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DE102021133357A1 - Sensorelement, Sensorsystem und Verfahren zum Herstellen des Sensorelements - Google Patents

Sensorelement, Sensorsystem und Verfahren zum Herstellen des Sensorelements Download PDF

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DE102021133357A1
DE102021133357A1 DE102021133357.1A DE102021133357A DE102021133357A1 DE 102021133357 A1 DE102021133357 A1 DE 102021133357A1 DE 102021133357 A DE102021133357 A DE 102021133357A DE 102021133357 A1 DE102021133357 A1 DE 102021133357A1
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DE
Germany
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light
light guide
sensor element
functional layer
layer
Prior art date
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Pending
Application number
DE102021133357.1A
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English (en)
Inventor
Robert Lichtenheldt
Andreas Löbbert
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Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Original Assignee
Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
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Publication date
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sensorelement (10) zum Detektieren eines Analyten, umfassend:- einen Lichtleiter (20), welcher sich entlang einer Achse (A) erstreckt und ein erstes Ende (21), ein zweites Ende (22) sowie eine sich zwischen dem ersten Ende (21) und dem zweiten Ende (22) erstreckende Mantelfläche (23) aufweist, wobei der Lichtleiter (20) dazu geeignet ist, am ersten Ende (21) ein Stimulationslicht (S) in den Lichtleiter (20) einzuleiten,- eine Funktionsschicht (30), welche auf dem Lichtleiter (20) angeordnet ist, so dass die Mantelfläche (23) von der Funktionsschicht (30) bedeckt ist, wobei die Funktionsschicht (30) dazu geeignet ist, durch das Stimulationslicht (S) stimuliert zu werden, um ein Lumineszenzlicht (L) zu emittieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Sensorelement, ein Sensorsystem und ein Verfahren zum Herstellen des Sensorelements.
  • In der Analysemesstechnik, insbesondere im Bereich der Wasserwirtschaft, der Umweltanalytik, im industriellen Bereich, z.B. in der Lebensmitteltechnik, der Biotechnologie und der Pharmazie, sowie für verschiedenste Laboranwendungen sind Messgrößen wie der pH-Wert, die Leitfähigkeit, oder auch die Konzentration von Analyten, wie beispielsweise Ionen oder gelösten Gasen in einem gasförmigen oder flüssigen Messmedium von großer Bedeutung. Diese Messgrößen können beispielsweise mittels optochemischer oder elektrochemischer Sensoren erfasst und/oder überwacht werden.
  • Optochemische Sensoren weisen ein optochemisches Substrat auf, welches bei Stimulation mit einer Erregerstrahlung ein meist lumineszierendes Antwortsignal abgibt. Das Antwortsignal ist in seinen Signaleigenschaften durch bestimmte Ziel-Analyten beeinflussbar. Ist also ein Ziel-Analyt im Messmedium vorhanden, so wird das Antwortsignal des optochemischen Sensors verändert, was auf die Konzentration des Ziel-Analyten im Messmedium schließen lässt.
  • Ein Problem bei optochemischen Substraten ist die meist geringe Quantenausbeute und/oder Extinktionskoeffizienten, was zu relativ schwachen Antwortsignalen und somit zu einem suboptimalen Signal-/Rauschverhältnis führt. Dies wiederum birgt die Gefahr von unsicheren Messsignalen. Um die Intensität der Antwortsignale zu erhöhen und somit eine gesteigerte Messsicherheit zu erreichen, ist es möglich, die Intensität des Stimulationsignals zu erhöhen. Jedoch führt dies unweigerlich zu einer verkürzten Lebensdauer des optochemischen Substrats sowie zu einem erhöhten Energieverbrauch. Ein erhöhter Energieverbrauch jedoch ist besonders nachteilig, wenn der Sensor mit dem Sensorelement in einem explosionsgefährdeten Bereich eingesetzt werden soll, da dort bestimmte Energievorschriften mit strengen Energiegrenzen gelten.
  • Weitere bekannte Probleme bei optochemischen Substraten sind:
    1. a) eine zu geringe Intensität des Sensorspots aufgrund von einer zu geringen Farbstoffquantenausbeute, eines zu geringen spezifischen Extinktionskoeffizienten des Farbstoffes, einer zu geringen Farbstoffkonzentration (besonders problematisch bei z.B. pH-Sensoren, Biosensoren und Algensensoren);
    2. b) Absorptionsverluste durch zu dicke Sensorschichten und dadurch bedingt zu langsame Ansprechzeiten des Sensors (z.B. Farbstoff gelöst in Fluoropolymer wie HyflonAD oder TeflonAF).
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Sensorelement bereitzustellen, welches es ermöglicht, die Zuverlässigkeit und die Sensitivität zu maximieren und gleichzeitig den Energieverbrauch zum Betreiben des Sensorelements zu minimieren.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Sensorelement gemäß Anspruch 1.
  • Das erfindungsgemäße Sensorelement zum Detektieren eines Analyten, umfassend:
    • - einen Lichtleiter, welcher sich entlang einer Achse erstreckt und ein erstes Ende, ein zweites Ende sowie eine sich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende erstreckende Mantelfläche aufweist,
    wobei der Lichtleiter dazu geeignet ist, am ersten Ende ein Stimulationslicht in den Lichtleiter einzuleiten,
    • - eine Funktionsschicht, welche auf dem Lichtleiter angeordnet ist, so dass die Mantelfläche von der Funktionsschicht bedeckt ist, wobei die Funktionsschicht dazu geeignet ist, durch das Stimulationslicht stimuliert zu werden, um ein Lumineszenzlicht zu emittieren.
  • Anhand des erfindungsgemäßen Sensorelements wird ermöglicht, dass die Signalintensität des von der Funktionsschicht abgestrahlten Lumineszenzlichts maximiert wird. Zugleich ermöglicht das Sensorelement, eine Minimierung der Intensität des Stimulationslichts, was zu einer Energieminimisierung führt. Daher eignet sich das Sensorelement besonders für die Verwendung in Sensoren, welche in explosionsgefährdeten Bereichen, in welchen strenge Energiegrenzen für Sensoren herrschen, zum Einsatz kommen. Ebenso wird dank dem möglichen niedrigen Stimulationslicht eine verringerte Langzeitdrift bei ausreichender Schichtdicke der mithilfe dem Sensorelement ermittelten Messwerte erreicht. Somit wird durch das Sensorelement die Zuverlässigkeit der durch das Sensorelement ermittelten Messergebnisse maximiert, die Sensitivität von relevanten Analyten maximiert und der Energieverbrauch eines Sensors mit dem Sensorelement minimiert. Ein weiterer Vorteil ist, dass minimale Materialquantität zur Erstellung der Funktionsschicht notwendig wird. Es wird somit ein Sensorelement zur Verfügung gestellt, welches eine optimale Ansprechzeit und einen minimalen Materialverbrauch für die Funktionssicht aufweist.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Funktionsschicht von einer gasdurchlässigen und/oder wasserdurchlässigen Membranschicht bedeckt.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die gasdurchlässige und/oder wasserdurchlässige Membranschicht von einer gasdurchlässigen und/oder wasserdurchlässigen Schutzschicht bedeckt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist am zweiten Ende eine Reflexionsschicht angeordnet, und die Reflexionsschicht ist dazu geeignet, das Stimulationslicht zu reflektieren.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Lichtleiter einen Brechungsindex grösser als der Brechungsindex der Funktionsschicht auf.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist auf der Funktionsschicht eine Reflexionsschicht und/oder eine optische Isolationsschicht aufgebracht.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der Lichtleiter eine zylindrische Form, eine Kegelstumpfform, eine Kegelform, eine pyramidenartige Form oder eine tetragonale Form auf.
  • Die oben genannte Aufgabe wird ebenso gelöst durch ein Sensorsystem gemäß Anspruch 8.
  • Das erfindungsgemäße Sensorsystem umfasst:
    • - mindestens ein erfindungsgemäßes Sensorelement,
    • - eine Lichtquelle, welche dazu geeignet ist, ein Stimulationslicht zu emittieren und derart angeordnet ist, dass das Stimulationslicht am ersten Ende des Lichtleiters in den Lichtleiter einleitbar ist,
    • - einen Detektor, welcher dazu geeignet ist, ein Lumineszenzlicht zu detektieren,
    • - eine Steuereinheit, welche mit der Lichtquelle und dem Detektor verbunden ist, und dazu geeignet ist, eine Emission des Stimulationslichts der Lichtquelle zu steuern und ein von dem Detektor detektiertes Lumineszenzlicht auszuwerten.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Lichtquelle und der Detektor jeweils über eine Lichtfaser mit dem ersten Ende des Lichtleiters verbunden.
  • Die oben genannte Aufgabe wird ebenso gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements gemäß Anspruch 10.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    • - Bereitstellen eines Lichtleiterrohlings,
    • - Ausbilden mindestens eines Lichtleiters mittels einem Laserverfahren oder einem spanenden Materialabtragungsverfahren,
    • - Auftragen einer Funktionsschicht auf den mindestens einen Lichtleiter mittels einem Eintauch-Verfahren, Spraycoating-Verfahren, Spincoating-Verfahren oder Inkjet-Verfahen.
  • Die oben genannte Aufgabe wird ebenso gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements gemäß Anspruch 11.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    • - Ausbilden mindestens eines Lichtleiters mittels einem additiven Materialauftragungsverfahren, insbesondere einem 3D-Druck-Verfahren,
    • - Auftragen einer Funktionsschicht auf den mindestens einen Lichtleiter mittels einem Eintauch-Verfahren, Spraycoating-Verfahren, Spincoating-Verfahren oder Inkjet-Verfahen.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigen:
    • - 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems mit einem erfindungsgemäßen Sensorelement,
    • - 2: eine weitere schematische Schnittzeichnung eines erfindungsgemäßen Sensorsystems und eines erfindungsgemäßen Sensorelements,
    • - 3: eine schematische Darstellung eines Schritts des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens des erfindungsgemäßen Sensorelements,
    • - 4: einen auf den in 3 dargestellten Schritt nachfolgenden Schritt,
    • - 5: einen auf den in 4 dargestellten Schritt nachfolgenden Schritt,
    • - 6: einen auf den in 5 dargestellten Schritt nachfolgenden Schritt,
    • - 7: einen auf den in 6 dargestellten Schritt nachfolgenden Schritt,
    • - 8: einen auf den in 6 dargestellten Schritt nachfolgenden alternativen Schritt,
    • - 9: eine alternative Ausführungsform eines Sensorelements,
    • - 10: eine alternative Ausführungsform des Sensorsystems aus 2.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Sensorsystem 1 mit mindestens einem Sensorelement 10, einer Lichtquelle 2, einem Detektor 3 und einer Steuereinheit 4.
  • 2 zeigt das erfindungsgemäße Sensorsystem 1 und Sensorelement 10 zum Detektieren eines Analyten. Die Lichtquelle 2 und der Detektor 3 sind ebenfalls schematisch in 2 dargestellt, auf welche später im Detail eingegangen wird.
  • Das Sensorelement 10 ist dazu geeignet, einem Messmedium M, in welchem ein spezifischer Analyt N vorhanden ist, ausgesetzt zu werden. Der Analyt N ist ein spezifisches Molekül, beispielsweise Sauerstoff oder ist ein bestimmtes Ion, beispielsweise ein Kaliumion, ein Natriumion oder ein Wasserstoffion.
  • Das Sensorelement 10 umfasst einen Lichtleiter 20 und eine Funktionsschicht 30. Das Sensorelement 10 erstreckt sich entlang einer Achse A und weist ein erstes Ende 21, ein zweites Ende 22 sowie eine sich zwischen dem ersten Ende 21 und dem zweiten Ende 22 erstreckende Mantelfläche 23 auf. Die Mantelfläche 23 verbindet das erste Ende 21 und das zweite Ende 22.
  • Der Lichtleiter 20 ist dazu geeignet, am ersten Ende 21 ein Stimulationslicht S in den Lichtleiter 20 einzuleiten. Der Lichtleiter 20 ist zum Beispiel aus Glas, Glaskeramik, Silikat, Saphir, Polymer, Polycarbonat, PET, PEN, PVDF, Teflon, oder Hybridmaterialien wie Ormosile sowie Derivate davon, hergestellt. Auch hydrophilisierte Oberflächen dieser Materialien sind zur Verwendung des Lichtleiters 20 möglich. Der Lichtleiter 20 weist zum Beispiel eine zylindrische Form, eine Kegelstumpfform, eine Kegelform, eine pyramidenartige Form, rhombische Form oder eine tetragonale Form auf (siehe 9). Ein Oberflächen-Volumenverhältnis des Lichtleiters 20 ist vorzugsweise größer 3, besonders bevorzugt größer 5 und am meisten bevorzugt größer 10. Der Lichtleiter 20 weist zum Beispiel einen Brechungsindex zwischen 1,3 und 1,7 auf. Vorzugsweise ist der Brechungsindex des Lichtleiters 20 größer als der Brechungsindex der Funktionsschicht 30. Gemäß einer Ausführungsform ist der Lichtleiter 20 als eine Art Seitenlichtfaser ausgebildet. In anderen Worten wird das im Kern des Lichtleiters 20 geführte Stimulationslicht S nicht nur entlang der Achse A geleitet, sondern gezielt auch seitlich in die Funktionsschicht 30 abgestrahlt. Die Mantelfläche 23 des Lichtleiters 20 ist vorzugsweise rau oder porös ausgestaltet, beispielsweise mittels eines Sandstrahlverfahrens, so dass die Haftung der Funktionsschicht 30 optimal ist und/oder dass das Stimulationslicht S dazu geeignet ist, in die Funktionsschicht 30 gestreut zu werden. Wenn die Mantelfläche 23 porös ausgestaltet ist, so erstreckt sich die Funktionsschicht 30 zumindest teilweise in den Lichtleiter 20. In anderen Worten füllt die Funktionsschicht 30 die Poren der Oberfläche des Lichtleiters 20.
  • Die Funktionsschicht 30 ist auf dem Lichtleiter 20 angeordnet, so dass die Mantelfläche 23 von der Funktionsschicht 30 bedeckt ist. Die Funktionsschicht 30 ist dazu geeignet, durch das Stimulationslicht S stimuliert zu werden, um ein Lumineszenzlicht L in den Lichtleiter 20 einzuleiten, so dass das Lumineszenzlicht L am ersten Ende 21 ausleitbar ist (siehe 2 - 8). Die Funktionsschicht 30 weist einen Indikatorfarbstoff auf, welcher bei Stimulation mit dem Stimulationslicht S, vorzugsweise bei einer bestimmten Wellenlänge, zum Beispiel 300 nm -1500 nm, vorzugsweise bei der Wellenlänge von 350 nm - 2000 nm, ein Lumineszenzlicht L abstrahlt. Je nach Konzentration des Analyten N im Messmedium M werden die Eigenschaften (Intensität, Phase, etc.) des Lumineszenzlichts L beeinflusst (sogenanntes Quenching; oder aber eine Intensitätsverstärkung). Das vom Indikatorfarbstoff abgestrahlte Lumineszenzlicht L ist vorzugsweise fluoreszierend. Gemäß einer Ausführungsform weist die Funktionsschicht 30 auch einen Referenzfarbstoff auf, welcher ein Lumineszenzlicht L unabhängig von der Konzentration eines Analyten N im Messmedium abstrahlt. Somit ist in dieser Ausführungsform ein Teil des Lumineszenzlichts L durch den Referenzfarbstoff generiert. Der Anteil des Lumineszenzlicht L, welcher durch den Referenzfarbstoff generiert ist, ist phosphorisierend. Ein Sensorelement 10 dieser Ausführungsform eignet sich zur Verwendung zum sogenannten Dual-life-time-referencing. Die Funktionsschicht weist vorzugsweise eine Dicke von 0,01 µm - 10 µm, besonders bevorzugt von 0,1 - 5 µm auf.
  • Im Folgenden wird unter Reflexion verstanden: Streuung (z.B. mittels einer Oxydbeschichtung), Spiegelung (z.B. mittels einer Metallbeschichtung), Totalreflexion (Schicht weist geringer Brechzahl als die dem Lichtweg vorgelagerte Schicht auf).
  • Ist die Reflexionsschicht 60 am zweiten Ende 22 des Lichtleiters 20 angeordnet, so findet Streuung oder Spiegelung an der Reflexionsschicht 60 statt (siehe 4 - 8).
  • Ist die Reflexionsschicht 60' lateral zum Lichtleiter 20 angeordnet, also entlang der Achse A, so findet Totalreflexion, Streuung oder Spiegelung an der Reflexionsschicht 60' statt (siehe 10). In dieser Ausführungsform ist die Reflexionsschicht 60` optional mehrschichtig ausgebildet, wobei die Brechzahl der jeweiligen Schichten umso mehr abnimmt, desto mehr die Schichten von dem Lichtleiter 20 entfernt sind.
  • Alternativ kann die Reflexionsschicht 60 bei dünnen Schichten und poröser Struktur (sogenannter „Leaky Mode Waveguide“) auch direkt auf dem Indikatorfarbstoff aufgebracht werden. Idealerweise wird die Reflexionsschicht 60 am Faserende, also am zweiten Ende 22 aufgebracht.
  • Gemäß einer mit Ausführungsformen ist die Funktionsschicht 30 von einer gasdurchlässigen und/oder wasserdurchlässigen Membranschicht 40 bedeckt (siehe 6).
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die gasdurchlässige und/oder wasserdurchlässige Membranschicht 40 von einer gasdurchlässigen und/oder wasserdurchlässigen Schutzschicht 50 bedeckt (siehe 7 - 8). Die Schutzschicht 50 weist zum Beispiel auch optisch isolierende Eigenschaften auf.
  • Gemäß einer mit allen Ausführungsformen kompatiblen Ausführungsform ist am zweiten Ende 22 eine Reflexionsschicht 60 angeordnet. Die Reflexionsschicht 60 ist dazu geeignet, das Stimulationslicht S zu reflektieren (siehe 3 - 8). Die Reflexionsschicht 60 ist zum Beispiel aus Silber oder einem anderen spiegelartigen Material. Die Reflexionsschicht 60 weist vorzugsweise optisch isolierende Eigenschaften auf. Unter optisch isolierend wird verstanden, dass die Reflexionsschicht 60 nicht von zum Beispiel Stimulationslicht S oder Lumineszenzlicht L durchquert werden kann.
  • Alle über der Funktionsschicht 30 angeordneten Schichten weisen vorzugsweise eine Dicke geringer 10 µm auf, vorzugsweise zwischen 0,01 - 5 µm, besonders bevorzugt zwischen 0,1 - 2 µm.
  • Die Lichtquelle 2 ist dazu geeignet, ein Stimulationslicht S zu emittieren. Das Stimulationslicht S weist vorzugsweise eine Wellenlänge zwischen 300 nm und 1500 nm, besonders bevorzugt zwischen 450 - 900 µm auf. Die Wellenlänge wird je nach Anwendungsgebiet des Sensorelements, also abhängig vom zu messenden Medium, ausgewählt. Die Lichtquelle 2 ist derart angeordnet, dass das Stimulationslicht S am ersten Ende 21 des Lichtleiters 20 in den Lichtleiter 20 einleitbar ist. Zum Beispiel ist die Lichtquelle 2 mittels einer Lichtfaser 5 mit dem ersten Ende 21 des Lichtleiters 20 verbunden (siehe 1). Vorzugsweise wird das Stimulationslicht S derart in den Lichtleiter 20 eingeleitet, dass das Stimulationslicht S durch Reflexion und/oder Totalreflexion im Lichtleiter 20 propagiert. Beispielsweise tritt das Stimulationslicht S wieder am ersten Ende 21 aus dem Lichtleiter 20 aus.
  • Der Detektor 3 ist dazu geeignet, ein Lumineszenzlicht L zu detektieren und ist derart angeordnet, dass ein am ersten Ende 21 des Lichtleiters 20 austretendes Lumineszenzlicht L vom Detektor 3 detektierbar ist. Zum Beispiel ist der Detektor 3 mittels einer Lichtfaser 5 mit dem ersten Ende 21 des Lichtleiters 20 verbunden (siehe 1). Falls das Stimulationslicht S wieder aus dem Lichtleiter 20 austritt und auch auf den Detektor 3 fällt, weist der Detektor 3 beispielsweise einen Filter auf, um das Stimulationslicht S zu filtern, das Lumineszenzlicht L jedoch zu detektieren. Der Detektor 3 ist zum Beispiel dazu geeignet, nur Licht in einem beschränkten Wellenlängenbereich, insbesondere des Wellenlängenbereichs, welcher dem Lumineszenzlicht L entspricht, zu detektieren.
  • Die Steuereinheit 4 ist mit der Lichtquelle 2 und dem Detektor 3 verbunden. Die Steuereinheit 4 ist dazu geeignet, eine Emission des Stimulationslichts S der Lichtquelle 2 zu steuern und ein von dem Detektor 3 detektiertes Lumineszenzlicht L auszuwerten.
  • 10 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorsystems 1, welche auf der sogenannten Durchlichtvariante basiert. Der Unterschied zu dem in 1 dargestellten Sensorsystem 1 ist, dass der Lichtleiter 20 am zweiten Ende 22 frei von Beschichtungen ist, so dass das Stimulationslicht S und Lumineszenzlicht L dazu geeignet ist, an dem zweite Ende 22 des Lichtleiters 20 auszutreten. Der Detektor 3 ist in dieser Ausführungsform am zweiten Ende 22 angeordnet. Zum Beispiel ist der Detektor 3 mit einem Filter 6 versehen, so dass nur das Lumineszenzlicht L den Filter 6 passiert. Optional ist die Reflexionsschicht 60' auf der Funktionsschicht 30 angeordnet, so dass aus der Funktionsschicht 30 austretendes Lumineszenzlicht L zurück in den Lichtleiter 20 reflektiert wird. Die Reflexionsschicht 60' weist zum Beispiel einen niedrigeren Brechungsindex als die Funktionsschicht 30 auf oder weist ein reflektierendes Metall wie Silber, Chrom, etc. auf, oder weist ein lichtstreuendes Material auf, zum Beispiel Metalloxide wie Titanoxyd.
  • Das Sensorsystem 1 ist beispielsweise in verschiedenen Varianten ausbildbar.
  • Variante A:
    • Die Funktionsschicht 30 weist den Indikatorfarbstoff auf und ist auf der Oberfläche des Lichtleiters 20 angeordnet. Die Reflexionsschicht 60 ist am Faserende angeordnet. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Sensorelementen 10 sind mit permeablen Füllmaterial (Silikon+Pigmentmaterial) gefüllt. Der Indikatorfarbstoff ist direkt in Fluoropolymere wie Teflon AF, Hyflon AD etc. gelöst, was das Sensorsystem 1 besonders für Anwendungen wie gelöst Sauerstoffmessungen und für die Verwendung als Biosensor eignen lässt. Die Anregungswellenlänge des Stimulationslichts S liegt hier bei 450 - 1000nm (Ausnahmen möglich bis 1500nm).
  • Variante B:
    • Die Funktionsschicht 30 weist den Referenzfarbstoff auf und ist auf der Oberfläche des Lichtleiters 20 angeordnet. Die Reflexionsschicht 60 ist am Faserende angeordnet. Die Zwischenräume zwischen den einzelnen Sensorelementen 10 sind ohne Füllmaterial oder aber mit wasserdurchlässigem Material (Hydrogele, Polyurethane, Polysaccharide, Cellulosederivate, Siloxane, Aerogele, Solgel) versehen, was eine Verwendung des Sensorsystems besonders für Anwendungen wie Algenmessung und Öl-Messung ermöglicht. Die Anregungswellenlänge des Stimulationslichts S liegt bei: 250-550nm.
  • Variante C:
    • Die Funktionsschicht 30 weist den Indikatorfarbstoff und den Referenzfarbstoff auf und ist auf der Oberfläche des Lichtleiters 20 angeordnet. Die Reflexionsschicht 60 ist am Faserende angeordnet. Die Zwischenräume zwischen den einzelenen Sensorelementen 10 sind mit wasserdurchlässigem Material (Hydrogel, Hydrogele, Polyurethane, Polysaccharide, Cellulosederivate Siloxane, Aerogele, Solgel) gefüllt, was eine Eignung des Sensorsystems 1 besonders für pH-Messungen und eine Verwendung als Biosensor ermöglicht. Die Anregungswellenlänge des Stimulationslichts S liegt bei 450-1000 nm (Ausnahmen möglich bis 1500nm).
  • Im Folgenden wird das Verfahren zum Herstellen des Sensorelements 10 beschrieben.
  • Gemäß einem ersten impliziten Schritt wird ein Lichtleiterrohlings bereitgestellt (in 3 gestrichelt dargestellt).
  • Anschließend wird mindestens ein Lichtleiter 20 mittels einem Laserverfahren oder einem spanenden Materialabtragungsverfahren ausgebildet. Vorzugsweise wird eine Vielzahl an Lichtleiter 20 ausgebildet (siehe 3). Vorzugsweise wird eine Basis des Lichtleiterrohlings, ein sogenannter Substratboden zur optimalen Stabilität der Lichtleiter 20 oder des Lichtleiters 20 beibehalten (siehe 3). Die Lichtleiter 20 stehen vorzugsweise lotrecht zum Substratboden.
  • Dann erfolgt ein Auftragen der Funktionsschicht 30 auf den mindestens einen Lichtleiter 20 mittels eins Eintauch-Verfahrens, Spraycoating-Verfahren, Spincoating-Verfahren, Inkjet-Verfahren, einer Kombination dieser zuvorgenannter Verfahren, oder einem anderen geeignetem Verfahren (siehe 5).
  • Falls das Eintauch-Verfahren, zum Beispiel mittels einem Tauchbad, verwendet wird, so folgt idealerweise ein Schritt des Befreiens des Sensorelements 10 von überflüssigem Material der Funktionsschicht 30, so dass wenn mehrere Lichtleiter 20 jeweils mit der Funktionsschicht 30 beschichtet wurden, die jeweiligen Funktionsschichten 30 sich nicht entlang der Achse A berühren. In anderen Worten ist nach dem Auftragen der Funktionsschicht 30 zwischen den verschiedenen Sensorelementen 10 trotzdem ein Zwischenraum vorhanden. Dies ermöglicht, dass die zu messenden Analyten N dazu geeignet sind, mit den Funktionsschichten 30 in Berührung zu kommen. Das Befreien von überflüssigem Material geschieht zum Beispiel mit Hilfe eines Schleuderverfahrens. Dies ermöglicht, dass eine homogene Schichtdicke der Funktionsschicht 30 erreicht wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens wird der Lichtleiter 20 mittels einem additiven Materialauftragungsverfahren hergestellt. Gemäß dieser alternativen Ausführungsform entfällt somit der Schritt des Bereitstellens des Lichtleiterrohlings und der Schritt des Ausbildens des Lichtleiters 20 mittels einem Laserverfahren oder einem spanenden Materialabtragungsverfahren. Das additive Materialauftragungsverfahren ist zum Beispiel ein 3D-Druck-Verfahren oder ein Pipettierverfahren mithilfe eines Nanopipettierroboters. Ein Vorteil der Verwendung eines 3D-Druck-Verfahren ist, dass der Lichtleiter 20 in Geometrien herstellbar ist, welche mit anderen Herstellungsverfahren nur mit großem Aufwand oder überhaupt nicht herstellbar sind.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens, wobei diese Ausführungsform mit allen beschriebenen Ausführungsformen kompatibel ist, und in 4 dargestellt ist, wird vor dem Schritt des Auftragens der Funktionsschicht 30 eine Reflexionsschicht 60 auf dem zweiten Ende 22 des Lichtleiters 20 aufgetragen. Die Reflexionsschicht 60 wird zum Beispiel gerakelt oder mittels einer Schablone auf den, bzw. bei mehreren Lichtleitern 20 auf die einzelnen Lichtleiter 20 aufgebracht. Die Reflexionsschicht 60 wird zum Beispiel durch Bedampfen von Silber oder Aluminium auf den Lichtleiter 20 hergestellt.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens, welche in 6 und 7 dargestellt ist, erfolgt nach dem Schritt des Auftragens der Funktionsschicht 30 ein Auftragen einer gasdurchlässigen und/oder einer wasserdurchlässigen Membranschicht 40. Falls die Membranschicht 40 eine wasserdurchlässige Schicht ist, so weist die Membranschicht 40 vorzugsweise ein Hydrogel auf. Falls die Membranschicht 40 gasdurchlässig ist, so weist die Membranschicht 40 vorzugsweise ein Polymer, wie ein Silikon oder ein Fluoropolymer, auf.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens, welche in 6 und 7 dargestellt ist, erfolgt nach dem Schritt des Auftragens Membranschicht 40 ein Auftragen einer optischen Isolationsschicht 40`. Die optischen Isolationsschicht 40' absorbiert Licht.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens, welche in 7 und 8 dargestellt ist, erfolgt nach dem Schritt des Auftragens der Funktionsschicht 30, oder nach dem Schritt des Auftragens der Membranschicht 40 ein Auftragen einer Schutzschicht 50. Die Schutzschicht 50 ist vorzugsweise eine Schicht, welche den Sensorelement 10 dazu befähigt, in einem Messmedium M mit besonders hygienischen Vorschriften, zum Beispiel Lebensmittel, zu Messen. Die Schutzschicht 50 ist zum Beispiel aus einem superhydrophilen Polymer bzw. Beschichtung oder einer superhydrophoben / hydrophoben Polymer/ Beschichtung ausgeführt.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Sensorsystem
    2
    Lichtquelle
    3
    Detektor
    4
    Steuereinheit
    5
    Lichtfaser
    6
    Filter
    10
    Sensorelement
    20
    Lichtleiter
    21
    erstes Ende
    22
    zweites Ende
    23
    Mantelfläche
    30
    Funktionsschicht
    40
    Membranschicht
    40`
    optische Isolationsschicht
    50
    Schutzschicht
    60, 60'
    Reflexionsschicht
    S
    Stimulationslicht
    L
    Lumineszenzlicht
    A
    Achse
    M
    Messmedium
    N
    Analyt

Claims (11)

  1. Sensorelement (10) zum Detektieren eines Analyten, umfassend: - einen Lichtleiter (20), welcher sich entlang einer Achse (A) erstreckt und ein erstes Ende (21), ein zweites Ende (22) sowie eine sich zwischen dem ersten Ende (21) und dem zweiten Ende (22) erstreckende Mantelfläche (23) aufweist, wobei der Lichtleiter (20) dazu geeignet ist, am ersten Ende (21) ein Stimulationslicht (S) in den Lichtleiter (20) einzuleiten, - eine Funktionsschicht (30), welche auf dem Lichtleiter (20) angeordnet ist, so dass die Mantelfläche (23) von der Funktionsschicht (30) bedeckt ist, wobei die Funktionsschicht (30) dazu geeignet ist, durch das Stimulationslicht (S) stimuliert zu werden, um ein Lumineszenzlicht (L) zu emittieren.
  2. Sensorelement (10) gemäß Anspruch 1, wobei die Funktionsschicht (30) von einer gasdurchlässigen und/oder wasserdurchlässigen Membranschicht (40) bedeckt ist.
  3. Sensorelement (10) gemäß Anspruch 2, wobei die gasdurchlässige und/oder wasserdurchlässige Membranschicht (40) von einer gasdurchlässigen und/oder wasserdurchlässigen Schutzschicht (50) bedeckt ist.
  4. Sensorelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am zweiten Ende (22) eine Reflexionsschicht (60) angeordnet ist, und die Reflexionsschicht (60) dazu geeignet ist, das Stimulationslicht (S) zu reflektieren.
  5. Sensorelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtleiter (20) einen Brechungsindex grösser als der Brechungsindex der Funktionsschicht (30) aufweist.
  6. Sensorelement nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Funktionsschicht (30) eine Reflexionsschicht (60`) und/oder eine optische Isolationsschicht (40`) aufgebracht ist.
  7. Sensorelement (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtleiter (20) eine zylindrische Form, eine Kegelstumpfform, eine Kegelform, eine pyramidenartige Form oder eine tetragonale Form aufweist.
  8. Sensorsystem (1) umfassend, - mindestens ein Sensorelement (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, - eine Lichtquelle (2), welche dazu geeignet ist, ein Stimulationslicht (S) zu emittieren und derart angeordnet ist, dass das Stimulationslicht (S) am ersten Ende (21) des Lichtleiters (20) in den Lichtleiter (20) einleitbar ist, - einen Detektor (3), welcher dazu geeignet ist, ein Lumineszenzlicht (L) zu detektieren, - eine Steuereinheit (4), welche mit der Lichtquelle (2) und dem Detektor (3) verbunden ist, und dazu geeignet ist, eine Emission des Stimulationslichts (S) der Lichtquelle (2) zu steuern und ein von dem Detektor (3) detektiertes Lumineszenzlicht (L) auszuwerten.
  9. Sensorsystem (1) gemäß Anspruch 8, wobei die Lichtquelle (2) und der Detektor (3) jeweils über eine Lichtfaser (5) mit dem ersten Ende (21) des Lichtleiters (20) verbunden sind.
  10. Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (10) umfassend die folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Lichtleiterrohlings, - Ausbilden mindestens eines Lichtleiters (20) mittels einem Laserverfahren oder einem spanenden Materialabtragungsverfahren, - Auftragen einer Funktionsschicht (30) auf den mindestens einen Lichtleiter (20) mittels einem Eintauch-Verfahren, Spraycoating-Verfahren, Spincoating-Verfahren oder Inkjet-Verfahen.
  11. Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements (10) umfassend die folgenden Schritte: - Ausbilden mindestens eines Lichtleiters (20) mittels einem additiven Materialauftragungsverfahren, insbesondere einem 3D-Druck-Verfahren, - Auftragen einer Funktionsschicht (30) auf den mindestens einen Lichtleiter (20) mittels einem Eintauch-Verfahren, Spraycoating-Verfahren, Spincoating-Verfahren oder Inkjet-Verfahen.
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