DE3914147A1 - Sensor zum erfassen von reagenzkonzentrationen - Google Patents
Sensor zum erfassen von reagenzkonzentrationenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen von
Reagenzkonzentrationen in einer zu analysierenden Probe.
Sensoren mit einer einschichtigen bzw. homogenen optischen
Faser sind beispielsweise aus der US-PS 46 08 344 und aus dem
Aufsatz "Fiber-Optic Evanescent Field Absorption Sensor" von
P. H. Paul und G. Kychakoff in Applied Physics Letters 51 (1),
Juli, 1987, bekannt. Ein Vorteil von Sensoren, bei denen das
Abklingen der Lichtstärke zwischen Einlaß und Auslaß
ausgewertet wird, ist ihre natürliche Unempfindlichkeit
gegenüber Streueffekten, wie sie beim Durchstrahlen der zu
analysierenden Probe mit Licht auftreten, wie dies bei
konventionellen Spektrometern vom Transmissionstyp bekannt
ist.
Ein Problem, welches üblicherweise bei Sensoren der
betrachteten Art auftritt, ist dagegen das Aufrechterhalten
der gewünschten Schwingungsmodenstruktur bei der Ausbreitung
des Lichts längs der optischen Faser. Weitere Probleme
ergeben sich beim Eindringen von Sprüngen in den
Wellenleiterbereich, da diese Sprünge im Lauf der Zeit,
speziell wenn die Sensoren mit gewissen Probenmaterialien in
Kontakt stehen, die Sensorcharakteristik verfälschen. Ein
Beispiel für die Auswirkungen des Eindringens von Wasserstoff
in Unterwasserkabel findet sich in der Zeitschrift
"Lightwave", Mai 1986, S.37. In der Nähe eines kritischen
Winkels, der nach dem Gesetz von Snellius bestimmt wird, an
der Grenzfläche zwischen einer Flüssigkeit oder einem
Feststoff bzw. der Probe einerseits und der Faser
andererseits, ist der Brechungsindex der Probe von äußeren
Bedingungen, wie z.B. der Temperatur, der Konzentration, dem
Druck usw. abhängig. Wenn sich aber der Brechungsindex der
Probe ändert, dann ändert sich auch der kritische Winkel.
Wenn Sensoren der betrachteten Art beim kritischen Winkel
bzw. in der Nähe des kritischen Winkels außerordentlich
empfindlich sind, nimmt auch die Empfindlichkeit des Sensors
ab, wenn sich der kritische Winkel mit der
Modenstrukturkonstante ändert. Außerdem tritt ein Teil des
Lichts, welches sich andernfalls längs der optischen Faser
durch diese hindurch ausbreiten würde, aus der optischen
Faser aus.
Ausgehend vom Stand der Technik und der vorstehend
aufgezeigten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, einen verbesserten Sensor anzugeben, der gegenüber
den genannten Einflußgrößen zumindest weitgehend
unempfindlich ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor gelöst,
der durch folgende Merkmale gekennzeichnet ist:
der Sensor weist eine optische Faser mit einem Kern auf, der
auf seinem Umfang von einer dielektrischen Zwischenschicht
umgeben ist,
der Kern besitzt einen Brechungsindex, der größer ist als der Brechungsindex der dielektrischen Zwischenschicht,
die dielektrische Zwischenschicht ermöglicht das Hindurchtreten einer abklingenden Welle mit minimaler Dämpfung und reagiert mit Licht nicht,
und eine Schwingungsmodenwähleinrichtung ist vorgesehen, über die Licht mit dem gewünschten Schwingungsmode in den Kern der optischen Faser projizierbar ist.
der Kern besitzt einen Brechungsindex, der größer ist als der Brechungsindex der dielektrischen Zwischenschicht,
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und eine Schwingungsmodenwähleinrichtung ist vorgesehen, über die Licht mit dem gewünschten Schwingungsmode in den Kern der optischen Faser projizierbar ist.
Es ist eine Besonderheit der optischen Faser gemäß der
Erfindung, daß die Dicke der dielektrischen Zwischenschicht
so gewählt ist, daß das diese Zwischenschicht passierende
Licht nur minimal gedämpft wird. Beim Aufbau von Glasfasern
für Kommunikationssysteme wird nämlich die entgegengesetzte
Bedingung bevorzugt. Weiterhin ist es wichtig, daß die
dielektrische Zwischenschicht nicht mit Licht reagiert.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden
nachstehend anhand einer Zeichnung noch näher erläutert,
deren einzige Figur eine schematische Seitenansicht,
teilweise im Schnitt, eines auf der Basis einer Faseroptik
aufgebauten Spektrometersystems gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform gemäß der Erfindung zeigt.
Im einzelnen zeigt die Zeichnung einen Sensor 10 zum Erfassen
der Konzentration bestimmter Stoffe in einer zu
analysierenden Probe 12. Der Sensor 10 besteht aus einem
zylindrischen, dielektrischen Wellenleiter bzw. einer
optischen Faser 14. Die optische Faser 14 besitzt einen Kern
16 und eine dielektrische Zwischenschicht 18, die den Kern 16
in Umfangsrichtung umschließt. Der Kern 16 hat einen größeren
Brechungsindex als die Zwischenschicht 18. Die
Zwischenschicht hat einen größeren Brechungsindex als die zu
analysierende Probe 12. Die Zwischenschicht 18 besitzt eine
solche Dicke, daß eine aus dem Kern austretende Lichtwelle,
welche die Zwischenschicht 18 passiert, nur minimal gedämpft
wird. Ferner reagiert die dielektrische Zwischenschicht 18
nicht mit Licht.
Der Sensor 10 umfaßt ferner einen Modenselektor 20. Der
Modenselektor 20 kann eine Lichtquelle 22 umfassen, die so
angeordnet ist, daß sie dem Kern 16 der optischen Faser 14
Licht zuführt. Der Modenselektor 20 kann ferner eine Blende
24 umfassen, welche zwischen dem Kern 16 der optischen Faser
14 und der Lichtquelle 22 angeordnet ist. Die Öffnung der
Blende 24 bestimmt den Schwingungsmode, mit dem Licht aus der
Lichtquelle 22 in den Kern 16 der optischen Faser 14
projiziert wird. Ferner ist zwischen der Öffnung der Maske
bzw. Blende 24 und dem Kern 16 der optischen Faser 14 eine
Linse 26 angeordnet. Die Linse 26 fokusiert das die Öffnung
der Blende 24 passierende Licht auf den Kern 16 der optischen
Faser 14, wie dies durchaus bekannt ist. Weiterhin kann der
Sensor 20 einen Detektor 28 umfassen, der so angeordnet ist,
daß er vom Kern 16 der optischen Faser 14 abgestrahltes Licht
empfängt.
Vorzugsweise ist die optische Quelle bzw. die Lichtquelle 22
eine Quelle für kollimiertes Licht, wie z.B. ein Laser.
Andere Lichtquellen 22 können Lumineszenzdioden oder
Superlumineszenzdioden oder Wärme(strahlungs)-Quellen
umfassen. Die Lichtquelle 22 kann mit niedriger Frequenz
moduliert werden, so daß die bekannten Verfahren der
synchronen Detektierung angewandt werden können, um ein
Rauschen aufgrund eines externen Lichteinfalls zu
unterdrücken und um Rauschsignalanteile zu reduzieren, die
sich aufgrund der Temperatur, des Druckes, der Krümmung usw.
ergeben.
Als optische Fasern 14 können Fasern verschiedener Typen
verwendet werden, beispielsweise Fasern mit Stufenindex (step
index), zu- bzw. abnehmendem Index (graded index), Fasern mit
einem einzigen Schwingungsmode oder Fasern, bei denen die
Polarisation erhalten bleibt, wobei diese Aufzählung jedoch
nicht als abschließend angesehen wird. Das für die
Herstellung der optischen Faser 14 verwendete Material wird
im Hinblick auf die im Betrieb verwendete Lichtwellenlänge
und im Hinblick auf die Kompatibilität mit der Probe
ausgewählt. Eine wasserabweisende Schicht kann als
Zwischenschicht verwendet werden oder als zusätzliche Schicht
18 über einer eher konventionellen dielektrischen
Zwischenschicht.
Der Durchmesser des Faserkerns 16 kann von 2 µm bis zu 4
mm reichen. Zu den Kernmaterialien, die zum Arbeiten im
sichtbaren Bereich des Spektrums ausgewählt werden, gehört
vorzugsweise Quarzglas; es ist jedoch auch die Verwendung
einer großen Vielfalt von anderen Materialien möglich,
insbesondere im Infrarotbereich. Gläser, die unter Verwendung
von Kalzium, Metallen, Halogeniden, verschiedenen
Metalloxiden, Sulfiden oder Seleniden hergestellt werden,
eignen sich sämtlich als dielektrisches Übertragungsmedium im
Infrarotbereich. Derartige Materialien haben einen
Brechungsindex, der von 1,3 für einige Alkalihalogenide bis
zu Werten von 4 für gewisse Halbleiter reicht. Typischerweise
liegt der Brechungsindex des Kernmaterials jedoch zwischen
1,4 und 1,6. Die dielektrische Zwischenschicht 18 wird
vorzugsweise so gewählt, daß ihr Brechungsindex bei der
Betriebswellenlänge um einen gewissen Bruchteil Δ kleiner ist
als der Brechungsindex des Kernmaterials, wobei für den
Bruchteil Δ folgende Gleichung gilt:
Dieser Bruchteil ist vorzugsweise wesentlich kleiner als 1
(üblicherweise <1%) und bestimmt den kritischen Winkel in
der Faser. Ein großer Bruchteil Δ führt zu einem kleinen
kritischen Winkel und damit zu einer großen Anzahl von
zulässigen Moden, die sich mischen und die Empfindlichkeit
des Verfahrens verringern können.
Eine Beschichtung kann als dielektrische Zwischenschicht 18
verwendet werden und besitzt eine Dicke, die typischerweise
geringer als die Wellenlänge des Lichts des sich
ausbreitenden Lichtstrahls ist oder ein mehrfaches der
Wellenlänge beträgt. Ein von der Firma Spectran Corporation
unter der Warenbezeichnung "Hydroshield" vertriebenes
Material kann als Beschichtung verwendet und direkt als
Zwischenschicht 18 mit einer Nenndicke von 0,025 µm benutzt
werden, um das Eindringen von Wasserstoff in einer wäßrigen
oder einer anderen Umgebung zu verhindern. Es kann auch
wünschenswert sein, zusätzliche Beschichtungen,
beispielsweise aus Nylon, Acrylat, Teflon, Silicium usw. als
Zwischenschicht 18 zu verwenden. Im allgemeinen hängt die
Auswahl einer bevorzugten Beschichtung von dem Einsatzzweck
ab. Die Empfindlichkeit ist von der Dicke der Zwischenschicht
in Relation zum Kerndurchmesser abhängig, und zwar wegen des
exponentiellen Abfalls der Feldstärke in der Zwischenschicht.
Typischerweise beträgt die Dicke der dielektrischen
Zwischenschicht zwischen 0,01 und 25 µm. Eine optimale
Bedingung besteht darin, eine beträchtliche Reduzierung des
abklingenden Feldes zu gestatten, wenn eine Änderung des
realen Teils des Brechungsindex in der zu analysierenden
Probe erwartet wird. Auf diese Weise kann die zulässige,
modale Struktur des Kernbereichs aufrechterhalten werden,
jedoch typischerweise unter Inkaufnahme eines gewissen
Verlustes an Empfindlichkeit. Für eine optimale
Empfindlichkeit wird die Dicke der Zwischenschicht 18 so
klein gemacht, wie dies praktisch möglich ist, wenn die
Integrität der Beschichtung mechanisch und chemisch
aufrechterhalten werden soll. (Dies steht im Gegensatz zur
Entwurfsphilosophie bei der Herstellung von
Kommunikationsfasern.) Im erstgenannten Fall kann die Dicke
der dielektrischen Zwischenschicht 18 für einen gegebenen
Schwingungsmode, der sich unter dem Winkel R ausbreitet und
für eine Reduzierung der Intensität der abklingenden Welle um
einen gewissen Bruchteil von vielleicht 10% berechnet werden.
Typische Werte für die Dicke der dielektrischen
Zwischenschicht 18 liegen bei Fasern, die im sichtbaren
Bereich oder im nahen Infrarotbereich betrieben werden und
die einen Kerndurchmesser von einigen 10 µm haben, bei
einigen µm.
Beim Arbeiten nach der Erfindung wird die
Schwingungsmodenstruktur des Lichts, welches sich durch den
Kern 16 ausbreitet, genau oder so dicht wie möglich bei dem
kritischen Winkel Φ (nach dem Gesetz von Snellius), bezogen
auf die Grenzfläche 30 zwischen dem Kern und der
dielektrischen Zwischenschicht, gewählt. Die spezielle,
gewünschte Modenstruktur wird erreicht, indem man die
Anordnung der Blende 24 verändert, welche einen offenen oder
transparenten Bereich 32 besitzt. Durch Ändern der
Positionierung des offenen bzw. transparenten Bereichs 32 der
Blende 24 läßt sich die Position kontrollieren, in der das
durch diesen Bereich hindurchgehende Licht auf die Linse 26
trifft. Die Linse 26 bündelt das von ihr empfangene Licht in
bekannter Weise auf den Kern 16 der optischen Faser 14.
Filter für in der Ummantelung mögliche Schwingungsmoden
können in bekannter Weise verwendet werden, um die Einleitung
von Energie in die Ummantelung zu verhindern.
Die Hauptformel zum Bestimmen des Winkels der Modenstruktur
des Lichts, welches sich durch die optische Faser 14
ausbreitet, lautet:
tan R₀ = r/f = tan {(sin-1 n K/n₀ sin 0)}
wobei r der radiale Abstand zwischen dem offenen Bereich
32 der Blende 24 von der Mittelachse 34 der optischen
Faser 14 ist, wobei f die Brennweite der Linse 26 ist und
wobei n K und n 0 Brechungsindizes des Kerns bzw. der
Bereiche außerhalb der Faser sind.
Das Licht, welches in den Kern 16 der optischen Faser 14
projiziert wird, breitet sich längs desselben aus, wobei
es internen Reflexionen unterworfen wird. An jedem
Reflexionspunkt an der Grenzfläche 30 zwischen dem Kern 16
und der dielektrischen Zwischenschicht 18 wird ein
Bruchteil des Lichts in den Kern 16 zurückreflektiert.
Gemäß den Grenzbedingungen für die Lösung der Maxwellschen
Gleichungen schreitet eine abklingende Lichtwelle durch
die Grenzschicht 30 in die Zwischenschicht 18 fort. Die
Strecke, über die sich die abklingende Lichtwelle
ausbreitet, ist dabei eine Funktion des Winkels, mit der
das Licht auf die Grenzfläche 30 trifft und der
Polarisation des Lichtes. Je näher am kritischen Winkel
das Licht auf die Grenzfläche 30 auftrifft, desto weiter
dringt das abklingende Licht in die Zwischenschicht 18
ein. Die Zwischenschicht 18, die einstückig und fest mit
dem Kern 16 verbunden ist, ermöglicht, daß der kritische
Winkel im wesentlichen gleich bleibt und isoliert den Kern
16 gegenüber externen Bedingungen, die andernfalls den
kritischen Winkel ändern würden. Die Dicke der
dielektrischen Zwischenschicht 18 ist dabei so gewählt,
daß sich mindestens ein Teil der abklingenden Lichtwelle
durch die Zwischenschicht 18 hindurch in die Probe 12
ausbreitet.
Die zu analysierende Probe 12, in die die optische Faser
14 eingetaucht ist, bildet eine weitere, den Kern 16
umgebende Schicht. Die Probe 12 führt zu einer
Grenzbedingung an der Grenzschicht 30 von Kern 16 und
Zwischenschicht 18. Mit Hilfe der Maxwellschen Gleichungen
können die Einflüsse, welche die Zwischenschicht 18 und
die Probe 12 auf das Licht im Kern 16 haben, in
spezifischer Weise ermittelt werden.
Die abklingende Lichtwelle wandert durch die dielektrische
Zwischenschicht 18 hindurch in die Probe 12. Die Probe 12
kann ein oder mehrere Reagenzien (Verschmutzungen)
enthalten, die erfaßt werden sollen oder bei denen es sich
um das Material der Probe selbst handeln kann. Wenn das
Reagenz in der Probe 12 enthalten ist, absorbiert es
Energie aus der abklingenden Lichtwelle anteilig zur
Reagenzkonzentration in der Probe 12. Ein gegebenes
Reagenz bzw. ein gegebener Stoff kann dadurch detektiert
werden, daß man die Faser mit Licht beaufschlagt, welches
eine Wellenlänge hat, bei der das Licht nur von einem
bestimmten Stoff absorbiert wird. Das Ausmaß der
Absorption des abklingenden Feldes in der Probe 12 führt
zu einer entsprechenden Abnahme des elektrischen Feldes an
der Grenzfläche 30 von Kern 16 und Zwischenschicht 18.
Diese Änderung führt ihrerseits wiederum zu einer
entsprechenden Änderung des elektrischen Feldes für das
Licht, welches in den Kern 16 zurückreflektiert wird. Da
sich das Licht längs des Kerns 16 aufgrund interner
Reflexionen ausbreitet, tritt an jedem Reflexionspunkt
eine Verringerung der Amplitude des Lichts ein. Wenn das
aus der optischen Faser 14 austretende Licht von dem
Detektor 28 empfangen wird, kann die Konzentration des zu
erfassenden Stoffes in der Probe 12 nach einem absoluten
Verfahren oder einem Differenzverfahren bestimmt werden.
Bei dem Differenzverfahren wird der zusätzliche Verlust
längs der optischen Faser 14, die einer unbekannten Probe
12 ausgesetzt wird, mit dem Verlust verglichen, der sich
bei einer Referenzfaser ergibt, die von einer bekannten
Probe umgeben ist.
Alternativ besteht die Möglichkeit, die Wellenlänge des
von der Lichtquelle 22 erzeugten Lichts zu verändern bzw.
mittels mechanischer, optischer, elektrischer oder anderer
Einrichtungen umzuschalten, um verschiedene Stoffe in der
Probe zu ermitteln.
Die Empfindlichkeit des Sensors kann dadurch erhöht
werden, daß man die Dicke der dielektrischen
Zwischenschicht 18 verringert. Die Empfindlichkeit kann
ferner so gesteuert werden, daß sie für stark
absorbierende Proben durch Erhöhung der Dicke der
dielektrischen Zwischenschicht 18 verringert wird. Im
allgemeinen ist der zusätzliche Intensitätsverlust bei
einer gegebenen Wellenlänge umso größer, je geringer die
Dicke der dielektrischen Zwischenschicht 18 ist. Die
Wellenlänge, mit der der Sensor arbeitet, beeinflußt die
Empfindlichkeit auch aufgrund einer Erhöhung bzw.
Verringerung der Anzahl der Reflexionspunkte, wodurch die
durch die Probe bzw. die Reagenzien verursachten Verluste
überlagert werden. Das gemessene Ausgangssignal kann
ferner weitere Signalanteile enthalten, die sich teilweise
aufgrund der durch Mischung oder Umwandlung von
Schwingungsmoden, der Eigenabsorption oder der
Lichtstreuung im Kern ergeben. Die entsprechenden
Signalanteile überlagern das gewünschte Meßsignal und
setzen eine obere Grenze für die Empfindlichkeitserhöhung
durch Vergrößern der Länge des Sensors bzw. des
Lichtleiters.
Während die Erfindung vorstehend zur Erläuterung
detailliert beschrieben wurde, versteht es sich, daß die
verschiedenen Details lediglich der Erläuterung dienen und
daß dem Fachmann ausgehend von dem beschriebenen
Ausführungsbeispiel zahlreiche Möglichkeiten für
Änderungen und/oder Ergänzungen zu Gebote stehen, ohne daß
er dabei den Grundgedanken der Erfindung verlassen müßte.
Claims (11)
1. Sensor zum Erfassen von Reagenzkonzentrationen in
einer zu analysierenden Probe,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine optische Faser (12) mit einem Kern (16) aufweist, der auf seinem Umfang von einer dielektrischen Zwischenschicht (18) umgeben ist,
daß der Kern (16) einen Brechungsindex besitzt, der größer ist als der Brechungsindex der dielektrischen Zwischenschicht (18),
daß die dielektrische Zwischenschicht (18) das Hindurchtreten einer abklingenden Welle mit minimaler Dämpfung ermöglicht und mit Licht nicht reagiert,
und daß eine Schwingungsmodenwähleinrichtung (20) vorgesehen ist, über die Licht mit dem gewünschten Schwingungsmode in den Kern (16) der optischen Faser projizierbar ist.
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine optische Faser (12) mit einem Kern (16) aufweist, der auf seinem Umfang von einer dielektrischen Zwischenschicht (18) umgeben ist,
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und daß eine Schwingungsmodenwähleinrichtung (20) vorgesehen ist, über die Licht mit dem gewünschten Schwingungsmode in den Kern (16) der optischen Faser projizierbar ist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schwingungsmodenwähleinrichtung (20) eine
Lichtquelle (22) umfaßt, die zur Einleitung von Licht
in den Kern (16) der optischen Faser (12) angeordnet
ist, sowie eine mit einer Öffnung (32) versehene
Blende (24), die zwischen dem Kern (16) der optischen
Faser (12) und der Lichtquelle (22) angeordnet ist,
wobei die Öffnung (32) der Blende (24) den
Schwingungsmode bestimmt, mit dem das Licht aus der
Lichtquelle (22) in den Kern (16) der optischen
Faser (12) projiziert wird, sowie eine Linse (26),
die zwischen der Blende (24) und dem Kern (16) der
optischen Faser angeordnet ist und das die
Öffnung (32) der Blende (24) passierende Licht auf
den Kern (16) der optischen Faser (12) fokussiert,
sowie einen Detektor (28), der zum Empfangen des aus
dem Kern (16) der optischen Faser (12) austretenden
Lichts angeordnet ist.
3. Sensor nach Anspruch 2, bei dem die Lichtquelle (22)
eine Quelle zur Erzeugung von kollimiertem Licht ist.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kern (16) einen Durchmesser zwischen 2 µm und
4 mm besitzt.
5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Brechungsindex des Kerns (16) zwischen 1,3 und 4
beträgt.
6. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
der Brechungsindex der dielektrischen
Zwischenschicht (18) um den Bruchteil Δ kleiner ist
als der Brechungsindex des Kerns (16), wobei für Δ
folgende Gleichung gilt:
wobei n K =Brechungsindex des Kerns (16) und
n Z =Brechungsindex der dielektrischen
Zwischenschicht (18).
7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der Bruchteil Δ kleiner als 0,01 ist.
8. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dicke der dielektrischen Zwischenschicht (18)
zwischen 0,01 µm und 25 µm beträgt.
9. Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
die dielektrische Zwischenschicht (18) eine
Beschichtung ist.
10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dicke der Beschichtung kleiner als die
Wellenlänge des im Betrieb verwendeten Lichts ist.
11. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dicke der Beschichtung größer als die Wellenlänge
des im Betrieb verwendeten Lichts ist.
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