahlung, wobei das Sensorelement ein zumindest an einem Bereich seiner Oberfläche mit der zu vermessenden Probe zumindest indirekt in Kontakt bringbares Trägerelement aufweist, das für 'f Anregungs- und Emissionsstrahlung transparent ist ;.

und einen Brechungsindex η. aufweist, der größer ist * als der Brechungsindex n₃ des vorliegenden Umgebungsmediums, sodaß Lichtstrahlen -die unter Auftreffwinkeln eC, - bezogen auf Senkrechte auf die Grenzflächen zwischen Trägerelement und Umgebung -

ⁿ3
großer als oC„ = arc sin —- im Trägerelement unter Totalrefelxion transportiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (3) zumindest an einem Bereich seiner Oberfläche mit einer Indikatorschicht (2) mit vorgegebenem Brechungsindex np bedeckt ist, die auf der dem Trägerelement (3) abgewandten Seite während der Messung mit der Probe in Kontakt steht, daß die zum Detektor (9) gelangende Emissionsstrahlung, und/oder die Anregungsstrahlung, in dem mit der Probe während der Messung über die Indikatorschicht (2) in Kontakt stehenden Bereich des Trägerelementes (3) Winkel aC _Λ aufweist, die kleiner als

n? '
eC η - ^arc sin — sind.

^G1,2 ⁿ1 ■*-

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerelement (3) zylindrische bzw, prismatische Form aufweist und an einer der Indikatorschicht (2) gegenüberliegenden Deckfläche (5) mit einem Ende (17) eines lichtleitenden Kopplungselementes (16), wie insbesonderes einem Totalreflexion ausnützenden, mehrarmigen Faserlichtleiterbündel, in Verbindung steht, dessen anderes Ende mit der Lichtquelle bzw. dem Detektor zusammenwirkt, und daß die Mantelfläche (19) des Trägerelements (3) zumindest annähernd senkrecht auf diese Deckfläche (5) steht.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Indikatorschicht (2) tragende, dem Kopplungselement (16) gegenüberliegende Grundfläche des Trägerelementes (3) zur Deckfläche (5) unter einem

sinoC 3

Winkel ß geneigt ist, für den gilt: sin ß>—*-- ;

ⁿ1 wobei oC 2 der halbe maximale Austrittswinkel des

Anregungslichtes aus dem Kopplungselement (16) ins Umgebungsmedium ist.

A. Anordnung nach Anspruch 1, wobei das Trägerelement in Form einer Platte mit planparallelen Deckflächen ausgeführt und die Indikatorschicht an einer der Deckflächen vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Anregung dienende Lichtquelle (13) im wesentlichen normal zur Indikatorschicht (2) angeordnet ist und daß der Detektor (9) an zumindest einer im wesentlichen senkrecht zur Indikatorschicht (2) liegenden seitlichen Begrenzungsfläche (12) des Trägerelementes (3) angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatorschicht (2) eine Deckfläche (5) des Trägerelementes (3) vollständig bedeckt und der Brechungsindex n₂ der Indikatorschicht (2) größer

als der Brechungsindex n₃ des Umgebungsmediums ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lichtquelle (13) und Trägerelement (3) eine Blendenanordnung (15) vorgesehen

ist, welche den Einfallswinkel des Anregungslichtes begrenzt.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenanordnung zwischen Lichtquelle und Trägerelement nur Anregungslicht mit Winkeln kleiner als 90° relativ zum Lichtweg zwischen Indikatorschicht und Detektor durchläßt.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der detektorseitigen Begrenzungsfläche (12) und dem Detektor (9) eine Kopplungsschicht (15') angeordnet ist, die einen Brechungsindex ηα aufweist, der größer ist als der Brechungsindex n^ der Umgebung des Trägerelementes (3).

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex n- der Kopplungsschicht (15') größer oder gleich dem Brechungsindex n- des Trägerelementes (3) ist,

10. Anordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekenn-' zeichnet, daß die Kopplungsschicht (15') aus einem, vorzugsweise direkt auf den Detektor (9) aufgebrachten, Polymermaterial besteht.

11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungsflächen zur Einleitung des Anregungslichtes und zur Detektierung des Emissionslichtes sowie die Indikatorschicht (2) jeweils senkrecht zueinander angeordnet sind.

12. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckflächen (5) des Trägerelementes (3) trapezförmig ausgebildet sind.

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