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Hintergrund
der Erfindung
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Fluoreszenz
ist ein photochemisches Phänomen
bei dem ein Photon spezifischer Lichtwellenlänge (Anregungswellenlänge) ein
Indikatormolekül
trifft und dabei als Ergebnis der Kollision ein Elektron auf einen
höheren
Energiezustand anregt. Wenn das "angeregte" Elektron in seinen
Grundzustand zurückfällt, wird
ein weiteres Lichtphoton bei einer längeren Wellenlänge freigesetzt
(Emissionswellenlänge).
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Indikatormoleküle weisen
spezifische Anregungs- und Emissionswellenlängen auf. Die Fluoreszenzemission
aus einem Indikatormolekül
kann durch die lokale Anwesenheit eines zur analysierenden Moleküls gedämpft oder
verstärkt
werden. Zum Beispiel ein tris(4, 7-Diphenyl-1, 10-phenanthrolin)ruthenium(II)perchlorat-Molekül, insbesondere
für den Sauerstoffnachweis,
wird durch Beleuchten der Substanz bei 460 nm (blau) angeregt. Die
Fluoreszenzemission der Moleküle
setzt unverzüglich
mit 620 nm (orange-rot) ein. Die Emission wird jedoch durch die lokale
Anwesenheit von Sauerstoff, welches mit dem Indikatormolekül wechselwirkt,
gedämpft,
was dazu führt,
dass die Intensität
der Fluoreszenz in Zusammenhang steht mit der umgebenden Sauerstoffkonzentration.
Im Ergebnis führt
dies dazu, dass je mehr Sauerstoff vorhanden ist, umso geringer
fällt die Emissionsintensität aus und
umgekehrt und wenn null oder kein Sauerstoff vorhanden ist, wird
die Fluoreszenzintensität
des emittierten Lichtes maximal.
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Diese
analytische Technik, wobei die fluoreszierenden Moleküle als Indikatoren
verwendet werden, wird klassischerweise in Fluoreszenzspektralphotometern
verwendet. Diese Instrumente sind dafür entwickelt worden, die Fluoreszenzintensität und ferner
die Abfallzeit der Fluoreszenz auszulesen. Diese Geräte kosten
typischerweise 20.000 bis 50.000 Dollar und werden im Allgemeinen
in Forschungslaboratorien verwendet.
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Ein
zweiter Bereich des Standes der Technik für Fluoreszenzsensoren ist der
der Vorrichtungen aus optischen Fasern. Diese Sensoren ermöglichen die
Miniaturisierung und die Fernmessung von spezifischen Analyten.
Das fluoreszierende Indikatormolekül wird mittels mechanischer
Mittel oder chemisch im Bereich eines Endes einer optischen Faser
immobilisiert. An dem gegenüberliegenden
Ende der Faser ist ein Faserkoppler (Y förmige Faser) oder ein Strahlteiler
angeordnet.
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Einfallendes
Anregungslicht wird in eine Abzweigung der Faser typischerweise
mittels eines Filters und einer Linse eingekoppelt. Das Anregungslicht
wird mittels der Faser zum distalen Ende der Faser geleitet, wo
das fluoreszierende Indikatormolekül im Bereich der Spitze immobilisiert
wurde. Aufgrund der Anregung strahlt das Indikatormolekül gleichförmig Fluoreszenzlicht
ab, einiges davon wird von der Faserspitze wieder eingefangen und
breitet sich rückwärts durch
die Faser zur Y-Verbindung oder zum "Koppler" aus. Bei der Verbindung wird ein wesentlicher
Anteil (typischerweise die Hälfte)
der Fluoreszenz zurück
zum Emitter oder Herkunftspunkt übertragen,
um dadurch nicht für
die Signaldetektion zur Verfügung
zu stehen. Um die Ineffizienzen des Systems auszugleichen, werden
oft Laser, um die Eingangsleistung zu steigern und hochempfindliche Photomultiplierröhren als
Detektoren verwendet, wobei die Kosten um tausende Dollar erhöht werden. Die
andere Hälfte
breitet sich entlang der anderen Abzweigung des Y zum Detektor aus
und wird registriert. Ein primärer
Nachteil des Systems sind die Verluste, die an jeder Faserverbindung
und durch die Linsen und Filter auftreten. Das System weist eine maximale
1-5%-ige Effizienz
mit resultierenden Verlusten in der Empfindlichkeit und im Bereich
auf. Diese Vorrichtungen sind im Labor vorgeführt worden und erst kürzlich kommerziell
für sehr
beschränkte Anwendungen
erhältlich.
Diese Vorrichtungen unterscheiden sich von den zuvor erwähnten Fluoreszenzspektralphotometern
dadurch, dass sie für
ihre spezifische Anwendung bestimmt sind.
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EP-A-0
534 670 beschreibt einen Sensor, der einen Corpus aus einem Halbleitermaterial,
der ein lichtemittierendes Element und ein lichtdetektierendes Element
aufnimmt und optische Fasermittel aufweist, die in situ auf dem
Körper
in optisch verbundener Beziehung zu den Elementen ausgebildet sind,
um Licht von dem lichtemittierenden Element zum lichtdetektierenden
Element zu führen,
um ein elektrisches Signal dem transmittierten Licht entsprechend
zu erzeugen, wobei die optischen Fasermittel wenigstens einen zugehörigen Abschnitt
aufweisen, der auf die Anwesenheit einer besonderen chemischen oder
biologischen Spezies durch Änderung des
Lichttransmission durch die optische Fasermittel reagiert, so dass
das elektrische Signal auf das Vorliegen der Spezies hinweist.
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US
Patent Nr. 4,846,548 beschreibt ein Faser-optisches-Element, das
dazu verwendet wird, die Anwesenheit chemischer oder biologischer
Spezies durch Messung der Änderungen
der inneren Totalreflexionseigenschaften des Elements zu detektieren, wobei
die Änderungen
durch Änderungen
des Brechungsindexes einer Umhüllung
oder Schicht erzeugt wird, die mit der chemischen oder biologischen Spezies
reagiert.
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EP-A-0
263 805 beschreibt ein Nachweiselement für die Bestimmung der Materialkonzentrationen
in gasförmigen
und flüssigen
Proben mit einer Trägerschicht
und einer Indikatorschicht mit wenigstens einer Indikatorsubstanz,
wobei wenigstens eine optische Eigenschaft der Indikatorsubstanz
durch Wechselwirkung mit dem zu untersuchenden Material in Übereinstimmung
mit dessen Konzentration variiert, wobei das Nachweiselement dadurch
gekennzeichnet ist, dass wenigstens ein photoempfindliches Element
und seine elektrische Kontaktierungsanordnung im ebenen Layout der
Trägerschicht
vorliegen, dass die Indikatorschicht, die die Indikatorsubstanz enthält, die
Form eines Wellenleiters für
die Anregungsstrahlung annimmt, dass die Anregungsstrahlung in die
Indikatorschicht mittels eines optischen Elements eingekoppelt werden
kann und dass die Indikatorsubstanz, die durch die Anregungsstrahlung angeregt
wird, in optischem Kontakt mit dem oder jedem photoempfindlichem
Element steht.
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EP-A-0
489 347 betrifft physiologische Sensoren, die optische Fasern verwenden
und die Messung einer Vielzahl von Serumanalyten ermöglichen. Der
physiologische Sensor umfasst Folgendes: einen Probenbereich zur
Aufnahme einer Probe, die ein oder mehrere Sätze aus zu untersuchenden Analyten
beinhaltet, wobei jeder Satz der Analyten ein oder mehrere zu untersuchende
Analyten beinhaltet, Mittel zur Einkopplung von Eingangsenergie
in den genannten Probenbereich, Mittel zur Überleitung der Eingangsenergie
von der genannten Probe zu einem Detektor, Mittel, die dafür sorgen,
dass wenigstens einiges der Eingangsenergie als zurückgeführte Energie
zu den genannten Mitteln zur Einkopplung der Ausgangsenergie übergeleitet
wird, nachdem sie durch die genannte Probe geführt wurde, wobei die Menge
der genannten zurückgeführten Energie
ein Indikator für
einen ersten Satz der Analyten ist, Mittel, die Fluoreszenz im genannten
Probenbereich als Reaktion auf wenigstens einen Teil der genannten
Eingangsenergie in Abhängigkeit
des einen oder der mehreren Analyten des zweiten Satzes der Analyten hervorrufen,
und Mittel zur Überleitung der
genannten Fluoreszenzenergie in die genannten Mittel zur Überleitung
des Ausgangsenergie zum genannten Detektor.
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U5-A-4,755,667
betrifft einen Fluoreszenzsensor zur Verwendung bei der Bestimmung
von Konzentrationen von Substanzen, die in gasförmigen und flüssigen Proben
enthalten sind. Der Sensor umfasst eine Trägerschicht und eine Indikatorschicht, die
eine oder mehrere Indikatorsubstanzen umfasst, deren optische Eigenschaften
in Abhängigkeit
der Konzentration der zu messenden Substanzen sich ändern. Die
Trägerschicht
ist mit wenigstens einem photoempfindlichen Element mit elektrischen
Kontakten in ebener Anordnung versehen und die Indikatorschicht
fungiert als ein Wellenleiter für
die Anregungsstrahlung, die mittels eines optischen Elements darin
eingekoppelt wird.
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Im
Lichtes des zuvor Beschriebenen ist leicht ersichtlich, dass bestimmte,
mit dem Fluoreszenzgeräten
des Standes der Technik verbundene Einschränkungen bestehen, einschließlich der
Unwirtschaftlichkeit im Hinblick auf die Kosten und der die Verwendung
betreffenden Einschränkungen.
Solche Fluoreszenzgeräte
sind zudem komplex und weisen viele einzelne Teile auf und sind
unhandlich.
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Diese
Erfindung überwindet
diese mit den bekannten Fluoreszenzgeräten verbundenen Probleme und
stellt ein hinsichtlich der Kosten und der Komplexität erheblich
reduziertes und hinsichtlich der Effizienz erheblich verbessertes
Fluoreszenzgerät
zur Verfügung.
Diese Erfindung stellt eine neue Plattform zur Verfügung, die
die Verwendung von fluoreszierenden Indikatormolekülen als
Sensor weit reichend ausdehnt und die zuvor nicht zur Verfügung stehende
Verwendung, Empfindlichkeit und Kostenanalysen ermöglicht.
Die Erfindung weist auch zugenommene Anwendungen auf und ist in
der Anwendung einfacher sowie zuverlässiger als im Stand der Technik
bekannte Fluoreszenzgeräte.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Fluoreszenzgeräte und insbesondere Fluoreszenzsensoren.
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Folglich
ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Fluoreszenzsensor
bereit zu stellen.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der hoch effizient ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor mit verbesserter optischer
Effizienz bereitzustellen.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der eine gesteigerte Empfindlichkeit aufweist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der wenige Einzelteile aufweist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der leicht herzustellen ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der erheblich reduzierte Herstellungskosten aufweist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der mit Standard-Herstellungstechniken herzustellen ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der leicht zusammenzubauen ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der geringe Kosten aufwirft.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der eine vergrößerte Anzahl
von Anwendungen aufweist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der in rauen Umgebungen verwendet werden kann.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der gesteigerte thermische Widerstandsfähigkeit aufweist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der miniaturisiert ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor mit reduziertem
Volumen bereitzustellen.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der bei reduziertem Volumen eine gesteigerte Funktionalität bereitstellt.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor mit gesteigerter
Funktionsdichte bereitzustellen.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der sich gut für
die Verwendung an Stellen eignet, an denen das zur Verfügung stehende
Volumen beschränkt
ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der sich gut für
eine Verwendung in einer Vielzahl von schwierigen Situationen eignet.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der ein emittierendes Element beinhaltet, das in ein chemisch aktives Element
eingebettet ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der ein emittierendes Element beinhaltet, das in ein Polymer (organisch
oder anorganisch) eingebettet ist, in das ein Indikatormolekül immobilisiert
wurde.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der als eine Plattform für
Fluoreszenz-, Lumineszenz-, Phosphoreszenz-, Absorption- oder Brechungsdifferenz-Indikatormoleküle, die
auf oder im Polymer, in das der Emitter eingebettet ist, immobilisiert
wurden, dienen kann.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor mit einem
eingebetteten Emitter bereitzustellen, wobei die Technik der Abfrage
des Indikatormoleküls
die direkte Anregung/Emission, abklingende Anregung oder Oberflächenplasmonresonanzanregung
oder indirekte Anregung mittels eines sekundären Fluoreszenzmoleküls ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
wo in das emittierende Element, das eingebettet ist, optische Tief-
und Hochpassfiltern eingebaut sind.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der ein eingebautes, optisches Detektionselement oder eine Diode
hat.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der aus einer einstückigen
Einheit auf im Wesentlichen einem einzelnen Chip oder einer integrierten
Baugruppe aufgebaut ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
bei dem alle optische Verarbeitung im integrierten Bestandteil beinhaltet
ist und lediglich Versorgungs- und Signalleitungen zur aktiven Vorrichtung
oder Einheit zu- und abgeführt
werden.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
wobei der Emitter ein lichtemittierendes Dioden- (LED)-Bauelement einschließt, um eine
optimale radiale Emission der Anregungsstrahlung von der Quelle
zu erreichen.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
wobei die Primärachse
der Anregungsstrahlung aus einer lichtemittierenden Diode rechtwinklig
zur Primärachse
der Photodetektion der Emission des Photodetektors ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der das Bedürfnis nach
optischen Fasern eliminiert.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor mit einer
einheitlichen Struktur bereitzustellen, wobei die die gesamte Strahlung
der Lichtquelle anfänglich
freigesetzt wird und sich durch die Indikatorschicht fortpflanzt,
entweder innerhalb der Schicht oder auf die Oberfläche der
Schicht begrenzt.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der in der Analyse von gasförmigen
oder flüssigen
Zuständen
verwendet werden kann.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der mit seiner signalverarbeitenden Elektronik eingebaut oder als
ein Ferngerät
verwendet werden kann.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
wo die Membran- oder Indikatorschichtdicke durch Ausgießen des
formulierten Inhalts mittels Schwerkraft oder Druck um das Emitterbauteil
herum eingestellt wird.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
wobei die Dicke der Indikatorschicht nur durch die Dicke des radial
emittierenden P/N-Übergangs
optisch beschränkt
ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der einen Tiefpassfilter aufweist, der eine Beschichtung oder ein
Film ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der einen Hochpassfilter aufweist, der eine Beschichtung, ein Film oder
eine Scheibe ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der für
eine Vielzahl von Analyten verwendet werden kann, indem ein spezifisches
Indikatormolekül
auf oder innerhalb der Indikatorschicht des Sensors immobilisiert
wird und die Signalverarbeitungselektronik kalibriert wird.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
dessen Signalverarbeitungselektronik Phasenmodulations-, Lebensdauer-,
Intensitäts-
oder relative Intensitätsdateninterpretationsverfahren
beinhalten kann.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der jegliche Emissionswellenlängen
und jegliche Detektionswellenlängen aufweisen
kann.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
wobei die Tief- und Hochpassfilter aus jeglichem geeigneten Ausschluss/Zulassungsprofil
ausgewählt
sind, das für
die Indikatormoleküle
geeignet ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
wobei der Sensor ein Festkörpersensor
ist.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen,
der für
extreme Temperatur, Druck und Umgebungsbedingungen ausgelegt ist.
Gemäß einer
Ausführung
schafft die vorliegende Erfindung einen Fluoreszenzsensor zum Nachweis
eines Analyts, wobei der Sensor eine Photodetektorschicht zur Erzeugung
eines elektrischen Signals als eine Reaktion auf eine Bestrahlung
mit einfallendem Licht, eine Indikatorschicht zur Schaffung eines
Fluoreszenzemission als eine Reaktion auf ein Anregungslicht und
ein lichtemittierendes Mittel zur Emission von Anregungslicht umfasst,
wobei die Indikatorschicht ein Material aufweist, welches die Eindiffusion
des Analyts gestattet und welches lichtemittierende, auf das Analyt
angepasste Indikatormoleküle
hat, so dass die Indikatormoleküle
mit dem Analyt wechselwirken, um die Menge an, auf die Photodetektorschicht
einfallendem Licht von dem Licht, das von den Indikatormolekülen emittiert
wird, zu verändern,
der dadurch gekennzeichnet ist, dass
- (i) die
Photodetektorschicht, die Indikatorschicht und das lichtemittierende
Mittel alle in einer miniaturisierten, einheitlichen Struktur angeordnet sind;
- (ii) wenigstens ein Teil des lichtemittierenden Mittels innerhalb
der Indikatorschicht angeordnet ist, und wobei die Lichtanregung
von den lichtemittierenden Mitteln anfänglich durch die Indikatorschicht
freigesetzt wird und sich darin ausbreitet; und
- (iii) die Photodetektorschicht und das lichtemittierende Mittel
jeweils eine Primärachse
der Lichtdetektion oder beziehungsweise Emission aufweisen, die
Photodetektorschicht und das lichtemittierende Mittel so angeordnet
sind, dass die Primärachse
der Lichtemission von dem lichtemittierenden Mittel im Wesentlichen
rechtwinklig zur Primärachse
der Lichtdetektion der Photodetektorschicht verläuft.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform schafft
die vorliegende Erfindung einen Fluoreszenzsensor zum Nachweis eines
Analyts, wobei der Sensor eine Photodetektorschicht zur Erzeugung
eines elektrischen Signals als eine Reaktion auf eine Bestrahlung
mit einfallendem Licht, eine Indikatorschicht zur Schaffung eines
Fluoreszenzemission als eine Reaktion auf ein Anregungslicht und
ein lichtemittierendes Mittel zur Emission von Anregungslicht umfasst,
wobei die Indikatorschicht ein Material aufweist, welches die Eindiffusion
des Analyts gestattet und welches lichtemittierende, auf das Analyt
angepasste Indikatormoleküle
hat, so dass die Indikatormoleküle
mit dem Analyt wechselwirken, um die Menge an, auf die Photodetektorschicht
einfallendem Licht von dem Licht, das von den Indikatormolekülen emittiert
wird, zu verändern,
der dadurch gekennzeichnet ist, dass
- (i) die
Photodetektorschicht, die Indikatorschicht, eine Wellenleiterschicht
und das lichtemittierende Mittel alle in einer miniaturisierten,
einheitlichen Struktur angeordnet sind;
- (ii) die Wellenleiterschicht angrenzend zur Indikatorschicht
angeordnet ist und wenigstens ein Teil des lichtemittierenden Mittels
von der Wellenleiterschicht umgeben ist, und wobei die Lichtanregung
von dem lichtemittierenden Mittel anfänglich durch die Wellenleiterschicht
freigesetzt wird und sich darin ausbreitet; und
- (iii) die Photodetektorschicht und das lichtemittierende Mittel
jeweils eine Primärachse
der Lichtdetektion oder beziehungsweise Emission aufweisen, die
Photodetektorschicht und das lichtemittierende Mittel so angeordnet
sind, dass die Primärachse
der Lichtemission von dem lichtemittierenden Mittel (C) im Wesentlichen
rechtwinklig zur Primärachse
der Lichtdetektion der Photodetektorschicht (D) verläuft.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die
Erfindung wird hierin nachfolgend detaillierter anhand der begleitenden
Figuren beschrieben, die Folgendes darstellen:
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1 ist
eine perspektivische, Teilexplosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Fluoreszenzsensor,
die dessen Einzelteile zeigt und zeigt, wie dieser hergestellt wird;
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2 ist
eine Aufsicht auf den erfindungsgemäßen Fluoreszenzsensor, wie
in 1 vorgegeben;
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3 ist
eine vergrößerte Teilansicht
des erfindungsgemäßen Fluoreszenzsensors,
wie in den 1 und 2 vorgegeben
und im Wesentlichen entlang der Schnittlinie 3 – 3 der 2 dargestellt;
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4 ist
eine Aufsicht auf eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fluoreszenzsensors;
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5 ist
eine vergrößerte Teilansicht
des erfindungsgemäßen Fluoreszenzsensors,
wie in 4 vorgegeben und im Wesentlichen entlang der Schnittlinie
5-5 der 4 dargestellt; und
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6 ist
eine perspektivische Darstellung der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fluoreszenzsensors
bei Verwendung mit einem Indikator.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
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Zuerst
wird anhand der 1, 2 und 3 der
erfindungsgemäße Fluoreszenzsensor dargestellt,
und dieser ist im Ganzen mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet.
Der Sensor 10 umfasst Photodetektormittel für die Lichtdetektion,
die einen im Wesentlichen flachen Photodetektor oder eine Scheibe 12 umfassen,
Filtermittel zur Lichtfilterung, die eine dünne, im Wesentlichen flache
Hochpassfilterschicht 14 umfassen, die einen im Ganzen
kreisförmigen
Umfang hat und welche angrenzend an die, die Photodetektorscheibe 12 aufweisenden
Photodetektormitteln angeordnet ist und welche mit diesen optisch
verbunden ist und eine dünne
im Wesentlichen flache Glasscheibe 16, die einen im Allgemeinen
kreisförmigen
Umfang hat und welche angrenzend an die die Hochpassfilterschicht 14 aufweisenden
Filtermittel angeordnet ist und welche mit diesen optisch verbunden.
Der Sensor 10 umfasst ferner Indikatormittel zur Bereitstellung
einer Fluoreszenzemission, die durch ein Anregungslicht hervorgerufen wird,
die eine im Wesentlichen flache, dünne Indikatormembranschicht 18 umfassen,
die einen im Ganzen kreisförmigen
Umfang aufweist und welche angrenzend an die Glasschicht angeordnet
ist und mit dieser optisch verbunden ist, lichtemittierende Mittel für die Emission
des Anregungslichtes, die eine lichtemittierende Diode 20 (LED)
umfassen, die im Zentrumsbereich der Indikatorschicht 18 angeordnet
ist und eine dünne,
elektrisch leitende, reflektierende Metallscheibe 22, die
zwischen der lichtemittierenden Diode 20 und der Glasscheibe 16 angeordnet
ist, zuzüglich
Filtermittel zur Lichtfilterung, die eine, den oberen Bereich der
lichtemittierenden Diode 20 umgebende Tiefpassfilterbeschichtung 24 umfassen. Wie
in 1 angedeutet ist, wird die Indikatorschicht 18 an
Ort und Stelle eingegossen.
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Details
des Aufbaus des Sensors 10 kann sowohl anhand der 3 als
auch anhand der 1 verstanden werden. Wie in
den 1 und 3 illustriert ist, ist die Photodetektorschicht 12 mit
einem positiven Pfosten 26 und einem negativen Pfosten 28,
deren betreffenden oberen Endabschnitte 30 und 32 elektrisch
mit der Photodetektorschicht 12 verbunden sind. Ein Ende
einer Leitung 40 ist am oberen Endabschnitt 30 des
Pfosten 26 angelötet
oder mit leitfähigem
Kleber daran befestigt, und das andere Ende ist auf herkömmliche
Art und Weise an der oberen Fläche 38 der
Photodetektorschicht 12 angebracht oder befestigt. Auf ähnliche
Art und Weise ist ein Ende einer Leitung 36 am oberen Endabschnitt 32 des
Pfostens 28 durch Löten
oder einen leitfähigen
Kleber befestigt, und das andere Ende ist an der Unterseite 34 des
Photodetektors 12 auf eine herkömmliche Art und Weise angebracht
oder befestigt.
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Die
Unterseite 42 der Hochpassfilterschicht 14 ist
an der Oberseite oder Oberfläche 38 der
Photodetektorschicht 12 durch eine sehr dünne Schicht aus
optischem Kleber 44 befestigt, und die obere Fläche 46 der
Hochpassfilterschicht 14 ist an der unteren Fläche 48 der
Glasschicht 16 durch eine weitere, sehr dünne Schicht
aus optischem Kleber 50 befestigt. Die reflektierende Folie 22 ist
an der oberen Fläche 52 der
Glasschicht 16 durch einen geeigneten, aus dem Stand der
Technik bekannten Kleber 53 befestigt, und die lichtemittierende
Diode 20 ist an der oberen Fläche der reflektierenden Folie 22 durch eine
elektrisch leitfähige
Klebschicht 54 angebracht. Die Tiefpassfilterbeschichtung 24 ist
am oberen, äußeren Abschnitt
der lichtemittierenden Diode 20 durch einen lichtleitfähigen Kleber 56 befestigt.
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Elektrische
Leitungen 58 und 60 sind für die lichtemittierende Diode 20 vorgesehen
und erstrecken sich jeweils von der lichtemittierenden Diode 20 und
der elektrisch angeschlossenen, leitfähigen Folienscheibe 22 zu
den betreffenden oberen Endabschnitten 66 und 68 der
Pfosten 62 und 64, deren betreffende oberen Endabschnitte 66 und 68 unter dem äußeren Abschnitt
der unteren Fläche 42 der
Filterschicht 14 angeordnet sind. Die Indikatormembranschicht 18 enthält Indikatormoleküle, die
mit dem Bezugszeichen 71 versehen sind und ist auf die
obere Fläche 52 der
Glasschicht 16 sowie um die lichtemittierende Diode 20 und
ihre Tiefpassfilterbeschichtung 24 und ihre Leitungsabschnitte 58 und 60 gegossen.
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Ferner
ist ein kreisringförmiges,
maschinell bearbeitetes Metallgehäuse 70 vorgesehen,
das die äußeren Kanten
der Photodetektorschicht 12, der Filterschicht 14,
der Glasschicht 16 und der Membranschicht 18 umwindet.
Der untere Abschnitt des maschinell bearbeiteten Gehäuses 70 ist
verschlossen oder mit Gusskeramik oder anderer, aus dem Stand der
Technik bekannter Vergussmasse 72, die ebenso die Pfosten 26, 28, 62 und 64 an
Ort und Stelle hält, abgedichtet.
Folglich weist der Sensor 10 eine einheitliche Struktur
auf, wobei alle betriebsnotwendigen Bestandteile im Gehäuse 70 angeordnet
sind und nur die positiven und negativen Signalleitungspfosten 26 und 28 und
die elektrischen Stromversorgungspfosten 62 und 64 sich
aus der einheitlichen Struktur, die vom Gehäuse 70 umgeben und
darin enthalten ist, herausstrecken. Es ist wichtig anzumerken,
dass, wie in 3 angedeutet ist, dass die lichtemittierende
Diode 20 und der Photodetektor 12 auf solche Art
und Weise angeordnet sind, dass die Primär- oder Hauptachse der Lichtemission
aus der lichtemittierenden Diode 20, die mit dem Buchstaben
A bezeichnet ist, sich im Wesentlichen senkrecht zur Primär- oder
Hauptachse, die mir dem Buchstaben B bezeichnet ist, der Lichtdetektion
des Photodetektors 12 erstreckt. Dies ist sehr wichtig
für den
Fluoreszenzsensor 10, da dies zu hoher Effizienz und hoher Empfindlichkeit
führt.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Fluoreszenzsensors
ist in den 4 und 5 angegeben
und ist im Ganzen mit dem Bezugszeichen 74 bezeichnet.
Der Sensor 74 umfasst Photodetektormittel zur Lichtdetektion,
die eine dünne
Photodetektorschicht 76 umfassen, die im Wesentlichen identisch
mit der zuvor beschriebenen Photodetektorscheibe oder -Schicht 12 ist,
Filtermittel für
die Lichtfilterung, die eine Hochpassfilterschicht 78 umfassen,
die im Wesentlichen identisch mit der zuvor beschriebenen Hochpassfilterschicht 14 ist
und eine Glasschicht 80, die im Wesentlichen identisch
mit der zuvor beschriebenen Glasschicht 16 ist. Die Hochpassfilterschicht 78 ist
angrenzend an die die Photodetektorschicht oder -Scheibe 76 umfassenden
Photodetektormittel angeordnet und ist mit diesen optisch verbunden.
Die Glasschicht 80 ist angrenzend an die die Filterschicht 78 umfassenden Filtermittel
angeordnet und ist mit diesen optisch verbunden. Der Sensor 74 weist
jedoch ferner Wellenleitermittel auf, die als Wellenleiter fungieren
und die eine dünne,
im Wesentlichen flache Wellenleiterschicht 82 umfassen,
deren unter Fläche 84 angrenzend
an und in optischem Kontakt mit der oberen Fläche 86 der Glasschicht 80 aufgrund
eines optischen Klebers 88 angeordnet ist. Die obere Fläche 90 der Wellenleiterschicht 82 ist
angrenzend an und in optischem Kontakt mit der unteren Fläche 92 einer
Indikatorschicht 94 angeordnet. Diese Indikatormembranschicht 94 weist
Indikatormoleküle
auf, die mit dem Bezugszeichen 95 versehen sind und kann
auf die obere Fläche 90 der
Wellenleiterschicht 82 gegossen werden. Der Sensor 74 hat
ferner lichtemittierende Mittel zur Emission von Anregungslicht,
die eine lichtemittierende Diode 96 umfassen, die ähnlich der
zuvor beschriebenen Diode 20 ist, Filtermittel für die Lichtfilterung,
die eine Tiefpassfilterbeschichtung 98, die den oberen
Abschnitt der Diode 96 umgibt und die ähnlich der zuvor beschriebenen
Tiefpassfilterbeschichtung 24 ist, umfassen, und die untere
Fläche
der lichtemittierenden Diode 96 steht in Kontakt mit einer
dünnen,
elektrisch leitenden, reflektierenden Metallfolienscheibe 100,
die ähnlich
der zuvor beschriebenen, reflektierenden Metallfolienscheibe 22 ist.
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Wie
in 5 dargestellt ist, weist der Sensor 74 jeweils
positive und negative Pfosten 102 und 104 auf,
die ähnlich
den zuvor beschriebenen Pfosten 26 und 28 sind,
und diese sind jeweils elektrisch mit der betreffenden Oberseite 105 und
Unterseite 106 der Photodetektorschicht 76 auf
eine herkömmliche
Art und Weise mittels zugehöriger
elektrischer Leitungen 107 und 109 verbunden.
Die untere Fläche 114 der Hochpassfilterschicht 78 ist
an der oberen Fläche 112 der
Photodetektorschicht 76 durch eine sehr dünne Schicht
aus optischem Kleber 116, ähnlich dem zuvor beschriebenen
Kleber 44, verbunden. Die obere Fläche 118 des Hochpassfilters 78 ist
ebenso an der unteren Fläche 120 der
Glasschicht 80 durch eine dünne Schicht 122 aus
optischem Kleber, der ähnlich
dem zuvor beschriebenen Kleber 50 ist, befestigt. Die reflektierende
Folienscheibe 100 ist mit der oberen Fläche 86 der Glasschicht 80 durch
einen geeigneten, aus dem Stand der Technik bekannten Kleber verbunden,
und die lichtemittierende Diode 96 ist an der oberen Fläche der
reflektierenden Folie 100 mittels einer elektrisch leitfähigen Klebschicht 124 befestigt,
und die Tiefpassfilterschicht 98 ist an der Diode 96 mittels
einer lichtleitfähigen,
klebrigen Beschichtung (nicht dargestellt) befestigt.
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Die
lichtemittierende Diode 96 weist zugehörige elektrische Leitungen 128 und 130 auf,
die sich jeweils von der Diode 96 und der Metallfolie 100,
die unter und in elektrischem Kontakt mit der Diode 96 angeordnet
ist, zu den betreffenden Pfosten 132 und 134 erstrecken,
die unter der äußeren Unterseite 114 der
Hochpassfilterschicht 78 in einer Art und Weise angeordnet
ist, die ähnlich
der der Leitungen 58 und 60 und der betreffenden
Pfosten 62 und 64 der in den 1 bis 3 vorgegebenen
Ausführungsform
ist. Es wird angemerkt, dass die lichtemittierende Diode 96 und
ihre Tiefpassfilterbeschichtung oder -Schicht 98 von der
Wellenleiterschicht 82 umgeben sind, die um die lichtemittierende
Diode 96 und ihre Tiefpassfilterbeschichtung 98 die
zentral über
dem zentralen Abschnitt der Glasschicht 78 angeordnet ist,
gegossen ist.
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Ebenso
ist ein kreisringförmiges,
maschinell bearbeitetes Metallgehäuse 139, das im Wesentlichen
identisch mit dem Metallgehäuse 70 der
Ausführungsform 10 ist,
vorgesehen, und welches die äußeren Kanten
der Photodetektorschicht 74, der Filterschicht 78,
der Glasschicht 80, der Wellenleiterschicht 82 und
der Indikatorschicht 94 umwindet. Der untere Abschnitt
des maschinell bearbeiteten Gehäuses 70 ist
verschlossen oder mit Gusskeramik oder anderer, aus dem Stand der
Technik bekanntem Vergussmasse 141, das identisch mit dem
Material 72 der Ausführungsform 10 ist,
versiegelt. Diese Masse 141 befestigt ebenso die Pfosten 102, 104, 132 und 134 an
Ort und Stelle. Folglich weist der Sensor 74 einen einheitlichen
Aufbau auf, der derselbe ist, wie der der Sensorausführungsform 10,
wobei all seine betriebsnotwendigen Bestandteile innerhalb des Gehäuses 139 angeordnet
sind und lediglich die positiven und negativen Signalleitungspfosten 102 und 104 und
die elektrischen Versorgungspfosten 132 und 134 sich
aus dem einheitlichen Aufbau, der von dem Gehäuse 139 umgeben und
darin enthalten ist, erstrecken. Es ist wichtig anzumerken, dass,
wie in 5 angedeutet ist, dass die lichtemittierende Diode 96 und
der Photodetektor 76 auf solche Art und Weise angeordnet
sind, dass die Primär-
oder Hauptachse der Lichtemission aus der lichtemittierenden Diode 96,
die mit dem Buchstaben C bezeichnet ist, im Wesentlichen rechtwinklig
zur Primär-
oder Hauptachse, die mit dem Buchstaben D bezeichnet ist, der Lichtdetektion
des Photodetektors 76 ist. Dies ist sehr wichtig für den Fluoreszenzsensor 74,
da dies zur hoher Effizienz und hoher Empfindlichkeit führt.
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Wie
in 6 dargestellt ist, ist der positive Pfosten 26 des
Sensors 10 elektrisch mit dem positiven Eingang 140 eines
Lichtintensitätsindikators 142 mittels
des Leiters 144, des Schalters 146 und des Leiters 148 verbunden.
Auf ähnliche
Art und Weise ist der negative Pfosten 28 elektrisch mit
dem negativen Eingang 150 des Lichtintensitätsindikators 142 mittels
des Leiters 152, des Schalters 154 und des Leiters 156 verbunden.
Abwechselnd kann der Sensor 74 elektrisch mit dem Lichtintensitätsindikator 142 verbunden
sein, indem der positive Pfosten 102 des Sensors 74 mit
dem positiven Eingang 140 des Lichtintensitätsindikators 142 mittels
des Leiters 158, des Schalters 146 und des Leiters 148 verbunden
ist. Auf ähnliche
Art und Weise ist der negative Pfosten 104 mit dem negativen
Eingang 150 des Lichtintensitätsindikators 142 mittels
des Leiters 160, des Schalters 154 und des Leiters 156 verbunden.
Im Ergebnis dieser Anordnung kann die Lichtintensitätsausgangsgröße entweder
vom Sensor 10 oder 74 auf der Anzeige 162 des
Lichtintensitätsindikators 142 durch die
Verwendung der Schalter 146 und 154 abgelesen werden.
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In
den bevorzugten Ausführungsformen
werden beide Fluoreszenzsensorausgestaltungen 10 und 74 unter
Verwendung von Standardkomponenten und aus dem Stand der Technik
bekannten Techniken auf die folgende Art und Weise hergestellt.
Mit Bezug auf die Fluoreszenzsensor-Ausführungsform 10 wird
das äußere Gehäuse von
einem optischen Standarddiodendetektor, wie ein UDT020, der von United
Detector Technology aus Hawthorne, Kalifornien erhältlich ist,
entfernt, um die Oberfläche
der Siliziumphotodiode 12 freizulegen. Auf die obere Fläche 38 der
Diode 12 wird ein kleiner Tropfen eines optischen Klebers 44,
wie er von Norland Products aus New Brunswick, New Jersey hergestellt
wird oder eines anderen ähnlichen
Klebers aufgebracht. Ein Dünnfolien-Hochpassfarbfilter 14 wird
aus einer Standardfolie in kreisförmiger Scheibenform ausgestanzt
und auf die Oberfläche 38 der
Diode 12 aufgebracht und dadurch der aktive Diodenbereich
mit dem wellenlängenspezifischen
Filter bedeckt, der auf der Oberfläche 38 der Diode 12 durch
den optischen Kleber 44 befestigt ist. Ein geeigneter Folienfilter 14 kann
von irgendeinem photographischen Beleuchtungszulieferer wie R & R Lighting Company,
Inc. aus Silver Spring, Maryland erhalten werden. Auf die obere
Fläche 46 der
optischen Folienfilterscheibe 14 wird ein zweiter kleiner
Tropfen eines optischen Klebers 50 (Norland-Typ) aufgebracht.
Auf diese Oberfläche wird
eine kreisförmige
Glasscheibe 16 mit einem Durchmesser, der den des Farbfilters 14 übersteigt und
mit den Maßen
des Photodiodendetektors 12 aufgebracht. Die Glasscheibe 16 ist
an der oberen Fläche
der farbigen Filterscheibe 14 mittels des optischen Klebers 50 angebracht.
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Auf
die obere Fläche 52 der
Glasscheibe 16 wird ein kleiner Tropfen 53 mit Hochtemperaturepoxid,
wie der, der von Epoxy Technology, Billercia, Massachusetts hergestellt
wird, etwa im Zentrum (die Platzierung ist nicht kritisch, aber
das Zentrum wird bevorzugt) auf die Scheibe 16 aufgebracht.
Eine im Durchmesser viel kleinere (etwa 300+ μm), elektrisch leitende, metallische
Scheibe 22 wird am Glas mittels des Hochtemperaturepoxids 53 fixiert
und eine Drahtleitung 60 (oder Linie aus leitender Farbe
oder leitendem Kleber) wird dann auf die Oberfläche 52 der Glasschicht
zwischen die metallische Scheibe 22 und einen leitfähigen Pin
oder Pfosten 64 gelegt, der unter dem oder angrenzend an
den Photodetektor, der eine Photodiode 12 ist, fixiert
ist, wodurch eine elektrische Übertragung
zwischen dem Pfosten 64 und der zentral angeordneten metallischen
Scheibe 22 erreicht wird. Auf die obere Fläche der
metallischen Scheibe 22 wird ein kleiner Tropfen aus elektrisch
leitfähigem
Kleber 54, wie der, der von Circuit Works, Inc. aus Santa
Cruz, Kalifornien und anderen hergestellt wird, aufgebracht. Auf
den leitfähigen
Kleber 54 und die zugehörige
metallische Scheibe 22 wird ein LED-Chip-Emitter-Bauteil 20,
wie es von Cree Research, Durham, North Carolina und anderen hergestellt
wird, platziert, wodurch ein elektrischer Durchgang zwischen dem
Pfosten 64, wie zuvor beschrieben und der Kathode (oder
alternativ der Anode) des LED-Bauteils 20 erzeugt wird.
Auf die obere Fläche
(Anode oder Kathode) des LED-Bauteils 20 wird ein Ende
einer zweiten elektrischen Leitung aus feinem Draht 58 drahtgebondet
und der Draht 58 wird über
die Oberfläche 52 der
Glasscheibe 16 vom LED-Bauteil 20 zu einem zweiten
Pin oder Pfosten 62 geführt,
der angrenzend an oder unter der Photodiode 12 angeordnet
ist. Dies vervollständigt das
Schaltkreissegment, über
das eine Stromversorgung über
die zwei Pfosten 62 und 64 angelegt werden und
somit das LED-Bauteil 20 mit Energie versorgt werden kann,
um Licht über
die Oberfläche
und in radialer Nähe
zur oberen Fläche
der Glasscheibe 16 abzustrahlen.
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Diese
gestapelte und verklebte Anordnung, die den Photodetektor 12,
den Filter 14, die Glasschicht 16, die Metallscheibe 22 und
die lichtemittierende Diode 20 und die Hochpassfilterbeschichtung 24 umfasst,
wird dann in das Rundgehäuse 70,
das so maschinell auf eine Bemaßung
bearbeitet wurde, dass es die Seiten der Anordnung abdeckt und schützt und
mit dem Randbereich der Glasscheibe 16 zusammenpasst, mit
Epoxid (Epoxy Technology) einzementiert, wodurch die Frontseite
und diese Bestandteile unter der Glasscheibe 16 vor den
Umgebungsbedingungen versiegelt werden. In eine Ausnehmung, die
durch die obere Fläche 52 der
Glasscheibe 16 und der Seitenwand, die maschinell in das
Gehäuse 70 eingearbeitet
wurde, geschaffen wurde, wird eine Membranindikatorformulierung 18 (1)
eingegossen, die die Oberfläche 52 der
Glasschicht 16 bedeckt, das LED-Bauteil 20 und
dessen Leitungsdrähte 58 und 60 einbettet
und die auf ein Füllstand
eingefüllt
werden kann, der der Dicke entspricht, die ins Gehäuse 70 maschinell
eingearbeitet wurde. Die LED 20 wird minimal überflutet.
Aufgrund der Formulierung der Membranindikatormischung 18 verteilt
sich die Flüssigkeit
selbst über
die Oberfläche und
polymerisiert und härtet,
wodurch die Indikatormoleküle 71 immobilisiert
werden und eine aktive poröse
Membran als äußere Oberfläche auf
der Oberseite des Sensors 10 ausgebildet wird. Die Membrandicke
kann dadurch eingestellt werden, dass volumetrisch genau auf die
Oberfläche 52 der
Glasschicht 16 verteilt wird.
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Die
Membran-/Indikator-Formulierung kann abgewandelt werden, um verschiedene,
für verschiedenen
Analyten spezifische Sensoren zu bilden. In einer beispielhaften
Ausführung,
wird die Membran wie folgt formuliert und aufgebracht, um einen
für Sauerstoff
spezifischen Sensor zu schaffen. Zu Beginn werden 1 ml Silikon (kommerziell
erhältlich
als Dow Coming, Midland, Michigan, RTV Sealant) in 2 mls Naptha
(EE Zimmerman Company, Pittsburgh, Pennsylvania) gelöst durch
Verwirbelung in einer abgedichteten Glasteströhre vermischt (Volumen: 13+ cc).
Dazugegeben wurden 200 μl
aus 6 mg/ml fluoreszierendem Indikatormolekül Rutheniumkomplex gelöst in Chloroform.
Durch Verwirbelung bis zur Homogenität vermischt, 250 μl dieser
Lösung
wurden auf die Oberfläche
des Glases pipettiert, wie es in der obigen Vorrichtung beschrieben
wurde. Bei Zimmertemperatur über
Nacht oder bei reduzierter Zeit bei höheren Temperaturen (nicht 60
Grad Celsius überschreitend)
wurde die Aushärtung
ermöglicht.
Die Bodenausnehmung unter der Unterseite 34 des Photodetektors 12,
die durch das Gehäuse 70 gebildet wird,
wird dann mit der Vergussmasse 72 gefüllt, die das Gehäuse 70 abdichtet
und auch die verschiedenen Pfosten 26, 28, 62 und 64 an
Ort und Stelle fixiert.
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Dieses
Beispiel ist zur Verwendung als ein Sauerstoffsensor bereit, wenn
es mit geeigneter Elektronik zusammengebracht wird. Andere Beispiele
würden
von der obigen Beschreibung nur insofern abweichen, dass die Art
des Indikatormoleküls 71 und
die Formulierung der Membran 18 abweichen würde.
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Wie
in 5 angedeutet, verwendet die Ausführungsform 74 eine
Wellenleiterschicht 82, aber ist auf identische Art und
Weise wie die Ausführungsform 10 mit
der Ausnahme aufgebaut, dass eine nicht-poröse Wellenleiterschicht 82 anstatt
der porösen
Membran der Ausführungsform 10 auf
die Oberfläche 86 der
Glasschicht 80 gegossen wird. Es ist kein Indikatormolekül in der
Wellenleiterschicht 80 vorhanden. Die Indikatormoleküle 95 sind
stattdessen in einer Indikatorschicht 94, die auf der oberen Fläche 90 der
Wellenleiterschicht 80 angeordnet ist, immobilisiert.
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Als
Beispiel der Ausführungsform 74 wird
ein klares Polymer (organisch oder anorganisch) auf die Oberfläche 86 der
Glasschicht 80 geschüttet
und dessen Verteilung und Aushärtung
ermöglicht.
Der Polymerwellenleiter wird für
geeignete Klarheit und Brechungsindexeigenschaften gewählt, um
so Licht der gewünschten
Wellenlänge
optimal durch dessen Volumen zu leiten. Die Indikatormolekülschicht 94 ist an
der oberen Fläche 86 der
Wellenleiterschicht 82 mit den Indikatormolekülen, die
mit dem Bezugszeichen 95 bezeichnet sind, befestigt, wobei
die Indikatormoleküle
auf der oberen Fläche 86 der
Wellenleiterschicht 82 unter Verwendung eines aus dutzenden von
gewöhnlichen,
im Stand der Technik bekannte Techniken immobilisiert sind, und
dadurch der Vorrichtungsaufbau vervollständigt wird. Die Spezifität des Sensors 10 oder 74 für ein besonderes
Analyt wird durch die Wahl des immobilisierten Indikatormoleküls 71 oder 95 erreicht.
Dann werden die optischen Eigenschaften des Wellenleiters 82 so
ausgewählt,
um ihn hinsichtlich seiner Wellenlänge zu optimieren.
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Die
Sensor-Ausführungsformen 10 und 74 dieser
Erfindung werden auf die folgende Art und Weise verwendet. Die Sensoren 10 und 74 können in vielen
verschiedenen Anwendungsbereichen Umgebungen verwendet werden. Die
Analyt-Spezifität
des Sensors wird durch das Indikatormolekül 71 oder 95 erreicht,
welches sowohl von denen, die kommerziell erhältlich sind (SIGMA und andere)
als auch von denen die in der wissenschaftlichen Literatur gelistet sind,
ausgewählt
wird.
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Zum
Beispiel kann der Sensor 10 oder 74 Sauerstoff
registrieren, indem viele verschiedene Moleküle verwendet werden, wie sie
in wissenschaftlicher Literatur gelistet sind und wie sie kommerziell erhältlich sind
und dem Fachmann bekannt sind. Als ein Sauerstoffsensor kann die
Vorrichtung dazu verwendet werden die Konzentration von gelöstem Sauerstoff
in einer Flüssigkeit
oder Schlämmung,
d.h. Wasser, Chemikalien, Prozessströmen, Fermenterbrühen, Abfallbehandlungsströmen, usw.
zu analysieren oder um die Sauerstoffkonzentration in gasförmigen Mischungen,
wie Luft, verschiedenste Gasgemische, die Sauerstoff enthalten,
zu analysieren, wie es bei der Verbrennung, bei Umgebungsbedingungen
in geschlossenen Räumen
oder Reaktoren oder Lebenserhaltungssystemen nützlich ist. In einem Beispiel
von vielen ist bzw. sind die beschriebenen Sensoren 10 und/oder 74 mit
Elektronik verbunden, die einen Signalverstärker (nicht dargestellt) für den Photodiodendetektor
umfasst, die einen Teil der Messmittel für die Messung des elektrischen
Signals aus dem Photodetektormittel bilden kann, wie der Lichtintensitätsindikator 142 und
eine Energieversorgung (nicht dargestellt), um die LED 20 oder 96 zu betreiben.
Ist der Sensor 10 oder 74 in der zu analysierenden
Umgebung platziert, diffundiert Sauerstoff in die Membran der Indikatorschicht 18 oder 94,
wobei Sauerstoff mit den Indikatormolekülen 71 oder 95 auf
molekularem Level wechselwirkt, was zu einer Abnahme der Fluoreszenzintensität führt, wie
sie vom Photodetektor 12 oder 76 detektiert oder
registriert wird, wodurch das elektronische Signal an die verarbeitende
Elektronik verringert wird, die die Messmittel 142 zur
Messung des elektrischen Stromes aus den Photodetektormitteln 12 oder 76 bildet, wobei
die Messmittel so kalibriert sind, dass sie Sauerstoff in geeigneten,
aus dem Stand der Technik bekannten Messeinheiten registrieren.