DE3789920T2 - Faseroptische Sonde. - Google Patents
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Description
- Diese Erfindung bezieht sich auf eine duale Lichtleitfaservorrichtung und betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Übertragung von elektromagnetischer Strahlung zu einer strahlungssensitiven Komponente und zum Empfangen der Ausgangsstrahlung von der Komponente unter Verwendung einer eine Strahlungsübertragung ermöglichenden Verbindung von Lichtleitfasern, die ein im wesentlichen unvermindertes Ausgangsstrahlungssignal ermöglichen. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Ermittlung eines gewünschten Parameters, der eine Funktion der Ausgangsstrahlung bei Verwendung der Vorrichtung ist.
- Die Messung von gewünschten Parametern in Flüssigkeiten, insbesondere in biologischen Systemen, ist häufig erforderlich. Beispielsweise ist die Messung von pH-Werten und Gaskonzentrationen im Blut während chirurgischer Behandlungen, postoperativ und während des Krankenhausaufenthaltes unter intensiver Überwachung wichtig, und viele Vorrichtungen für die Messungen von physiologischen Parametern sind im Stand der Technik vorgeschlagen worden.
- Das US-Patent Nr. 4,003,707 offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung der Gaskonzentrationen und des pH-Wertes einer Probe, beispielsweise Blut, unter Verwendung eines fluoreszierenden Indikators am Ende eines lichtleitenden Kabels, das mittels einer selektiv durchlässigen Diffusionsmembrane abdichtend abgedeckt oder in diese eingebettet ist. Die Strahlung, die zum Indikator hin übertragen und von diesem emittiert wird, muß durch verschiedene Filterelemente und Lichtelemente umfassend Reflektoren, Strahlungsteiler und Verstärker geführt werden, bevor irgendwelche aussagefähigen Messungen durchgeführt werden können.
- Das US-Patent Nr. 4,041,932 offenbart ein Verfahren, bei dem Blutbestandteile durch Messung der Konzentrationen von Gasen oder Flüssigkeiten, die in einer abgeschlossenen Kammer gesammelt werden, überwacht werden, wobei die Kammer abdichtend an einem Haut-"Fenster" befestigt ist, das durch Entfernung der Hornhautschicht über einem kleinen Gebiet der Patientenhaut ausgebildet ist. Die Messungen in der abgeschlossenen Kammer werden unter anderem durch Ermittlung der Differenz in der Intensität des Lichts gemacht, das von einem fluoreszierenden Indikator emittiert wird.
- Die US-Patente Nr. 4,200,110 und 4,476,870 offenbaren die Verwendung eines pH-sensitiven Indikators in Verbindung mit einem Lichtleitfaser-pH-Meßfühler. Bei jedem dieser Patente ist der Farbindikator in einer selektiv permeablen Membranumhüllung eingeschlossen.
- Das US-Patent Nr. 4,548,907 offenbart einen optischen Sensor auf Fluoreszenzbasis mit einer Membrane, die immobilisiert, eine Fluoreszenz erzeugend an einem Ende eines gegabelten Lichtleitfaserkanals befestigt ist, um der zu analysierenden Probe ausgesetzt zu werden.
- Viele fluoreszierende Indikatoren, die pH-sensitiv sind und dadurch für pCO&sub2;-Messungen brauchbar sind, sind im Stand der Technik bekannt. Beispiele für brauchbare fluoreszierende Indikatoren sind in obengenannten Patenten offenbart und ebenso in "Practical Fluorescence" von George E. Guilbault, (1973) Seite 599 bis 600.
- Die EP-A-0 059 032 offenbart einen Apparat zur Ermittlung von Farbstoffkonzentrationen mit einer dualen Lichtleitfaservorrichtung, die die Form eines symmetrischen "Y" aufweist. Die Hälfte des Lichtes, das von dem fluoreszierenden Farbstoff zurückkehrt, wird durch einen der beiden Zweige übertragen.
- Die "Patent Abstracts of Japan", Band 10, Nr. 76 (P-440) (2133), vom 26. März 1986; & JP-A-60 214 315 (Kogyo Gijutsin), 26. Oktober 1985, offenbart eine verzweigte Struktur einer stangenartigen optischen Übertragungsleitung mit einer Faserverbindung, in der die Stangen der beiden Fasern im wesentlichen parallel aneinander mittels eines Bands mit einer Silikongummischicht zwischen den beiden Stangen befestigt sind, derart, daß das Licht in Abhängigkeit von dem Druck, der auf die Verbindung ausgeübt wird, variabel verzweigt wird.
- Eine Sensorvorrichtung, die fluoreszierende Indikatoren verwendet, kann zu in vitro- oder in vivo-Ermittlungen von Komponenten in physiologischen Medien verwendet werden. Für die in vitro-Ermittlungen ist die Größe der Vorrichtung normalerweise ohne Belang, jedoch kann sich für die in vivo-Verwendung die Größe des Sensors als extrem kritisch erweisen, und es besteht im Stand der Technik ein wachsendes Bedürfnis, Sensorvorrichtungen zu miniaturisieren, insbesondere Vorrichtungen vom Kathetertyp, für die in vivo-Ermittlung von Komponenten in physiologischen Medien, beispielsweise Blut. Jedoch verringert die Verringerung in der Größe der Komponenten solcher Vorrichtungen, insbesondere in der Größe des Sensors selbst, die Stärke des Signals, das durch den Indikator emittiert wird, und erzeugt demgemäß Probleme bei der Erfassung und Messung des Signals. Diese Probleme werden verschärft, wenn das Detektorsystem eine Vielfalt von Komponenten, wie etwa Filter, Strahlteiler und Reflektoren, erfordert, um die emittierte Energie zu isolieren und zu messen. Jede dieser Komponenten reduziert die emittierte Signalstärke, was zu einem sequenziellen Verlust des meßbaren Signals führt. Demgemäß ist die Endstärke des Signals umso schwächer, je mehr Komponenten im System vorhanden sind.
- Es ist nun herausgefunden worden, daß das Emissionssignal von strahlungssensitiven Indikatoren, insbesondere fluoreszierenden Indikatoren des Typs, wie er in den Druckschriften, die vorstehend erörtert wurden, offenbart ist, im wesentlichen ungeschwächt in einem geeigneten Detektor ohne die Notwendigkeit von Filtern, Strahlteilern, Reflektoren oder anderen Lichtelementen, die im Stand der Technik Verwendung finden, empfangen werden kann, wenn die übertragende Lichtleitfaser und die die emittierte Strahlung empfangende Lichtleitfaser in einer Art und Weise gemäß der vorliegenden Erfindung, wie nachstehend beschrieben, verbunden sind.
- Die Eliminierung der Notwendigkeit von zusätzlichen optischen Elementen, die durch die verbesserte Vorrichtung der vorliegenden Erfindung geschaffen wird, erlaubt eine Miniaturisierung von Sensorsystemen in größerem Umfang, als bei den bekannten Systemen erzielbar, ohne einen Verlust an Signalstärke.
- Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Übertragung von elektromagnetischer Strahlung zu einer strahlungssensitiven Komponente und zum Empfangen einer Ausgangsstrahlung von der Komponente in kontrollierten Verhältnissen und zur Übertragung der Ausgangsstrahlung zu einer Strahlungsmessungs-, Strahlungsumwandlungs-, Strahlungsaufzeichnungs- oder Strahlungsrückübertragungskomponente mit einer ersten eingekleideten Lichtleitfaser mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, wobei das proximale Ende der ersten Lichtleitfaser derart gestaltet ist, daß es eine Quellenstrahlung empfängt, und das distale Ende mit einem freiliegenden Ende versehen ist, das in Kontakt steht mit einem freiliegenden Mittelbereich einer zweiten eingekleideten Lichtleitfaser mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende, wobei der Kontakt zwischen dem Ende und der zweiten Lichtleitfaser im wesentlichen parallel ist und eine Verbindung bildet, mit der Strahlung übertragbar ist, derart, daß die Strahlung von der ersten Lichtleitfaser durch die Verbindung zum distalen Ende der zweiten Lichtleitfaser übertragen wird, wobei das proximale Ende der zweiten Lichtleitfaser derart gestaltet ist, daß es an der Strahlungsmessungs-, Strahlungsumwandlungs-, Strahlungsaufzeichnungs- oder Strahlungsrückübertragungskomponente angebracht werden kann, und deren distales Ende an der strahlungssensitiven Komponente angebracht ist, wobei die Ausgangsstrahlung von der strahlungssensitiven Komponente im wesentlichen ungeschwächt längs der zweiten Lichtleitfaser zu deren proximalem Ende übertragen wird, wobei die Verbindung von einer lichtundurchlässigen, strahlungsreflektierenden Ummantelung umhüllt ist.
- Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Ermittlung eines gewünschten Parameters, der eine Funktion der Ausgangsstrahlung einer strahlungssensitiven Komponente ist, mit den Verfahrensstufen der Übertragung elektromagnetischer Strahlung von einer Quelle in eine Vorrichtung mit einer ersten eingekleideten Lichtleitfaser mit einem proximalen Ende und einem distalen Ende mit einem freiliegenden Ende, das einen freiliegenden Mittelbereich einer zweiten eingekleideten Lichtleitfaser kontaktiert, die ein proximales Ende und ein distales Ende aufweist, wobei der Kontakt im wesentlichen parallel ist und eine Verbindung bildet, mit der Strahlung übertragbar ist, die von einer lichtundurchlässigen, strahlungsreflektierenden Ummantelung umhüllt ist, wobei die Strahlung durch das proximale Ende der ersten Lichtleitfaser in die Vorrichtung eintritt, längs der ersten Lichtleitfaser und durch die Verbindung in die zweite Lichtleitfaser zu deren distalem Ende geleitet wird, wobei ein Hauptanteil jedweder Strahlung, die nicht unmittelbar in die zweite Lichtleitfaser geleitet wird, intern durch die reflektierende Ummantelung darein reflektiert wird, auf die strahlungssensitive Komponente trifft, die am distalen Ende der zweiten Lichtleitfaser angebracht ist, wodurch bewirkt wird, daß die Komponente eine Signal emittiert, das zumindest eine charakteristische Größe in Abhängigkeit von dem zu messenden Parameter aufweist, und das Signal im wesentlichen ungeschwächt durch die zweite Lichtleitfaser zu deren proximalem Ende geleitet wird, wodurch die gewünschte Ermittlung unter Zuhilfenahme eines Strahlungsdetektors durchgeführt wird, der am proximalen Ende der zweiten Lichtleitfaser angebracht ist.
- Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Anordnung der zweiten Lichtleitfaser in bezug auf die erste Lichtleitfaser in der Verbindung, mit der Strahlung übertragbar ist, derart, daß die Ausgangsstrahlung von der strahlungssensitiven Komponente, die am distalen Ende der zweiten Lichtleitfaser angebracht ist, im wesentlichen ungeschwächt längs der zweiten Lichtleitfaser und durch die Verbindung hindurch zur Messungs-, Umwandlungs-, Aufzeichnungs- oder Rückübertragungskomponente geleitet wird.
- Die bevorzugte Konfiguration ist die, bei der der Kontakt zwischen dem freiliegenden Ende der ersten Lichtleitfaser und dem frei liegenden Mittelbereich der zweiten Lichtleitfaser im wesentlichen parallel ist.
- Darüber hinaus ist bei einer bevorzugten Ausführungsform die Oberfläche des freiliegenden Endes, das sich im Kontakt mit der zweiten Lichtleitfaser befindet, vorher bis zu einer flachen Ausbildung geschliffen.
- Die Verbindung ermöglicht darüber hinaus eine Aufteilung der Quellenstrahlung in zwei Komponenten. Eine erste, kleinere Komponente bewegt sich durch das proximale Ende der zweiten Lichtleitfaser und den Detektor und eine zweite, größere Komponente bewegt sich zum distalen Ende der zweiten Lichtleitfaser und zur strahlungssensitiven Komponente. Dies schafft ein geeignetes Mittel zur Quellenstrahlungskompensation durch Messung des Verhältnisses der ersten Komponente zur Ausgangsstrahlung oder zum Emissionssignal.
- Die Lichtleitfasern, die bei der Vorrichtung der Erfindung verwendet werden, können aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt sein, das eine elektromagnetische Strahlung der gewünschten Wellenlänge überträgt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die erste Lichtleitfaser und die zweite Lichtleitfaser aus geschmolzenem Silika hergestellt, und die Einkleidung ist aus Silikon hergestellt. Geschmolzenes Silika ist besonders geeignet zur Übertragung von ultravioletter Strahlung.
- Sowohl die erste Lichtleitfaser als auch die zweite Lichtleitfaser kann aus einer einzelnen Faserlitze oder einem vielfachen Faserbündel bestehen. Vorzugsweise weist der frei liegende Bereich der zweiten Faser eine Länge auf, die mindestens dem Durchmesser einer Faser äquivalent ist.
- Die lichtundurchlässige, strahlungsreflektierende Ummantelung, die die Verbindung, mit der Strahlung übertragbar ist, der Vorrichtung gemäß der Erfindung umhüllt, erfüllt wirkungsvoll zwei Funktionen, nämlich die Reflexion jeglicher Strahlung, die ansonsten von der Verbindung zurück in die zweite Lichtleitfaser entweichen könnte, und die Verhinderung des Eintretens jedweder von außen kommender, unerwünschter Strahlung in die Vorrichtung. Somit muß die Umhüllung nicht nur nach innen reflektierend sein, sondern ebenso lichtundurchlässig in bezug auf von außen kommende Strahlung. Um diese zweifache Aufgabe zu erfüllen, wird es bevorzugt, daß die Ummantelung eine Innenschicht und eine Außenschicht aufweist, wobei die Innenschicht aus einer Metallfolie oder einem metallisierten Film hergestellt ist, dessen innere Oberfläche mit einem Film von reflektierendem Material beschichtet ist, und die Außenschicht aus einem wärmeschrumpfbaren, lichtundurchlässigen, nichtmetallischem Material hergestellt ist.
- Eine bevorzugte Metallfolie für die Innenschicht ist Aluminiumfolie. Ein bevorzugtes reflektierendes Material ist Bariumsulfat.
- Darüber hinaus ist es, um die Verbindungseffektivität zu vergrößern, wünschenswert, eine Schicht eines optischen Verbindungsgels auf den Film oder das reflektierende Material aufzubringen.
- Das Verbindungsgel ist im Stand der Technik ein Standardwerkstoff mit im wesentlichen demselben
- Brechungsindex wie das Material der Lichtleitfaser. Ein typisches Beispiel ist ein Silikongel.
- Das wärmeschrumpfbare, lichtundurchlässige, nichtmetallische Material, das vorzugsweise als Außenschicht der Ummantelung verwendet wird, kann jegliches Material sein, das für Umgebungsstrahlung undurchlässig ist und das um die Verbindung herum wärmegeschrumpft werden kann, um eine strahlungsdichte Abdichtung zu bilden. Ein geeignetes Material ist ein lichtundurchlässiger Kunststoff, wie Polyvinylchlorid. Vorzugsweise erstreckt sich die Außenschicht über und über die reflektierende Innenschicht hinaus und überlappt den eingekleideten Bereich von jeder Lichtleitfaser.
- Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist insbesondere geeignet zur Verwendung bei einem Verfahren zur Bestimmung eines gewünschten Parameters, der eine Funktion der Ausgangsstrahlung einer strahlungssensitiven Komponente ist. Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens ist eine, bei der der Parameter, der bestimmt werden soll, die Konzentration einer Substanz in einer Flüssigkeit ist, und die strahlungssensitive Komponente einen fluoreszierenden Indikator umfaßt, dessen Strahlungsemission sich bei Vorliegen der Substanz ändert.
- Ein typisches Beispiel für ein solches Verfahren ist die Bestimmung der Konzentration von Kohlendioxyd im Blut.
- Die Erfindung wird eingehender beschrieben unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung, wie es in der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist, die eine teilweise geschnittene, schematische Seitenansicht der Vorrichtung ist.
- Das bevorzugte Ausführungsbeispiel, das in der Zeichnung dargestellt ist, umfaßt eine erste eingekleidete Lichtleitfaser 1 mit einem freiliegenden Ende 2. Der Kern der Faser besteht aus geschmolzenem Silika und die Umhüllung 3 ist aus einem strahlungsundurchlässigen Silikon hergestellt.
- Das frei liegende Ende der ersten Lichtleitfaser befindet sich in im wesentlichen parallelem Kontakt mit einem freiliegenden Mittelbereich 4 einer zweiten eingekleideten Lichtleitfaser 5, die aus denselben Materialien wie die erste Lichtleitfaser hergestellt ist.
- Der Kontakt zwischen dem Ende und der zweiten Lichtleitfaser bildet eine Verbindung, mit der Strahlung übertragbar ist, die von einer lichtundurchlässigen, strahlungsreflektierenden Ummantelung umhüllt ist mit einer Innenschicht, die aus einer Aluminiumfolie hergestellt ist und schematisch durch die gestrichelte Linie 6 dargestellt ist, und einer Außenschicht 7, die aus einem wärmeschrumpfbaren, lichtundurchlässigen, nicht-metallischem Material hergestellt ist, beispielsweise Polyvinylchlorid. Der maximale Innendurchmesser der lichtundurchlässigen, wärmeschrumpfbaren Röhre beträgt etwa 0,01 inch (0,25 mm), im Fall der Verwendung mit einer standardmäßigen Lichtleitfaser aus geschmolzenem Silika etwa 400 um im Durchmesser. Die Außenschicht erstreckt sich über die innere Metallfolie hinaus und ist sowohl auf die Innenschicht als auch die Umhüllung der Lichtleitfasern unter Wärmeeinwirkung geschrumpft, um eine strahlungsdichte Abdichtung um die Verbindung herum zu schaffen.
- Die Aluminiumfolie 6 ist auf ihrer inneren Oberfläche, d. h. die Oberfläche, die der Verbindung der Lichtleitfaser zugewandt ist, mit einem Film aus strahlungsreflektierendem Material beschichtet, beispielsweise Bariumsulfat. Eine Schicht eines im Index dazu passenden, optischen Verbindungsgels, beispielsweise Silikongel, ist auf den Film aus reflektierendem Material aufgebracht. Diese Schicht füllt den Raum 8 zwischen der reflektierenden Schicht und den freiliegenden Lichtleitfasern im wesentlichen aus.
- Am distalen Ende der zweiten Lichtleitfaser (in geeigneter Weise freiliegend) ist ein Tropfen eines fluoreszierenden Indikators 9 angebracht. Der fluoreszierende Indikator schafft eine strahlungssensitive Komponente, die durch die Strahlung 10 erregt wird, die in die erste Lichtleitfaser von einer Strahlungsquelle (nicht dargestellt) aus, beispielsweise ein Laser, eintritt.
- Im Betrieb der Vorrichtung zur Bestimmung der Konzentration einer Substanz in einer Flüssigkeit (nicht dargestellt) bewirkt die Erregungsstrahlung ein Fluoreszieren des Indikators bei einer gegebenen Wellenlänge. Die Intensität der emittierten fluoreszierenden Strahlung ändert sich bei Anwesenheit der Substanz, die erfaßt werden soll, und eine Bestimmung der Konzentration dieser Substanz in der Flüssigkeit, die untersucht wird, kann durch Messung der Intensität der emittierten Strahlung 11 durchgeführt werden, die im wesentlichen ungeschwächt durch die zweite Lichtleitfaser zu einem Detektor (nicht dargestellt) geleitet wird.
- Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung und die Art und Weise, in der sie ausgeführt werden kann.
- Dieses Beispiel erläutert die Bereitstellung einer bevorzugten Vorrichtung gemäß der Erfindung.
- Vom Ende einer ersten silikonummantelten, 400 nm starken Lichtleitfaser aus geschmolzenem Silika wurde ihre Ummantelung über eine Länge von etwa 1 cm entfernt. Das Faserende wurde dann bis zu einer flachen Ausbildung mit einer Bühler-Lichtleitfaserschleifeinrichtung abgeschliffen.
- Das freiliegende Ende wurde dann in Azeton abgewaschen, um die restliche Umhüllung und Schleifstaub zu entfernen.
- Etwa 1 cm von der Umhüllung wurde von einem Mittelbereich einer zweiten umhüllten Lichtleitfaser entfernt. Durch die Entfernung der Umhüllung wurde der Kern aus geschmolzenem Silika freigelegt. Der Kern wurde in Azeton gewaschen, um eine restliche Umhüllung zu entfernen.
- Es wurde ein Streifen einer Aluminiumfolie von etwa 6'' (152 mm) · 6'' · 0,0045'' (0,11 mm) geschnitten.
- Die Oberfläche der Folie wurde dann mit einer handelsüblichen Reflexionsbeschichtung aus weißem Bariumsulfat beschichtet und bei geringer Wärme getrocknet.
- Ein kleines Stück, etwa 1'' (25,4 mm) · 0,5'' (12,7 mm) der beschichteten Folie wurde aus dem vorstehenden getrockneten Streifen herausgeschnitten.
- Eine dünne Schicht eines optischen Verbindungsgels wurde auf die reflektierende Beschichtung aufgebracht.
- Das geschliffene, freiliegende Ende der ersten Lichtleitfaser wurde in im wesentlichen parallelen Kontakt mit dem frei liegenden Bereich der zweiten Lichtleitfaser gebracht. Die resultierende Verbindung wurde durch Aneinanderbinden der umhüllten Bereiche der vorstehenden Fasern oberhalb der Verbindung an Ort und Stelle gehalten.
- Die vorstehend vorbereitete Folie wurde zu einem kleinen Zylinder über den Zylinder einer 18-er Meßnadel gerollt mit der lichtreflektierenden Oberfläche auf der Innenseite. Dieser Zylinder wurde dann über das distale Ende der zweiten Lichtleitfaser geschoben und über der Verbindung der beiden Fasern plaziert.
- Eine Röhre aus wärmeschrumpfbarem, weißem, lichtundurchlässigem Polyvinylchlorid mit einem Innendurchmesser von etwa 0,1'' (2,54 mm) und einer Länge von etwa 1'' (25,4 mm) wurde über das distale Ende der zweiten Lichtleitfaser geschoben und über der reflektierenden Folie plaziert, derart, daß sie die Enden der Folie vollständig überlappte. Die Röhre wurde dann erwärmt, bis sie über der Folie zusammenschrumpfte und somit die Verbindung vollständig vor Umgebungsstrahlung abdichtete. Ein zusätzlicher Vorteil der wärmeschrumpfbaren äußeren Schicht ist der, daß sie nicht nur die Fasern in der Lage sichert, sondern ebenso die Verbindung mechanisch verstärkt.
- Dieses Beispiel erläutert die Verwendung der Vorrichtung der Erfindung mit einem Sauerstoff-Gassensor.
- Ein Stickstoff-Gaslaser, der im wesentlichen monochromatische Strahlung mit einer Wellenlänge von 337 nm emittiert, wurde mit dem proximalen Ende der ersten Lichtleitfaser der Vorrichtung, die in Beispiel 1 erläutert ist, verbunden.
- Ein Tropfen aus Pyren-Buttersäure, einem bekannten fluoreszierenden Indikator für Sauerstoff, wurde am distalen Ende der zweiten Lichtleitfaser der Vorrichtung angebracht.
- Ein geeigneter Strahlungsdetektor wurde am proximalen Ende der zweiten Lichtleitfaser der Vorrichtung angebracht, und es wurden Ablesungen betreffend die Intensität der Emissionsstrahlung bei Vorliegen verschiedener Konzentrationen von Sauerstoffgas vorgenommen.
- Pyren-Buttersäure emittiert, wenn durch die vorstehende Strahlungsquelle erregt, eine fluoreszierende Strahlung mit einer Wellenlänge von 396 nm. Die Intensität dieser emittierten Strahlung wird bei Vorliegen von Sauerstoff unterdrückt, und die Reduktion des emittierten Signals ergibt eine Bestimmung der Sauerstoffkonzentration.
- Die Ergebnisse des Testes unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung waren wie folgt: Sauerstoffkonzentration Relative Intensität Verhältnis Intensität
- Die vorstehenden Ergebnisse zeigen die hohe Signalauflösung, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt wird, und die Möglichkeit, eine genaue quantitative Bestimmung der Sauerstoffkonzentration zu erhalten.
- Dieses Beispiel erläutert die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Kohlendioxydsensor in einem flüssigen Medium.
- In einer übereinstimmenden Art und Weise mit der, die in Beispiel 2 verfolgt wurde, wurde ein Stickstoffgaslaser, der eine im wesentlichen monochromatische Strahlung mit einer Wellenlänge von 337 nm emittiert, mit dem proximalen Ende der ersten Lichtleitfaser der Vorrichtung, die in Beispiel 1 erläutert wurde, verbunden.
- Ein Tropfen von Carboximethylumbelliferon, ein bekannter pH-Indikator, wurde am distalen Ende der zweiten Lichtleitfaser der Vorrichtung angebracht. Der Indikator wurde mit einem wäßrigen Gel mit 5 mM Sodiumbicarbonat beschichtet und der beschichtete Indikator wurde in eine kohlendioxydpermeable Silikonmembrane eingekleidet. Das resultierende System emittierte, wenn durch die vorstehende Strahlungsquelle erregt, eine fluoreszierende Strahlung mit 460 nm und wirkte als ein Kohlendioxydsensor.
- Ein geeigneter Strahlungsdetektor wurde am proximalen Ende der zweiten Lichtleitfaser der Vorrichtung angebracht, und es wurden Ablesungen bezüglich der Intensität der Emissionsstrahlung bei Vorliegen sich verändernder Konzentrationen von Kohlendioxyd in deionisiertem Wasser vorgenommen.
- Die Ergebnisse des Versuchs, wenn der Sensor in das deionisierte Wasser eingetaucht wurde, waren wie folgt: Kohlendioxydkonzentration Relative Intensität Verhältnis: Intensität
- Wie im Beispiel 2 zeigen die vorstehenden Resultate die hohe Signalauflösung, die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt wird, und die Möglichkeit, eine genaue, quantitative Bestimmung der Kohlendioxydkonzentration in einem flüssigen Medium zu erhalten.
- Die Vorrichtung gemäß der Erfindung schafft gegenüber dem Stand der Technik entsprechenden optischen Sensoren viele Vorteile. Solche Vorteile sind:
- 1. Die Verwendung von getrennten Lichtleitfasern für die Quellenstrahlung und die Ausgangsstrahlung zum Detektor eliminiert die Notwendigkeit von dichroitischen Strahlteilern und vereinfacht somit das System zur Strahlungsmessung.
- 2. Die Aufteilung der von einer Quelle her stammenden Erregungsstrahlung an der Verbindung in zwei Komponenten: Die Komponente 1, die kleinere Komponente, welche zum Strahlungsdetektor gelangt, erweist sich als für die Kalibrierung nutzbar; und Komponente 2, die größere Komponente, die zum distalen Ende der zweiten Lichtleitfaser zur Erregung eines fluoreszierenden Indikators gelangt.
- 3. Die Quellenkompensation der fluoreszierenden Messung durch Nutzung des Verhältnisses der Komponente 1 der Erregungsstrahlung zum fluoreszierenden Emissionssignal.
- 4. Geringe oder keine Abschwächung der Emissionsstrahlung an der Verbindung, wodurch das Signal zum Detektor maximiert wird.
- 5. Eliminierung von zusätzlichen Komponenten, wie unter (1) und im wesentlichen kein Verlust von Signalstärke, wie unter (4), ermöglicht eine optimale Miniaturisierung des Sensorsystems.
Claims (7)
1. Eine Vorrichtung zur Übertragung von
elektromagnetischer Strahlung zu einer
strahlungssensitiven Komponente und zum Empfangen einer
Ausgangsstrahlung von der Komponente in
kontrollierten Verhältnissen und zur Übertragung der
Ausgangsstrahlung zu einer Strahlungsmessungs-,
Strahlungsumwandlungs-,
Strahlungsaufzeichnungs- oder
Strahlungsrückübertragungskomponente mit einer ersten eingekleideten
Lichtleitfaser (1) mit einem proximalen Ende und einem
distalen Ende, wobei das proximale Ende der
ersten Lichtleitfaser derart gestaltet ist, daß
es eine Quellenstrahlung empfängt, und das
distale Ende mit einem freiliegenden Ende (2)
versehen ist, das in Kontakt steht mit einem
freiliegenden Mittelbereich (4) einer zweiten
eingekleideten Lichtleitfaser (5) mit einem
proximalen Ende und einem distalen Ende, wobei
der Kontakt zwischen dem Ende und der zweiten
Lichtleitfaser im wesentlichen parallel ist und
eine Verbindung bildet, mit der Strahlung
übertragbar ist, derart, daß die Strahlung von
der ersten Lichtleitfaser (1) durch die
Verbindung zum distalen Ende der zweiten
Lichtleitfaser übertragen wird, wobei das proximale Ende
der zweiten Lichtleitfaser (5) derart gestaltet
ist, daß es an der Strahlungsmessungs-,
Strahlungsumwandlungs-, Strahlungsaufzeichnungs- oder
Strahlungsrückübertragungskomponente
angebracht werden kann, und deren distales Ende
an der strahlungssensitiven Komponente (9)
angebracht ist, wobei die Ausgangsstrahlung von
der strahlungssensitiven Komponente (9) im
wesentlichen ungeschwächt längs der zweiten
Lichtleitfaser zu deren proximalem Ende
übertragen
wird, wobei die Verbindung von einer
lichtundurchlässigen, strahlungsreflektierenden
Ummantelung (6) umhüllt ist.
2. Eine Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kern sowohl der ersten Lichtleitfaser
als auch der zweiten Lichtleitfaser aus
geschmolzenem Silika und die Einkleidung (3) aus
Silikon hergestellt ist.
3. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1
oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Umhüllung eine Innenschicht (6) und
eine Außenschicht (7) aufweist, wobei die
Innenschicht aus einer Metallfolie oder einem
metallisierten Film hergestellt ist, dessen
innere Oberfläche mit einem Film eines
reflektierenden Materials beschichtet ist, und die
Außenschicht aus einem wärmeschrumpfbaren,
lichtundurchlässigen, nicht-metallischem
Material hergestellt ist.
4. Eine Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallfolie eine Aluminiumfolie ist,
das reflektierende Material Bariumsulfat ist
und eine Schicht aus Kopplungsgel auf den Film
aus reflektierendem Material aufgebracht ist.
5. Eine Vorrichtung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Lichtleitfaser und die zweite
Lichtleitfaser jeweils aus einem einzelnen
Faserlitze oder aus einem eine Vielzahl von
Fasern aufweisenden Bündel besteht.
6. Ein Verfahren zur Bestimmung eines gewünschten
Parameters, der eine Funktion der
Ausgangsstrahlung einer strahlungssensitiven Komponente
ist, aufweisend die Verfahrensstufen der
Übertragung elektromagnetischer Strahlung von einer
Quelle in eine Vorrichtung mit einer ersten
eingekleideten Lichtleitfaser (1) mit einem
proximalen Ende und einem distalen Ende mit
einem freiliegenden Ende (2), das einen
freiliegenden Mittelbereich (4) einer zweiten
eingekleideten Lichtleitfaser (5) berührt, welche
ein proximales Ende und ein distales Ende
aufweist, wobei der Kontakt im wesentlichen
parallel ist und eine Verbindung bildet, mit der
Strahlung übertragbar ist, die von einer
lichtundurchlässigen, strahlungsreflektierenden
Ummantelung (6) umhüllt ist, wobei die
Strahlung durch das proximale Ende der ersten
Lichtleitfaser (1) in die Vorrichtung eintritt,
längs der ersten Lichtleitfaser (1) und durch
die Verbindung in die zweite Lichtleitfaser (5)
zu deren distalem Ende hin geleitet wird, wobei
ein Hauptanteil jedweder Strahlung, die nicht
unmittelbar in die zweite Lichtleitfaser
geleitet wird, intern durch die reflektierende
Ummantelung (6) darein reflektiert wird, auf eine
strahlungssensitive Komponente (9), die am
distalen Ende der zweiten Lichtleitfaser
angebracht ist, trifft, wodurch bewirkt wird, daß
die Komponente (9) ein Signal emittiert, das
zumindest eine charakteristische Größe in
Abhängigkeit von dem zu messenden Parameter
aufweist, und das Signal im wesentlichen
ungeschwächt durch die zweite Lichtleitfaser (5) zu
deren proximalem Ende hin geleitet wird,
wodurch die gewünschte Ermittlung unter
Zuhilfenahme eines Strahlungsdetektors, der am
proximalen Ende der zweiten Lichtleitfaser (5)
angebracht ist, durchgeführt wird.
7. Ein Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zu bestimmende Parameter die
Konzentration einer Substanz in einer Flüssigkeit ist,
und die strahlungssensitive Komponente (9)
einen fluoreszierenden Indikator umfaßt, dessen
Emissionsstrahlung sich bei Vorhandensein
dieser Substanz ändert.
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