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WO2022174277A1 - Optische einheit für die messung von fluoreszenzlicht - Google Patents

Optische einheit für die messung von fluoreszenzlicht Download PDF

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WO2022174277A1
WO2022174277A1 PCT/AT2022/060046 AT2022060046W WO2022174277A1 WO 2022174277 A1 WO2022174277 A1 WO 2022174277A1 AT 2022060046 W AT2022060046 W AT 2022060046W WO 2022174277 A1 WO2022174277 A1 WO 2022174277A1
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WO
WIPO (PCT)
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housing
light
optical unit
fluorescent dye
photodetector
Prior art date
Application number
PCT/AT2022/060046
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes KROTTMAIER
Volker Ribitsch
Original Assignee
Krottmaier Johannes
Volker Ribitsch
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Krottmaier Johannes, Volker Ribitsch filed Critical Krottmaier Johannes
Priority to DE112022001134.3T priority Critical patent/DE112022001134A5/de
Publication of WO2022174277A1 publication Critical patent/WO2022174277A1/de

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Definitions

  • the present invention relates to an optical unit for measuring fluorescence light in an optochemical detection of components of a fluid, comprising a housing, at least one light source, a fluorescent dye that can be excited with light from the light source, and a fluorescent light emitted by the fluorescent dye that can be detected ing photodetector.
  • Optical units such as optochemical sensors, are used to measure a wide variety of fluids, such as gases, liquids or mixtures thereof, both in medical, biological or biochemical areas and in food and other laboratory or industrial areas, in order to detect the presence or to be able to quickly and reliably detect the absence and also the concentration of certain substances with an accuracy of well under 5% uncertainty.
  • Gases whose presence or absence can be determined with such sensors include, for example, oxygen, CO 2 , but also ozone or ammonia. Furthermore, with such sensors in the medical field, for example by measuring biomolecules or pathogenic substances, certain conclusions can be drawn about processes such as wound healing, the contamination of wounds, the presence or absence of certain pathogens or dgi. be drawn by using them, for example, to measure the pH value, which can be used to draw conclusions about such processes.
  • optochemical sensors can also be used, for example, to check the quality of foodstuffs stored in warehouses, such as fruit or grain.
  • the gas concentration in the storage facility is used to determine whether, for example, rotting or mold problems are occurring or could occur, which can be identified by the emission of specific gases that can be detected with the optical units.
  • the functional principle of optical units such as optochemical sensors is based on the interaction of a light-excitable substance with the analyte to be measured, with the excitable substance being excited with light of a specific suitable wavelength and the molecules after their excitation emit the absorbed energy in the form of fluorescent light when they return to their original state. This fluorescent light is quenched by interactions with the analyte as a function of its concentration.
  • the fluorescent light In order to be able to detect such a fluorescence quenching, it is necessary for the fluorescent light to have sufficient intensity on the one hand, and on the other hand, the emitted fluorescent light is reflected or radiated onto a detector, which detects the presence or absence and the concentration of an analyte from the measurement of properties of the light, eg the intensity of the light or the lifetime of the fluorescent light.
  • the substance to be excited by the incident light is usually a so-called fluorophore, which is either in direct contact with the substance to be measured during use of an optochemical device or has a cover that is permeable to the substance to be detected - is protected from environmental influences.
  • the fluorescent dye is usually irradiated from the side facing away from the substance to be measured, excited and the emitted fluorescent light is picked up by a suitable detector, amplified and measured. This also faces away from the sample to be measured or is positioned in a housing that is protected from the sample to be measured.
  • optical units are thus becoming increasingly important, since not only has their area of application drastically expanded in recent times, but attempts are also being made, for example, in small-sized, for example medical devices, in addition to the other necessary devices such as for example in the case of a catheter, which has tools that can be inserted into wounds, optical devices to be able to observe the condition on site or the like, also to be able to directly and without particular effort, for example, detect the presence and absence of analytes to be examined It has proven to be particularly important that such optical units can be miniaturized and designed so small that they can be integrated into microchips or fixed on printed circuit boards, which cannot or cannot be adequately achieved with currently available systems.
  • optical units of this type are integrated into chips, it is a regularly occurring problem that the fluorescent light must be separated from the excitation light by means of a spectrometer or by means of optical filters, which has proven to be unsatisfactory since the intensity of the excitation light is usually significantly higher than the intensity of the generated fluorescence light, which is particularly the case with miniaturized systems poses a problem in terms of measurement accuracy, since scattered light can disrupt or falsify the measurement.
  • Such a device is already known from WO 2015/058221 A2, in which both the excitation light source and the detector are fixed on a base plate arranged parallel to the measuring element, in which the excitation light source and detector are covered by at least part of a material thickness Cover hood are separated from one another and the device is also designed in such a way that excitation light impinges on the measuring element at such an angle that the fluorescence light emitted by the measuring element impinges perpendicularly on a detector.
  • a high-performance fluorescence sensor has become known from US 2005/0237518 A1, in which a light source and a photodetector are separated by an opaque partition and the light emitted by the light source strikes a fluorescent dye and is directed to the detector by means of internal reflection.
  • the light source and the detector are arranged in one plane, and the substance generating the fluorescent light is separated from both the light source and the detector by arranging a waveguide layer having a certain thickness.
  • the waveguide layer that is essential for US 2005/237518 is designed in such a way as to minimize an undesired influence of light by the light source, since the light is guided out through the waveguide.
  • the invention now aims to further simplify the construction of such an optical unit and further miniaturize it, so that it can be used in miniaturized detection devices such as test heads for minimally invasive examinations and. Like. Can be used.
  • the invention also aims to provide an optical unit with which it is possible to simultaneously excite and detect a wide variety of fluid substances to be measured, so that, for example, the oxygen content of an environment as well as nitrogen oxides or ammonia resulting from the decomposition of substances with one and can be measured and detected with the same sensor.
  • the optical unit according to the invention is essentially characterized in that the essentially ring-shaped housing fixed on the base plate has the at least one light source and the photodetector in its interior, that the photodetector is surrounded by a shielding element, that the shielding element and the housing are arranged essentially concentrically with one another, that the shielding element and the housing essentially correspond to one another Having height and that the fluorescent dye is arranged on the top of the housing facing away from the base plate.
  • the essentially ring-shaped housing fixed to the base plate has the at least one light source and the photodetector inside, it is possible to design a particularly compact optical unit that can be arranged, for example, at the tip of a medical test head. Due to the lack of any corners or edged areas on the outer circumference of the unit, such an optical unit can also be used directly in the most sensitive environments such as tissue, for testing sensitive surfaces or the like.
  • a photodetector is also surrounded by a shielding element, it is possible to prevent the interfering influence of light from the light source on the photodetector and to ensure that only light emitted by the fluorescent dye impinges on the photodetector or is guided to it.
  • the shielding element is designed according to the invention in such a way that the housing and the shielding element are arranged essentially concentrically with one another and have a height which essentially corresponds to one another.
  • This arrangement allows a light source to be arranged in the immediate vicinity of the photodetector, since the concentric arrangement of the housing and shielding element ensures on the one hand that essentially the entire light output of the light source must strike the fluorescent dye upwards and on the other hand through the
  • Forming the shielding element with essentially the same height as that of the housing ensures that the unintentional impingement of light from the light source directly onto the photodetector, which would represent an interfering light for every optochemical measurement, is avoided or significantly reduced becomes.
  • the fluorescent dye in a known manner to the top of the housing facing away from the base plate, the extremely small design of the optical unit ensures that all of the light emitted by the light source, regardless of whether it is in the inside the housing is reflected once or several times or is guided via a light conductor, in any case on the fluorescent dye ' meets.
  • the design is such that only the fluorescent dye is applied to the upper side of the housing, it is ensured that only the fluorescent light emitted by the fluorescent dye can impinge on the photodetector. Furthermore, since any reflecting elements are absent in the optical unit, it is further ensured that no excitation light is reflected onto the photodetector. With such a design, it is not only possible to provide extremely compact devices for optical measurement or detection of fluorescent light, but also to further reduce the overall height of the optical unit compared to conventional devices, which on the one hand can increase the measurement accuracy and on the other hand reduces interference. freely a high luminous efficiency of the fluorescent light can be guaranteed.
  • the optical unit is designed in such a way that the housing is open on the top side facing away from the carrier and the fluorescent dye is applied to an optical adhesive that fills a free space in the housing, it is possible to provide an optical unit that is particularly easy to produce, in which it is also ensured by filling the free space in the housing with an optical adhesive that no disturbing elements are introduced into the interior of the optical unit and on the other hand a design find on which fluorescent dye can be applied directly and thus the light intensity of the light source that hits this fluorescent dye can be maximized due to the lack of a separate carrier or an air gap.
  • the housing is closed on the top side facing away from the base plate with a cover that is permeable to excitation light emitted by the light source and fluorescent light to be detected and that the cover is seamlessly connected to the
  • the free space in the housing forms an optical adhesive that falls out
  • a more stable construction of the optical unit is provided than that in which the free space is filled with an optical adhesive .
  • the cover to seamlessly connect with the free space in the Optical adhesive that fills the housing further ensures that any penetration of scattered light or desired reflections are avoided.
  • the invention is further developed such that the fluorescent dye is applied directly to the cover that is permeable to the excitation light and the fluorescent light to be detected.
  • the fluorescent dye is applied directly to the cover that is permeable to the excitation light and the fluorescent light to be detected.
  • the optical unit is designed in such a way that the cover extends to a lower edge of the housing and that a side wall of the cover is designed with a mirror finish.
  • the optical unit is further developed in such a way that the housing is designed as a light guide and that the at least one light source is arranged covered by a wall part of the housing, it is possible to form a unit in which the at least one light source is arranged covered by a wall part of the housing and thus the emission of scattered light to the inside as well as to the outside of the optical unit is undoubtedly avoided by the arrangement of the wall part and the light source. Since all of the light from the at least one light source is transported through this light guide to the top of the optical unit and is available there for exciting the fluorescent dye, the light yield is maximized and a light signal that is easy to detect and unaffected by external light influences is achieved ! for detection in the photodetector.
  • the housing can be designed as a circular ring, ellipse or other shape in a plan view, or the light sources can also be arranged at the corners of a polygon and can be covered by columnar parts of the housing .
  • the light sources can be selected in such a way that different excitation wavelengths are emitted in order to be able to detect different analytes.
  • the optical unit is designed so that the housing is designed as a hollow body closed on one side, that on the closed top of the hollow body a substantially funnel-shaped, the closed top of the hollow body with the Shielding element of the photodetector connecting wall element is arranged, it is possible to direct any fluorescent light exclusively onto the photodetector, which ensures that light is not reflected into the interior of the optical unit, especially in that area that is not bw from the photodetector. is occupied by its shielding element. With such a design, it is thus possible to safely and reliably conduct even weak fluorescent light signals into the photodetector, since it is ensured that these signals are free from the influence of light.
  • the invention is further developed such that an optical filter is also arranged between the photodetector and the fluorescence dye.
  • the design is such that a plurality of light sources, which may emit light with different wavelengths, are arranged in the housing or covered by a wall part of the housing and that between each of the plurality of Light sources and shielding elements are arranged , it is possible to provide an optical unit with which it is possible to excite , stimulate and measure different analytes with one and the same optical unit, always provided that the fluids to be measured and the fluorescent dye can be excited by the different wavelengths, it also being possible for several or different fluorescent dyes to be arranged on the upper side of the optical unit.
  • the type and form of the arrangement is arbitrary.
  • shielding elements are arranged between each of a plurality of light sources, it is simultaneously avoided that excitation light possibly emitted by different light sources can propagate unhindered inside an optical unit and thus light with different wavelengths Excitation wave lengths hit a sample to be measured containing various excitable substances, so that fluorescent light may be extinguished before it is detected.
  • shielding elements are arranged which prevent an unintentional propagation of excitation light.
  • the invention is further developed to the effect that the fluorescent dye with covered by a light protection membrane and/or an optical filter.
  • the light-protection membrane and/or the optical filter prevent the access of external light to the fluorescent dye and the access of excitation light to the photodetector.
  • the outer light-protection membrane is essentially designed such that the outer light-protection membrane has a pore size of 0.1 ⁇ m to 100 ⁇ m, preferably 1 ⁇ m to 20 ⁇ m.
  • the outer light protection membrane has pore sizes between 0.1 ⁇ m and 100 ⁇ m, preferably between 1 ⁇ m and 20 ⁇ m, it is ensured that damage to the fluorescent dye is prevented, any ingress of dust, for example, is avoided and at the same time it is ensured that substances to be detected can interact with the fluorescent dye.
  • the invention is further developed such that the base plate is a carrier plate for electronic components.
  • the base plate is a carrier plate for electronic components.
  • FIG. Figure 1 is a sectional side view of a first embodiment of an optical unit according to the invention.
  • FIG. 2 shows a plan view of the optical unit according to FIG. 1,
  • FIG. 6 shows a more detailed sectional view of a variant of an optical unit according to Fig. 1, in detail an optical unit 1 is constructed from a housing 2, in which housing 2 at least one light source 3 is contained, a photodetector 4 is provided and a shielding element 5.
  • the shielding element 5 is designed in such a way that its height essentially corresponds to that of the photodetector 4, so that no light emitted by the light source or the photodiode 3 can impinge on the photodetector 4 without this light first being in contact with the light on the Top applied fluorescent dye 6 can reach.
  • the interior of the optical unit 1 is filled with an optical adhesive 7, on the upper side of which the fluorescent dye 6 is applied directly.
  • an optical filter 8 is also arranged on top of the photodetector 4 in the embodiment according to FIG.
  • a glass element can be inserted into the optical adhesive 7 on the upper side of the optical unit 1, which glass element carries the fluorescent dye on the outside and is mirrored on the outer ring.
  • Such a design contributes to a further improvement in the fluorescent light yield.
  • FIG. 2 which shows a plan view of the design of the optical unit 1 from FIG. which are arranged in such a way that they shield the individual light sources 3 from one another.
  • this design it is possible, for example, to arrange two light sources 3 inside the optical unit 1, which can each emit different excitation wavelengths.
  • a shielding element 5 Surrounding the photodetector 4 is a shielding element 5, which is designed as a ring-shaped shielding element 5 in the embodiment of FIGS.
  • a fluorescent dye is not shown in FIG. 2, which otherwise corresponds to that of FIG. 1, since otherwise a view into the interior of the optical unit 1 would be covered.
  • FIG. 3 in which the reference numerals from Figs. 1 and 2 are retained as far as possible, shows another embodiment of the optical unit 1 of Fig. 1.
  • the housing 2 is designed in such a way that it rests on the light sources 3 .
  • the housing 2 is in the form of an optical waveguide which is permeable to the light emitted by the light sources 3 and guides it to the fluorescent dye on the upper side.
  • the housing 2 is designed as an optical waveguide, it is different from the illustration in Fig.
  • the shielding element 5 is used in the embodiment according to FIG.
  • Mass production of such optical units 1 can lead to such an imprecise positioning of the housing 2 on the light source 3, so that in order to ensure trouble-free functioning of the optical unit 1, the shielding element 5 is provided for safety reasons.
  • the embodiment in FIG. 3 it is not necessary for the cavity of the optical unit 1 to be filled with an optical adhesive 7, since the housing as such is designed to be closed.
  • the shielding element 5 can also be brought forward to the underside of the closed housing 2 and only this shielding element 5 can be filled with an optical adhesive. This ensures that the air gap between the photodetector 4 and the closed housing 2 is minimized, which in turn results in better fluorescent light expansion.
  • the design according to FIG. 4 essentially corresponds to that of FIG. ter-shaped guide element 10 is provided, which directs the fluorescent light from the fluorescent dye 6 directly to the photodetector 4 or the optical filter 8 .
  • FIG. 5 corresponds to FIG. 1, the housing 2 in FIG. 5 also being designed as a closed housing, on the upper side of which the fluorescent dye 6 is applied.
  • a closed housing at least that part of the housing 2 that is intended as a carrier element for the fluorescent dye 8, i.e. the cover 2a for the fluorescent light can be designed to be permeable.
  • the photodetector 4 In order to avoid unintentional exposure of the photodetector 4 to light from the light sources 3 in this variant as well, the photodetector 4 must in turn be surrounded by a shielding element 5 .
  • FIG. 6 corresponds to the representation of FIG. 1, in which a base plate 11 is additionally provided, which can be an electronic circuit board.
  • the housing 2 and the shielding element 5 are made of one and the same material and both elements are not light-conducting, as described in connection with FIG.
  • light sources 3 are each accommodated in a base 12 which is soldered directly onto the electronic circuit board 11 .
  • the entire cavity of the optical unit 1 is in turn filled with an optical sealing compound or an optical adhesive 7 , which optical adhesive or optical sealing compound 7 serves as a carrier for the fluorescent dye 6 .
  • the optical unit 1 according to the invention can also be designed in a large number of other variants and that in particular the shielding element 5 in particular in those variants of the optical unit 1 according to the invention in which the light source is directly connected to the housing 2 is covered and this housing 2 also completely overlaps the light source, can theoretically be omitted, but should be retained for safety reasons, in particular due to inaccuracies that occur again and again in mass production, and can advantageously be brought forward to the lower edge of the housing.
  • the advantage of the optical unit according to the invention is that it is extremely compact and that, in contrast to known optical units, it does not require the fluorescent light to be directed perpendicularly must impinge on the photodetector, since it is able to capture and reliably detect the smallest amounts of fluorescent light due to the miniaturization and the extremely short distance between the photodetector and the fluorescent dye 6 .
  • an inexpensive component that is easy to assemble, but such an optical unit can, for example, be used directly for long-term monitoring of certain foods, such as fruit, baby food, sausages or the like. be used, in particular used wherever, for example, goods are packaged under reduced O 2 concentration. This is particularly so because the optical unit does not contain any sensitive or complex components.
  • a plurality of different light sources can be arranged in one and the same optical unit in order to apply different excitation light wavelengths to the fluorescent dye(s) 6 . It goes without saying that if one and the same fluorescent dye 6 is not excitable with several different light wavelengths, either multilayer arrangements of the fluorescent dye or segmented arrangements of different fluorescent dyes must of course be provided. In addition, combinations of exposed light sources 3 arranged inside the optical unit 1 and light sources 3 which are covered by the housing 2 are also encompassed by the present invention.

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Abstract

Bei einer optischen Einheit (1) für die Messung von Fluoreszenzlicht bei einer optochemischen Detektion von Bestandteilen eines Fluids, wobei ein mit einer Grundplatte (11) festlegbares Gehäuse (2), wenigstens eine Lichtquelle (3), einen mit Licht der Lichtquelle (3) anregbaren Fluoreszenzfarbstoff (6) sowie einen von dem Fluoreszenzfarbstoff (6) ausgesandtes Fluoreszenzlicht delektierenden Photodetektor (4), weist das im Wesentlichen ringförmig ausgebildete Gehäuse (2) in seinem Inneren die wenigstens eine Lichtquelle (3) und den Photodetektor (4) auf, ist der Photodetektor (4) von einem Abschirmelement (5) umgeben, sind das Abschirmelement (5) und das Gehäuse (2) im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet, weist das Abschirmelement (5) und das Gehäuse (2) eine einander im Wesentlichen entsprechende Höhe auf und ist an einer von der Grundplatte (11) abgewandten Oberseite des Gehäuses (2) der FIuoreszenzfarbstoff (8) angeordnet.

Description

OPTISCHE EINHEIT FÜR DIE MESSUNG VON FLUORESZENZLICHT
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine optische Einheit für die Messung von Fiuo- reszenzlicht bei einer optochemischen Detektion von Bestandtellen eines Fluids umfassend ein Gehäuse, wenigstens eine Lichtquelle, einen mit Licht der Lichtquelle anregbaren Fluoreszenz- farbstoff sowie einen von dem Fluoreszenzfarbstoff ausgesandtes Fluoreszenzlicht delektie- renden Photodetektor. Optische Einheiten, wie z.B. optochemische Sensoren werden zur Messung von unterschied- lichsten Fluiden, wie Gasen, Flüssigkeiten oder auch Mischungen derselben sowohl in me- dizinischen, biologischen oder biochemischen sowie in Lebensmittel- und sonstigen Labor- oder Industriebereichen vermehrt eingesetzt, um das Vorhandensein oder die Abwesenheit und auch die Konzentration mit einer in einem Bereich von deutlich unter 5 % Unschärfe liegenden Genauigkeit von bestimmten Substanzen rasch und zuverlässig delektieren zu können. Ais Gase, deren An- oder Abwesenheit mit derartigen Sensoren bestimmt werden können, sind beispielsweise Sauerstoff, C02, aber auch Ozon oder Ammoniak anzuführen. Weiterhin können mit derartigen Sensoren im medizinischen Bereich beispielsweise durch Messung von Biomolekülen oder pathogenen Stoffen bestimmte Rückschlüsse auf Prozesse wie die Wundhellung, die Verunreinigung von Wunden, die An- oder Abwesenheit von bestimmten Erregern oder dgi. gezogen werden, indem sie beispielsweise zur Messung des pH-Werts, welcher für die Rückschlüsse auf derartige Vorgänge herangezogen werden kann, eingesetzt werden.
Es können jedoch auch optochemische Sensoren beispielsweise zur Überprüfung der Qualität von in Lagern gelagerten Lebensmitteln wie Obst oder Getreide herangezogen werden. Es wird anhand der in dem Lager befindiichen Gaskonzentration bestimmt, ob beispielsweise Fäulnis oder Schimmeiprobleme auftreten bzw. auftreten könnten, welche durch die Emission von bestimmten Gasen, die mit den optischen Einheiten delektiert werden können, erkennbar sind. Das Funktionsprinzip von optischen Einheiten, wie optochemischen Sensoren beruht im Prinzip auf der Basis einer Wechselwirkung eines durch Licht anregbaren Stoffes mit dem zu ver- messenen Analyten, wobei die anregbare Substanz mit Licht einer bestimmten geeigneten Wel- lenlänge angeregt wird und die Moleküle nach ihrer Anregung bei der Rückkehr in ihren ur- sprünglichen Zustand die aufgenommene Energie in Form von Fluoreszenzlicht abgeben. Dieses Fluoreszenzlicht wird durch Wechselwirkungen mit dem Analyten in Abhängigkeit von dessen Konzentration gelöscht. Um eine derartige Fluoreszenzlöschung detektieren zu können, ist es erforderlich, dass das Fluoreszenzlicht einerseits eine ausreichende Intensität aufweist, und andererseits das emittierte Fluoreszenzlicht auf einen Detektor reflektiert bzw. abgestrahit wird, welcher aus der Messung von Eigenschaften des Lichts, z.B. der Intensität des Lichts oder der Lebensdauer des Fluoreszenzlichts, die An- oder Abwesenheit und die Konzentration eines Analyten detektiert.
Die durch das eingestrahlte Licht anzuregende Substanz, der Fluoreszenzfarbstoff, ist hierbei üblicherweise ein sogenannter Fluorophor, welcher während des Einsatzes einer optoche- mischen Einrichtung entweder in direktem Kontakt mit der zu messenden Substanz steht oder aber mit einer für die zu detektierenden Substanz durchlässigen Abdeckung gegenüber schäd- lichen Umwelteinflüssen geschützt ist. Während eines Betriebs einer derartigen Einrichtung wird der Fluoreszenzfarbstoff üblicherweise von der der zu messenden Substanz abgewandten Seite bestrahlt, angeregt und das emittierte Fluoreszenzlicht von einem geeigneten Detektor aufgenommen, verstärkt und gemessen. Dieser ist ebenfalls von der zu vermessenden Probe abgewandt bzw. in einem gegenüber der zu vermessenden Probe geschützten Gehäuse positioniert. insbesondere bei Einsatz von derartigen optischen Einheiten im medizinischen oder biolo- gischen Bereich ist es wesentlich, dass sie möglichst klein dimensioniert sind und dass sie be- vorzugt in sogenannten Mikrogesamtanalystensystemen zum Einsatz gelangen können.
Die Frage der Größe derartiger optischer Einheiten erlangt somit eine immer größere Be- deutung, da sich nicht nur ihr Einsatzbereich in letzter Zeit drastisch erweitert hat, sondern bei- spielsweise auch versucht wird, in kleinbauenden, beispielsweise medizinischen Geräten neben den weiteren erforderlichen Vorrichtungen, wie beispielsweise im Falle eines Katheters, die in Wunden ein, bringbaren Werkzeuge, von optischen Einrichtungen, um den Zustand vor Ort beobachten zu können oder dgl, auch direkt und ohne besonderen Aufwand beispielsweise die An- und Abwesenheit von zu untersuchenden Analyten nachweisen zu können, hat es sich als besonders wesentlich erwiesen, dass derartige optische Einheiten miniaturisiert werden und so kleinbauend ausgebildet werden können, dass sie in Mikrochips integriert oder auf Leiterplatten festgelegt werden können, was mit gegenwärtig zur Verfügung stehenden Systemen nicht öder nicht ausreichend erreicht werden kann.
Wenn derartige optische Einheiten in Chips integriert werden, stellt es ein regelmäßig auftreten- des Problem dar, dass eine Trennung des Fluoreszenzlichts von dem Anregungslicht mitteis eines Spektrometers oder mittels optischer Filter geschehen muss, was sich ais nicht zufrieden- stellend erwiesen hat, da die Intensität des Anregungslichts üblicherweise bedeutend höher als die Intensität des erzeugten Fluoreszenzlichts ist, was insbesondere bei miniaturisierten Sy- stemen ein Problem in Bezug auf die Messgenauigkeit darstellt, da Streulicht die Messung stö- ren bzw. verfälschen kann.
Aus der WO 2015/058221 A2 ist bereits eine derartige Vorrichtung bekannt geworden, bei welcher sowohl die Anregungslichtquelle als auch der Detektor auf einer parallel zu dem Mess- element angeordneten Grundplatte festgelegt sind, bei welcher die Anregungslichtquelie und Detektor durch wenigsten einen Teil einer Materialstärke einer Abdeckhaube voneinander ge- trennt sind und die Vorrichtung weiterhin so ausgebiidet ist, dass Anregungslicht in einem der- artigen Winkel auf das Messelement auftrifft, dass das von dem Messelement emittierte Fluo- reszenzlicht senkrecht auf einen Detektor auftrifft.
Aus der US 2005/0237518 A1 ist ein Hochleistungsfluoreszenzsensor bekannt geworden, bei welchem eine Lichtquelle und ein Fotodetektor durch eine lichtundurchlässige Trennwand getrennt sind und das von der Lichtquelle emittierte Licht auf einen Fluoreszenzfarbstoff auftrit und mittels interner Reflexion auf den Detektor geleitet wird. Die Lichtquelle und der Detektor sind hierbei in einer Ebene angeordnet und die das Fluoreszenzlicht erzeugende Substanz ist von sowohl der Lichtquelle als auch dem Detektor durch Anordnen einer eine bestimmte Dicke aufweisenden Wellenleiterschicht getrennt. Die für die US 2005/237518 wesentliche Wellen- leiterschicht ist hierbei so ausgebildet, um eine unerwünschte Lichtbeeinflussung durch die Lichtquelle zu minimieren, da das Licht durch den Wellenleiter ausgeieitet wird.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine derartige optische Einheit baulich weiter zu vereinfachen und weiter zu miniaturisieren, so dass sie in miniaturisierten Detektionseinrichtungen wie Testköpfen für minimalinvasive Untersuchungen und. dgl. einsetzbar ist.
Die Erfindung zielt weiterhin darauf ab, eine optische Einheit bereitzustellen, mit welcher es gelingt, unterschiedlichste zu vermessende fluide Substanzen gleichzeitig anzuregen und zu detektieren, so dass beispielsweise der Sauerstoffgehalt einer Umgebung ebenso wie aus der Zersetzung von Stoffen herrührende Stickoxide bzw. Ammoniak mit ein und demselben Sensor gemessen und detektiert werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße optische Einheit im Wesentlichen dadurch gekennzeichnet, dass das auf der Grundplatte festgelegte, im Wesentlichen ringförmig aus- gebildete Gehäuse in seinem Inneren die wenigstens eine Lichtquelle und den Photodetektor aufweist, dass der Photodetektor von einem Abschirmelement umgeben ist, dass das Ab- schirmelement und das Gehäuse im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind, dass das Abschirmelement und das Gehäuse eine einander im Wesentlichen entsprechende Höhe aufweisen und dass an der von der Grundplatte abgewandten Oberseite des Gehäuses der Fluoreszenzfarbstoff angeordnet ist.
Dadurch, dass das auf der Grundplatte festgelegte, im Wesentlichen ringförmig ausgebildete Gehäuse in seinem Inneren die wenigstens eine Lichtquelle und den Photodetektor aufweist, gelingt es, eine besonders kleinbauende optische Einheit auszubilden, welche beispielsweise an der Spitze eines medizinischen Testkopfs angeordnet werden kann. Durch das Fehlen von jeglichen Ecken bzw. kantigen Bereichen am Außenumfang der Einheit ist eine derartige op- tische Einheit unmittelbar auch In empfindlichsten Umgebungen wie Gewebe, zur Testung von empfindlichen Oberflächen oder dgl. einsetzbar. Indem weiterhin ein Photodetektor von einem Abschirmelement umgeben ist, gelingt es, den Störeinfluss von Licht aus der Lichtquelle auf den Photodetektor hintanzuhalten und sicherzustellen, dass lediglich Licht, das vom Fluores- zenzfarbstoff emittiert wird, auf den Photodetektor auftrifft oder auf diesen geleitet wird. Um diesen Effekt noch weiter zu verstärken, ist gemäß der Erfindung das Abschirmelement so ausgebildet, dass das Gehäuse und das Abschirmelement im Wesentlichen konzentrisch zuein- ander angeordnet sind und eine einander im Wesentlichen entsprechende Höhe aufweisen. Durch diese Anordnung kann eine Lichtquelle in unmittelbarer Nachbarschaft zum Photodetek- tor angeordnet werden, da aufgrund der konzentrischen Anordnung von Gehäuse und Ab- schirmelement einerseits sichergestellt ist, dass im Wesentlichen die gesamte Lichtausbeute der Lichtquelle nach oben auf den Fluoreszenzfarbstoff treffen muss und andererseits durch die
Ausbildung des Abschirmelements mit im Wesentlichen der gleichen Höhe wie jener des Ge- häuses sichergestellt ist, dass das unbeabsichtigte Auftreffen von Licht aus der Lichtquelle un- mittelbar auf den Photodetektor, welche ein Störlicht für jede optochemische Messung dar- stellen würde, vermieden oder wesentlich reduziert wird. · indem weiterhin in an sich bekannter Weise auf der von der Grundplatte abgewandten Ober- seite des Gehäuses der Fluoreszenzfarbstoff aufgebracht ist, wird aufgrund der extrem klein- bauenden Ausbildung der optischen Einheit sichergestellt, dass sämtliches von der Lichtquelle ausgesandtes Licht unabhängig davon, ob es im inneren des Gehäuses ein- oder mehrfach reflektiert wird oder über einen Lichtieiter geführt wird, jedenfalls auf den Fluoreszenzfarbstoff ' trifft.
Indem die Ausbildung so getroffen ist, dass auf der Oberseite des Gehäuses lediglich der Fluoreszenzfarbstoff aufgebracht ist, wird sichergestellt, dass nur das vom Fluoreszenzfarbstoff emittierte Fluoreszenzlicht auf den Photodetektor treffen kann. Da weiterhin jegliche reflektie- renden Elemente in der optischen Einheit fehlen, wird weiterhin sichergesteilt, dass kein Anre- gungslicht auf den Photodetektor reflektiert wird. Mit einer derartigen Ausbildung gelingt es nicht nur extrem kleinbauende Vorrichtungen für eine optische Messung bzw. Detektion von Fluoreszenzlicht bereitzustellen, sondern auch die Bauhöhe der optischen Einheit gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen noch weiter zu redu- zieren, wodurch einerseits die Messgenauigkeit erhöht werden kann und andererseits störungs- frei eine hohe Lichtausbeute des Fluoreszenzlichts gewährleistet werden kann. Überdies kann bei einer derartigen Ausbildung einer optischen Einheit auf den Einsatz von beispielsweise Wellenleitern oder anderen kostenintensiven Bauteilen oder Elementen vollständig verzichtet werden, wodurch eine für eine extrem günstige Massenproduktion geeignete optische Einheit bereitgesteiit wird und überdies ein gegenüber dem Stand der Technik wesentlich vereinfachter Zusammenbau der optischen Einheit erreicht werden kann.
Indem, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, die optische Einheit so aus- gebiidet ist, dass das Gehäuse an der von dem Träger abgewandten Oberseite offen ausgebil- det ist und dass der Fluoreszenzfarbstoff auf einem einen Freiraum des Gehäuses ausfüllenden optischen Kleber aufgebracht ist, gelingt es, eine besonders einfach herzustellende optische Einheit bereitzustellen, bei welcher überdies durch das Ausfüllen des Freiraums in dem Ge- häuse mit einem optischen Kleber sichergestellt ist, dass keinerlei störende Elemente in das In- nere der optischen Einheit eingebracht werden und andererseits eine Ausbildung zu finden, auf welche Fluoreszenzfarbstoff unmittelbar aufgetragen werden kann und somit die Lichtintensität der Lichtquelle, die auf diesen Fluoreszenzfarbstoff trifft, aufgrund des Fehlens eines geson- derten Trägers bzw, eines Luftspalts maximiert werden kann.
Indem, wie dies einer anderen bzw. ergänzenden Weiterbildung der Erfindung entspricht, dass das Gehäuse an der von der Grundplatte abgewandten Oberseite mit einer für von der Lichtquelle ausgesandtes Anregungslicht und zu detektierendes Fluoreszenzlicht durchlässigen Abdeckung verschlossen ausgebiidet ist und dass die Abdeckung eine nahtlose Verbindung mit dem den Freiraum in dem Gehäuse ausfallenden optischen Kieber ausbildet, wird eine gegenüber jener Ausbildung, in welcher der Freiraum mit einem optischen Kleber ausgefüllt ist, stabilere Konstruktion der optischen Einheit bereitgesteiit, welche aufgrund der Ausbildung der Oberseite des Gehäuses aus für detektierendes Fluoreszenzlicht durchlässigem Material erreicht wird. Dadurch dass in das Innere der optischen Einheit, wo der Photodetektor angeordnet ist, nur von dem Fluoreszenzfarbstoff emittiertes Fluoreszenzlicht gelangt und nicht beispielsweise Streulicht von der Lichtquelle oder von einer äußeren Lichtquelle eingetragen werden kann, gelingt es, die Messgenauigkeit der optischen Einheit deutlich zu erhöhen. Dadurch, dass die Abdeckung eine nahtlose Verbindung mit dem den Freiraum in dem Gehäuse ausfüllenden optischen Kleber ausbildet wird weiterhin sichergestellt, dass jegliches Eindringen von Streulicht oder erwünschte Reflexionen vermieden werden.
Für eine weitere Miniaturisierung der optischen Einheit ist die Erfindung dahingehend weiter- gebildet, dass unmittelbar auf der für das Anregungslicht und das zu detektierende Fluores- zenzlicht durchlässigen Abdeckung der Fluoreszenzfarbstoff aufgebracht ist,. Bei einer derarti- gen Ausbildung gelingt es gegenüber herkömmlichen optischen Einheiten eine extrem dünne Abdeckung der optischen Einheit bereitzustellen und diese somit noch weiter zu miniaturisieren. Weiterhin gelingt es mit einer derartigen Ausbildung, die Lichtausbeute von sowohl der Licht- quelle ais auch des Fluoreszenzfarbstoffs zu maximieren, da die Zahl der Schichten, welche zwischen den jeweiligen Lichtquellen und dem Fluoreszenzfarbestoff einerseits und dem Fluo- reszenzfarbstoff und dem Photodetektor andererseits angeordnet sind, ebenfalls minimiert sind.
Um eine Lichtausbeute zu optimieren ist die optische Einheit, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht so ausgebildet, dass die Abdeckung sich bis zu einer Unterkante des Gehäuses erstreckt und dass eine Seitenwand der Abdeckung verspiegelt ausgebildet ist.
, indem, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, die optische Einheit so weiter- gebildet ist, dass das Gehäuse als Lichtleiter ausgebildet ist und dass die wenigstens eine Lichtquelle von einem Wandteil des Gehäuses überdeckt angeordnet ist, gelingt es, eine Einheit auszubilden, in welcher die wenigstens eine Lichtquelle von einem Wandteil des Gehäuses überdeckt angeordnet ist und somit durch die Anordnung des Wandteils und der Lichtquelle die Abstrahlung von Streulicht zum Inneren ebenso wie zum Äußeren der optischen Einheit zwe- ifelsfrei vermieden ist. Indem weiterhin sämtliches Licht der wenigstens eine Lichtquelle durch diesen Lichtleiter zur Oberseite der optischen Einheit transportiert wird und dort für die Anre- gung des Fluoreszenzfarbstoffs zur Verfügung steht, wird weiterhin die Lichtausbeute maximiert und es gelingt, ein gut zu detektierendes und von äußeren Lichteinfiüssen unbeeinflusstes Lichtsigna! für die Detektion in dem Photodetektor zu erhalten. Es erübrigt es sich festzuhalten, dass hierbei das Gehäuse in einer Draufsicht als Kreisring, El- lipse oder sonstigen Form ausgebildet sein kann oder aber auch beispielsweise die Lichtquellen an den Ecken eines Vielecks angeordnet sein können und von säulenartigen Teilen des Gehäu- ses abgedeckt sein können. Schließlich erübrigt sich festzuhaiten, dass nicht sämtlichen Lichtquellen untereinander gleich sein müssen, sondern die Lichtquellen derart gewählt sein können, dass verschiedene An- regungswellenlängen emittiert werden um unterschiedliche Anaiyten detektieren zu können. Indem, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, die optische Einheit so aus- gebildet ist, dass das Gehäuse als einseitig geschlossener Hohlkörper ausgebildet ist, dass an der geschlossenen Oberseite des Hohlkörpers ein im Wesentlichen trichterförmiges, die ge- schlossene Oberseite des Hohlkörpers mit dem Abschirmelement des Photodetektors verbin- dendes Wandelement angeordnet ist, gelingt es, jegliches Fluoreszenzlicht ausschließlich auf den Photodetektor zu leiten, wodurch sichergestellt wird, dass nicht Licht auch in das Innere der optischen Einheit reflektiert wird, insbesondere in jenen Bereich, der nicht vom Photodetektor b-w. seinem Abschirmelement eingenommen ist. Mit einer derartigen Ausbildung gelingt es so- mit auch schwache Fluoreszenzlichtsignale sicher und zuverlässig in den Photodetektor zu leiten, da gewährleistet ist, dass diese Signale frei von Lichteinflüss en sind.
Wenn, wie dies in einigen Fällen gewünscht ist, nur bestimmte Wellenlängen des Fiuores- zenzlichts auf den Photodetektor geleitet werden sollen, ist die Erfindung dahingehend weiter- gebildet, dass zwischen Photodetektor und Fluoreszenzfarbstoff weiterhin ein optisches Filier angeordnet ist.
Indem, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, die Ausbildung so getroffen ist, dass eine Mehrzahl von gegebenenfalls Licht mit voneinander verschiedenen Wellenlängen aussendenden Lichtquellen in dem Gehäuse oder von einem Wandteil des Gehäuses abge- deckt angeordnet sind und dass zwischen jeder einzelnen der Mehrzahl von Lichtquellen Ab- schi'rmelemente angeordnet sind, gelingt es, eine optische Einheit zur Verfügung zu stellen, mit welcher es möglich ist, verschiedene Analyten mit ein und derselben optischen Einheit anzure- , gen und zu messen, immer vorausgesetzt, dass die zu messenden Fluide und der Fluoreszenz- farbstoff durch die verschiedenen Weilenlängen angeregt werden können, wobei gegebenen- falls auch mehrere oder verschiedene Fluoreszenzfarbstoffe auf der Oberseite der optischen Einheit angeordnet sein können. Die Art und Form der Anordnung Ist hierbei beliebig.
Indem weiterhin die Ausbildung so getroffen ist, dass zwischen jeder einzelnen aus einer Mehr- zahl von Lichtquellen Abschirmelemente angeordnet sind, wird gleichzeitig vermieden, dass gegebenenfalls von verschiedenen Lichtquellen ausgesandtes Anregungslicht sich ungehindert im Inneren einer optischen Einheit ausbreiten kann und somit Licht mit verschiedenen An- regungswellenlàöäen auf eine zu vermessende Probe enthaltend verschiedene anregbare Sub- stanzen trifft, so dass es möglicherweise zu einer Löschung von Fluoreszenzlicht vor seiner De- tektion kommt. Um das zu vermeiden, sind Abschirmelemente angeordnet, welche eine unbe- absichtigte Ausbreitung von Anregungslicht vermeiden. Indem weiterhin zwischen jeder ein- zelnen der Mehrzahl von Lichtquellen Abschirmelemente angeordnet sind, wird sichergestelit, dass nur das Anregungslicht mit genau definierten Weiieniängen auf den Fl uoreszenzfa rbestoff auftrifft.
Dieses Problem der geleichzeitigen Anregung der zu vermessenden Probe durch mehrere Lichtquellen unterschiedlicher Wellenlänge kann vermeiden werden, indem jede Lichtquelle selektiv gesteuert werden kann, womit eine Ausbildung, die keinerlei Abschirmelemente erfordert, erreichbar ist.
Um zu gewährleisten, dass insbesondere bei Einsatz in der Praxis bzw. bei unmittelbarem Kontakt der optischen Einheit mit zu messenden Substanzen es nicht zu einer Beschädigung der optischen Einheit, insbesondere des Fluoreszenzfarbstoffs derselben kommt, ist die Er- findung dahingehend weitergebildet, dass der Fluoreszenzfarbstoff mit einer Lichtschutz- membran und/oder einem optischen Filter abgedeckt ist. Die Lichtschutzmembran und/oder das optische Filter verhindern hierbei den Zutritt von externem Licht zu dem Fluoreszenzfarbstoff und den Zutritt von Anregungslicht zu dem Photodetektor verhindert. Zur Vermeidung einer Beschädigung des Fluoreszenzfarbestoffs ist hierbei die äußere Licht- schutzmembran im Wesentlichen so ausgebildet, dass die äußere Lichtschutzmembran mit einer Porenweite von 0,1 μm bis 100 μm, vorzugsweise 1 μm bis 20 μm ausgebildet ist. Wenn die äußere Lichtschutzmembran Porenweiten zwischen 0,1 μm und 100 μm, vorzugsweise zwischen 1 μm und 20 μm aufweist, wird sichergesteiit, dass eine Beschädigung des Fluores- zenzfarbstoffs hintangehalten ist, jegliches Eindringen von beispielsweise Staub vermieden ist und gleichzeitig jedoch gewährleistet ist, dass zu detektierende Substanzen mit dem Fluo- reszenzfarbstoff wechselwirken können.
Für ein besonders kleinbauendes optisches Element bzw. eine optische Einheit ist die Erfin- dung dahingehend weitergebildet, dass die Grundplatte eine Trägerplatte für elektronische Bauteile ist. Mit einer derartigen Konstruktion gelingt es, optische Einheiten bereitzusteilen, welche Teile einer integrierten Schaltung sein können oder aber unmittelbar mit Auswerteein- heiten verbunden werden können oder in diese integriert sind,
Dadurch, dass die Bauteile, nämlich der Photodetektor und der Mikroprozessor in unmittelbarer bzw. kieinstmöglicher Entfernung voneinander positionierten sind bzw. ein Mikroprozessor mit integrierten Photodetektor verwendet wird, wird eine Signalauswertung ohne Vorverstärker ermöglicht. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungs- faeispieien näher erläutert: In diesen zeigen
Fi g . 1 eine Seitenansicht im Schnitt einer ersten Ausbildung einer optischen Einheit gemäß der Erfindung,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die optisch Einheit gemäß Fig. 1,
Fig. 3, 4 und 5 weitere Ausbildungen der optischen Einheit gemäß der Erfindung, und
Fig.6 eine detailliertere Schnittansicht einer Variante einer optischen Einheit gemäß Fig. 1, im Einzelnen ist eine optische Einheit 1 aus einem Gehäuse 2 aufgebaut, in welchem Gehäuse 2 wenigstens eine Lichtquelle 3 enthalten ist, ein Photodetektor 4 vorgesehen ist sowie ein Abschirmelement 5. Das Abschirmelement 5 wird hierbei so ausgebiidet, dass seine Höhe im Wesentlichen jener des Photodetektors 4 entspricht, so dass kein von der Lichtquelle bzw. der Photodiode 3 ausgesandtes Licht auf den Photodetektor 4 auftreffen kann, ohne dass dieses Licht vorher in Kontakt mit dem auf der Oberseite aufgebrachten Fluoreszenzfarbstoff 6 gelangen kann. Der innenraum der optischen Einheit 1 ist bei der Darstellung gemäß Fig. 1 mit einem optischen Kleber 7 ausgefüllt, auf dessen Oberseite der Fluoreszenzfarbestoff 6 unmittelbar aufgebracht ist. Schließlich ist in der Ausbildung gemäß Fig. 1 noch ein optisches Filter 8 auf der Oberseite des Photodetektors 4 angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsvariante der optischen Einheit 1 kann auf der Oberseite der optischen Einheit 1 ein Glaselement in den optischen Kleber 7 eingesetzt werden, welches Glaselement an der Außenseite den Fluoreszenzfarbstoff trägt und an dem Außenring verspiegelt ist. Eine derartige Ausbildung trägt zu einer weiteren Verbesserung der Fluoreszenzlicht-Ausbeute bei.
Aus Fig. 2, welche eine Draufsicht auf die Ausbildung der optischen Einheit 1 von Fig. 1 dar- stellt, ist eindeutig ersichtlich, dass die optische Einheit 1 aus einem ringförmigen Gehäuse 2 ausgebiidet ist, welches ringförmige Gehäuse 2 weiterhin säulenartige Elemente 9 aufweist, welche so angeordnet sind, dass sie die einzelnen Lichtquellen 3 gegeneinander abschirmen. Mit dieser Ausbildung gelingt es beispielsweise, zwei Lichtquellen 3 im Inneren der optischen Einheit 1 anzuordnen, welche jeweils voneinander verschiedene Anregungswellenlängen aus- senden können. Den Photodetektor 4 umgebend ist ein Abschirmelement 5 angeordnet, welches in der Aus- bildung von Fig. 1 und 2 als ringförmiges Abschirmelement 5 ausgebildet ist. In Fig. 2, welche ansonsten jener von Fig. 1 entspricht, ist überdies ein Fluoreszenzfarbstoff nicht gezeigt, da an- sonsten ein Blick ins Innere der optischen Einheit 1 verdeckt wäre.
Fig. 3, in welcher die Bezugszeichen von Fig. 1 und 2 so weit als möglich beibehalten sind, zeigt eine andere Ausbildung der optischen Einheit 1 von Fig. 1.
Bei dieser Ausbildung ist das Gehäuse 2 so ausgebildet, dass es auf den Lichtquellen 3 auf- ruhend angeordnet ist. Das Gehäuse 2 ist bei dieser Ausbildung als ein Lichtwellenleiter aus- gebildet, welcher für das von den Lichtquellen 3 ausgesandte Licht durchlässig ist und dieses zum Fluoreszenzfarbstoff an der Oberseite leitet. Zusätzlich zu der Tatsache, dass das Gehäuse 2 als Lichtwellenleiter ausgebildet ist, ist es abwelchend von der Darstellung von Fig.
1 als geschlossenes Gehäuse ausgebildet, so dass es den gesamten Innenraum der optischen Einheit 1 abdeckt. Auf der Oberseite des Gehäuses 2 ist ein Fluoreszenzfarbstoff 6 aufgebracht. Bei der Darstellung von Fig. 3 ist ein optisches Filter 8 vorgesehen sowie das Abschirmelement 5. Das Abschirmelement 5 dient bei der Ausbildung gemäß Fig. 3 lediglich als Sicherheitsmerkmai, wenn beispielsweise aufgrund einer fehlerhaften Produktion das Gehäuse
2 nicht den gesamten Querschnitt der Lichtquelle 3 abdeckt und somit in unbeabsichtigter Weise Licht in das innere der optischen Einheit 1 abgestrahit wird, insbesondere bei
Massenanfertigung von derartigen optischen Einheiten 1 kann es zu einer derartigen, nicht exakten Positionierung des Gehäuses 2 auf der Lichtquelle 3 kommen, so dass, um ein störungsfreies Funktionieren der optischen Einheit 1 zu gewährleisten, das Abschirmelement 5 sicherheitshalber vorgesehen ist.
Im Gegensatz zur Ausbildung von Fig. 1 ist es jedoch bei der Ausbildung von Fig, 3 nicht er- forderlich, dass der Hohlraum der optischen Einheit 1 mit einem optischen Kleber 7 ausgefüllt ist, da das Gehäuse als solches geschlossen ausgebüdet ist. Es kann jedoch auch das Abschirmelement 5 bis zur Unterseite des geschlossenen Gehäuses 2 vorgezogen sein und nur dieses Abschirmelement 5 durch einen optischen Kleber ausgefüllt werden. Damit wird erreicht, dass der Luftspalt zwischen Photodetektor 4 und dem geschlossenen Gehäuse 2 minimiert wird, wodurch wiederum eine bessere Fluoreszenzlicht- Ausbaute erreicht wird.
Die Ausbildung gemäß Fig. 4 entspricht im Wesentlichen jener von Fig. 3 mit dem Unterschied, dass der Photodetektor 4 kleinbauender ausgebüdet sein kann und zusätzlich eine Art trich- terförmiges Leitelement 10 vorgesehen ist, welches das Fluoreszenzlicht von dem Fluoreszenz- farbstoff 6 unmittelbar auf den Photodetektor 4 bzw. das optische Filter 8 leitet.
Fig. 5 entspricht in Bezug auf die Anordnung der Lichtquellen Fig. 1, wobei auch bei Fig. 5 das Gehäuse 2 als geschlossenes Gehäuse ausgebildet ist, auf dessen Oberseite der Fluores- zenzfarbstoff 6 aufgebracht ist. Bei einem derartigen geschlossenen Gehäuse muss zumindest jener Teil des Gehäuses 2 der als Trägerelement für den Fluoreszenzfarbstoff 8 vorgesehen ist, d.b. die Abdeckung 2a für das Fluoreszenzlicht durchlässig ausgebildet sein. Um auch bei dieser Variante ein unbeabsichtigtes Belichten des Photodetektors 4 durch Licht aus den Lichtquellen 3 zu vermeiden muss der Photodetektor 4 wiederum von einem Abschirmelement 5 umgeben sein.
Fig. 6 entspricht der Darstellung von Fig. 1 , in welcher zusätzlich eine Grundplatte 11 vor- gesehen ist, welche eine Elektronikplatine sein kann. in der Darstellung von Fig. 6 ist das Gehäuse 2 ebenso wie das Abschirmelement 5 aus ein und demselben Material ausgebiidet und beide Elemente sind, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben, nicht lichtleitend ausgebiidet. in der Darstellung gemäß Fig. 8 sind Lichtquellen 3 jeweils in einem Sockel 12 aufgenommen, welcher unmittelbar auf die Elektronikplatine 11 gelötet ist. Bei dieser Variante ist wiederum der gesamte Hohlraum der optischen Einheit 1 mit einer optischen Vergussmasse bzw. einem optischen Kleber 7 ausgefüllt, welche(r) optische Kleber bzw. optische Vergussmasse 7 als T räger für den Fluoreszenzfarbstoff 6 dient.
Es erübrigt sich festzuhalten, dass die optische Einheit 1 gemäß der Erfindung auch in einer Vielzahl von anderen Varianten ausgebildet sein kann und dass insbesondere das Abschirm- element 5 insbesondere bei jenen Varianten der optischen Einheit 1 gemäß der Erfindung, bei welchen die Lichtquelle unmittelbar vom Gehäuse 2 abgedeckt ist und dieses Gehäuse 2 die Lichtquelle auch vollständig übergreift, theoretisch weggelassen werden kann, jedoch aus Sicherheitsgründen, insbesondere aufgrund von in Massenproduktion immer wieder auftreten- den Ungenauigkeiten beibehalten werden soll und günstiger Weise bis zur Unterkante des Gehäuses vorgezogen sein kann.
Sämtliche andere Konstruktionen bzw. Ausbildungen sind jedoch denkbar und der Vorteil der optischen Einheit gemäß der Erfindung ist, dass diese extrem kleinbauend ist und dass sie im Gegensatz zu bekannten optischen Einheiten nicht erfordert, dass Fluoreszenzlicht senkrecht auf den Photodetektor auftreffen muss, da sie aufgrund der Miniaturisierung und des extrem knappen Abstands des Photodetektors zu dem Fluoreszenzfarbstoff 6 in der Lage ist, geringste Fluoreszenzlichtmengen einzufangen und sicher zu delektieren. Mit einer derartigen Vorrichtung gelingt es somit nicht nur einen einfach zusammenzubauenden und kostengünstigen Bauteil bereitzusteilen, sondern eine derartige optische Einheit kann beispiels- weise unmittelbar zur Langzeitüberwachung von bestimmten Lebensrnitteln, wie z.B, Obst, Babynahrung, Würsten oder dgi. verwendet werden, insbesondere überall dort verwendet werden, wo beispielsweise Güter unter verringerter O2 Konzentration verpackt werden. Dies insbesondere deshalb, da in der optischen Einheit keinerlei empfindliche oder komplexe Komponenten enthalten sind.
Weiterhin kann, wie dies auch festgehalten wurde, eine Mehrzahl von voneinander verschie- denen Lichtquellen in ein und derselben optischen Einheit angeordnet sein, um verschiedene Anregungslichtwelienlängen auf den/die Fluoreszenzfarbstoff(e) 6 aufzubringen. Es erübrigt sich festzu halten, dass, sollte nicht ein und derselbe Fluoreszenzfarbstoff 6 mit mehreren von- einander verschiedenen Lichtwellenlängen anregbar sein, selbstverständlich entweder Mehr- schichtenanordnungen des Fluoreszenzfarbstoffs oder seμmentierte Anordnungen von ver- schiedenen Fluoreszenzfarbstoffen vorgesehen sein müssen. Darüber hinaus sind Kombinationen von im inneren der optischen Einheit 1 angeordneten freiliegenden Lichtquellen 3 sowie Lichtquellen 3, welche vom Gehäuse 2 abgedeckt sind, ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst.

Claims

Patentansprüche
1. Optische Einheit (1) für die Messung von Fluoreszenzlieht bei einer optochemischen Detek- tion von Bestandteilen eines Fluids umfassend ein mit einer Grundplatte (11) festlegbares Ge- häuse (2), wenigstens eine Lichtquelle (3), einen mit Licht der Lichtquelle (3) anregbaren Fluo- reszenzfarbstoff (6) sowie einen von dem Fluoreszenzfarbstoff (6) ausgesandtes Fluoreszenz- lieht delektierenden Photodetektor (4), dadurch gekennzeichnet, dass das im Wesentlichen ringförmig ausgebildete Gehäuse (2) in seinem inneren die wenigstens eine Lichtquelle (3) und den Photodetektor (4) aufweist, dass der Photodetektor (4) von einem Abschirmelement (5) um- geben ist, dass das Abschirmelement (5) und das Gehäuse (2) im Wesentlichen konzentrisch zueinander angeordnet sind, dass das Abschirmelement (5) und das Gehäuse (2) eine einander im Wesentlichen entsprechende Höhe aufweisen und dass an einer von der Grundplatte (11) abgewandten Oberseite des Gehäuses (2) der Fluoreszenzfarbstoff (6) angeordnet ist,
2. Optische Einheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) an der von dem Träger abgewandten Oberseite offen ausgebildet ist und dass der Fluoreszenz- farbstoff (6) auf einem einen Freiraum in dem Gehäuse (2) ausfüilenden optischen Kleber (7) aufgebracht ist,
3. Optische Einheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) an der von der Grundplatte (11) abgewandten Oberseite mit einer für von der Lichtquelle (3) aus- gesandtes Anregungslicht und zu detektierendes Fluoreszenzlicht durchlässigen Abdeckung (2a) verschlossen ausgebildet ist und dass die Abdeckung (2a) eine nahtlose Verbindung mit dem den Freiraum In dem Gehäuse (2) ausfüllenden optischen Kleber (7) ausbiidet.
4. Optische Einheit (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf der für das An- regungslicht und das zu detektierende Fluoreszenzlicht durchlässigen Abdeckung (2a) der Fluo- reszenzfarbstoff (6) aufgebracht ist.
5. Optische Einheit (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckung (2a) sich bis zu einer Unterkante des Gehäuses (2) erstreckt und dass eine Seitenwand der Abdeckung (2a) verspiegelt ausgebildet ist.
6. Optische Einheit (1) nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse
(2) als Lichtleiter ausgebildet ist und dass die wenigstens eine Lichtquelle (3) von einem Wand- te il des Gehäuses (2) überdeckt angeordnet ist.
7. Optische Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Photodetektor (4) und Fluoreszenzfarbstoff (6) weiterhin ein optisches Fiiter (8) an- geordnet ist,
8. Optische Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) als einseitig geschlossener Hohlkörper ausgebildet ist, dass an der geschlossenen Oberseite des Hohlkörpers ein im Wesentlichen trichterförmiges, die geschlossene Oberseite des Hohlkörpers mit dem Abschirmelement (5) des Photodetektors (4) verbindendes Wand- element angeordnet ist,
9. Optische Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von gegebenenfalls Licht mit voneinander verschiedenen Wellenlängen aus- sendenden Lichtquellen (3) in dem Gehäuse (2) oder von einem Wandteil des Gehäuses (2) ab- gedeckt angeordnet sind und dass zwischen jeder einzelnen der Mehrzahl von Lichtquellen (3) Abschirmelemente (5) angeordnet sind.
10. Optische Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluoreszenzfarbstoff (6) mit einer Lichtschutzmembran und/oder einem optischem Fiiter ab- gedeckt ist/sind.
11. Optische Einheit (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Licht- schutzmembran mit einer Porenweite von 0,1 μm bis 100 pm, vorzugsweise 1 μm bis 20 μm ausgebüdet ist.
12. Optische Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (11) eine Trägerplatte für elektronische Bauteile ist.
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