WO2014063843A1 - Sensor element with a photonic crystal arrangement - Google Patents

Sensor element with a photonic crystal arrangement Download PDF

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WO2014063843A1
WO2014063843A1 PCT/EP2013/064822 EP2013064822W WO2014063843A1 WO 2014063843 A1 WO2014063843 A1 WO 2014063843A1 EP 2013064822 W EP2013064822 W EP 2013064822W WO 2014063843 A1 WO2014063843 A1 WO 2014063843A1
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WO
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photonic crystal
medical
sensor element
optical properties
stocking
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/064822
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German (de)
French (fr)
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Matthias Stich
Sabine Trupp
Anna HEZINGER
Jennifer Schmidt
Gerhard Mohr
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication date
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Application filed by Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. filed Critical Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • A61F2013/0094Plasters containing means for sensing physical parameters
    • A61F2013/00957Plasters containing means for sensing physical parameters pressure

Definitions

  • Embodiments of the present invention relate to a sensor element having a photonic crystal arrangement for sensing an analyte, a sensor element having a photonic crystal arrangement for sensing a physical eigenshaft, and the use of a photonic crystal arrangement as a sensor element. Further exemplary embodiments relate to a method for producing and setting a sensor element and to a system having such a sensor element. Preferred embodiments relate to compression stockings or medical thrombosis prophylaxis stockings.
  • simple sensor elements e.g. in the form of a measuring strip
  • simple sensor elements e.g. in the form of a measuring strip
  • examples include pH measuring strips, blood glucose measuring strips or strain gauge strips.
  • a sensor element of a pH measurement strip has, for example, dyes which discolor depending on the pH, so that the measurement result can be read optically directly.
  • Another group of these knife strips which also includes some blood glucose measuring strips or strain gauge strips, refers to sensor elements that can only be evaluated with a separate sensor system.
  • Such sensors are in contradiction to the concept of measuring strips, which is based on simple handling, cost-effective production and specific adaptation to the measuring task.
  • Object of the present invention is therefore to provide a sensor element, which on the one hand is inexpensive to manufacture and easy to use, has high accuracy and is very well matched to the respective sensor applications and the particular application with special focus on medical applications.
  • the object is achieved by a medical stocking according to claim 1, a medical bandage according to claim 13 and 15, a sensor element according to claim 29, 30 and 31 and by a method for manufacturing according to claims 25 and 26.
  • Embodiments of the present invention provide a sensor element having a photonic crystal arrangement and a plurality of receptor sites integrated into the photonic crystal array.
  • the photonic crystal arrangement has due to their Structure one or more optical properties.
  • the receptor sites are designed for the selective interaction with analytes, wherein the optical property, eg coloration, absorption, reflection or fluorescence, of the photonic crystal arrangement based on the analytes attached to the receptor sites and / or based on direct chemical and / or or physical interaction of the analytes with the receptor site are changeable.
  • Sensor elements based on photonic crystals represent a completely new kind of optical sensors.
  • Embodiments of the present invention are based on the recognition that a photonic crystal arrangement, which is formed for example from an array of particles, by certain process steps, such as by the choice of the starting particles, introduction of receptor sites or by introducing defects on a respective Measurement application can be adjusted.
  • a measured variable for example to a concentration of analytes or to a mechanical force acting on the photonic crystal arrangement
  • the evaluation of a measurement with such a sensor element takes place optically on the basis of the optical property which arises as a result of the measured variable, that is to say for example based on the coloring.
  • the optical properties of the photonic crystal arrangement are formed, in particular, via the different (alternating) refractive indices present in the optical crystal arrangement, these changing as a result of the measured variable to be measured.
  • the alternating refractive indices are formed by arranging particles with a first refractive index next to one another, while the intermediate heights arising in the arrangement due to the geometry of the particles have a second, different refractive index ( ⁇ ⁇ ⁇ ).
  • the change of the optical property or of the respective refractive index results, for example, in a color change or another optical reaction, which is preferably readable by the human eye, that is to say lies in the visible range.
  • Fields of application of such sensor elements are manifold and extend from chemical or biological test strips via complex chemical or biological detectors to strain gauges or also sensors for physical measured variables.
  • the optical properties of the photonic crystal arrangement on the introduced particles, on the introduced defects or by means of an envelope or Polymcrumhüllung be adjusted so that the measuring range is adapted to the measured variable to be detected and / or the desired optical properties.
  • the above-mentioned receptor sites are designed to allow analytes to couple selectively based on a protein-protein interaction.
  • the optical properties of the photonic crystal arrangement are influenced.
  • the optical properties can also be changed by a direct, either chemical or physical, interaction between analytes and certain regions of the photonic crystal arrangement, which are also referred to as receptor sites. By means of such interactions, it is advantageously possible to detect previously not detectable analytes.
  • the photonic crystal arrangement may be formed on a rigid or flexible substrate, such as a substrate.
  • a glass substrate or polymer substrate or textile substrate are applied.
  • applications such as a medical bandage with a sensor element mentioned above can be realized, e.g. by means of its color indicates whether it is too tight or if there are impurities.
  • strain gauges can be realized, which react to a tensile force, for example, with a change in color.
  • the present invention provides a manufacturing method of the above-mentioned sensor element, according to which particle defined refractive index, defined size and / or shape are arranged to a photonic crystal arrangement and according to which the receptor sites are introduced and / or the measuring range is set.
  • Another method relates to the adjustment of the measurement functionality of the sensor element comprising the step of introducing the defects and / or the particles defined refractive index, size and / or shape to at least two alternating or multiple refractive indices within the optical properties photonic crystal arrangement adapt.
  • This method advantageously enables the use of a photonic crystal arrangement as a sensor element Adaptation of the same to the respective measurement application and in particular the coordination between the measurand and the optical response.
  • sensors or strain gauges based on photonic crystals can be used, for example, in medical compression stockings or medical thrombosis prophylaxis stockings.
  • Further embodiments provide a medical stocking with a medical stocking material and a sensor element attached to the medical stocking material, wherein the sensor element has a (area) measurement area (or a measurement area), and a photonic crystal arrangement with an optical property, wherein the optical property the photonic crystal arrangement can be changed within the measuring range by the action of a physical measured quantity on the photonic crystal arrangement, so that the change in the optical property can be detected if the change in the optical property occurs when the physical measured variable acts.
  • V1TPS medical thrombosis prophylaxis stockings
  • FIG. 1 shows an exemplary representation of a sensor element with a photonic crystal arrangement and integrated receptor sites for the selective interaction with analytes according to an exemplary embodiment
  • an exemplary representation of a Thromboseprophylaxestrumpfes with an incorporated sensor element according to a preferred embodiment a schematic diagram illustrating the method of manufacturing the sensor element of Figures 1 and 2 and the method for adjusting the measurement functionality of the sensor element according to embodiments.
  • a chemical (colloidal) production process of photonic crystals such as those used in the embodiment of FIG. 3, and their application as strain gauges according to another embodiment.
  • photonic crystals and the knowledge associated with these, which have led to this invention, will be discussed in general.
  • photonic crystals are understood in principle periodic structures of different refractive indices. These influence the refraction, scattering, reflection and / or interference of light (eg visible light, infrared light) which transilluminates or traverses the photonic crystal. In this way, there is the transmission or remission of colored light, although in the system no dye, pigment or the like is present.
  • the color of the transmitted or reflected light may be controlled by the nature and arrangement of the periodic structures in the photonic crystal array.
  • Photonic crystal arrangements which are typically in a solid state of aggregation, are different from interference and diffraction gratings in that they are both one-dimensional (see photonic crystal fiber), two-dimensional and three-dimensional (see reverse opals, reverse side opal) can.
  • the optical properties of the photonic crystal arrangements can be influenced or adjusted during the manufacturing process, for example.
  • photonic crystal arrangements can be produced with different starting materials.
  • One possibility is to introduce fine holes of defined size into an optically transparent material by means of drilling.
  • Further manufacturing processes originate from semiconductor technology (eg lithography, nanoimprinting or hot embossing printing) and include, for example, steps such as structuring by means of mask technologies or etching.
  • Another production method is based on the direct formation of the crystal structure.
  • organic or inorganic nanoparticles and / or microparticles are directly arranged and / or immobilized, so that the photonic crystal arrangement is formed.
  • FIG. 1 shows a sensor element 10 with a photonic crystal arrangement 12 which has a multiplicity of particles 12a to 12f arranged in accordance with a crystal structure.
  • the particles 12a to 12f may, for example, have a sphere tonn and metals, polymers, minerals, crystals, natural products, fabric, paper, textile, glass, crystalline and / or amorphous substances.
  • the arrangement of the particles 12a to 12f in the crystal arrangement 12 is designed such that intermediate spaces filled with air, for example, are formed between them.
  • the refractive indices ni and n 2 alternate periodically, which leads to a one, two or three dimensional grid structure is formed.
  • the particles 12a to 12f together with the gaps define the optical properties of the photonic crystal array 12 on the one hand on the respective refractive indices nj / n 2 and on the other hand on the spatial extent of the particles 12a to 12f and gaps that influence the lattice constant of the photonic crystal array 12th Has.
  • the repetition of the different refractive indices ni and n 2 and the dimension of the particles 12a to 12f or interspaces determine the wavelength range of the electromagnetic radiation to which the crystals interact to an increased degree, since the alternating refractive indices ni and n 2 the photonic crystals interact with electromagnetic waves in a manner similar to the periodic potentials in semiconductor crystals with electrons.
  • photonic band structures can arise that have "forbidden" energies, so that electromagnetic waves of specific wavelengths can not propagate or be filtered within the crystal arrangement 12.
  • the relative permeability or dielectric constant ⁇ of the photonic lattice arrangement 12 also contributes to determining the optical properties This means that the optical properties (color, fluorescence, phosphorescence, chemiluminescence, luminescence or luminescence intensity or transmission, reflection scattering, emission) by the nature and condition of the materials used or by the arrangement of the crystal structure, ie caused by the (highly) ordered periodic arrangement of regions of different refractive indices nj and n 2 , and do not depend on the chemistry of dyes.
  • Receptor sites 14 are integrated in the crystal arrangement 12, wherein these can be arranged, for example, between the particles 1 2d to 1 2f or can be deposited on or incorporated in the particles 12d to 12f.
  • the receptor sites 14 are designed to selectively interact with an analyte 16 (eg, liquids, gases, ions, metabolites, natural products, biomolecules, proteins, bacteria, viruses, RNA and / or DNA).
  • analyte 16 eg, liquids, gases, ions, metabolites, natural products, biomolecules, proteins, bacteria, viruses, RNA and / or DNA.
  • the receptor site 14 may be a receptor molecule.
  • Ligands complexing agents, indicators, nanoparticles or microparticles (eg inorganic, organic, polymer particles, metallic micro- or nanoparticles of silver, gold, cobalt etc., quantum dots, semiconductors, upconverting particles, inorganic or organic pigments, core Sheath systems of organic and / or inorganic components), each of these receptor types 14 interacting with different analytes 16.
  • nanoparticles or microparticles eg inorganic, organic, polymer particles, metallic micro- or nanoparticles of silver, gold, cobalt etc., quantum dots, semiconductors, upconverting particles, inorganic or organic pigments, core Sheath systems of organic and / or inorganic components
  • the receptor sites 14 are designed in such a way that, on contact with a substance 16 to be detected, the refractive index ni of the respective particles 12a to 12f and / or the dimension thereof and thus the lattice constant changes, which results in an analyte-dependent change in the optical property (eg absorption, Change in color, fluorescence or phosphorescence) results.
  • the receptor sites 14 may be configured such that upon an addition of an analyte 16, a change in the refractive index n 2 and / or the dimension of the interstices occurs.
  • the medium in which the light propagates changes so that the light refracts differently upon the presence or accumulation of the analyte 16, for example, as if the light in a region of equal refractive index is a further distance would go through.
  • the optical properties may change as the previously approximately equal refractive indices nj and n 2 shift (ie, for example, none ) due to the analyte interaction Change of the refractive index n 1, but magnification of the refractive index n 2 ), so that frequency ranges of the light are selectively transmitted or reflected by the crystal arrangement 12 (see filter).
  • the coloration of the sensor element 10 changes.
  • analytes 16 can be detected and quantified.
  • Application examples here are the detection of borderline relevant analytes, in which case the sensor element reacts, for example, with a color change (eg green to red when exceeding the respective limit value or in the presence of certain analytes or parameters).
  • Receptors 14 which cause a visible change in the control surface for reactive oxygen species, can be, for example, redox systems, frequently using metal-ligand complexes and the recognition reaction then taking place at the metal center. Metal-ligand complexes are also used for the fluorescent detection of oxygen.
  • Fluorescein sulfonate groups are selective receptor groups for hydrogen peroxide
  • maleic imide are selective receptor groups for thiols
  • tricyanovinyl groups are selective receptor groups for primary and secondary amines
  • pyry1-functional are selective receptor groups for primary amines
  • hydrazine functions are selective receptor groups for aldehydes and etone
  • amino groups are selective receptor groups for aldehydes and ketones.
  • Boronic acid functions are selective receptor groups for diols
  • 1, 2-diaminobenzene groups are selective receptor groups for nitrogen oxides
  • aldehyde functions are selective receptor groups for amino acids.
  • recognition mechanisms such as antigen-antibody interactions, DNA-DNA or DNA-RNA interactions, antibody-protein interactions, enzyme-substrate interactions as well as recognition mechanisms via molecularly imprinted polymers (MIP, molecular imprinted polymers) in the photonic crystal can be implemented.
  • MIP molecular imprinted polymers
  • a direct interaction can also be a change in the optical property of the photonic crystal arrangement 12, as will be explained below with reference to a further exemplary embodiment.
  • the photonic crystals can be designed to change their properties upon contact with certain substances.
  • the polymer particles present in the crystal may swell in the presence of certain solvents. In doing so, they change their volume (and thus their size and density) which, as explained above, can cause a change in their color due to the change of the lattice constant. It does not matter whether the substance to be detected is liquid or gaseous.
  • Such systems can be used eg for monitoring the water quality (detection of small amounts of organic solvents in groundwater) or for quality assurance of fuels (detection of water in organic liquids such as gasoline).
  • Further examples of such direct-acting interactions are the so-called dipole-dipole interaction or else the magnetic interaction which, for example, results in a change in the crystal structure due to the presence of a magnetic field in certain particles 12a to 12f.
  • quenching interaction is mentioned, in which certain substances (so-called quenchers) quench the fluorescence or phosphorescence of dyes.
  • both gaseous and liquid analytes 16 such as, for example, oxygen, reactive oxygen species (including hydrogen peroxide and ozone), CO, SO, SO. CO, acids, alkalis, amines, carboxylic acids, aldehydes, ketones, ions in general, saccharides, alcohols, diols, thiols, nitrogen oxides, Proteins, metabolites, aromatics, heterocycles, organophosphorus compounds and amino acids.
  • the interaction with the (modified) photonic crystal arrangement 12 can be reversible (sensor for continuous measurements) as well as irreversible.
  • the sensor element 10 may have an optional substrate 19 according to further embodiments.
  • This optional substrate 19 can be, for example, a rigid substrate, in the form of a metal substrate, glass substrate or polymer substrate, or else realized as a flexible substrate in the form of a textile substrate, polymer substrate or paper substrate.
  • FIG. 2 shows another sensor element 10 'with a photonic crystal arrangement 12, which likewise has a plurality of particles 12a to 12f and intermediate spaces formed therebetween with different refractive indices ni and n 2 . Furthermore, the sensor element 10 'has a defined measuring range. Within this measurement range, the photonic crystal array 12 of the sensor element 10 'or at least a portion of the photonic crystal array 12 responds to a physical measurement such as temperature, current, external force (gravity, tensile force under pressure) or magnetic field by means of a change the optical properties.
  • a physical measurement such as temperature, current, external force (gravity, tensile force under pressure) or magnetic field by means of a change the optical properties.
  • a change of the optical property is made so that it can not only be detected but also quantified.
  • a specific optical property eg a respective hue
  • the underlying principle basically corresponds to the principle described in FIG. 1, wherein here the changes in the optical property are based on the fact that a (mechanical) displacement of the lattice structure takes place as a result of an external influence acting on the crystal arrangement 12. This shift, for example, alters the spatial extent or dimension of the particles 12a to 12f and / or the interspaces.
  • the external influence can be supplied, for example, directly by an external force (with a one-dimensional or multi-dimensional force) or by a force acting by means of a magnetic field or also by the brown M o 1 ek u 1 a rbe w at at an acting temperature.
  • an electric current which also results in a change in the macromolecular structure, is a possible cause for a change in the lattice structure 12, so that it can consequently also be optically detected.
  • a previous adjustment of the optical property and in particular of the measuring range by means of a stellmeehanismen. which are explained in detail with respect to FIG. 4.
  • two exemplary examples for the measurement of physical quantities are discussed.
  • a magnetic flux as a measured variable is assumed.
  • This magnetic flux acts on the crystal assembly 12 such that a change in optical property, e.g. in the form of self-adjusting reflection, is observable.
  • a magnetic flux causes a change in the grating structure.
  • the presence of a magnetic field with a field strength of 1 Weber [Wb] can result in an increase of the refractive index by 10% ni or in a reduction of the lattice constant by 10%, so that the refraction characteristic changes depending on the wavelength.
  • the wavelength range of the refraction occurring can shift so that they now lie in the visible range (under the action of the magnetic field).
  • the detection of a further measured variable carried out by way of example below will be explained with reference to a specific application.
  • textiles which are provided by means of the above-described sensor element 10 'with a measuring functionality.
  • the photonic crystal 12, which reacts due to a mechanical stress (displacement of the lattice structure) with a change in the optical properties, is in this case integrated into the textile fabric forming the optional substrate 19. In this case, it is possible to immobilize the crystals of the crystal assembly 12 in or on the fabric 19 (or yarn), or to produce the crystals themselves as a thin thread.
  • the material can be introduced into various textile products, whereby, for example, dressing materials, thrombosis stockings or the like with sensory properties can be produced.
  • These textiles are then able to indicate too tight a fit or too tight winding of the fabric by a color change or generally by a change in the optical property.
  • the perfect fit is of great importance for the healing of the patient.
  • Through associations with photonic crystals as a sensory unit could be immediately recognized by anyone by the color, whether the dressing was applied too loose or too tight. In this case, it is not absolutely necessary for the entire textile to be provided with photonic crystals.
  • FIG. 3 shows a thrombosis stocking or compression stocking 100 with a measurement functionality, as described in FIGS. 1 and 2.
  • the thrombosis stocking 100 has, for example, a flexible stocking material 102, such as, for example, an elastane. which is entangled in a fabric.
  • the structure and the material is such that a support function can be realized.
  • thrombosis stocking further comprises a sensor element 104, which basically corresponds to the sensor elements 10, 10 '.
  • the sensor element 104 may, for example, comprise its own flexible substrate (not shown) and be sewn or glued onto the sock material 102. In other words, this means that such a measuring strip 104 is applied, for example, to the surface of the compression stocking 100 in the form of a sticker, a sewn-on strip or similar systems. According to further embodiments, it would also be possible for the fabric of the stocking material 102 to at least partially comprise a yarn in which the sensor element 104 or the photonic crystal is directly integrated. In this respect, therefore, the sensor element 104 may be woven into the sock material 102.
  • the sensor element 104 has the photonic crystal arrangement which has predetermined optical properties (eg coloring), wherein the optical properties can be changed by the action of a physical measurand, such as a mechanical stress (eg color change).
  • a physical measurand such as a mechanical stress (eg color change).
  • an optical strain gauge is integrated into medical compression stockings or medical thrombosis prophylaxis stockings (MTPS) and in particular serves to control and monitor the correct fit of the same.
  • MTPS medical thrombosis prophylaxis stockings
  • the photonic crystals can be used as a sensory system for detecting and quantifying tensile forces when the photonic crystal arrangement is immobilized in an elastic material (polymer, fiber, tissue or the like) is.
  • the test strip may be sutured, entangled, glued, ironed or applied to the surface of the sock by any other conceivable method. It is also possible.
  • the result of this measurement can be done optically via one or more color changes.
  • the correct fit of the stockings can thus be visualized by indicating too low and too high pressure of the textiles on the leg due to different colors of the strain gauge.
  • optical sensor systems or test strips 104, 10, 10 ' which do not contain any (luminescent) dyes, indicators, pigments or the like (except systems based on liquid crystals) may be used, so according to further embodiments
  • sensor elements which react to the presence of analytes may also be integrated into the stocking 100.
  • FIG. 4 shows in a representation (a) the production and the adaptation steps carried out during production.
  • micro- and / or nanoparticles 12x are arranged in a step A such that the photonic lattice arrangement 12, which has at least a first refractive index ni, arises.
  • the particles 12x have a defined size or a defined diameter, from which, for a given refractive index ni of the material, the wavelength of the electromagnetic wave is dependent, in which an interaction between the photonic crystal arrangement 12 and the electrochemical magnetic wave is formed.
  • the modified particles 12x are brought into a highly ordered structure, such as in the form of a hexagonal closest packing (three-dimensional case).
  • the crystal arrangement 12 produced by means of this step A is already in this state an optically active material, ie, it is designed to interact with electromagnetic waves, since regions of different refractive indices nj and n 2 , here n air , repeat periodically.
  • step A for example, inorganic, organic, metallic or polymeric particles (eg silica, polystyrene, polyvinyl chloride, cobalt, silver or gold particles and inorganic and / or organic pigments, "upconverting" nanoparticles,
  • inorganic, organic, metallic or polymeric particles eg silica, polystyrene, polyvinyl chloride, cobalt, silver or gold particles and inorganic and / or organic pigments, "upconverting" nanoparticles
  • This photonic crystal arrangement produced in this way can either be used directly for the respective measuring task (FIG. 1) or detection of a physical measured variable from FIG. 2) (see step D) or first be changed so that the optical properties are matched to the respective measuring functionality, which will be explained in more detail below.
  • Step B shows the sheathing of the photonic crystal arrangement 12 with a transparent shell 22, for example a polymer shell, which has a further refractive index n 3 , whereby the optical properties of the sensor element to be adjusted are changed.
  • the photonic lattice arrangement 12 with the cladding 22 can be further modified, for example, by selectively removing the particles 12x used and thus generating periodic voids 24. This selective integration of defects 24 takes place in the production step C.
  • the final product of the production step C in turn has altered optical properties, since the vacancies 24 have a further refractive index n 4 , which differs from the refractive index ni of the removed particles or in particular a changed ratio between the refractive indices n 4 to n 3 in comparison to n 3 comes to ni
  • the defects 24 are also the chemical, physical and sensory properties of the photonic Crystal arrangement, because the vacancies 24 generated within the sheath 22 typically improve the permeability and the response for (gaseous) analytes.
  • the sensor element 10 or 10 'produced by means of the production steps A and the optional production steps B and / or C can be adapted to the respective measuring task in a further step D, as illustrated in the illustration (b).
  • the crystal lattice arrangement 12 is modified such that the sensor element 10 for the detection of analytes (FIG. see Fig. 1) or the sensor element 10 'for the detection of a physical measured variable (see Fig. 2) is generated.
  • the (chemical or physical) receptor sites 14 or recognition units are implemented in the crystal arrangement 12 or in the particles 12x.
  • the sensory system can also be formed into a direct interaction, for example by selecting or modifying the materials used for the photonic crystal arrangement 12.
  • the manufacturing step D can be used in a second case to adjust the measuring range.
  • a kind of calibration of the sensor element 10 takes place, so that respective optical properties (eg a multiplicity of different color shades) of the crystal arrangement 12 correspond to respective physical properties within the measurement range, which extends from a minimum value of the measurement value to be detected up to a maximum value thereof , be assigned.
  • the measuring range can be documented in the form of a scale, which creates an association between an expression of the optical property and the respective measured value.
  • the above-described photonic crystal arrangements 12 can also be used with other production methods, such as, for example, with methods from the semiconductor industry or with a production method which is assumed by a solid material and the voids and thus the structure are introduced by means of a fine drill as holes in the solid material produced.
  • the particles 12a to 12f need not necessarily have the same material, so that different particles with different (optical) properties may also be arranged in the crystal lattice arrangement 1 2.
  • the crystal lattice assembly 12 would have more than two different (alternating) refractive indices.
  • the sensor element 10 or 10 ' may have the optional sheath 22 or polymer sheath, so that the resulting interspaces may be filled with a different material, as in FIG. 4 is explained in more detail.
  • This cladding 22 has a further refractive index n 3 and thus contributes to the determination of the optical properties of the sensor element 10 or 10 '.
  • the photonic crystal lattice assembly 12 may also have defects, so not introduced or selectively removed particles with a further refractive index. These imperfections can be particularly well introduced into the grid assembly 12, if it is fixed with a sheath 22 (see above).
  • the Kri stall arrangement 12 of Fig. 1 and 2 between the particles have gaps which is filled for example with a gas or air and thus has a further refractive index ncas / air.
  • these intermediate spaces can be filled with a casing 22, for example a polymer casing, as explained in greater detail with reference to FIG. 4.
  • This cladding 22 has a further refractive index n 3 and thus contributes to the determination of the optical properties of the sensor element 10 or 10 '.
  • the crystal arrangement 12 alternatively comprises a multiplicity of repeating units, which are preferably arranged periodically.
  • a combination of the sensor element 10 and 10 ' would be conceivable in which both analyte 16 and a possibly associated with this analyte 16 physical property is detectable.
  • the crystal assembly 12 is provided with both the receptor sites 14 and a predefined measurement area.
  • the sensor elements 10 and 10 'produced by means of the photonic crystal arrangement 12 can be used in a variety of ways and are distinguished, in particular, by their simplicity and the associated cost-effective production.
  • the production steps illustrated in FIG. 4 can be integrated into many already existing production processes, resulting in many fields of application for the sensor elements 10 or 10 'or the probes 10 or 10' produced in this way.
  • Exemplary further processing methods are roll-to-roll processes, screen printing, inkjet printing, spray-dip spincoating, injection molding, lithography, etching, hot stamping, anodizing and nanoimprinting.
  • the sensor element 10 or 10 ' can be divided into different products, such as e.g. Semiconductor products, electronic components, are integrated.
  • Another embodiment relates to a measuring system comprising a sensor element 10 or 10 'and a read-out device.
  • the read-out device is designed to detect the optical properties or the change in the optical properties and, in particular, a correlation between the change in the optical property (eg the degree of color change) and the measured variable of the physical parameter to be measured or the concentration (content, Amount and / or strength) of the analyte.
  • the measuring range, the sensitivity and the range of the color change can be adjusted continuously.
  • selectivity can be induced via the choice of the recognition unit and the materials used (eg the polymer for fixing) and thus cross sensitivities are minimized.
  • FIG. 12 Further embodiments relate to the use of a photonic crystal arrangement 12 as a sensor element.
  • the areas of application extend from science and technology, medicine, biology as well as all everyday and everyday objects, in which optical sensors, test strips, recognition units or the like are used and / or integrated or analytes or physical parameters and parameters are displayed and / or quantified.
  • FIGS. 1 and 2 A possible production of the crystal arrangements 12 shown in FIGS. 1 and 2 for the sensor elements 10 and 10 'or, in particular, of the medical stocking shown in FIG. 3 is explained below, with particular reference to the setting of the optical system Characteristics and the measuring range. 5, the production and functionality of a sensor element 10 with a photonic crystal arrangement 12, which has a multiplicity of particles 12a to 12f arranged corresponding to a crystal structure, is illustrated, wherein this sensor element 10 is represented, for example, as an "optical strain gauge". It should be noted that the above statements regarding FIGS. 1-4 are equally applicable to the following explanations and exemplary embodiments.
  • the optical strain gauge consists of colloidal photonic crystals immobilized in a suitable material. Due to their structure, photonic crystals have exceptional and remarkable optical properties. Due to the highly ordered periodic arrangement of regions of lower and higher refractive indices (or relative permittivity or dielectric constant ⁇ ), photonic crystals interact with electromagnetic waves in a manner similar to the periodic potentials in semiconductor crystals with electrons. The period length and the repetitions of the different refractive indices determine the wavelength range of the electromagnetic radiation with which the crystals interact more intensively. Repeated wavelength-dependent refraction of light at the regions of different refractive indices produces the color in the reflection or transmission of the photonic crystals. In this way, photonic band structures arise, which may have areas of forbidden energies, so that electromagnetic waves of specific wavelength can not propagate within the crystal.
  • the optical properties of the crystals can be adjusted or changed via this.
  • the structure of photonic crystals should be such that, as the geometrical extent of the system changes, the spatial dimension of one or more repetitive units within the crystal changes, resulting in an analyte-dependent (in this case, strain) change of the optical Properties (eg absorption, color, fluorescence, phosphorescence, etc.) come. It does not matter with which method the photonic crystals were produced.
  • Nanoparticles or microparticles are used in the chemical preparation process for colloidal photonic crystals (Species 1, FIG. 5).
  • These may be inorganic, organic, metallic or polymeric particles (eg silica, polystyrene, polyvinyl chloride, cobalt, silver or gold particles, inorganic and organic pigments, so-called “upconverting nano particles", quantum dots, Semiconductors, to name just a few) and core / shell systems made of organic and / or inorganic components.
  • the later optical properties of the photonic crystal can be adjusted by the refractive index of the material.For a given refractive index, the diameter of the particles, with The optionally modified particles are brought into a highly ordered structure (process A, FIG. 5), such as the hexagonal closest packing (see Species 2, FIG.
  • the material is optically active, ie it interacts with electromagnetic waves in the manner described above, since regions of different refractive indices (as in this case n par , i k ei and n air) repeat periodically.
  • the resulting material can then be fixed in its structure by polymers (process B, FIG. 5). This may result in new optical properties (see Species 3, Fig. 5), since under certain circumstances, the ratios of the refractive indices change (np art i kd and np 0 i yme nAir).
  • These photonic crystals fixed in their structure can be further modified, for example by selectively removing the particles used from the material (process C, FIG.
  • photonic crystals enable integration into existing manufacturing processes and allow their use in all areas of technology and applications.
  • the functioning of photonic crystals is completely independent of the production method (chemically with particles or physically with methods of the semiconductor industry, etc.) and can thus be adapted as an instrument of optical sensor technology to the requirements of the respective application and the related processing and production methods , Exemplary manufacturing or. Processing methods include roll-to-roll, screen printing, inkjet printing, spray, dip and spin coating, injection molding, lithography, etching, hot stamping, anodizing and nanoimprinting, to name but a few.
  • An effect of the concept described here lies in the simplicity, diversity and in the clear signal effect.
  • photonic crystals it is possible to operate optical sensors without chromophore systems in the proper sense (i.e., without dyes, pigments). In this way, one has access to physical parameters such as compressive and tensile forces that can not yet be detected with optical sensors or test strips.
  • the optical properties of the photonic crystals are adjustable by the nature and nature of the materials used and are not dependent on the chemistry of dyes.
  • the desired measuring range can also be set by the nature of the crystals.
  • the implementation of photonic crystals for the detection of tensile forces and strains impresses with simplicity and the optical signal effect.
  • the exceeding or falling below of limit values can thus be displayed directly via a color change (for example from green to red).
  • a color change for example from green to red.
  • the choice of materials allows stepless adjustment of the measuring ranges, the sensitivity and the range of the color change. Due to the versatility of the manufacturing methods and the materials that can be used, photonic crystals can be integrated into almost every process and the associated products. As a result, measurement strips based on photonic crystals can be tailored to the needs of the application.
  • optical strain gauges can thus be realized, which can indicate the prevailing forces and moments by color change.
  • the above principle / concept of photonic crystals is also applicable to other materials or manufacturing methods.

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Abstract

A surgical stocking has a stocking material and a sensor element mounted on or in the stocking material. The sensor element has a measurement area (a measurement surface) and a photonic crystal arrangement with an optical property, wherein the optical property of the photonic crystal arrangement can be changed by the action of a physical measured variable on the photonic crystal arrangement within the measurement area, and therefore the change in the optical property can be detected if it occurs when acted on by the physical measured variable.

Description

Sensorelement mit einer photonischen Kristallanordnung  Sensor element with a photonic crystal arrangement
Beschreibung description
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein Sensorelement mit einer photonischen Kristallanordnung zum Sensieren eines Analyten, auf ein Sensorelement mit einer photonischen Kristallanordnung zum Sensieren einer physikalischen Eigen- Schaft und auf die Verwendung einer photonischen Kristallanordnung als Sensorelement. Weitere Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Verfahren zum Herstellen und zum Einstellen eines Sensorelements sowie auf ein System mit einem derartigen Sensorelement. Bevorzugte Ausführungen beziehen sich auf Kompressionsstrümpfe bzw. medizinische Thromboseprophylaxestrümpfe. Embodiments of the present invention relate to a sensor element having a photonic crystal arrangement for sensing an analyte, a sensor element having a photonic crystal arrangement for sensing a physical eigenshaft, and the use of a photonic crystal arrangement as a sensor element. Further exemplary embodiments relate to a method for producing and setting a sensor element and to a system having such a sensor element. Preferred embodiments relate to compression stockings or medical thrombosis prophylaxis stockings.
Bei vielen alltäglichen und wissenschaftlichen Anwendungen kommen einfache Sensorelemente, z.B. in Form eines Messstreifens, zum Einsatz. Beispiele hierfür sind pH-Wert- Messtreifen, Blutzucker-Messtreifen oder Dehnungsmesserstreifen. Ein Sensorelement eines pH-Wert-Messestreifens weist beispielsweise Farbstoffe auf, die sich in Abhängig- keit des pH-Werts verfärben, so dass das Messergebnis direkt optisch ablesbar ist. Eine weitere Gruppe dieser Messerstreifen, zu der auch einige Blutzucker-Messtreifen oder Dehnungsmesserstreifen gehören, bezieht sich auf Sensorelemente, die nur mit einer separaten Sensorik auswertbar sind. Derartige Sensorik steht im Widerspruch zu dem Konzept von Messstreifen, das auf einfache Handhabung, kostengünstiger Herstellung und spezifi- scher Adaption an die Messaufgabe basiert. In many everyday and scientific applications, simple sensor elements, e.g. in the form of a measuring strip, for use. Examples include pH measuring strips, blood glucose measuring strips or strain gauge strips. A sensor element of a pH measurement strip has, for example, dyes which discolor depending on the pH, so that the measurement result can be read optically directly. Another group of these knife strips, which also includes some blood glucose measuring strips or strain gauge strips, refers to sensor elements that can only be evaluated with a separate sensor system. Such sensors are in contradiction to the concept of measuring strips, which is based on simple handling, cost-effective production and specific adaptation to the measuring task.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Sensorelement zu schaffen, welches einerseits kostengünstig herstellbar und einfach bedienbar ist, hohe Genauigkeit aufweist und sehr gut auf die jeweiligen Sensoranwendungen bzw. das jeweilige Einsatzgebiet mit besonderen Fokus auf medizinische Anwendungen abgestimmt ist. Object of the present invention is therefore to provide a sensor element, which on the one hand is inexpensive to manufacture and easy to use, has high accuracy and is very well matched to the respective sensor applications and the particular application with special focus on medical applications.
Die Aufgabe wird durch einen medizinischen Strumpfgemäß Anspruch 1 , ein medizinisches Verband gemäß Ansprach 13 und 15, ein Sensorelement gemäß Anspruch 29, 30 und 31 sowie durch ein Verfahren zur Herstellung gemäß Ansprach 25 und 26gelöst. The object is achieved by a medical stocking according to claim 1, a medical bandage according to claim 13 and 15, a sensor element according to claim 29, 30 and 31 and by a method for manufacturing according to claims 25 and 26.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen ein Sensorelement mit einer photonischen Kristallanordnung und einer Vielzahl von in die photonische Kristallanordnung integrierten Rezeptorstellen. Die photonische Kristallanordnung weist aufgrund ihrer Struktur eine oder mehrere optische Eigenschaften auf. Die Rezeptorstellen sind zur selektiven Interaktion mit Analyten ausgebildet, wobei die optische Eigenschaft, z.B. eine Farbgebung, eine Absorption, eine Reflexion oder eine Fluoreszenz, der photonischen Kristallanordnung basierend auf den an den Rezeptorstellen angelagerten Analyten und/oder ba- sierend auf direkter chemischer und/oder physikalischer Wechselwirkung der Analyten mit der Rezeptorstelle veränderbar sind. Somit werden also Sensorelemente bzw. allgemein eine optische Sensorik ohne chromophore Systeme im eigentlichen Sinne, d.h. ohne Farbstoffe und Pigmente, geschaffen. Sensorelemente basierend auf photonischen Kristallen stellen eine völlig neue Art an optischen Sensoren dar. Embodiments of the present invention provide a sensor element having a photonic crystal arrangement and a plurality of receptor sites integrated into the photonic crystal array. The photonic crystal arrangement has due to their Structure one or more optical properties. The receptor sites are designed for the selective interaction with analytes, wherein the optical property, eg coloration, absorption, reflection or fluorescence, of the photonic crystal arrangement based on the analytes attached to the receptor sites and / or based on direct chemical and / or or physical interaction of the analytes with the receptor site are changeable. Thus, therefore, sensor elements or generally an optical sensor without chromophoric systems in the true sense, ie without dyes and pigments created. Sensor elements based on photonic crystals represent a completely new kind of optical sensors.
Weitere Ausführungsbeispiele schaffen ein Sensorelement mit einem Messbereich und einer photonischen Kristallanordnung, die optische Eigenschaften aufweist. Die optischen Eigenschaften sind innerhalb des Messbereichs durch Einwirken einer physikalischen Messgröße, wie z.B. einer Temperatur, eines Stroms, einer Ladung oder einer magneti- sehen Feldstärke, veränderbar. Further embodiments provide a sensor element with a measuring range and a photonic crystal arrangement, which has optical properties. The optical properties are within the measurement range by the action of a physical measurand, such as a laser beam. a temperature, a current, a charge or a magnetic field strength, changeable.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass eine photonische Kristallanordnung, die beispielsweise aus einer Anordnung von Partikeln geformt ist, durch bestimmte Verfahrensschritte, wie z.B. durch die Wahl der Ausgangs- Partikel, Einbringen von Rezeptorstellen oder durch Einbringen von Fehlstellen, auf eine jeweilige Messanwendung angepasst werden kann. Hierbei wird insbesondere die Reaktion auf eine Messgröße, z.B. auf eine Konzentration von Analyten oder auf eine auf die photonische Kristallanordnung einwirkende mechanische Kraft, eingestellt. Die Auswertung einer Messung mit einem derartigen Sensorelement erfolgt optisch auf Basis der sich infol- ge der Messgröße einstellenden optischen Eigenschaft, also z.B. auf Basis der Farbgebung. Die optischen Eigenschaften der photonischen Kristallanordnung werden hierbei insbesondere über die in der optischen Kristallanordnung vorhandenen unterschiedlichen (alternierenden) Brechungsindices ausgebildet, wobei sich diese infolge der zu messenden Messgröße verändern. Die alternierenden Brechungsindices bilden sich dadurch aus, dass Parti- kel mit einem ersten Brechungsindex nebeneinander angeordnet werden, während die bei der Anordnung aufgrund der Geometrie der Partikel entstehenden Zwisehenbereiehe einen zweiten, unterschiedlichen Brechungsindex (η^η) aufweisen. Die Änderung der optischen Eigenschaft bzw. des jeweiligen Brechungsindex hat z.B. einen Farbumschlag oder eine andere optische Reaktion zur Folge, wobei diese bevorzugterweise mit dem menschlichen Auge ablesbar ist, also im sichtbaren Bereich liegt. Anwendungsgebiete derartiger Sensorelemente sind mannigfaltig und erstrecken sich von chemischen oder biologischen Teststreifen über komplexe chemische oder biologische Detektoren bis hin zu Dehnungsmessstreifen oder auch Sensoren für physikalische Messgrößen. Entsprechend weiteren Ausführangsbeispielen sind also die optischen Eigenschaften der photonischen Kristallanordnung über die eingebrachten Partikel, über die eingebrachten Fehlstellen oder mittels einer Umhüllung oder Polymcrumhüllung so eingestellt, dass der Messbereich auf die zu detektierende Messgröße und/oder die gewünschte, optischen Eigenschaften angepasst ist. Im Umkehrschluss heißt das, dass über die genannten Mechanismen eine Anpassung an jeweilige Sensorikanwendung möglich ist. Embodiments of the present invention are based on the recognition that a photonic crystal arrangement, which is formed for example from an array of particles, by certain process steps, such as by the choice of the starting particles, introduction of receptor sites or by introducing defects on a respective Measurement application can be adjusted. In this case, in particular the reaction to a measured variable, for example to a concentration of analytes or to a mechanical force acting on the photonic crystal arrangement, is set. The evaluation of a measurement with such a sensor element takes place optically on the basis of the optical property which arises as a result of the measured variable, that is to say for example based on the coloring. In this case, the optical properties of the photonic crystal arrangement are formed, in particular, via the different (alternating) refractive indices present in the optical crystal arrangement, these changing as a result of the measured variable to be measured. The alternating refractive indices are formed by arranging particles with a first refractive index next to one another, while the intermediate heights arising in the arrangement due to the geometry of the particles have a second, different refractive index (η ^ η). The change of the optical property or of the respective refractive index results, for example, in a color change or another optical reaction, which is preferably readable by the human eye, that is to say lies in the visible range. Fields of application of such sensor elements are manifold and extend from chemical or biological test strips via complex chemical or biological detectors to strain gauges or also sensors for physical measured variables. According to further Ausführangsbeispielen so the optical properties of the photonic crystal arrangement on the introduced particles, on the introduced defects or by means of an envelope or Polymcrumhüllung be adjusted so that the measuring range is adapted to the measured variable to be detected and / or the desired optical properties. Conversely, this means that an adaptation to the respective sensor application is possible via the said mechanisms.
Entsprechend Ausführungsbeispielen sind die oben genannten Rezeptorstellen dazu ausge- bildet, Analyten selektiv basierend auf einer Protein-Protein-Wechselwirkung ankoppeln zu lassen. Durch die Belegung der Rezeptorstellen mit Analyten werden die optischen Eigenschaften der photonischen Kristallanordnung beeinflusst. Ferner können auch die optischen Eigenschaften durch eine direkte entweder chemische oder physikalische Wechselwirkung zwischen Analyten und bestimmten Bereichen der photonischen Kristallanord- nung, die auch als Rezeptorstellen bezeichnet werden, geändert werden. Durch derartige Wechselwirkungen ist es vorteilhafterweise möglich, bisher nicht erfassbare Analyten zu detektieren. According to embodiments, the above-mentioned receptor sites are designed to allow analytes to couple selectively based on a protein-protein interaction. By occupying the receptor sites with analytes, the optical properties of the photonic crystal arrangement are influenced. Furthermore, the optical properties can also be changed by a direct, either chemical or physical, interaction between analytes and certain regions of the photonic crystal arrangement, which are also referred to as receptor sites. By means of such interactions, it is advantageously possible to detect previously not detectable analytes.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die photonische Kristallanordnung auf einem starren oder flexiblem Substrat, wie z.B. einem Glassubstrat oder Polymersubstrat oder Textil substrat aufgebracht werden. Hierdurch können beispielsweise Anwendungen, wie beispielsweise ein medizinischer Verband mit einem oben genannten Sensorelement realisiert werden, das z.B. mittels seiner Farbgebung anzeigt, ob dieser zu eng angelegt ist oder ob Verunreinigungen vorliegen. Ferner sind auch Dehnungsmessstreifen realisierbar, die beispielsweise mit einer Änderung der Farbgebung auf eine Zugkraft reagieren. According to further embodiments, the photonic crystal arrangement may be formed on a rigid or flexible substrate, such as a substrate. a glass substrate or polymer substrate or textile substrate are applied. As a result, for example, applications such as a medical bandage with a sensor element mentioned above can be realized, e.g. by means of its color indicates whether it is too tight or if there are impurities. Furthermore, strain gauges can be realized, which react to a tensile force, for example, with a change in color.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel schafft die vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren des oben genannten Sensorelements, entsprechend welchem Partikel definierten Brechungsindex, definierter Größe und/oder Form zu einer photonischen Kris- tallanordnung angeordnet werden und entsprechend welchem die Rezeptorstellen eingebracht werden und/oder der Messbereich eingestellt wird. According to a further embodiment, the present invention provides a manufacturing method of the above-mentioned sensor element, according to which particle defined refractive index, defined size and / or shape are arranged to a photonic crystal arrangement and according to which the receptor sites are introduced and / or the measuring range is set.
Ein weiteres Verfahren bezieht sich auf die Einstellung der Messfunktionalität des Sensorelements, das den Schritt des Einbringens der Fehlstellen und/oder der Partikel definierten Brechungsindex, bestimmter Größe und/oder Form aufweist, um zur Einstellung der optischen Eigenschaften zumindest zwei alternierende oder mehrere Brechungsindices innerhalb der photonischen Kristallanordnung anzupassen. Dieses Verfahren ermöglicht vorteilhafterweise bei Verwendung einer photonischen Kristallanordnung als Sensorelement die Anpassung derselben auf die jeweilige Messanwendung und insbesondere die Abstimmung zwischen der Messgröße und der optischen Reaktion. Another method relates to the adjustment of the measurement functionality of the sensor element comprising the step of introducing the defects and / or the particles defined refractive index, size and / or shape to at least two alternating or multiple refractive indices within the optical properties photonic crystal arrangement adapt. This method advantageously enables the use of a photonic crystal arrangement as a sensor element Adaptation of the same to the respective measurement application and in particular the coordination between the measurand and the optical response.
Die oben beschriebenen Sensoren oder Dehnungsmessstreifen basierend auf photonischen Kristallen sind beispielsweise bei medizinischen Kompressionsstrümpfen bzw. medizinischen Thromboseprophylaxestrümpfen einsetzbar. Weitere Ausführungsbeispiele schaffen einen medizinischer Strumpf mit einem medizinischen Strumpfmaterial und einem an dem medizinischen Strumpfmaterial angebrachte Sensorelement, wobei das Sensorelement einen (flächigen) Messbereich (bzw. eine Messfläche), und eine photonische Kristallanord- nung mit einer optischen Eigenschaft aufweist, wobei die optische Eigenschaft der photonischen Kristallanordnung durch Einwirken einer physikalischen Messgröße auf die photonische Kri stall anordnung innerhalb des Messbereichs veränderbar sind, sodass die Änderung der optischen Eigenschaft erfassbar ist, wenn bei Einwirken der physikalischen Messgröße die Änderung der optischen Eigenschaft auftritt. The above-described sensors or strain gauges based on photonic crystals can be used, for example, in medical compression stockings or medical thrombosis prophylaxis stockings. Further embodiments provide a medical stocking with a medical stocking material and a sensor element attached to the medical stocking material, wherein the sensor element has a (area) measurement area (or a measurement area), and a photonic crystal arrangement with an optical property, wherein the optical property the photonic crystal arrangement can be changed within the measuring range by the action of a physical measured quantity on the photonic crystal arrangement, so that the change in the optical property can be detected if the change in the optical property occurs when the physical measured variable acts.
Im Folgenden werden ferner weitere Erkenntnisse und erfindungsgemäße Schlussfolgerungen der Erfinder unter Berücksichtigung der der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe herausgestellt. Die Erfinder haben erkannt, dass ein Sensorelement mit einer photonischen Kristallanordnung zur Erfassung und Quantifizierung von bestimmten physikalischen Messgrößen und Parametern möglich ist, d.h. flächige optische Sensoren realisiert werden. Es kann somit insbesondere ein System zur Anzeige von Dehnungs-, Zug- oder Scherkräften mit Hilfe von Farbumschlägen oder Fluoreszenzänderungen realisiert. Ein solches System kann bei- spielsweise als ein optischer Dehnungsmessstreifen bezeichnet bzw. angesehen werden. In the following, further findings and inventive conclusions of the inventors are also made taking into account the object underlying the present invention. The inventors have recognized that a sensor element having a photonic crystal arrangement is possible for detecting and quantifying certain physical quantities and parameters, i. planar optical sensors can be realized. Thus, it is possible in particular to realize a system for displaying expansion, tensile or shear forces with the aid of color changes or changes in fluorescence. For example, such a system may be referred to as an optical strain gauge.
Der Bedarf an solchen Messstreifen ist sehr hoch, vor allem für alltägliche Anwendungen. Ein wichtiges Beispiel stellt die Kontrolle der Passform von medizinischen Kompressionsstrümpfen oder medizinischen Thromboseprophylaxestrümpfen ( V1TPS) dar. Diese Strümpfe können ihre korrekte medizinische Wirkung nur bei idealer Passform voll entfalten. Sitzen sie zu locker, geht die Wirkung verloren. Sind sie jedoch zu eng, können negative Effekte für den Patienten auftreten. Bisher gibt es noch keine Methode bzw. Vorgehensweise, die Passform schnell und zuverlässig anzuzeigen. Jedoch ist es vor allem für ungeschultes Personal und Privatpersonen äußerst wichtig, die korrekte Größe und die ide- ale Pass orm der Strümpfe zu ermitteln. Diese sind ein Gegenstand des alltäglichen Gebrauchs, so dass es von großer Relevanz ist, den Anpressdruek dieser Gestricke an definierten Positionen am Bein zu erfassen. Da die Anwendung dieser Strümpfe oft von Laien durchgeführt wird, sollte das Ergebnis der Messung am Besten in Form eines optischen Signals Auskunft über die korrekte Strumpfgröße und den damit verbundenen medizinisch korrekten Druck des Gestrickes auf das Bein geben. The need for such gauges is very high, especially for everyday applications. An important example is the control of the fit of medical compression stockings or medical thrombosis prophylaxis stockings (V1TPS). These stockings can fully unfold their correct medical effect only in ideal fit. If they are too loose, the effect is lost. However, if they are too tight, negative effects for the patient can occur. So far there is no method or procedure to display the fit quickly and reliably. However, it is extremely important, especially for untrained personnel and individuals, to determine the correct size and ideal fit of stockings. These are an object of everyday use, so it is of great relevance to grasp the Anpressdruek these knits at defined positions on the leg. Since the application of these stockings is often performed by laymen, the result of the measurement should be best in the form of an optical Signals provide information about the correct stocking size and the associated medically correct pressure of the knit on the leg.
Somit können Systeme zur flächigen optischen Detektion von Dehnungskräften realisiert werden. Auch die Anwendung an medizinischen Kompressionsstrümpfen und/oder medizinischen Thromboseprophylaxestrümpfen ist somit möglich. Thus, systems for surface optical detection of strain forces can be realized. The application to medical compression stockings and / or medical thrombosis prophylaxis stockings is thus possible.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: eine exemplarische Darstellung eines Sensorelements mit einer photonischen Kristallanordnung und integrierten Rezeptorstellen zur selektiven Interaktion mit Analyten gemäß einem Ausführungsbeispiel; eine schematische Darstellung eines Sensorelements mit einer photonischen Kristallanordnung und einem Messbereich zur Detektion einer physikalischen Messgröße gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; eine exemplarische Darstellung eines Thromboseprophylaxestrumpfes mit einem eingearbeiteten Sensorelement gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel; ein schematisches Schaubild zur Illustration des Verfahrens der Herstellung des Sensorelements aus Fig. 1 und 2 sowie des Verfahrens zum Einstellen der Messfunktionalität des Sensorelements gemäß Ausführungsbeispielen; und ein chemisches (kolloidales) Herstellungsverfahren von photonischen Kristallen, wie sie beispielsweise in dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 3 zum Einsatz kommen, und deren Anwendung als Dehnungsmessstreifen gemäß weiteren Aus führungsb ei spielen. Embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. 1 shows an exemplary representation of a sensor element with a photonic crystal arrangement and integrated receptor sites for the selective interaction with analytes according to an exemplary embodiment; a schematic representation of a sensor element with a photonic crystal arrangement and a measuring range for the detection of a physical measured variable according to another embodiment; an exemplary representation of a Thromboseprophylaxestrumpfes with an incorporated sensor element according to a preferred embodiment; a schematic diagram illustrating the method of manufacturing the sensor element of Figures 1 and 2 and the method for adjusting the measurement functionality of the sensor element according to embodiments. and a chemical (colloidal) production process of photonic crystals, such as those used in the embodiment of FIG. 3, and their application as strain gauges according to another embodiment.
Es wird darauf hingewiesen, dass gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer austauschbar ist bzw. aufeinander angewendet werden kann. Bevor Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert werden, wird vorher allgemein auf photonische Kristalle und die Erkenntnis im Zusammenhang mit diesen, die zu dieser Erfindung geführt haben, eingegangen. Unter photonischen Kristallen werden prinzipiell periodische Strukturen unterschiedlicher Brechungsindices verstanden. Diese beeinflussen die Brechung, Streuung, Reflexion und/oder Interferenz von Licht (z.B. sichtbares Licht, Infrarotlicht), das den photonischen Kristall durchleuchtet bzw. durchquert. Auf diese Weise kommt es zur Transmission bzw. Remission von farbigem Licht, obwohl im System kein Farbstoff, Pigment oder ähnliches vorhanden ist. Die Farbe des transmittierten bzw. reflektierten Lichtes kann durch die Art und Anordnung der periodischen Strukturen in der photonischen Kristallanordnung gesteuert werden. Photonische Kristallanordnungen, die typischerweise in einem festen Aggregatzustand vorliegen, grenzen sich von Interferenzschichten und Beugungsgittern dadurch ab, dass sie sowohl eindimensional (vgl. photonic crystal fiber, photonische Kristallfaser), zweidimensional als auch dreidimensional (vgl. reverse opals, Kehrseiten-Opal) sein können. Die optischen Eigenschaften der photonischen Kristallanordnungen können beispielsweise während des Herstellungsprozesses beeinflusst bzw. eingestellt werden. It should be noted that identical or equivalent elements are provided with the same reference numerals, so that the description of which is interchangeable or can be applied to each other. Before embodiments of the present invention will be explained in more detail beforehand with reference to the accompanying figures, photonic crystals and the knowledge associated with these, which have led to this invention, will be discussed in general. Under photonic crystals are understood in principle periodic structures of different refractive indices. These influence the refraction, scattering, reflection and / or interference of light (eg visible light, infrared light) which transilluminates or traverses the photonic crystal. In this way, there is the transmission or remission of colored light, although in the system no dye, pigment or the like is present. The color of the transmitted or reflected light may be controlled by the nature and arrangement of the periodic structures in the photonic crystal array. Photonic crystal arrangements, which are typically in a solid state of aggregation, are different from interference and diffraction gratings in that they are both one-dimensional (see photonic crystal fiber), two-dimensional and three-dimensional (see reverse opals, reverse side opal) can. The optical properties of the photonic crystal arrangements can be influenced or adjusted during the manufacturing process, for example.
Es gibt unterschiedliche Verfahren, auf Basis welcher mit unterschiedlichen Ausgangsma- terialien photonische Kristallanordnungen hergestellt werden können. Eine Möglichkeit besteht darin, feine Löcher definierter Größe in ein optisch transparentes Material mittels Bohren einzubringen. Weitere Herstellungsverfahren entstammen der Halbleitertechnologie (z.B. Lithographie, Nanoimprint oder Heißprägedruck) und umfassen beispielsweise Schritte wie Strukturieren mittels Maskentechnologien oder Ätzen. Ein weiteres Herstel- lungsverfahren basiert auf der direkten Urformung der Kristall struktur. Hierbei werden organische oder anorganische Nanopartikel und/oder Mikropartikel direkt angeordnet und/oder immobilisiert, so dass die photonische Kristallanordnung geformt wird. Insofern haben sich die Herstellungsmethoden für photonische Kristallanordnungen in den letzten Jahren diversifiziert und dabei auch vereinfacht, was aus kostentechnischer Betrachtung ermöglicht, derartige photonische Kristallanordnungen für nicht wieder verwendbare Anwendungen, wie z.B. als Sensorelemente einzusetzen, wenn die Hürde des Anpassens der photonischen Kristallanordnung auf die jeweilige Sensoranwendung genommen werden kann. Fig. 1 zeigt ein Sensorelement 10 mit einer photonischen Kristallanordnung 12, die eine Vielzahl von entsprechend einer Kristallstruktur angeordneten Partikeln 12a bis 12f au weist. Die Partikeln 12a bis 12f können beispielsweise eine Kugel tonn haben und Metalle, Polymere, Minerale, Kristalle, Naturstoffe, Gewebe, Papier, Textil, Glas, kristalline und/oder amorphe Substanzen umfassen. Die Anordnung der Partikel 12a bis 12f in der Kristallanordnung 12 ist aufgrund ihrer Form so gestaltet, dass zwischen diesen z.B. mit Luft gefüllte Zwischenräume ausgebildet werden. Bei einer derartigen Anordnung der Partikel 12a bis 12f mit einem ersten Brechungsindex ni zusammen mit den Zwischenräume, die einen zweiten Brechungsindex n2 (bzw. nmit) aufweisen, wechseln sich also die Brechungsindices n i und n2 periodisch ab, was dazu führt, dass eine ein-, zwei- oder dreidimensionale Gitterstruktur ausgebildet wird. Somit definieren die Partikel 12a bis 12f zusammen mit den Zwischenräumen die optischen Eigenschaften der photonischen Kristallanordnung 12 einerseits über die jeweiligen Brechungsindices nj/n2 und andererseits über die räumliche Ausdehnung der Partikel 12a bis 12f und Zwischenräume, die Einfluss auf die Gitterkonstante der photonischen Kristallanordnung 12 hat. There are different methods on the basis of which photonic crystal arrangements can be produced with different starting materials. One possibility is to introduce fine holes of defined size into an optically transparent material by means of drilling. Further manufacturing processes originate from semiconductor technology (eg lithography, nanoimprinting or hot embossing printing) and include, for example, steps such as structuring by means of mask technologies or etching. Another production method is based on the direct formation of the crystal structure. Here, organic or inorganic nanoparticles and / or microparticles are directly arranged and / or immobilized, so that the photonic crystal arrangement is formed. As such, photonic crystal assembly fabrication techniques have become more diversified and simpler in recent years, allowing for cost considerations to use such photonic crystal arrays for non-reusable applications, such as sensor elements, as the hurdle of adapting the photonic crystal array to the respective ones Sensor application can be taken. 1 shows a sensor element 10 with a photonic crystal arrangement 12 which has a multiplicity of particles 12a to 12f arranged in accordance with a crystal structure. The particles 12a to 12f may, for example, have a sphere tonn and metals, polymers, minerals, crystals, natural products, fabric, paper, textile, glass, crystalline and / or amorphous substances. Due to their shape, the arrangement of the particles 12a to 12f in the crystal arrangement 12 is designed such that intermediate spaces filled with air, for example, are formed between them. With such an arrangement of the particles 12a to 12f with a first refractive index ni together with the intermediate spaces which have a second refractive index n 2 (or nmi t ), the refractive indices ni and n 2 alternate periodically, which leads to a one, two or three dimensional grid structure is formed. Thus, the particles 12a to 12f together with the gaps define the optical properties of the photonic crystal array 12 on the one hand on the respective refractive indices nj / n 2 and on the other hand on the spatial extent of the particles 12a to 12f and gaps that influence the lattice constant of the photonic crystal array 12th Has.
Die Wiederholung der verschiedenen Brechungsindices ni und n2 und die Dimension der Partikel 12a bis 12f bzw. Zwischenräume (vgl. Periodenlänge) bestimmen den Wellenlän- genbereich der elektromagnetischen Strahlung, mit dem die Kristalle verstärkt wechselwirken, da durch die alternierenden Brechungsindices ni und n2 die photonischen Kristalle mit elektromagnetischen Wellen in ähnlicher Weise wechselwirken, wie es die periodischen Potentiale in Halbleiterkristallen mit Elektronen tun. So können auch durch die Wellenlängenabhängigkeit photonische Bandstrukturen entstehen, die„verbotene" Energien aufwei- sen, so dass sich elektromagnetische Wellen bestimmter Wellenlängen innerhalb der Kristallanordnung 12 nicht ausbreiten können bzw. gefiltert werden. Folglich werden über diese Mechanismen die Farbigkeit in Reflexion bzw. Transmission bzw. allgemein die optischen Eigenschaften bestimmt. Neben den Bereichen 12a bis 12f bzw. den Zwischenbereichen unterschiedlicher Brechungsindices n /n2 und verschiedener Ausdehnung tragen auch relative Permeabilität oder Dielektrizitätszahl ε der photonischen Gitteranordnung 12 zur Festlegung der die optischen Eigenschaften bei. In anderen Worten ausgedrückt heißt das, dass die optischen Eigenschaften (Farbe, Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Chemolumines- zenz, Lumineszenzbereich bzw. Lumineszenzintensität oder Transmission, Reflexion Streuung, Emission) durch die Art und Beschaffenheit der verwendeten Materialien bzw. durch die Anordnung der Kristallstruktur, d.h. durch die (hoch-) geordnete periodische Anordnung von Bereichen unterschiedlicher Brechungsindices nj und n2, verursacht sind und nicht von der Chemie von Farbstoffen abhängen. The repetition of the different refractive indices ni and n 2 and the dimension of the particles 12a to 12f or interspaces (see period length) determine the wavelength range of the electromagnetic radiation to which the crystals interact to an increased degree, since the alternating refractive indices ni and n 2 the photonic crystals interact with electromagnetic waves in a manner similar to the periodic potentials in semiconductor crystals with electrons. As a result of the wavelength dependence, photonic band structures can arise that have "forbidden" energies, so that electromagnetic waves of specific wavelengths can not propagate or be filtered within the crystal arrangement 12. Consequently, the colors become reflection or transmission via these mechanisms In addition to the regions 12a to 12f or the intermediate regions of different refractive indices n / n 2 and different expansion, the relative permeability or dielectric constant ε of the photonic lattice arrangement 12 also contributes to determining the optical properties This means that the optical properties (color, fluorescence, phosphorescence, chemiluminescence, luminescence or luminescence intensity or transmission, reflection scattering, emission) by the nature and condition of the materials used or by the arrangement of the crystal structure, ie caused by the (highly) ordered periodic arrangement of regions of different refractive indices nj and n 2 , and do not depend on the chemistry of dyes.
In der Kristallanordnung 12 sind Rezeptorstellen 14 integriert, wobei diese z.B. zwischen den Partikeln 1 2d bis 1 2f angeordnet sein können oder an diese Partikel 12d bis 12f angelagert bzw. in dieselben eingelagert sein können. Die Rezeptorstellen 14 sind dazu ausgebildet, selektiv mit einem Analyten 16 (z.B. Flüssigkeiten, Gase, Ionen, Metabolite, Naturstoffe, Biomoleküle, Proteine, Bakterien, Viren, RNA und/oder DNA ) zu intera ieren. Da- zu kann die Rezeptorstelle 14 beispielsweise ein Rezeptormolekül. Liganden, Komplexbildner, Indikatoren, Nanopartikel oder Mikropartikel (z.B. anorganische, organische, po- lymerc Partikel, metallische Mikro- bzw. Nanopartikel aus Silber, Gold, Kobalt etc., Quantenpunkte, Halbleiter,„upconverting" Partikel, anorganische oder organische Pigmente, Kern-Hüllen-Systeme aus organischen und/oder anorganischen Komponenten) aufweisen, wobei jeder dieser Rezeptorstcllcn-Typcn 14 mit unterschiedlichen Analyten 16 wechselwirkt. Receptor sites 14 are integrated in the crystal arrangement 12, wherein these can be arranged, for example, between the particles 1 2d to 1 2f or can be deposited on or incorporated in the particles 12d to 12f. The receptor sites 14 are designed to selectively interact with an analyte 16 (eg, liquids, gases, ions, metabolites, natural products, biomolecules, proteins, bacteria, viruses, RNA and / or DNA). There- For example, the receptor site 14 may be a receptor molecule. Ligands, complexing agents, indicators, nanoparticles or microparticles (eg inorganic, organic, polymer particles, metallic micro- or nanoparticles of silver, gold, cobalt etc., quantum dots, semiconductors, upconverting particles, inorganic or organic pigments, core Sheath systems of organic and / or inorganic components), each of these receptor types 14 interacting with different analytes 16.
Die Rezeptorstellen 14 sind derart gestaltet, dass sich bei Kontakt mit einer nachzuweisen- den Substanz 16 der Brechungsindex ni der jeweiligen Partikel 12a bis 12f und/oder die Dimension derselben und damit die Gitterkonstante ändert, was eine analytenabhängige Änderung der optischen Eigenschaft (z.B. Absorption, Änderung der Farbgebung, Fluoreszenz oder Phosphoreszenz) zur Folge hat. Alternativ können die Rezeptorstellen 14 ausgebildet sein, dass es bei einer Anlagerung eines Analyten 16 auch zu einer Änderung des Brechungsindex n2 und/oder der Dimension der Zwischenräume kommt. Unabhängig von dem genauen Wirkmechanismus verändert sich das Medium, in dem sich das Licht ausbreitet, so dass das Licht bei Vorhandensein bzw. Anlagerung des Analyten 16 anders gebrochen wird als vorher, beispielsweise so als ob das Licht in einem Bereich mit gleichem Brechungsindex eine weitere Strecke durchlaufen würde. Entsprechend einem Ausfüh- rungsbeispiel können sich die optischen Eigenschaften bei Vorhandensein des Analyten 16, wie z.B. eines Amins, dadurch ändern, dass sich die vormals annähernd gleichen Bre- chungsindices nj und n2 infolge der Analyten-Wechselwirkung bzw. Interaktion verschieben (d.h. beispielsweise keine Änderung des Brechungsindex n1 ? aber Vergrößerung des Brechungsindex n2), so dass Frequenzbereiche des Lichts selektiv von der Kristallanord- nung 12 transmittiert bzw. reflektiert werden (vgl. Filter). Infolgedessen verändert sich beispielsweise die Farbgebung des Sensorelements 10. Somit können mit diesen sehr einfachen Sensorelementen 10 Analyten 16 detektiert und quantifiziert werden. Anwendungsbeispiele hierbei sind das Detektieren von grenzwertrelevanten Analyten, wobei dann das Sensorelement beispielsweise mit einem Farbumschlag (z.B. grün nach rot bei Überschrei- ten des jeweiligen Grenzwertes bzw. bei Anwesenheit von bestimmten Analyten 16 oder Parametern) reagiert. The receptor sites 14 are designed in such a way that, on contact with a substance 16 to be detected, the refractive index ni of the respective particles 12a to 12f and / or the dimension thereof and thus the lattice constant changes, which results in an analyte-dependent change in the optical property (eg absorption, Change in color, fluorescence or phosphorescence) results. Alternatively, the receptor sites 14 may be configured such that upon an addition of an analyte 16, a change in the refractive index n 2 and / or the dimension of the interstices occurs. Regardless of the exact mechanism of action, the medium in which the light propagates changes so that the light refracts differently upon the presence or accumulation of the analyte 16, for example, as if the light in a region of equal refractive index is a further distance would go through. According to one embodiment, in the presence of the analyte 16, such as an amine, the optical properties may change as the previously approximately equal refractive indices nj and n 2 shift (ie, for example, none ) due to the analyte interaction Change of the refractive index n 1, but magnification of the refractive index n 2 ), so that frequency ranges of the light are selectively transmitted or reflected by the crystal arrangement 12 (see filter). As a result, for example, the coloration of the sensor element 10 changes. Thus, with these very simple sensor elements 10 analytes 16 can be detected and quantified. Application examples here are the detection of borderline relevant analytes, in which case the sensor element reacts, for example, with a color change (eg green to red when exceeding the respective limit value or in the presence of certain analytes or parameters).
Ein Beispiel zur Erfassung von Aminen ist die Tri tluoracetylgruppe-Amin- Wechselwirkung. Rezeptoren 14, die eine sichtbare Änderung der Kontroll fläche für reak- tive Sauerstoffspezies hervorrufen, können zum Beispiel Redoxsysteme sein, wobei häufig Metall-Ligand-Komplexe verwendet werden und die Erkennungsreaktion dann am Metallzentrum stattfindet. Metall-Ligand-Komplexe werden ebenso für die fluoreszente Detekti- on von Sauerstoff verwendet. Fluorescein-Sulfonatgruppen sind selektive Rezeptorgruppen für Wasserstoffperoxid, M a 1 e i m i d f unkti nell sind selektive Rezeptorgruppen für Thiole, Tricyanovinylgruppen sind selektive Rezeptorgruppen für primäre und sekundäre Amine, P yry 1 i u m -funktionell sind selektive Rezeptorgruppen für primäre Amine, Hydrazinfunkti- onen sind selektive Rezeptorgruppen für Aldehyde und etone, Aminogruppen sind selek- tive Rezeptorgruppen für Aldehyde und Ketone. Boronsäurefunktionen sind selektive Rezeptorgruppen für Diole, 1 ,2-Diaminobenzolgruppen sind selektive Rezeptorgruppen für Stickoxide, Aldehydfunktionen sind selektive Rezeptorgruppen für Aminosäuren. Darüber hinaus können auch noch andere Erkennungsmechanismen wie Antigen-Antikörper- Wechselwirkungen, DNA-DNA bzw. DNA-RNA- Wechselwirkungen, Antikörper-Protein- Wechselwirkungen, Enzym-Substrat- Wechselwirkungen sowie Erkennungsmechanismen über molekular geprägte Polymere (MIP, molecular imprinted polymers) in den photonischen Kristall implementiert werden. An example of detection of amines is the trifluoroacetyl group-amine interaction. Receptors 14, which cause a visible change in the control surface for reactive oxygen species, can be, for example, redox systems, frequently using metal-ligand complexes and the recognition reaction then taking place at the metal center. Metal-ligand complexes are also used for the fluorescent detection of oxygen. Fluorescein sulfonate groups are selective receptor groups for hydrogen peroxide, maleic imide are selective receptor groups for thiols, tricyanovinyl groups are selective receptor groups for primary and secondary amines, pyry1-functional are selective receptor groups for primary amines, hydrazine functions are selective receptor groups for aldehydes and etone, amino groups are selective receptor groups for aldehydes and ketones. Boronic acid functions are selective receptor groups for diols, 1, 2-diaminobenzene groups are selective receptor groups for nitrogen oxides, aldehyde functions are selective receptor groups for amino acids. In addition, other recognition mechanisms such as antigen-antibody interactions, DNA-DNA or DNA-RNA interactions, antibody-protein interactions, enzyme-substrate interactions as well as recognition mechanisms via molecularly imprinted polymers (MIP, molecular imprinted polymers) in the photonic crystal can be implemented.
Wie oben bereits erwähnt, kann auch eine direkte Wechselwirkung eine Änderung der op- tischen Eigenschaft der photonischen Kristallanordnung 12 erfolgen, wie anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels im Folgenden erläutert wird. Hierbei entsteht eine direkte Wechselwirkung zwischen dem Analyten 16 und einem Bereich der photonischen Kristallanordnung 12, der als Rezeptorstelle 14 bezeichnet wird. Die photonischen Kristalle können derart gestaltet werden, dass sie in bei Kontakt mit bestimmten Substanzen ihre Eigen- Schäften ändern. So können z.B. die in dem Kristall vorhandenen Polymerpartikel bei Anwesenheit von bestimmten Lösungsmitteln quellen. Hierbei ändern sie ihr Volumen (und damit ihre Größe und Dichte) was, wie oben erläutert, aufgrund der Änderung der Gitterkonstante eine Änderung in ihrer Farbigkeit hervorrufen kann. Hierbei spielt es keine Rolle, ob die zu detektierende Substanz flüssig oder Gasförmig vorliegt. Solche Systeme kön- nen z.B. zur Überwachung der Wasserqualität (Detektion von geringen Mengen an organischen Lösungsmitteln im Grundwasser) oder zur Qualitätssicherung von Treibstoffen (Detektion von Wasser in organischen Flüssigkeiten wie in Benzin) eingesetzt werden. Weitere Beispiele für derartig direkt wirkende Wechselwirkungen sind die sogenannte Dipol- Dipol-Wechselwirkung oder auch die magnetische Wechselwirkung, die beispielsweise in bestimmten Partikeln 12a bis 12f eine Veränderung der Kristallstruktur infolge des Vorhandenseins eines magnetischen Feldes zur Folge hat. in diesem Zusammenhang ist auch die sogenannte Quenchen- Wechselwirkung zu nennen, bei der bestimmte Substanzen (sogenannte Quencher) die Fluoreszenz bzw. Phosphoreszenz von Farbstoffen löschen. Mit diesen zwei Ausprägungen der Rezeptorstellen 14 lassen sich sowohl gasförmige als auch flüssige Analyten 16, wie z.B. Sauerstoff, reaktive Sauerstoffspezies (inkl. Wasserstoffperoxid und Ozon), CO?, SO?, SO}. CO, Säuren, Laugen, Amine, Carbonsäuren, Aldehyde, Ketone, Ionen im Allgemeinen, Saccharide, Alkohole, Diole, Thiole, Stickoxide, Proteine, Metabolite, Aromaten, Heterocyclen, phosphororganische Verbindungen und Aminosäuren, nachweisen. Die Wechselwirkung mit der (modifizierten) photonischen Kristallanordnung 12 kann sowohl reversibel (Sensor für kontinuierliche Messungen) als auch irreversibel erfolgen. As already mentioned above, a direct interaction can also be a change in the optical property of the photonic crystal arrangement 12, as will be explained below with reference to a further exemplary embodiment. This results in a direct interaction between the analyte 16 and a region of the photonic crystal arrangement 12, which is referred to as receptor site 14. The photonic crystals can be designed to change their properties upon contact with certain substances. For example, the polymer particles present in the crystal may swell in the presence of certain solvents. In doing so, they change their volume (and thus their size and density) which, as explained above, can cause a change in their color due to the change of the lattice constant. It does not matter whether the substance to be detected is liquid or gaseous. Such systems can be used eg for monitoring the water quality (detection of small amounts of organic solvents in groundwater) or for quality assurance of fuels (detection of water in organic liquids such as gasoline). Further examples of such direct-acting interactions are the so-called dipole-dipole interaction or else the magnetic interaction which, for example, results in a change in the crystal structure due to the presence of a magnetic field in certain particles 12a to 12f. In this context, the so-called quenching interaction is mentioned, in which certain substances (so-called quenchers) quench the fluorescence or phosphorescence of dyes. With these two forms of receptor sites 14, both gaseous and liquid analytes 16, such as, for example, oxygen, reactive oxygen species (including hydrogen peroxide and ozone), CO, SO, SO. CO, acids, alkalis, amines, carboxylic acids, aldehydes, ketones, ions in general, saccharides, alcohols, diols, thiols, nitrogen oxides, Proteins, metabolites, aromatics, heterocycles, organophosphorus compounds and amino acids. The interaction with the (modified) photonic crystal arrangement 12 can be reversible (sensor for continuous measurements) as well as irreversible.
Das Sensorelement 10 kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ein optionales Substrat 19 aufweisen. Dieses optionale Substrat 19 kann beispielsweise ein starres Substrat, in Form eines Metallsubstrats, Glassubstrats oder Polymersubstrats sein oder auch als flexibles Substrat in Form eines Textilsubstrats, Polymersubstrats oder Papiersubstrats rea- lisiert sein. The sensor element 10 may have an optional substrate 19 according to further embodiments. This optional substrate 19 can be, for example, a rigid substrate, in the form of a metal substrate, glass substrate or polymer substrate, or else realized as a flexible substrate in the form of a textile substrate, polymer substrate or paper substrate.
Fig. 2 zeigt ein weiteres Sensorelement 10' mit einer photonischen Kristallanordnung 12, die ebenfalls mehrere Partikel 12a bis 12f und dazwischen geformte Zwischenräume mit unterschiedlichen Brechungsindices ni und n2 aufweist. Ferner weist das Sensorelement 10' einen definierten Messbereich auf. Innerhalb dieses Messbereichs reagiert die photonische Kristallanordnung 12 des Sensorelement 10' oder zumindest ein Teil der photonischen Kristallanordnung 12 auf eine physikalische Messgröße, wie z.B. eine Temperatur, einen Strom, eine äußere Kraft (Schwerkraft, Zugkraft unter Druck) oder ein magnetisches Feld mittels einer Veränderung der optischen Eigenschaften. In diesem Messbereich (z.B. von 0 - 500 °C, 50 - 2000 mbar oder 3 - 800 ppm) erfolgt eine Veränderung der optischen Eigenschaft so, dass diese nicht nur detektiert, sondern auch quantifiziert werden kann. Hierzu ist also eine bestimmte optische Eigenschaft (z.B. ein jeweiliger Farbton) einem jeweiligen Messwert zugeordnet. Das dahinterstehende Prinzip entspricht grundsätzlich dem in Fig. 1 beschriebenen Prinzip, wobei hier die Änderungen der optischen Eigenschaft darauf basieren, dass eine (mechanische) Verschiebung der Gitterstruktur infolge einer auf die Kristallanordnung 12 einwirkenden äußeren Beeinflussung erfolgt. Diese Verschiebung verändert beispielsweise die räumlich Ausdehnung bzw. Dimension der Partikel 12a bis 12f und/oder der Zw i sehen - räume. Die äußere Beeinflussung kann beispielsweise direkt durch eine äußere Kraft (mit eindimensionaler oder mehrdimensionaler Krafteinwirkung) oder durch ein mittels eines Magnetfelds wirkende Kraft oder auch über die Braunsche M o 1 ek u 1 a rbe w egu n bei einer einwirkenden Temperatur zugeführt werden. Ferner ist auch ein elektrischer Strom, der auch eine Veränderung der makromolekularen Struktur zur Folge hat, eine mögliche Ursa- che für eine Veränderung der Gitterstruktur 12, so dass diese folglich auch optisch detektiert werden kann. Analog zu dem obigen Beispiel aus Fig. 1 erfolgt auch hier eine vorherige Einstellung der optischen Eigenschaft und insbesondere des Messbereichs durch Ein- stellmeehanismen. die hinsichtlich Fig. 4 im Detail erläutert werden. Im Folgenden werden zwei exemplarische Beispiele für die Messung von physikalischen Messgrößen erörtert. FIG. 2 shows another sensor element 10 'with a photonic crystal arrangement 12, which likewise has a plurality of particles 12a to 12f and intermediate spaces formed therebetween with different refractive indices ni and n 2 . Furthermore, the sensor element 10 'has a defined measuring range. Within this measurement range, the photonic crystal array 12 of the sensor element 10 'or at least a portion of the photonic crystal array 12 responds to a physical measurement such as temperature, current, external force (gravity, tensile force under pressure) or magnetic field by means of a change the optical properties. In this measuring range (eg from 0 - 500 ° C, 50 - 2000 mbar or 3 - 800 ppm) a change of the optical property is made so that it can not only be detected but also quantified. For this purpose, therefore, a specific optical property (eg a respective hue) is assigned to a respective measured value. The underlying principle basically corresponds to the principle described in FIG. 1, wherein here the changes in the optical property are based on the fact that a (mechanical) displacement of the lattice structure takes place as a result of an external influence acting on the crystal arrangement 12. This shift, for example, alters the spatial extent or dimension of the particles 12a to 12f and / or the interspaces. The external influence can be supplied, for example, directly by an external force (with a one-dimensional or multi-dimensional force) or by a force acting by means of a magnetic field or also by the brown M o 1 ek u 1 a rbe w at at an acting temperature. Furthermore, an electric current, which also results in a change in the macromolecular structure, is a possible cause for a change in the lattice structure 12, so that it can consequently also be optically detected. Analogous to the above example from FIG. 1, a previous adjustment of the optical property and in particular of the measuring range by means of a stellmeehanismen. which are explained in detail with respect to FIG. 4. In the following, two exemplary examples for the measurement of physical quantities are discussed.
In dem ersten Beispiel wird von der Detektion eines Magnetfeldes, das auf das Sensorele- ment 10' wirkt, bzw. um genau zu sein, eines magnetischen Flusses als Messgröße ausgegangen. Dieser magnetische Fluss wirkt auf die Kristallanordnung 12, so dass eine Änderung der optischen Eigenschaft, z.B. in Form einer sich einstellenden Reflexion, beobachtbar ist. Beispielsweise bewirkt in den Partikeln 12a bis 12f, die hier magnetisch sind (bzw. allgemein die ausgebildet sind, auf ein Magnetfeld zu reagieren), ein magnetischer Fluss eine Veränderung der Gitterstraktur. Konkret kann beispielsweise das Vorhandensein eines Magnetfeldes mit einer Feldstärke von 1 Weber [Wb] in eine Erhöhung des Brechungsindex um 10% ni oder in eine Verkleinerung der Gitterkonstante um 10% resultieren, so dass sich die Brechungscharakteristik wellenlängenabhängig ändert. Infolgedessen kann sich also bei dem Sensorelement 10' der Wellenlängenbereich der auftretenden Brechung so verschieben, dass diese nun (unter Einwirkung des Magnetfeldes) im sichtbaren Bereich liegen. In the first example, the detection of a magnetic field acting on the sensor element 10 'or, to be precise, a magnetic flux as a measured variable is assumed. This magnetic flux acts on the crystal assembly 12 such that a change in optical property, e.g. in the form of self-adjusting reflection, is observable. For example, in the particles 12a to 12f, which are magnetic (or generally designed to react to a magnetic field), a magnetic flux causes a change in the grating structure. Specifically, for example, the presence of a magnetic field with a field strength of 1 Weber [Wb] can result in an increase of the refractive index by 10% ni or in a reduction of the lattice constant by 10%, so that the refraction characteristic changes depending on the wavelength. As a result, in the case of the sensor element 10 ', the wavelength range of the refraction occurring can shift so that they now lie in the visible range (under the action of the magnetic field).
Die nachfolgend beispielhaft ausgeführte Detektion einer weiteren Messgröße wird anhand einer konkreten Anwendung erläutert. Bei dieser Anwendung handelt es sich um Textilien, die mittels des oben beschriebene Sensorelement 10' mit einer Messfunktionalität versehen sind. Der photonische Kristall 12, der infolge einer mechanischen Spannung (Verschiebung der Gitterstruktur) mit einer Veränderung der optischen Eigenschaften reagiert, ist hierbei in das Textilgewebe, das das optionale Substrat 19 bildet, integriert. Hierbei ist es möglich, die Kristalle der Kristallanordnung 12 in das oder auf dem Gewebe 19 (bzw. Garn) zu immobilisieren, oder die Kristalle selbst als dünnen Faden herzustellen. Auf diese Weise kann das Material (vgl. Partikel 12a bis 12f) in verschiedene textile Produkte eingebracht werden, wodurch beispielsweise Verbandsmaterialien, Thrombosestrümpfe oder Ähnliches mit sensorischen Eigenschaften herstellbar sind. Diese Textilien sind dann in der Lage, eine zu enge Passform oder zu straffe Wicklung des Textils durch einen Farbum- schlag oder allgemein durch eine Änderung der optischen Eigenschaft anzuzeigen. Vor allem bei Wundverbänden ist der perfekte Sitz von großer Bedeutung für die Heilung des Patienten. Durch Verbände mit photonischen Kristallen als sensorische Einheit könnte sofort von jedermann durch die Farbigkeit erkannt werden, ob der Verband zu lose oder zu straff angelegt wurde. Hierbei muss nicht zwingend das ganze Textil mit photonischen Kristallen versehen sein. Es ist ausreichend, bestimmte Areale mit der sensorischen Funktion auszustatten (z.B. ein eingewebter Faden oder ein eingearbeiteter sensorischer „Patch"). Fig. 3 zeigt eine Thrombosestrumpf bzw. Kompressionsstrumpf 100 mit einer Messfunktionalität, wie sie in Fig. 1 und 2 beschrieben ist. Hierzu weist der Thrombosestrumpf 100 ein beispielsweise flexibles Strumpfmaterial 102, wie zum Beispiel ein Elastan, auf. welches zu einem Gewebe verstrickt ist. Hierbei ist die Struktur und das Material derart, dass eine Stützfunktion realisiert werden kann. Zur Realisierung der Messfunktionalität umfasst Thrombosestrumpf ferner ein Sensorelement 104, was grundsätzlich den Sensorelementen 10, 10' entspricht. Das Sensorelement 104 kann beispielsweise ein eigenes flexibles Substrat (nicht dargestellt) umfassen und auf das Strumpfmaterial 102 aufgenäht bzw. aufgeklebt sein. In anderen Worten ausgedrückt heißt das, dass ein solcher Messstreifen 104 z.B. auf die Oberfläche des Kompressionsstrumpfes 100 in Form eines Aufklebers, eines aufgenähten Streifens oder ähnlichen Systemen aufgebracht ist. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wäre es auch möglich, dass das Gewebe des Strumpfmaterials 102 zumindest teilweise ein Garn umfasst, in welches das Sensorelement 104 bzw. der photonische Kristall direkt integriert ist. Insofern kann also das Sensorelement 104 in das Strumpfmaterial 102 eingewebt sein. The detection of a further measured variable carried out by way of example below will be explained with reference to a specific application. In this application are textiles which are provided by means of the above-described sensor element 10 'with a measuring functionality. The photonic crystal 12, which reacts due to a mechanical stress (displacement of the lattice structure) with a change in the optical properties, is in this case integrated into the textile fabric forming the optional substrate 19. In this case, it is possible to immobilize the crystals of the crystal assembly 12 in or on the fabric 19 (or yarn), or to produce the crystals themselves as a thin thread. In this way, the material (compare particles 12a to 12f) can be introduced into various textile products, whereby, for example, dressing materials, thrombosis stockings or the like with sensory properties can be produced. These textiles are then able to indicate too tight a fit or too tight winding of the fabric by a color change or generally by a change in the optical property. Especially with wound dressings the perfect fit is of great importance for the healing of the patient. Through associations with photonic crystals as a sensory unit could be immediately recognized by anyone by the color, whether the dressing was applied too loose or too tight. In this case, it is not absolutely necessary for the entire textile to be provided with photonic crystals. It is sufficient to provide certain areas with the sensory function (eg a woven thread or an incorporated sensory "patch"). FIG. 3 shows a thrombosis stocking or compression stocking 100 with a measurement functionality, as described in FIGS. 1 and 2. For this purpose, the thrombosis stocking 100 has, for example, a flexible stocking material 102, such as, for example, an elastane. which is entangled in a fabric. Here, the structure and the material is such that a support function can be realized. To realize the measurement functionality thrombosis stocking further comprises a sensor element 104, which basically corresponds to the sensor elements 10, 10 '. The sensor element 104 may, for example, comprise its own flexible substrate (not shown) and be sewn or glued onto the sock material 102. In other words, this means that such a measuring strip 104 is applied, for example, to the surface of the compression stocking 100 in the form of a sticker, a sewn-on strip or similar systems. According to further embodiments, it would also be possible for the fabric of the stocking material 102 to at least partially comprise a yarn in which the sensor element 104 or the photonic crystal is directly integrated. In this respect, therefore, the sensor element 104 may be woven into the sock material 102.
Das Sensorelement 104 weist analog zu den obigen Erläuterungen die photonische Kristallanordnung auf, die vorbestimmte optische Eigenschaften (z.B. Farbgebung) hat, wobei die optischen Eigenschaften durch Einwirken einer physikalischen Messgröße, wie zum Beispiel eine mechanische Spannung, veränderbar sind (z.B. Farbumschlag). In anderen Worten ausgedrückt heißt das also, dass ein optischer Dehnungsmessstreifen in medizinische Kompressionsstrümpfe bzw. medizinische Thromboseprophylaxestrümpfe (MTPS) integriert ist und insbesondere zur Kontrolle und Überwachung der richtigen Passform derselben dient. Hintergrund hierzu ist, dass, wie oben beschrieben, die photonischen Kris- talle als sensorisches System zum Erfassen und Quantifizieren von Zug- bzw. Dehnungskräften verwendet werden können, wenn die photonische Kristallanordnung in einem elastischen Material (Polymer, Faser, Gewebe oder Ähnliches) immobilisiert ist. Es spielt hierbei keine Rolle, ob es sich um Mikro- oder Nanopartikel jeglicher Art oder definierte Fehlstellen (Löcher) im Material handelt. Durch Ausübung einer mechanischen Beanspruchung wie z.B. Druck-, Scher- oder Zugkräfte verändern sich die Abstände zwischen den Partikeln bzw. Löchern sowie gegebenenfalls deren räumliche Ausdehnung / Orientierung. Somit ändern sich auch die Bereiche bzw. Dimensionen unterschiedlicher Brechungsindizes, wodurch es zu Änderungen in den optischen Eigenschaften des Materials kommt (vgl. Vorgang D in Fig. 5). Will man z.B. die einwirkenden Dehnungskräfte erfassen, so kann man durch Auswahl der Partikelgröße und Elastizität des Matrixmaterials den Messbereich einstellen, bzw. die Kraft festlegen, bei der das System einen Farbumschlag aufweist. Die aufzuwendende Kraft bis zum Farbumschlag kann über die Größe bzw. das Material der verwendeten Partikel / Löcher oder über die Elastizität des fixierenden Materials eingestellt werden. Der Teststreifen kann vernäht, verstrickt, aufgeklebt, aufgebügelt oder durch jede andere denkbare Methode auf der Oberfläche des Strumpfes aufgebracht werden. Es ist auch möglich. Fäden oder Garne mit einer photonischen Kristallanordnung zu versehen, die dann direkt in den Herstellungsprozess des Gewebes / Gestrickes implementiert werden, so dass das Gewebe / Gestrick intrinsisch über Funktionalitäten (Anzeigeinstrument bzw. Kontrolleinheit) der optischen Dehnungsmessung verfügt. Zusammenfassend heißt das also, dass derartige Dehnungsteststreifen in die oben beschriebenen Textilien (aber auch andere Textilien) als Kontrollelement integriert werden, um an definierten Stellen des Beines den Anpressdruck zu messen. Das Ergebnis dieser Messung kann optisch über einen oder mehrere Farbumschläge erfolgen. Der korrekte Sitz der Strümpfe kann somit vi- sualisiert werden, indem ein zu geringer und ein zu hoher Druck der Textilien am Bein durch unterschiedliche Farben des Dehnungsmessstreifens angezeigt wird. Analogous to the above explanations, the sensor element 104 has the photonic crystal arrangement which has predetermined optical properties (eg coloring), wherein the optical properties can be changed by the action of a physical measurand, such as a mechanical stress (eg color change). In other words, this means that an optical strain gauge is integrated into medical compression stockings or medical thrombosis prophylaxis stockings (MTPS) and in particular serves to control and monitor the correct fit of the same. The background to this is that, as described above, the photonic crystals can be used as a sensory system for detecting and quantifying tensile forces when the photonic crystal arrangement is immobilized in an elastic material (polymer, fiber, tissue or the like) is. It does not matter whether it is micro- or nanoparticles of any kind or defined defects (holes) in the material. By applying a mechanical stress such as compressive, shear or tensile forces, the distances between the particles or holes and, where appropriate, their spatial extent / orientation change. As a result, the regions or dimensions of different refractive indices also change, which leads to changes in the optical properties of the material (compare process D in FIG. If, for example, one wants to detect the applied expansion forces, one can set the measuring range by selecting the particle size and elasticity of the matrix material, or determine the force at which the system has a color change. The force to be applied to the color change can be adjusted by the size or the material of the particles / holes used or by the elasticity of the fixing material. The test strip may be sutured, entangled, glued, ironed or applied to the surface of the sock by any other conceivable method. It is also possible. To provide threads or yarns with a photonic crystal arrangement, which are then implemented directly in the manufacturing process of the fabric / knit fabric, so that the fabric / knit intrinsically has functionalities (display unit or control unit) of the optical strain measurement. In summary, this means that such stretch test strips are integrated into the textiles described above (but also other textiles) as a control element in order to measure the contact pressure at defined points of the leg. The result of this measurement can be done optically via one or more color changes. The correct fit of the stockings can thus be visualized by indicating too low and too high pressure of the textiles on the leg due to different colors of the strain gauge.
Im Allgemeinen können für solche Anwendungen 100 alle beschriebenen optischen Sensorsysteme oder Teststreifen 104, 10, 10' (die also keine (lumineszenten) Farbstoffe, Indikatoren, Pigmente oder ähnliches (ausgenommen Systeme basierend auf Flüssigkristallen) enthalten) eingesetzt werden, so dass entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen zusätz- lieh auch Sensorelemente, die auf das Vorhandensein von Analyten reagieren, mit in den Strumpf 100 integriert sein können. In general, for such applications 100, all of the described optical sensor systems or test strips 104, 10, 10 '(which do not contain any (luminescent) dyes, indicators, pigments or the like (except systems based on liquid crystals) may be used, so according to further embodiments In addition, sensor elements which react to the presence of analytes may also be integrated into the stocking 100.
Nachfolgend wird Bezug nehmend auf Fig. 4 eine mögliche Herstellung der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Kristallanordnungen 12 für die Sensorelemente 10 und 10' erläutert, wobei insbesondere auf die Einstellung der optischen Eigenschaften und des Messbereichs eingegangen wird. A possible production of the crystal arrangements 12 for the sensor elements 10 and 10 'shown in FIGS. 1 and 2 will be explained below with reference to FIG. 4, with particular attention being paid to the setting of the optical properties and the measuring range.
Fig. 4 zeigt in einer Darstellung (a) die Herstellung und die bei der Herstellung durchgeführten Anpassungsschritte. Hierbei werden Mikro- und/oder Nanopartikel 12x in einem Schritt A so angeordnet, dass die photonische Gitteranordnung 12, die zumindest einen ersten Brechungsindex ni aufweist, entsteht. Die Partikel 12x weisen eine definierte Größe bzw. einen definierten Durchmesser auf, von welchem bei gegebenem Brechungsindex ni des Materials die Wellenlänge der elektromagnetischen Welle abhängig ist, bei welcher eine Wechselwirkung zwischen der photonischen Kristallanordnung 12 und der elektro- magnetischen Welle ausgebildet wird. Bei diesem Schritt A werden die modifizierten Partikel 12x in eine hochgeordnete Struktur gebracht, wie z.B. in Form einer hexagonal dichtesten Kugelpackung (dreidimensionaler Fall). Durch das Anordnen entstehen zwischen den Partikeln 12x Hohlräume, die beispielsweise mit einem Gas, wie z.B. Luft, gefüllt sind und somit einen Brechungsindex n2 (=nLuft) aufweist. Die mittels dieses Schrittes A hergestellte Kristallanordnung 12 ist bereits in diesem Zustand ein optisch aktives Material, d.h., es ausgebildet ist mit elektromagnetischen Wellen zu interagieren, da sich Bereiche unterschiedlicher Brechungsindices nj und n2, hier nLuft, periodisch wiederholen. Bei dieser chemischen Herstellung (Schritt A) können beispielsweise anorganische, organische, metallische oder polymere Partikel (also z.B. Silica-, Polystyrol-, Polyvinylchlorid- , Kobalt-, Silber- oder Goldpartikel sowie anorganische und/oder organische Pigmente, „upconverting" Nanopartikel, Quantenpunkte oder Halbleiterpartikel) verwendet werden. Ferner sei noch darauf hingewiesen, dass auch eine chemische Verbindung mittels soge- nannter Kern-Hüllen-Systeme aus organischen und/oder anorganischen Komponenten möglich ist. Diese so hergestellte photonische Kristallanordnung kann entweder direkt für die jeweilige Messaufgabe (vgl. Analytendetektion aus Fig. 1 oder Detektion eines physikalischen Messgröße aus Fig. 2) appliziert werden (vgl. Schritt D) oder zuerst so verändert werden, dass die optischen Eigenschaften auf die jeweilige Messfunktionalität abgestimmt werden, was im Folgenden näher erläutert wird. FIG. 4 shows in a representation (a) the production and the adaptation steps carried out during production. In this case, micro- and / or nanoparticles 12x are arranged in a step A such that the photonic lattice arrangement 12, which has at least a first refractive index ni, arises. The particles 12x have a defined size or a defined diameter, from which, for a given refractive index ni of the material, the wavelength of the electromagnetic wave is dependent, in which an interaction between the photonic crystal arrangement 12 and the electrochemical magnetic wave is formed. In this step A, the modified particles 12x are brought into a highly ordered structure, such as in the form of a hexagonal closest packing (three-dimensional case). By arranging arise between the particles 12x cavities, which are filled for example with a gas such as air, and thus has a refractive index n 2 (= n air ). The crystal arrangement 12 produced by means of this step A is already in this state an optically active material, ie, it is designed to interact with electromagnetic waves, since regions of different refractive indices nj and n 2 , here n air , repeat periodically. In this chemical preparation (step A), for example, inorganic, organic, metallic or polymeric particles (eg silica, polystyrene, polyvinyl chloride, cobalt, silver or gold particles and inorganic and / or organic pigments, "upconverting" nanoparticles, It should also be pointed out that a chemical connection by means of so-called core-sheath systems made of organic and / or inorganic components is also possible.This photonic crystal arrangement produced in this way can either be used directly for the respective measuring task (FIG. 1) or detection of a physical measured variable from FIG. 2) (see step D) or first be changed so that the optical properties are matched to the respective measuring functionality, which will be explained in more detail below.
Schritt B zeigt das Umhüllen der photonischen Kristallanordnung 12 mit einer transparenten Hülle 22 z.B. einer Polymerhülle, die einen weiteren Brechungsindex n3 aufweist, wobei hierdurch die optischen Eigenschaften des einzustellenden Sensorelements verändert werden. Das Endprodukt des Herstellungsschrittes B weist also gegenüber dem Endprodukt des Herstellungsschrittes A veränderte optische Eigenschaften auf, da in den Zwischenräumen ein anderes Material (im Vergleich zu Gas oder Luft, nämlich die Umhüllung 22 mit dem Brechungsindex n3 (= npoiymer φ nm«) angeordnet ist. Die photonische Gitteranordnung 12 mit der Umhüllung 22 kann weiter modifiziert werden, indem z.B. die eingesetzten Partikel 12x selektiv entfernt werden und somit periodische Leerstellen bzw. Lücken 24 erzeugt werden. Dieses selektive Integrieren von Fehlstellen 24 erfolgt in dem Herstellungsschritt C. Das Endprodukt des Herstellungsschrittes C hat wiederum veränderte optische Eigenschaften, da die Leerstellen 24 einen weiteren Brechungsindex n4 aufweisen, der sich von dem Brechungsindex ni der entfernten Partikel unterscheidet bzw. insbesondere ein verändertes Verhältnis zwischen den Brechungsindices n4 zu n3 im Vergleich zu n3 zu ni entsteht. Ferner werden durch die Fehlstellen 24 auch die chemischen, physikalischen und sensorischen Eigenschaften der photonischen Kristallanordnung beeinflusst, denn die innerhalb der Hülle 22 erzeugten Leerstellen 24 verbessern typischerweise die Permeabilität und das Ansprechverhalten für (gasförmige) Analyten. Das mittels den Herstellungsschritten A und den optionalen Herstellungsschritten B und/oder C hergestellte Sensorelement 10 bzw. 10' kann in einem weiteren Schritt D auf die jeweilige Messaufgabe angepasst werden, wie in der Darstellung (b) illustriert ist. Hierbei wird sozusagen ausgehend von der angepassten Kristallgitteranordnung 12 (also entweder ausgehend von dem Endprodukt des Herstellungsschrittes A oder dem Endpro- dukt des Herstellungsschrittes B oder von dem Endprodukt des Herstellungsschrittes C) die Kristallgitteranordnung 12 so modifiziert, dass das Sensorelement 10 zur Detektion von Analyten (vgl. Fig. 1) oder das Sensorelement 10' zur Detektion einer physikalischen Messgröße (vgl. Fig. 2) generiert wird. Bei dem Schritt D werden somit in einem ersten Fall die (chemische oder physikalische) Rezeptorstellen 14 bzw. Erkennungseinheiten (mit anderen Erkennungsmechanismen) in die Kristallanordnung 12 oder in die Partikel 12x implementiert. Hierdurch kann sich dann eine Veränderung des Brechungsindex ni zu m ' der Partikel oder ru zu Ώ4 der Leerstellen 24 ergeben. Ferner kann bei dem Schritt D auch das sensorische System zu einer direkten Wechselwirkung, nämlich z.B. durch die Auswahl bzw. Modifizierung der verwendeten Materialien für die photonische Kristallanordnung 12, ausgebildet werden. Step B shows the sheathing of the photonic crystal arrangement 12 with a transparent shell 22, for example a polymer shell, which has a further refractive index n 3 , whereby the optical properties of the sensor element to be adjusted are changed. The end product of the production step B thus has altered optical properties compared with the end product of the production step A, since a different material (in comparison to gas or air, namely the cladding 22 with the refractive index n 3 (= n po i yme r φ The photonic lattice arrangement 12 with the cladding 22 can be further modified, for example, by selectively removing the particles 12x used and thus generating periodic voids 24. This selective integration of defects 24 takes place in the production step C. The final product of the production step C in turn has altered optical properties, since the vacancies 24 have a further refractive index n 4 , which differs from the refractive index ni of the removed particles or in particular a changed ratio between the refractive indices n 4 to n 3 in comparison to n 3 comes to ni The defects 24 are also the chemical, physical and sensory properties of the photonic Crystal arrangement, because the vacancies 24 generated within the sheath 22 typically improve the permeability and the response for (gaseous) analytes. The sensor element 10 or 10 'produced by means of the production steps A and the optional production steps B and / or C can be adapted to the respective measuring task in a further step D, as illustrated in the illustration (b). In this case, starting from the adapted crystal lattice arrangement 12 (that is to say either starting from the end product of the production step A or the end product of the production step B or from the end product of the production step C), the crystal lattice arrangement 12 is modified such that the sensor element 10 for the detection of analytes (FIG. see Fig. 1) or the sensor element 10 'for the detection of a physical measured variable (see Fig. 2) is generated. In step D, therefore, in a first case, the (chemical or physical) receptor sites 14 or recognition units (with other recognition mechanisms) are implemented in the crystal arrangement 12 or in the particles 12x. This can then result in a change in the refractive index ni to m 'of the particles or ru to Ώ4 of the vacancies 24. Furthermore, in step D, the sensory system can also be formed into a direct interaction, for example by selecting or modifying the materials used for the photonic crystal arrangement 12.
Der Herstellungsschritt D kann in einem zweiten Fall dazu benutzt werden, um den Messbereich einzustellen. Hierbei erfolgt eine Art Eichung des Sensorelements 10', so dass je- weilige optische Eigenschaften (z.B. eine Vielzahl unterschiedlicher Farbschattierungen) der Kristallanordnung 12 jeweiligen physikalischen Eigenschaften innerhalb des Messbereichs, der sich von einem Minimal wert des zu detektierenden Messwerts bis zu einem Maximalwert desselben erstreckt, zugeordnet werden. Der Messbereich kann in Form einer Skala dokumentiert sein, die eine Zuordnung zwischen einer Ausprägung der optischen Eigenschaft und dem jeweilige Messwert schafft. The manufacturing step D can be used in a second case to adjust the measuring range. Here, a kind of calibration of the sensor element 10 'takes place, so that respective optical properties (eg a multiplicity of different color shades) of the crystal arrangement 12 correspond to respective physical properties within the measurement range, which extends from a minimum value of the measurement value to be detected up to a maximum value thereof , be assigned. The measuring range can be documented in the form of a scale, which creates an association between an expression of the optical property and the respective measured value.
Auch wenn bei oben beschriebenen Herstellungsverfahren von dem Anordnen bzw. chemischen Anordnen der Partikel 12x ausgegangen wird, können die oben dargestellten photonischen Kristallanordnungen 12 (vgl. Schritt A) auch mit weiteren Herstellungsverfahren, wie z.B. mit Methoden aus der Halbleiterindustrie oder mit einem Herstellungsverfahren, entsprechend welchem von einem Vollmaterial ausgegangen wird und die Leerstellen und damit die Struktur mittels eines feinen Bohrers als Bohrungen in das Vollmaterial eingebracht werden, erzeugt werden. Bezug nehmend auf Fig. 1 sei angemerkt, dass die Partikel 12a bis 12f nicht notwendigerweise dasselbe Material aufweisen müssen, so dass in der Kristallgitteranordnung 1 2 auch unterschiedliche Partikel mit unterschiedlichen (optischen) Eigenschaften angeordnet sein können. Folglich würde die Kristallgitteranordnung 12 mehr als zwei unterschiedliche (alternierende) Brechungsindices aufweisen. Even though the arranging or chemical arranging of the particles 12x is assumed in the above-described production methods, the above-described photonic crystal arrangements 12 (cf step A) can also be used with other production methods, such as, for example, with methods from the semiconductor industry or with a production method which is assumed by a solid material and the voids and thus the structure are introduced by means of a fine drill as holes in the solid material produced. Referring to FIG. 1, it should be noted that the particles 12a to 12f need not necessarily have the same material, so that different particles with different (optical) properties may also be arranged in the crystal lattice arrangement 1 2. Thus, the crystal lattice assembly 12 would have more than two different (alternating) refractive indices.
Bezug nehmend auf Fig. 1 und 2 sei darauf hingewiesen, dass das Sensorelement 10 bzw. 10' die optionale Umhüllung 22 bzw. Polymerumhüllung aufweisen kann, so dass die ent- stehenden Zwischenräume mit einem anderen Material gefüllt sein können, wie in Fig. 4 näher erläutert ist. Diese Umhüllung 22 weist einen weiteren Brechungsindex n3 auf und trägt somit zu der Festlegung der optischen Eigenschaften des Sensorelements 10 bzw. 10' bei. Bezug nehmend auf Fig. 1 und 2 sei angemerkt, dass entsprechend weiteren Ausführangs- beispielen die photonische Kristallgitteranordnung 12 auch Fehlstellen, also nicht eingebrachte bzw. selektiv entfernte Partikel mit einem weiteren Brechungsindex aufweisen kann. Diese Fehlstellen können insbesondere dann besonders gut in die Gitteranordnung 12 eingebracht werden, wenn diese mit einer Umhüllung 22 (vgl. oben) fixiert ist. With reference to FIGS. 1 and 2, it should be noted that the sensor element 10 or 10 'may have the optional sheath 22 or polymer sheath, so that the resulting interspaces may be filled with a different material, as in FIG. 4 is explained in more detail. This cladding 22 has a further refractive index n 3 and thus contributes to the determination of the optical properties of the sensor element 10 or 10 '. Referring to FIGS. 1 and 2, it should be noted that according to further Ausführangss- examples, the photonic crystal lattice assembly 12 may also have defects, so not introduced or selectively removed particles with a further refractive index. These imperfections can be particularly well introduced into the grid assembly 12, if it is fixed with a sheath 22 (see above).
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann die Kri stall anordnung 12 aus Fig. 1 und 2 zwischen den Partikeln Zwischenräume aufweisen, welche z.B. mit einem Gas oder Luft gefüllt ist und somit einen weiteren Brechungsindex ncas/Luft aufweist. Diese Zwischenräume können entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einer Umhül- lung 22, z.B. einer Polymerumhüllung, gefüllt sein, wie Bezug nehmend auf Fig. 4 näher erläutert ist. Diese Umhüllung 22 weist einen weiteren Brechungsindex n3 auf und trägt somit zu der Festlegung der optischen Eigenschaften des Sensorelements 10 bzw. 10' bei. Allgemein ausgedrückt heißt das, dass die Kristallanordnung 12 alternativ eine Vielzahl repitiver Einheiten, die bevorzugt periodisch angeordnet sind, umfasst. According to further embodiments, the Kri stall arrangement 12 of Fig. 1 and 2 between the particles have gaps which is filled for example with a gas or air and thus has a further refractive index ncas / air. According to a further exemplary embodiment, these intermediate spaces can be filled with a casing 22, for example a polymer casing, as explained in greater detail with reference to FIG. 4. This cladding 22 has a further refractive index n 3 and thus contributes to the determination of the optical properties of the sensor element 10 or 10 '. In general terms, this means that the crystal arrangement 12 alternatively comprises a multiplicity of repeating units, which are preferably arranged periodically.
Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wäre auch eine Kombination aus dem Sensorelement 10 und 10' denkbar, bei der sowohl Analyten 16 als auch eine gegebenenfalls mit diesem Analyten 16 verbundene physikalische Eigenschaft detektierbar ist. Bezug nehmend auf Fig. 4 heißt das, dass bei dem Herstellungsschritt D die Kristallanordnung 12 sowohl mit den Rezeptorstellen 14 als auch mit einem vordefinierten Messbereich versehen wird. Wie oben bereits dargestellt, können die mittels der photonischen Kristallanordnung 12 erzeugten Sensorelemente 10 und 10' vielfältig eingesetzt werden und zeichnen sich insbesondere durch ihre Einfachheit und die damit verbundene kostengünstige Herstellung aus. Insbesondere können die in Fig. 4 dargestellten Herstellungsschritte in viele bereits beste- hende Herstellungsprozesse integriert werden, so dass sich hieraus viele Anwendungsgebiete für die Sensorelemente 10 bzw. 10' bzw. die so hergestellten Sonden 10 bzw. 10' ergeben. Beispielhafte Weiterverarbeitungsmethoden sind Rolle-zu-Rolle-Verfahren, Siebdruck, Injet-Printing, Spray-Dip-Spincoating, Spritzguss, Lithographie, Atzverfahren, Heißprägedruck, Eloxal-Verfahren und Nanoimprinting. According to a further embodiment, a combination of the sensor element 10 and 10 'would be conceivable in which both analyte 16 and a possibly associated with this analyte 16 physical property is detectable. Referring to Fig. 4, this means that in the fabrication step D, the crystal assembly 12 is provided with both the receptor sites 14 and a predefined measurement area. As already shown above, the sensor elements 10 and 10 'produced by means of the photonic crystal arrangement 12 can be used in a variety of ways and are distinguished, in particular, by their simplicity and the associated cost-effective production. In particular, the production steps illustrated in FIG. 4 can be integrated into many already existing production processes, resulting in many fields of application for the sensor elements 10 or 10 'or the probes 10 or 10' produced in this way. Exemplary further processing methods are roll-to-roll processes, screen printing, inkjet printing, spray-dip spincoating, injection molding, lithography, etching, hot stamping, anodizing and nanoimprinting.
Aufgrund dieser Integrierbarkeit in unterschiedliche Herstellungsverfahren bzw. der Auf- bringbarkeit der photonischen Kristallanordnung 12 auf unterschiedliche Substrate 19 kann das Sensorelement 10 bzw. 10' in unterschiedliche Produkte, wie z.B. Halbleiterprodukte, Elektronikbauteile, integriert werden. Wie oben bereits erläutert, können auch unterschied- liehe Substrate 19, wie z.B. ein Glassubstrat, Gewebesubstrat, Textilsubstrat oder Plastiksubstrat, eingesetzt werden, so dass maßgeschneiderte Sensoren bzw. Teststreifen (chemische Teststreifen oder Dehnungsmessstreifen) herstellbar sind. Deshalb beziehen sich weitere Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf einen Teststreifen mit einer photonischen Kristallanordnung, die abhängig von einem angelagerten Analyten oder einer einwirkenden physikalischen Messgröße eine Veränderung der optischen Eigenschaften ausbildet. Due to this integrability in different production methods or the applicability of the photonic crystal arrangement 12 to different substrates 19, the sensor element 10 or 10 'can be divided into different products, such as e.g. Semiconductor products, electronic components, are integrated. As already explained above, different substrates 19, such as e.g. a glass substrate, tissue substrate, textile substrate or plastic substrate, can be used so that customized sensors or test strips (chemical test strips or strain gauges) can be produced. Therefore, further embodiments of the present invention relate to a test strip with a photonic crystal arrangement, which forms a change in the optical properties depending on an attached analyte or an acting physical quantity.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Messsystem, das eine Sensorelement 10 bzw. 10' sowie ein Auslesegerät umfasst. Das Auslesegerät ist ausgebildet, die opti- sehen Eigenschaften bzw. die Änderung der optischen Eigenschaften zu detektieren und insbesondere eine Korrelation zwischen der Änderung der optischen Eigenschaft (z.B. des Maßes des Farbumschlags) und der Messgröße des zu messenden physikalischen Parameters oder der Konzentration (Gehalt, Menge und/oder Stärke) des Analyten herzustellen. Durch die Wahl der Materialien der photonischen Kristallanordnung 12 können der Mess- bereich, die Sensitivität und der Bereich der Farbänderung stufenlos eingestellt werden. Darüber hinaus kann über die Wahl der Erkennungseinheit und der verwendeten Materialien (z.B. des Polymers zur Fixierung) Selektivität induziert werden und somit Querempfindlichkeiten minimiert werden. Weitere Ausfühmngsbeispiele beziehen sich auf die Verwendung einer photonischen Kristall anordnung 12 als Sensorelement. Die Einsatzbereiche erstrecken sich von Wissenschaft und Technik, Medizin, Biologie sowie alle Alltags- und Gebrauchsgegenstände, in denen optische Sensoren, Teststreifen, Erkennungseinheiten oder ähnliches zum Einsatz kommen und/oder integriert sind bzw. Analyten oder physikalische Messgrößen und Parameter angezeigt und/oder quantifiziert werden. Another embodiment relates to a measuring system comprising a sensor element 10 or 10 'and a read-out device. The read-out device is designed to detect the optical properties or the change in the optical properties and, in particular, a correlation between the change in the optical property (eg the degree of color change) and the measured variable of the physical parameter to be measured or the concentration (content, Amount and / or strength) of the analyte. By choosing the materials of the photonic crystal arrangement 12, the measuring range, the sensitivity and the range of the color change can be adjusted continuously. In addition, selectivity can be induced via the choice of the recognition unit and the materials used (eg the polymer for fixing) and thus cross sensitivities are minimized. Further embodiments relate to the use of a photonic crystal arrangement 12 as a sensor element. The areas of application extend from science and technology, medicine, biology as well as all everyday and everyday objects, in which optical sensors, test strips, recognition units or the like are used and / or integrated or analytes or physical parameters and parameters are displayed and / or quantified.
Nachfolgend wird Bezug nehmend au Fig. 5 eine mögliche Herstellung der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Kristallanordnungen 12 für die Sensorelemente 10 und 10' bzw. insbesondere des in Fig. 3 dargestellten medizinischen Strumpfes erläutert, wobei insbesondere auf die Einstellung der optischen Eigenschaften und des Messbereichs eingegangen wird. Insbesondere wird anhand von Fig. 5 nun die Herstellung und Funktionalität eines Sensorelement 10 mit einer photonischen Kristallanordnung 12, die eine Vielzahl von entspre- chend einer Kristallstruktur angeordneten Partikeln 12a bis 12f aufweist, dargestellt, wobei dieses Sensorelement 10 beispielsweise als ein„optischer Dehnungsmessstreifen" ausgebildet ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die obigen Ausführungen hinsichtlich der Fig. 1-4 auf die nachfolgenden Erläuterungen und Ausführungsbeispiele gleichermaßen anwendbar sind. A possible production of the crystal arrangements 12 shown in FIGS. 1 and 2 for the sensor elements 10 and 10 'or, in particular, of the medical stocking shown in FIG. 3 is explained below, with particular reference to the setting of the optical system Characteristics and the measuring range. 5, the production and functionality of a sensor element 10 with a photonic crystal arrangement 12, which has a multiplicity of particles 12a to 12f arranged corresponding to a crystal structure, is illustrated, wherein this sensor element 10 is represented, for example, as an "optical strain gauge". It should be noted that the above statements regarding FIGS. 1-4 are equally applicable to the following explanations and exemplary embodiments.
Der optische Dehnungsmessstreifen besteht aus in einem geeigneten Material immobilisierten kolloidalen photonischen Kristallen. Aufgrund ihrer Struktur besitzen photonische Kristalle außergewöhnliche und bemerkenswerte optische Eigenschaften. Durch die hochgeordnete periodische Anordnung von Bereichen niedrigerer und höherer Brechungsindi- zes (n) (bzw. relative Permittivität oder Dielektrizitätszahl ε) wechselwirken photonische Kristalle mit elektromagnetischen Wellen in ähnlicher Weise wie es die periodischen Potentiale in Halbleiterkristallen mit Elektronen tun. Die Periodenlänge und die Wiederholungen der verschiedenen Brechungsindizes bestimmen den Wellenlängenbereich der elektromagnetischen Strahlung, mit denen die Kristalle verstärkt wechselwirken. Durch wiederholte wellenlängenabhängige Lichtbrechung an den Bereichen unterschiedlicher Brechungsindizes entsteht die Farbigkeit in der Reflexion bzw. Transmission der photonischen Kristalle. Auf diese Weise entstehen photonische Band strukturen, die Bereiche von verbotenen Energien aufweisen können, so dass sich elektromagnetische Wellen bestimmter Wellenlänge innerhalb des Kristalls nicht ausbreiten können. The optical strain gauge consists of colloidal photonic crystals immobilized in a suitable material. Due to their structure, photonic crystals have exceptional and remarkable optical properties. Due to the highly ordered periodic arrangement of regions of lower and higher refractive indices (or relative permittivity or dielectric constant ε), photonic crystals interact with electromagnetic waves in a manner similar to the periodic potentials in semiconductor crystals with electrons. The period length and the repetitions of the different refractive indices determine the wavelength range of the electromagnetic radiation with which the crystals interact more intensively. Repeated wavelength-dependent refraction of light at the regions of different refractive indices produces the color in the reflection or transmission of the photonic crystals. In this way, photonic band structures arise, which may have areas of forbidden energies, so that electromagnetic waves of specific wavelength can not propagate within the crystal.
Da die Interaktion von photonischen Kristallen mit Licht verschiedener Wellenlängen von den entsprechenden Brechungsindizes der repetitiven Einheiten bzw. von deren Dimensionen abhängt, können darüber die optischen Eigenschaften der Kristalle eingestellt bzw. verändert werden. Wir schlagen vor, den Aufbau von photonischen Kristallen derart zu gestalten, dass sich bei Änderung der geometrischen Ausdehnung des Systems die räumliche Dimension einer oder mehrerer repetitiver Einheiten innerhalb des Kristalls ändert und es somit zu einer analytabhängigen (in diesem Fall z.B. Dehnungskraft) Änderung der optischen Eigenschaften (z.B. Absorption, Farbe, Fluoreszenz, Phosphoreszenz etc.) kommt. Hierbei spielt es keine Rolle, mit welchem Verfahren die photonischen Kristalle hergestellt wurden. Im Folgenden wird exemplarisch das Prinzip der Sensorik mit photonischen Kristallen anhand der chemischen Herstellung mit Hilfe von Mikro- und Nanopartikeln verdeutlicht (siehe Fig. 5,„Chemisches (kolloidales) Herstellungsverfahren von photonischen Kristallen und deren Anwendung als Dehnungsmessstreifen; n=Brechungsindex"). Since the interaction of photonic crystals with light of different wavelengths depends on the corresponding refractive indices of the repetitive units or on their dimensions, the optical properties of the crystals can be adjusted or changed via this. We propose that the structure of photonic crystals should be such that, as the geometrical extent of the system changes, the spatial dimension of one or more repetitive units within the crystal changes, resulting in an analyte-dependent (in this case, strain) change of the optical Properties (eg absorption, color, fluorescence, phosphorescence, etc.) come. It does not matter with which method the photonic crystals were produced. In the following, the principle of sensor technology with photonic crystals will be exemplified by the chemical production with the aid of micro- and nanoparticles (see Fig. 5, "Chemical (colloidal) method of preparation of photonic crystals and their application as strain gauges, n = refractive index").
Die hier vorgeschlagene Anwendung ist aber nicht darauf beschränkt. Die zu Grunde liegenden Prinzipien gelten für alle Systeme, die aus photonischen Kristallen bestehen oder diese beinhalten, unabhängig von den verwendeten Materialien (Metalle, Polymere, Mine- rale, Kristalle, Naturstoffe, Gewebe, Papier, Textilien, Glas, kristalline oder amorphe Substanzen etc.). Beim chemischen Herstellungsverfahren für kolloidale photonische Kristalle werden Nano- oder Mikropartikel verwendet (Spezies 1, Fig. 5). Hierbei kann es sich sowohl um anorganische, organische, metallische oder polymere Partikel handeln (z.B. Sili- ca-, Polystyrol-, Polyvinylchlorid-, Kobalt-, Silber- oder Goldpartikel, anorganische und organische Pigmente, sogenannte„upconverting nano particles", Quantenpunkte, Halbleiter, um nur einige wenige zu nennen) sowie um Kern/Hülle-Systeme aus organischen und/oder anorganischen Komponenten. Die späteren optischen Eigenschaften des photonischen Kristalls können über den Brechungsindex des Materials eingestellt werden. Bei gegebenem Brechungsindex definiert der Durchmesser der Partikel, mit welchen Wellen- längen der Kristall wechselwirkt. Die gegebenenfalls modifizierten Partikel werden in eine hochgeordnete Struktur gebracht (Vorgang A, Fig. 5), wie z.B. hexagonal dichteste Kugelpackung (siehe Spezies 2, Fig. 5). The application proposed here is not limited thereto. The underlying principles apply to all systems consisting of or containing photonic crystals, regardless of the materials used (metals, polymers, minerals, crystals, natural products, fabrics, paper, textiles, glass, crystalline or amorphous substances, etc .). Nanoparticles or microparticles are used in the chemical preparation process for colloidal photonic crystals (Species 1, FIG. 5). These may be inorganic, organic, metallic or polymeric particles (eg silica, polystyrene, polyvinyl chloride, cobalt, silver or gold particles, inorganic and organic pigments, so-called "upconverting nano particles", quantum dots, Semiconductors, to name just a few) and core / shell systems made of organic and / or inorganic components.The later optical properties of the photonic crystal can be adjusted by the refractive index of the material.For a given refractive index, the diameter of the particles, with The optionally modified particles are brought into a highly ordered structure (process A, FIG. 5), such as the hexagonal closest packing (see Species 2, FIG.
Ab diesem Schritt ist das Material optisch aktiv, d.h. es interagiert in der oben beschriebe- nen Art und Weise mit elektromagnetischen Wellen, da sich Bereiche unterschiedlicher Brechungsindizes (wie in diesem Fall nPar,ikei und nLuft) periodisch wiederholen. Das so entstandene Material kann daraufhin durch Polymere in seiner Struktur fixiert werden (Vorgang B, Fig. 5). Hierdurch können sich neue optische Eigenschaften ergeben (siehe Spezies 3, Fig. 5), da sich unter Umständen die Verhältnisse der Brechungsindizes ändern (npartikd und np0iyme nLuft). Diese in ihrer Struktur fixierten photonischen Kristalle können weiter modifiziert werden, indem z.B. die eingesetzten Partikel selektiv aus dem Material entfernt werden (Vorgang C, Fig. 5) und somit periodische Leerstellen bzw. Lücken im Kristall erzeugt werden (Spezies 4, Fig. 5). Auch hierdurch ergeben sich unter Umständen neue optische Eigenschaften des Kristalls, wenn sich durch den Vorgang die Verhältnisse der Brechungsindizes ändern. Die vielfältigen Herstellungsmethoden von photonischen Kristallen ermöglichen die Integration in bestehende Herstellungsprozesse und erlauben die Verwendung in allen Technologie- und Anwendungsbereichen. Die Funktionsweise von photonischen Kristallen ist völlig unabhängig von der Herstellungsmethode (chemisch mit Partikeln oder physikalisch mit Methoden der Halbleiterindustrie etc.) und kann somit als Instrument der optischen Sensorik an die Erfordernisse der jeweiligen Anwendung und den damit verbundenen Pro- zessierungs- und Produktionsmethoden angepasst werden. Beispielhafte Herstellungsbzw. Verarbeitungsmethoden sind Rolle-zu-Rolle-Verfahren, Siebdruck, Inkjet-Printing, Spray-, Dip- und Spincoating, Spritzguss, Lithographie, Ätzverfahren, Heißprägedruck, Eloxal-Verfahren und Nanoimprinting, um nur einige zu nennen. From this step, the material is optically active, ie it interacts with electromagnetic waves in the manner described above, since regions of different refractive indices (as in this case n par , i k ei and n air) repeat periodically. The resulting material can then be fixed in its structure by polymers (process B, FIG. 5). This may result in new optical properties (see Species 3, Fig. 5), since under certain circumstances, the ratios of the refractive indices change (np art i kd and np 0 i yme nAir). These photonic crystals fixed in their structure can be further modified, for example by selectively removing the particles used from the material (process C, FIG. 5) and thus generating periodic vacancies or gaps in the crystal (species 4, FIG. 5). , This may also result in new optical properties of the crystal, if the ratios of the refractive indices change as a result of the process. The diverse production methods of photonic crystals enable integration into existing manufacturing processes and allow their use in all areas of technology and applications. The functioning of photonic crystals is completely independent of the production method (chemically with particles or physically with methods of the semiconductor industry, etc.) and can thus be adapted as an instrument of optical sensor technology to the requirements of the respective application and the related processing and production methods , Exemplary manufacturing or. Processing methods include roll-to-roll, screen printing, inkjet printing, spray, dip and spin coating, injection molding, lithography, etching, hot stamping, anodizing and nanoimprinting, to name but a few.
Ein Effekt des hier beschriebenen Konzeptes liegt in der Einfachheit, Vielfältigkeit und in der eindeutigen Signalwirkung. Mit Hilfe von photonischen Kristallen ist es möglich, optische Sensorik ohne chromophore Systeme im eigentlichen Sinn (d.h. ohne Farbstoffe, Pigmente) zu betreiben. Auf diese Weise hat man Zugang zu physikalischen Parametern wie Druck- und Zugkräfte, die bisher noch nicht mit optischen Sensoren bzw. Teststreifen erfasst werden können. Die optischen Eigenschaften der photonischen Kristalle sind über die Art und Beschaffenheit der verwendeten Materialien einstellbar und sind nicht von der Chemie von Farbstoffen abhängig. Darüber hinaus ist der erwünschte Messbereich eben- falls über die Beschaffenheit der Kristalle einstellbar. Die Implementierung von photonischen Kristallen zur Erfassung von Zugkräften und Dehnungen bestechen durch Einfachheit und die optische Signalwirkung. Das Uber- oder Unterschreiten von Grenzwerten kann somit direkt über einen Farbumschlag (z.B. von grün nach rot) angezeigt werden. Durch die Wahl der Materialien ist eine stufenlose Einstellung der Messbereiche, der Sensitivität und des Bereichs der Farbänderung möglich. Aufgrund der Vielseitigkeit in den Herstellungsmethoden und den verwendbaren Materialien sind photonische Kristalle in nahezu jeden Prozess und die dazugehörigen Produkte integrierbar. Dadurch können Messstreifen basierend auf photonischen Kristallen auf die Bedürfnisse der Anwendung maßgeschneidert werden. An effect of the concept described here lies in the simplicity, diversity and in the clear signal effect. By means of photonic crystals it is possible to operate optical sensors without chromophore systems in the proper sense (i.e., without dyes, pigments). In this way, one has access to physical parameters such as compressive and tensile forces that can not yet be detected with optical sensors or test strips. The optical properties of the photonic crystals are adjustable by the nature and nature of the materials used and are not dependent on the chemistry of dyes. In addition, the desired measuring range can also be set by the nature of the crystals. The implementation of photonic crystals for the detection of tensile forces and strains impresses with simplicity and the optical signal effect. The exceeding or falling below of limit values can thus be displayed directly via a color change (for example from green to red). The choice of materials allows stepless adjustment of the measuring ranges, the sensitivity and the range of the color change. Due to the versatility of the manufacturing methods and the materials that can be used, photonic crystals can be integrated into almost every process and the associated products. As a result, measurement strips based on photonic crystals can be tailored to the needs of the application.
Gemäß Ausführungsbeispielen können somit optische Dehnungsmessstreifen realisiert werden, die die vorherrschenden Kräfte und Momente durch Farbänderung anzeigen können. Das oben dargestellte Prinzip/Konzept der photonischen Kristalle ist auch auf weitere Materialien oder Herstellungsmethoden anwendbar. According to embodiments, optical strain gauges can thus be realized, which can indicate the prevailing forces and moments by color change. The above principle / concept of photonic crystals is also applicable to other materials or manufacturing methods.

Claims

Patentansprüche  claims
1. Medizinischer Strumpf (100), mit folgenden Merkmalen: einem Strumpfmaterial (102); und einem an oder in dem Strumpfmaterial (102) angebrachten Sensorelement (10, 10', 104), wobei das Sensorelement (10, 10', 104) einen Messbereich und eine photonische Kristallanordnung (12) mit einer optischen Eigenschaft aufweist, wobei die optische Eigenschaft der photonischen Kristallanordnung (12) durch Einwirken einer physikalischen Messgröße auf die photonische Kristallanordnung (12) innerhalb des Messbereichs veränderbar ist, sodass die Änderung der optischen Eigenschaft erfassbar ist, wenn bei Einwirken der physikalischen Messgröße die Änderung der optischen Eigenschaft auftritt. A medical stocking (100) comprising: a sock material (102); and a sensor element (10, 10 ', 104) attached to or in the sock material (102), wherein the sensor element (10, 10', 104) has a measurement area and a photonic crystal array (12) with an optical property, wherein the optical Property of the photonic crystal assembly (12) is changed by the action of a physical quantity on the photonic crystal assembly (12) within the measuring range, so that the change in the optical property is detectable when the change of the optical property occurs when the physical measured variable.
2. Medizinischer Strumpf (100) gemäß Anspruch 1 , wobei der medizinische Strumpf ein medizinischer Kompressionsstrumpf oder ein medizinischer Thromboseprophylaxestrumpf ist. The medical stocking (100) of claim 1, wherein the medical stocking is a medical compression stocking or a medical thrombosis prophylaxis stocking.
3. Medizinischer Strumpf (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Sensorelement (10, 10', 104) als Messstreifen an der Oberfläche des Strumpfmaterials (102) in Form eines Aufklebers oder eines aufgenähten Streifens angebracht ist oder in dem Strumpfmaterial (102) verstrickt ist. The medical stocking (100) according to claim 1 or 2, wherein the sensor element (10, 10 ', 104) is attached to the surface of the sock material (102) in the form of a sticker or a sewn-on strip as a measurement strip or in the sock material (102 ) is entangled.
4. Medizinischer Strumpf (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Strumpfmaterial (102) Fäden oder Garne mit einer photonischen Kristallanordnung aufweist, so dass das Strumpfmaterial (102) intrinsisch das Sensorelement und dessen Funktionalität der optischen Dehnungsmessung aufweist. The medical stocking (100) of any one of claims 1 to 3, wherein the garment material (102) comprises threads or yarns having a photonic crystal arrangement such that the garment material (102) intrinsically comprises the sensor element and its optical strain measurement functionality.
5. Medizinischer Strumpf (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4. wobei die innerhalb des Messbereichs zu erfassende physikalische Messgröße eine mechanische Kraft, die in Zugrichtung, Druckrichtung, als Biegemoment oder als Torsionsmoment wirkt, umfasst. 5. Medical stocking (100) according to one of claims 1 to 4, wherein the physical measurement variable to be detected within the measurement range comprises a mechanical force acting in the tensile direction, pressure direction, as bending moment or as torsional moment.
6. Medizinischer Strumpf (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die optischen Eigenschaften auf zumindest zwei alternierenden oder mehreren Brechungsindizes (ni , n2, n3, ri4, num) innerhalb der photonischen Kristallanordnung (12) basiert. Medizinischer Strumpf (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die optischen Eigenschaften zu der Gruppe gehört, die Interferenz, Brechung, Beugung, Streuung, Reflexion, Absorption, Farbgebung, Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Biolumineszenz, Chemolumineszenz und/oder unterschiedliche Brechungsindizes (ni, n2, n3, ri4, nma) in der photonischen Kristallanordnung (12) umfasst. The medical stocking (100) of any one of claims 1 to 5, wherein the optical properties are based on at least two alternating or multiple indices of refraction (ni, n 2 , n 3 , ri 4 , num) within the photonic crystal array (12). A medical stocking (100) according to any one of claims 1 to 6, wherein the optical properties belong to the group comprising interference, refraction, diffraction, scattering, reflection, absorption, coloring, fluorescence, phosphorescence, bioluminescence, chemiluminescence and / or different refractive indices ( ni, n 2 , n 3 , ri 4, nma) in the photonic crystal arrangement (12).
Medizinischer Strumpf (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die optischen Eigenschaften in derart veränderbar sind, dass eine Veränderung einer Farbgebung, eine Veränderung einer Absorption, einer Fluoreszenz, eine Phosphoreszenz, einer Biolumineszenz oder einer Chemolumineszenz bewirkt wird. The medical stocking (100) of any one of claims 1 to 7, wherein the optical properties are modifiable to cause a change in coloration, change in absorbance, fluorescence, phosphorescence, bioluminescence, or chemiluminescence.
Medizinischer Strumpf (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die optischen Eigenschaften durch eingebrachte Fehlstellen (24), eingebrachte Partikel (12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12x) oder durch eine vorgespannte Kristallstruktur der photoni sehen Kristallanordnung (12) einstellbar sind. The medical stocking (100) according to any one of claims 1 to 8, wherein the optical properties are due to introduced defects (24), introduced particles (12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12x) or by a biased crystal structure of the photonic crystal arrangement (12) are adjustable.
Medizinischer Strumpf (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Kristallstruktur der photonischen Kristallanordnung (12) durch eine Umhüllung (22) der photonischen Kristallanordnung (12) einstellbar ist. The medical stocking (100) of any one of claims 1 to 9, wherein a crystal structure of the photonic crystal array (12) is adjustable by a cladding (22) of the photonic crystal array (12).
Medizinischer Strumpf (100) gemäß Anspruch 10, wobei die Umhüllung (22) eine Polymerstruktur aufweist, die ausgebildet ist, die Kristallstruktur zu fixieren. The medical stocking (100) of claim 10, wherein the sheath (22) has a polymer structure configured to fix the crystal structure.
Medizinischer Strumpf (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , wobei die photonische Kristallanordnung (12) auf einem flexiblen Substrat (19) an dem Strumpfmaterial (102) angeordnet ist. The medical stocking (100) of any one of claims 1 to 1 1, wherein the photonic crystal assembly (12) is disposed on a flexible substrate (19) on the sock material (102).
Medizinischer Verband mit einem medizinischen Substrat (19); und einem auf das medizinische Substrat (19) aufgebrachtes Sensorelement (10, 10'), mit folgenden Merkmalen: einer photonischen Kristallanordnung (12), die aufgrund ihrer Struktur eine oder mehrere optische Eigenschaften aufweisen; und einer Vielzahl von in die photonische Kristallanordnung (12) integrierten Rezeptorstellen (14) zur selektiven Interaktion mit Analyten (16), wobei die optischen Eigenschaften der photonischen Kristallanordnung (12) basierend auf den an den Rezeptorstellen (14) angelagerten Analyten (16) und/oder basierend auf direkter chemischer und/oder physikalischer Wechselwirkung der Analyten (16) mit den Rezeptorstellen (14) veränderbar sind. Medical bandage with a medical substrate (19); and a sensor element (10, 10 ') applied to the medical substrate (19), comprising: a photonic crystal array (12) having one or more optical properties due to its structure; and a plurality of receptor sites (14) integrated into the photonic crystal array (12) for selective interaction with analytes (16), wherein the optical properties of the photonic crystal array (12) are changeable based on the analytes (16) attached to the receptor sites (14) and / or based on direct chemical and / or physical interaction of the analytes (16) with the receptor sites (14).
14. Medizinischer Verband gemäß Anspruch 13, wobei die Rezeptorstellen (14) ausgebildet sind, Analyten (16) selektiv basierend auf einer Wechselwirkung anzukoppeln, die eine Protein-Protein-Wechselwirkung in Form einer Antikörper-Protein- Wechselwirkung, einer Antikörper-Antigen- Wechselwirkung, einer DNA-RNA- Wechselwirkung, einer DNA-DNA- Wechselwirkung, einer RNA-RNA- Wechselwirkung, einer DNA-Protein-Wechselwirkung, einer RNA-Protein- Wechselwirkung oder einer Enzym-Substrat- Wechselwirkung umfasst. The medical bandage of claim 13, wherein the receptor sites (14) are configured to selectively couple analytes (16) based on an interaction involving a protein-protein interaction in the form of an antibody-protein interaction, an antibody-antigen interaction , a DNA-RNA interaction, a DNA-DNA interaction, an RNA-RNA interaction, a DNA-protein interaction, an RNA-protein interaction or an enzyme-substrate interaction.
15. Medizinischer Verband mit einem medizinischen Substrat (19); und einem auf das medizinische Substrat (19) aufgebrachtes Sensorelement (10, 10'), mit folgenden Merkmalen: einem Messbereich; und einer photonischen Kristallanordnung (12), die eine optische Eigenschaft aufweist, wobei die optischen Eigenschaften der photonischen Kristallanordnung (12) durch Einwirken einer physikalischen Messgröße auf die photonische Kristallanordnung (12) innerhalb des Messbereichs veränderbar sind, sodass die Änderung der optischen Eigenschaft erfassbar ist, wenn bei Einwirken der physikalischen Messgröße die Änderung der optischen Eigenschaft auftritt. 15. Medical bandage with a medical substrate (19); and a sensor element (10, 10 ') applied to the medical substrate (19), comprising: a measuring area; and a photonic crystal array (12) having an optical property, wherein the optical properties of the photonic crystal array (12) are changeable by applying a physical quantity to the photonic crystal array (12) within the measurement area such that the change in the optical property is detectable if the change in the optical property occurs when the physical quantity is affected.
16. Medizinischer Verband gemäß Anspruch 15, wobei die innerhalb des Messbereichs zu erfassende physikalische Messgröße eine Temperatur, ein Strom, eine Ladung, eine Spannung, eine magnetische Feldstärke oder eine mechanische Kraft, die in Zugrichtung, Druckrichtung, als Biegemoment oder als Torsionsmoment wirkt, umfasst. 16. The medical bandage according to claim 15, wherein the physical measurement quantity to be detected within the measurement range is a temperature, a current, a charge, a voltage, a magnetic field strength or a mechanical force which acts in the tensile direction, pressure direction, as bending moment or as torsional moment. includes.
17. Medizinischer Verband gemäß einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die optischen17. Medical bandage according to one of claims 13 to 16, wherein the optical
Eigenschaften auf zumindest zwei alternierenden oder mehreren Brechungsindizes (ni, n2, n3, n4, n^ ) innerhalb der photonischen Kristallanordnung (12) basiert. Medizinischer Verband gemäß einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei die optischen Eigenschaften zu der Gruppe gehört, die Interferenz, Brechung, Beugung, Streuung, Reflexion. Absorption, Farbgebung, Fluoreszenz, Phosphoreszenz, Biolumineszenz, Chemolumineszenz und/oder unterschiedliche Brechungsindizes (ni, n2, n3, ri4, nLuft) in der photonischen Kristallanordnung (12) umfasst. Properties based on at least two alternating or multiple refractive indices (ni, n 2 , n 3 , n 4 , n ^) within the photonic crystal arrangement (12). A medical bandage according to any one of claims 13 to 17, wherein the optical properties belong to the group, the interference, refraction, diffraction, scattering, reflection. Absorption, coloring, fluorescence, phosphorescence, bioluminescence, chemiluminescence and / or different refractive indices (ni, n 2 , n 3 , ri4, n Lu ft) in the photonic crystal arrangement (12).
Medizinischer Verband gemäß einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei die optischen Eigenschaften in derart veränderbar sind, dass eine Veränderung einer Farbgebung, eine Veränderung einer Absorption, einer Fluoreszenz, eine Phosphoreszenz, einer Biolumineszenz oder einer Chemolumineszenz bewirkt wird. A medical bandage according to any one of claims 13 to 18, wherein the optical properties are modifiable to cause a change in coloration, a change in absorbance, fluorescence, phosphorescence, bioluminescence or chemiluminescence.
Medizinischer Verband gemäß einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die optischen Eigenschaften durch eingebrachte Fehlstellen (24), eingebrachte Partikel (12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12x) oder durch eine vorgespannte Kristallstruktur der photonischen Kristallanordnung (12) einstellbar sind. A medical bandage according to any one of claims 13 to 19, wherein the optical properties are adjustable by introduced defects (24), introduced particles (12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12x) or by a prestressed crystal structure of the photonic crystal assembly (12) are.
Medizinischer Verband gemäß einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei eine Kristallstruktur der photonischen Kristallanordnung (12) durch eine Umhüllung (22) der photonischen Kristallanordnung (12) einstellbar ist. A medical bandage according to any one of claims 13 to 20, wherein a crystal structure of the photonic crystal array (12) is adjustable by a cladding (22) of the photonic crystal array (12).
Medizinischer Verband gemäß Anspruch 21 , wobei die Umhüllung (22) eine Polymerstruktur aufweist, die ausgebildet ist, die Kristallstruktur zu fixieren. The medical bandage of claim 21, wherein the sheath (22) has a polymer structure configured to fix the crystal structure.
Medizinischer Verband gemäß einem der Ansprüche 13 bis 22, wobei die photonische Kristallanordnung (12) auf einem starren Substrat (19) oder einem flexiblen Substrat (19) angeordnet ist. A medical bandage according to any one of claims 13 to 22, wherein the photonic crystal array (12) is disposed on a rigid substrate (19) or a flexible substrate (19).
Medizinischer Verband gemäß Anspruch 23, wobei das starre Substrat (19) ein metallischer Träger, ein Glassubstrat oder ein Polymersubstrat ist oder wobei das flexible Substrat (19) ein Papiersubstrat, Textilsubstrat, Polymersubstrat oder ein Foliensubstrat ist. The medical bandage according to claim 23, wherein the rigid substrate (19) is a metallic carrier, a glass substrate or a polymer substrate or wherein the flexible substrate (19) is a paper substrate, textile substrate, polymer substrate or a film substrate.
25. Verfahren zum Herstellen eines medizinischen Strumpfes (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, mit dem Schritt: Aufbringen oder Einweben des Sensorelements (10, 10', 104) in das Strumpfmate- nal (102). 25. A method for manufacturing a medical stocking (100) according to any one of claims 1 to 12, comprising the step: Applying or weaving the sensor element (10, 10 ', 104) into the sock material (102).
26. Verfahren zum Herstellen eines medizinischen Verbandes gemäß einem der Ansprüche 1 3 bis 24, mit dem Schritt: 26. A method for manufacturing a medical bandage according to any one of claims 1 3 to 24, comprising the step:
Aufbringen oder Einweben des Sensorelements (10, 10') in das Verbandmaterial. Applying or weaving the sensor element (10, 10 ') into the dressing material.
27. Verfahren gemäß Anspruch 25 oder 26, wobei das Verfahren folgende Schritte des Herstellens des Sensorelements (10, 10', 104) umfasst: 27. The method according to claim 25 or 26, wherein the method comprises the following steps of producing the sensor element (10, 10 ', 104):
Anordnen von Partikeln (12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12x) definierter Größe, so dass eine photonische Kristallanordnung (12) ausgebildet wird; und  Arranging particles (12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12x) of a defined size so that a photonic crystal arrangement (12) is formed; and
Integrieren von Rezeptorstellen (14) zur selektiven Interaktion mit Analyten (16) in die photonische Kristallanordnung (12); oder Integrating receptor sites (14) for selectively interacting with analytes (16) in the photonic crystal array (12); or
Einstellen eines Messbereichs in der photonischen Kristallanordnung (12). Setting a measuring range in the photonic crystal arrangement (12).
28. Verfahren gemäß Anspruch 25 oder 26, wobei das Verfahren folgende Schritte des Einstellens einer Messfunktionalität des Sensorelements (10, 10', 104) umfasst: 28. The method of claim 25, wherein the method comprises the following steps of setting a measurement functionality of the sensor element (10, 10 ', 104):
Einbringen von Fehlstellen (24) und/oder Partikeln (12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12x) in die photonische Kristallanordnung (12), um zur Einstellung der optischen Eigenschaft zumindest zwei alternierenden oder mehreren Brechungsindizes (n1 ? n2, n3, n4, nLuft) innerhalb der photonischen Kristallanordnung (12) durch eine durch die Fehlstellen (24) oder die Partikel (12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12x) verspannte Kristallstruktur anzupassen; und/oder Introducing defects (24) and / or particles (12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12x) into the photonic crystal array (12) to adjust at least two alternating or multiple indices of refraction (n 1? N 2 , n 3 , n 4 , n air) within the photonic crystal array (12) by a crystal structure strained by the voids (24) or the particles (12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12x); and or
Vorspannen der Kristallstruktur der photonischen Kristallanordnung (12), um zur Einstellung der optischen Eigenschaft zumindest zwei alternierenden oder mehreren Brechungsindizes (ni , n2, n3, n4, nLuft) innerhalb der photonischen Kristallanordnung (12) durch eine mechanische Verschiebung der Kristallstruktur anzupassen. Biasing the crystal structure of the photonic crystal array (12) to adjust at least two alternating or multiple indices of refraction (ni, n 2 , n 3 , n 4 , n air) within the photonic crystal array (12) by mechanical displacement of the crystal structure to adjust the optical property ,
29. Sensorelement (10, 10', 104), mit folgenden Merkmalen: einem Messbereich; und einer photonischen Kristallanordnung (12), die eine oder mehrere optische Eigenschaften aufweist, wobei die optischen Eigenschaften der photonischen Kristallanordnung (12) durch Einwirken einer physikalischen Messgröße auf die photonische Kristallanordnung (12) innerhalb des Messbereichs veränderbar sind, sodass die Änderung der optischen Eigenschaft erfassbar ist, wenn bei Einwirken der physikalischen Messgröße die Änderung der optischen Eigenschaft auftritt, und wobei die innerhalb des Messbereichs zu erfassende physikalische Messgröße eine Temperatur, einen elektrischen Strom, eine elektrische Ladung, eine elektrische Spannung oder eine magnetische Feldstärke umfasst. 29. Sensor element (10, 10 ', 104), having the following features: a measuring range; and a photonic crystal arrangement (12) having one or more optical properties, wherein the optical properties of the photonic crystal array (12) by changing a physical quantity on the photonic crystal array (12) are variable within the measuring range, so that the change of the optical property detectable is when the change in the optical property occurs when the physical measured variable acts, and wherein the physical measured variable to be detected within the measuring range comprises a temperature, an electrical current, an electrical charge, an electrical voltage or a magnetic field strength.
30. Sensorelement (10, 10', 104), mit folgenden Merkmalen: einer photonischen Kristallanordnung (12), die aufgrund ihrer Struktur eine oder mehrere optische Eigenschaften aufweisen; und einer Vielzahl von in die photonische Kristallanordnung (12) integrierten Rezeptorstellen (14) zur selektiven Interaktion mit Analyten (16), wobei die optischen Eigenschaften der photonischen Kristallanordnung (12) basierend auf den an den Rezeptorstellen (14) angelagerten Analyten (16) und/oder basierend auf direkter chemischer und/oder physikalischer Wechselwirkung der Analyten (16) mit den Rezeptorstellen (14) veränderbar sind, und wobei eine Kristallstruktur der photonischcn Kristallanordnung (12) durch eine Umhüllung (22) der photonischen Kristallanordnung (12) einstellbar ist, wobei die Umhüllung (22) eine Polymerstruktur aufweist, die ausgebildet ist, die Kristallstruktur zu fixieren. 30 sensor element (10, 10 ', 104), comprising: a photonic crystal arrangement (12), which have one or more optical properties due to their structure; and a plurality of receptor sites (14) integrated into the photonic crystal array (12) for selectively interacting with analytes (16), the optical properties of the photonic crystal array (12) being based on the analytes (16) and receptor sites (14) / or are variable based on direct chemical and / or physical interaction of the analytes (16) with the receptor sites (14), and wherein a crystal structure of the photonic crystal array (12) is adjustable by a cladding (22) of the photonic crystal array (12), wherein the sheath (22) has a polymer structure configured to fix the crystal structure.
31. Sensorelement (10, 10', 104), mit folgenden Merkmalen: einem Messbereich; und einer photonischen Kristallanordnung (12), die eine optische Eigenschaft aufweist, wobei die optischen Eigenschaften der photonischen Kristallanordnung (12) durch Einwirken einer physikalischen Messgröße auf die photonische Kristallanordnung (12) innerhalb des Messbereichs veränderbar sind, sodass die Änderung der optischen Eigenschaft erfassbar ist, wenn bei Einwirken der physikalischen Messgröße die Änderung der optischen Eigenschaft auftritt, wobei eine Kristallstruktur der photonischen Kristallanordnung (12) durch eine Umhüllung (22) der photonischen Kristallanordnung (12) einstellbar ist, wobei die Umhüllung (22) eine Polymerstruktur aufweist, die ausgebildet ist, die Kristallstruktur zu fixieren. 31. Sensor element (10, 10 ', 104), having the following features: a measuring range; and a photonic crystal arrangement (12) having an optical property, the optical properties of the photonic crystal arrangement (12) being variable by the action of a physical quantity on the photonic crystal arrangement (12) within the measuring range, so that the change in the optical property can be detected if the change in the optical property occurs when the physical measured variable acts, wherein a crystal structure of the photonic crystal array (12) is adjustable by a cladding (22) of the photonic crystal array (12), the cladding (22) having a polymer structure configured to fix the crystal structure.
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