WO2007137550A1 - Fluoreszenzsensor zur detektion von gaszusammensetzungen - Google Patents

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    • G01N2021/7786—Fluorescence

Definitions

  • Fluorescence sensor for the detection of gas compositions
  • the invention relates to a fluorescence sensor for detecting gas compositions with a carrier substrate and a fluorescent layer attached thereto, which essentially consists of a gas-permeable polymer matrix with a fluorescent dye incorporated therein.
  • fluorescence sensors of the type described above are designed such that they preferably react to target gases in the environment to be detected, which contain oxygen or NO 2 compounds or mixtures thereof. As a result, for example, explosives can be detected.
  • the fluorescence of the sensors is usually detected by a measuring device, which is mounted at a suitable distance from the fluorescence sensor, and converted electrically or electronically in suitable signal transmitters into desired signals.
  • the object of the present invention is to provide a fluorescence sensor whose fluorescence resulting from the detection of a gas composition is maintained over a desired period of time, so that a read-out measuring device does not have to be arranged directly at the location of the gas composition to be detected, but rather the fluorescence sensor Spend at another location or after a desired period of time, the detected gas composition then a, or there existing readout meter can transmit.
  • this object is achieved in that, in the case of a fluorescence sensor according to the preamble of patent claim 1, a diffusion layer of gas-permeable ceramics and / or polyvinyl chloride is deposited over the fluorescent layer. is arranged, which is adapted so that it causes a time delay of the gas diffusion from the environment to be detected to the fluorescent layer and vice versa.
  • the ambient gas to be measured penetrates more slowly to the fluorescent layer and diffuses away more slowly from there in the same way.
  • the gas composition immediately above the fluorescent layer is thus preserved for a certain time, so that the respectively emitted fluorescence with a time delay indicates the gas composition of the environment.
  • This time delay has the great advantage that it allows the user to measure fluorescence with a handheld instrument or to determine the gas concentration that corresponds to the conserved state.
  • the period of time over which the fluorescence is to be stored can be calibrated.
  • the diffusion layer is e.g. designed so that the storage of gases in the range of several hours.
  • the inventive structure of a fluorescence sensor z For example, an application on an RFID tag (Radio Frequency Identification Label) or on the type of such an RFID tag on objects or on packaging or transport structures are provided.
  • the parameters for the diffusion layer can readily be designed such that the gases are stored directly above the fluorescent layer for several hours.
  • the fluorescence sensor is integrated on one or more RFID tags.
  • the RFID tags are read, for example, at a distance of a few cm.
  • the thickness of the diffusion layer is between a few ⁇ m and a few hundred ⁇ m, the thickness of the diffusion layer being selected as a function of the desired time delay of the gas diffusion.
  • the permeability of the diffusion layer should preferably be adjusted with respect to oxygen and / or NO 2 compounds or mixtures thereof, which is likely to be of particular advantage for practical application with regard to the detection of explosive compounds.
  • ternary oxides and SU-8 polymers be provided for the diffusion layer as ceramics.
  • a further embodiment of the invention is that a plurality of differently reacting fluorescent layers are arranged side by side and covered by a diffusion layer. In this way, with one and the same fluorescence sensor with the desired time delay gas compositions can be detected by a variety of gas components.
  • carrier substrate polymers are used, Kapton, polyurethanes or polyethylenes are particularly suitable. Ceramics and silicon substrates are also possible.
  • a fluorescence sensor according to the invention is shown schematically.
  • a carrier substrate 1 which essentially has the shape of a cuboidal plate or of a strip or band
  • a fluorescent layer 10 is arranged which consists essentially of a gas-permeable polymer matrix 2 with incorporated fluorescence dye 3.
  • a gas-permeable diffusion layer 4 of thickness d is attached, so that gases which act on the fluorescent layer 10 from the environment 5, these delays only after their diffusion over the distance d through the diffusion layer 4 can reach.
  • the gas atmosphere in the region of the fluorescent layer 10 is maintained over a longer period of time, since the outward diffusion through the diffusion layer 4 back into the environment 5 is also delayed.
  • the diffusion layer 4 could be referred to according to their effect as a retention or storage layer.

Abstract

Fluoreszenzsensor zur Detektion von Gaszusammensetzungen mit einem Trägersubstrat (1) und einer darauf angebrachten Fluoreszenzschicht (10), welche im wesentlichen aus einer gaspermeablen Polymermatrix (2) mit darin eingelagertem Fluoreszenzfarbstoff (3) besteht, wobei über der Fluoreszenzschicht (10) eine Diffusionsschicht (4) aus gaspermeablen Keramiken und/oder Polymeren angeordnet ist, welche so angepasst ist, dass sie eine zeitliche Verzögerung der Gasdiffusion aus der zu detektierenden Umgebung (5) zur Fluoreszenzschicht (10) und umgekehrt bewirkt.

Description

Fluoreszenzsensor zur Detektion von Gaszusammensetzungen
Die Erfindung bezieht sich auf einen Fluoreszenzsensor zur Detektion von Gaszu- sammensetzungen mit einem Trägersubstrat und einer darauf angebrachten Fluoreszenzschicht, welche im Wesentlichen aus einer gaspermeablen Polymermatrix mit darin eingelagertem Fluoreszenzfarbstoff besteht.
Bekannte Fluoreszenzsensoren der vorbezeichneten Art sind so ausgebildet, dass sie vorzugsweise auf Zielgase in der zu detektierenden Umgebung reagieren, die Sauerstoff oder NO2 -Verbindungen oder Mischungen davon enthalten. Dadurch lassen sich zum Beispiel auch Sprengstoffe detektieren. Die Fluoreszenz der Sensoren wird im Regelfall von einem Messgerät, das in geeignetem Abstand vom Fluoreszenzsensor angebracht ist, erfasst und elektrisch oder elektronisch in geeigneten Signalgebern in gewünschte Signale umgesetzt.
Insoweit die vom Fluoreszenzsensor erzeugten Signale zeitlich oder lokal unterschiedlich vom Detektionsort wiedergegeben werden sollen, sind entsprechende Speichermedien, zumindest aber entsprechende Transporteinrichtungen für die Signale vorzusehen, was im Regelfall mit Bauaufwand verbunden ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Fluoreszenzsensor zu schaffen, dessen aus der Detektion einer Gaszusammensetzung sich ergebende Fluoreszenz über eine gewünschte Zeitdauer erhalten bleibt, so dass ein Auslesemessgerät nicht unmittelbar am Ort der zu detektierenden Gaszusammensetzung ange- ordnet sein muss, sondern der Fluoreszenzsensor nach Verbringen an einem anderen Ort bzw. nach einer gewünschten Zeitdauer die detektierte Gaszusammensetzung einem dann, bzw. dort vorhandenen Auslesemessgerät übermitteln kann.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass bei einem Fluo- reszenzsensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 über der Fluoreszenzschicht eine Diffusionsschicht aus gaspermeablen Keramiken und/oder PoIy- meren angeordnet ist, welche so angepasst ist, dass sie eine zeitliche Verzögerung der Gasdiffusion aus der zu detektierenden Umgebung zur Fluoreszenzschicht und umgekehrt bewirkt.
Das zu messende Gas der Umgebung dringt insoweit also langsamer zur Fluoreszenzschicht vor und diffundiert von dort in gleicher Weise langsamer weg. Die Gaszusammensetzung unmittelbar über der Fluoreszenzschicht wird also für eine gewisse Zeit konserviert, so dass die jeweils ausgesandte Fluoreszenz mit zeitlicher Verzögerung die Gaszusammensetzung der Umgebung anzeigt. Man wird auf diese Weise in die Lage versetzt, den Fluoreszenzsensor aus der zu detektierenden Umgebung herauszubringen und dort mit der geeigneten Ausleseoptik die Gaszusammensetzung der detektierten Umgebung entnehmen. Diese zeitliche Verzögerung hat den großen Vorteil, dass es dem Anwender ermöglicht wird, mit einem Handmessgerät diejenige Fluoreszenz zu messen, bzw. die Gaskonzentra- tion festzustellen, die dem konservierten Zustand entspricht.
Je nach den gewählten Parametern der Diffusionsschicht kann-die Zeitdauer, über die die Fluoreszenz gespeichert werden soll, kalibriert werden. Die Diffusionsschicht wird z.B. so ausgelegt, dass eine Speicherung der Gase im Bereich von mehreren Stunden erfolgt.
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau eines Fluoreszenzsensors kann z. B. eine Anwendung auf einem RFID Tag (Radio Frequency Idendification Etikett) bzw. nach Art eines solchen RFID Tags auf Gegenständen oder auf Verpackungs- o- der Transportstrukturen vorgesehen werden. Dabei können die Parameter für die Diffusionsschicht ohne weiteres so ausgelegt werden, dass eine Speicherung der Gase unmittelbar über der Fluoreszenzschicht über mehrere Stunden erfolgt.
Beispielsweise wird der Fluoreszenzsensor auf einem oder mehreren RFID Tags integriert. Mit einer externen Ausleseoptik werden die RFID Tags beispielsweise im Abstand von einigen cm ausgelesen. Bei bevorzugten Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Fluoreszenzsensors liegt die Dicke der Diffusionsschicht zwischen wenigen μm und einigen hundert μm, wobei die Dicke der Diffusionsschicht in Abhängigkeit der gewünschten zeitlichen Verzögerung der Gasdiffusion gewählt wird.
In weiterer Ausbildung der Erfindung soll die Permeabilität der Diffusionsschicht bevorzugt bezüglich Sauerstoff und/oder NO2 Verbindungen oder Gemischen daraus eingestellt sein, was im Hinblick auf die Detektion von Sprengstoffverbindungen von besonderem Vorteil für die praktische Anwendung sein dürfte.
In weiterer Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass für die Diffusionsschicht als Keramiken ternäre Oxide und als Polymere SU-8 vorgesehen ist.
Schließlich besteht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung darin, dass mehrere unterschiedlich reagierende Fluoreszenzschichten nebeneinander angeordnet und von einer Diffusionsschicht abgedeckt sind. Auf diese Weise können mit ein- und demselben Fluoreszenzsensor mit der gewünschten zeitlichen Verzögerung Gaszusammensetzungen nach den unterschiedlichsten Gasbestandteilen detektiert werden.
Schließlich sollen in weiterer Ausbildung der Erfindung als Trägersubstrat Polymere zur Anwendung kommen, wobei sich Kapton, Polyurethane oder Polyethylene besonders eignen. Möglich sind aber auch Keramiken und Silizium-Substrate.
In der beigefügten Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fluoreszenzsensors schematisch dargestellt. Auf einem Trägersubstrat 1 , welches im wesentlichen die Form einer quaderförmigen Platte bzw. eines Streifens oder Bandes aufweist, ist eine Fluoreszenzschicht 10 angeordnet, die im wesentlichen aus einer gaspermeablen Polymermatrix 2 mit darin eingelagertem FIu- oreszenzfarbstoff 3 besteht. Unmittelbar auf der Fluoreszenzschicht 10 ist eine gaspermeable Diffusionsschicht 4 der Dicke d angebracht, so dass Gase, die aus der Umgebung 5 auf die Fluoreszenzschicht 10 einwirken, diese erst verzögert nach ihrer Diffusion über die Entfernung d durch die Diffusionsschicht 4 erreichen können. Die Gasatmosphäre im Bereich der Fluoreszenzschicht 10 wird über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten, da das Ausdiffundieren durch die Diffusionsschicht 4 zurück in die Umgebung 5 ebenfalls verzögert erfolgt. Insoweit könnte die Diffusionsschicht 4 entsprechend ihrer Wirkung auch als Rückhalte- oder Speicherschicht bezeichnet werden.

Claims

Patentansprüche
1. Fluoreszenzsensor zur Detektion von Gaszusammensetzungen mit einem Trägersubstrat (1) und einer darauf angebrachten Fluoreszenzschicht (10), welche im wesentlichen aus einer gaspermeablen Polymermatrix (2) mit darin eingelagertem Fluoreszenzfarbstoff (3) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass über der Fluoreszenzschicht (10) eine Diffusionsschicht (4) aus gaspermeablen Keramiken und/oder Polymeren angeordnet ist, welche so angepasst ist, dass sie eine zeitliche Verzögerung der Gasdiffusion aus der zu de- tektierenden Umgebung (5) zur Fluoreszenzschicht (10) und umge- kehrt bewirkt.
2. Fluoreszenzsensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d) der Diffusionsschicht (4) zwischen wenigen μm und einigen hundert μm liegt.
3. Fluoreszenzsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Diffusionsschicht (4) in Abhängigkeit der gewünschten zeitlichen Verzögerung der Gasdiffusion gewählt wird.
4. Fluoreszenzsensor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permeabilität der Diffusionsschicht (4) bevorzugt bezüglich Sauerstoff und/oder NO2 Verbindungen oder Gemischen daraus eingestellt ist.
5. Fluoreszenzsensor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die Diffusionsschicht (4) als Keramiken ternäre Oxide und als Polymere SU-8 vorgesehen ist.
6. Fluoreszenzsensor nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere unterschiedlich reagierende Fluoreszenzschichten (10) nebeneinander angeordnet und von einer Diffusions- schicht (4) abgedeckt sind.
7. Fluoreszenzsensor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägersubstrat (1) Polymere zur Anwendung kommen.
8. Fluoreszenzsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für das Trägersubstrat (1) Kapton, PUR oder PET ausgewählt wird.
9. Fluoreszenzsensor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat (1) aus Silizium und/oder aus Keramik hergestellt ist.
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