DE69634660T2

DE69634660T2 - Optischer fluoreszenzsensor

Info

Publication number: DE69634660T2
Application number: DE69634660T
Authority: DE
Inventors: Arthur E Colvin Jr
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-02-21
Filing date: 1996-02-15
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2016-02-16
Also published as: KR100355905B1; CN1098456C; KR19980702404A; CN1178006A; NO973761D0; EP0811154B1; AU4989796A; US5517313A; CA2213482A1; DE69634660D1; NO325071B1; JPH11500825A; FI973405A0; ES2240991T3; MX9706360A; NO973761L; FI117683B; WO1996026429A1; PT811154E; DK0811154T3

Description

Hintergrund der Erfindung
Fluoreszenz ist ein photochemisches Phänomen bei dem ein Photon spezifischer Lichtwellenlänge (Anregungswellenlänge) ein Indikatormolekül trifft und dabei als Ergebnis der Kollision ein Elektron auf einen höheren Energiezustand anregt. Wenn das "angeregte" Elektron in seinen Grundzustand zurückfällt, wird ein weiteres Lichtphoton bei einer längeren Wellenlänge freigesetzt (Emissionswellenlänge).
Indikatormoleküle weisen spezifische Anregungs- und Emissionswellenlängen auf. Die Fluoreszenzemission aus einem Indikatormolekül kann durch die lokale Anwesenheit eines zur analysierenden Moleküls gedämpft oder verstärkt werden. Zum Beispiel ein tris(4, 7-Diphenyl-1, 10-phenanthrolin)ruthenium(II)perchlorat-Molekül, insbesondere für den Sauerstoffnachweis, wird durch Beleuchten der Substanz bei 460 nm (blau) angeregt. Die Fluoreszenzemission der Moleküle setzt unverzüglich mit 620 nm (orange-rot) ein. Die Emission wird jedoch durch die lokale Anwesenheit von Sauerstoff, welches mit dem Indikatormolekül wechselwirkt, gedämpft, was dazu führt, dass die Intensität der Fluoreszenz in Zusammenhang steht mit der umgebenden Sauerstoffkonzentration. Im Ergebnis führt dies dazu, dass je mehr Sauerstoff vorhanden ist, umso geringer fällt die Emissionsintensität aus und umgekehrt und wenn null oder kein Sauerstoff vorhanden ist, wird die Fluoreszenzintensität des emittierten Lichtes maximal.
Diese analytische Technik, wobei die fluoreszierenden Moleküle als Indikatoren verwendet werden, wird klassischerweise in Fluoreszenzspektralphotometern verwendet. Diese Instrumente sind dafür entwickelt worden, die Fluoreszenzintensität und ferner die Abfallzeit der Fluoreszenz auszulesen. Diese Geräte kosten typischerweise 20.000 bis 50.000 Dollar und werden im Allgemeinen in Forschungslaboratorien verwendet.
Ein zweiter Bereich des Standes der Technik für Fluoreszenzsensoren ist der der Vorrichtungen aus optischen Fasern. Diese Sensoren ermöglichen die Miniaturisierung und die Fernmessung von spezifischen Analyten. Das fluoreszierende Indikatormolekül wird mittels mechanischer Mittel oder chemisch im Bereich eines Endes einer optischen Faser immobilisiert. An dem gegenüberliegenden Ende der Faser ist ein Faserkoppler (Y förmige Faser) oder ein Strahlteiler angeordnet.
Einfallendes Anregungslicht wird in eine Abzweigung der Faser typischerweise mittels eines Filters und einer Linse eingekoppelt. Das Anregungslicht wird mittels der Faser zum distalen Ende der Faser geleitet, wo das fluoreszierende Indikatormolekül im Bereich der Spitze immobilisiert wurde. Aufgrund der Anregung strahlt das Indikatormolekül gleichförmig Fluoreszenzlicht ab, einiges davon wird von der Faserspitze wieder eingefangen und breitet sich rückwärts durch die Faser zur Y-Verbindung oder zum "Koppler" aus. Bei der Verbindung wird ein wesentlicher Anteil (typischerweise die Hälfte) der Fluoreszenz zurück zum Emitter oder Herkunftspunkt übertragen, um dadurch nicht für die Signaldetektion zur Verfügung zu stehen. Um die Ineffizienzen des Systems auszugleichen, werden oft Laser, um die Eingangsleistung zu steigern und hochempfindliche Photomultiplierröhren als Detektoren verwendet, wobei die Kosten um tausende Dollar erhöht werden. Die andere Hälfte breitet sich entlang der anderen Abzweigung des Y zum Detektor aus und wird registriert. Ein primärer Nachteil des Systems sind die Verluste, die an jeder Faserverbindung und durch die Linsen und Filter auftreten. Das System weist eine maximale 1-5%-ige Effizienz mit resultierenden Verlusten in der Empfindlichkeit und im Bereich auf. Diese Vorrichtungen sind im Labor vorgeführt worden und erst kürzlich kommerziell für sehr beschränkte Anwendungen erhältlich. Diese Vorrichtungen unterscheiden sich von den zuvor erwähnten Fluoreszenzspektralphotometern dadurch, dass sie für ihre spezifische Anwendung bestimmt sind.
EP-A-0 534 670 beschreibt einen Sensor, der einen Corpus aus einem Halbleitermaterial, der ein lichtemittierendes Element und ein lichtdetektierendes Element aufnimmt und optische Fasermittel aufweist, die in situ auf dem Körper in optisch verbundener Beziehung zu den Elementen ausgebildet sind, um Licht von dem lichtemittierenden Element zum lichtdetektierenden Element zu führen, um ein elektrisches Signal dem transmittierten Licht entsprechend zu erzeugen, wobei die optischen Fasermittel wenigstens einen zugehörigen Abschnitt aufweisen, der auf die Anwesenheit einer besonderen chemischen oder biologischen Spezies durch Änderung des Lichttransmission durch die optische Fasermittel reagiert, so dass das elektrische Signal auf das Vorliegen der Spezies hinweist.
US Patent Nr. 4,846,548 beschreibt ein Faser-optisches-Element, das dazu verwendet wird, die Anwesenheit chemischer oder biologischer Spezies durch Messung der Änderungen der inneren Totalreflexionseigenschaften des Elements zu detektieren, wobei die Änderungen durch Änderungen des Brechungsindexes einer Umhüllung oder Schicht erzeugt wird, die mit der chemischen oder biologischen Spezies reagiert.
EP-A-0 263 805 beschreibt ein Nachweiselement für die Bestimmung der Materialkonzentrationen in gasförmigen und flüssigen Proben mit einer Trägerschicht und einer Indikatorschicht mit wenigstens einer Indikatorsubstanz, wobei wenigstens eine optische Eigenschaft der Indikatorsubstanz durch Wechselwirkung mit dem zu untersuchenden Material in Übereinstimmung mit dessen Konzentration variiert, wobei das Nachweiselement dadurch gekennzeichnet ist, dass wenigstens ein photoempfindliches Element und seine elektrische Kontaktierungsanordnung im ebenen Layout der Trägerschicht vorliegen, dass die Indikatorschicht, die die Indikatorsubstanz enthält, die Form eines Wellenleiters für die Anregungsstrahlung annimmt, dass die Anregungsstrahlung in die Indikatorschicht mittels eines optischen Elements eingekoppelt werden kann und dass die Indikatorsubstanz, die durch die Anregungsstrahlung angeregt wird, in optischem Kontakt mit dem oder jedem photoempfindlichem Element steht.
EP-A-0 489 347 betrifft physiologische Sensoren, die optische Fasern verwenden und die Messung einer Vielzahl von Serumanalyten ermöglichen. Der physiologische Sensor umfasst Folgendes: einen Probenbereich zur Aufnahme einer Probe, die ein oder mehrere Sätze aus zu untersuchenden Analyten beinhaltet, wobei jeder Satz der Analyten ein oder mehrere zu untersuchende Analyten beinhaltet, Mittel zur Einkopplung von Eingangsenergie in den genannten Probenbereich, Mittel zur Überleitung der Eingangsenergie von der genannten Probe zu einem Detektor, Mittel, die dafür sorgen, dass wenigstens einiges der Eingangsenergie als zurückgeführte Energie zu den genannten Mitteln zur Einkopplung der Ausgangsenergie übergeleitet wird, nachdem sie durch die genannte Probe geführt wurde, wobei die Menge der genannten zurückgeführten Energie ein Indikator für einen ersten Satz der Analyten ist, Mittel, die Fluoreszenz im genannten Probenbereich als Reaktion auf wenigstens einen Teil der genannten Eingangsenergie in Abhängigkeit des einen oder der mehreren Analyten des zweiten Satzes der Analyten hervorrufen, und Mittel zur Überleitung der genannten Fluoreszenzenergie in die genannten Mittel zur Überleitung des Ausgangsenergie zum genannten Detektor.
U5-A-4,755,667 betrifft einen Fluoreszenzsensor zur Verwendung bei der Bestimmung von Konzentrationen von Substanzen, die in gasförmigen und flüssigen Proben enthalten sind. Der Sensor umfasst eine Trägerschicht und eine Indikatorschicht, die eine oder mehrere Indikatorsubstanzen umfasst, deren optische Eigenschaften in Abhängigkeit der Konzentration der zu messenden Substanzen sich ändern. Die Trägerschicht ist mit wenigstens einem photoempfindlichen Element mit elektrischen Kontakten in ebener Anordnung versehen und die Indikatorschicht fungiert als ein Wellenleiter für die Anregungsstrahlung, die mittels eines optischen Elements darin eingekoppelt wird.
Im Lichtes des zuvor Beschriebenen ist leicht ersichtlich, dass bestimmte, mit dem Fluoreszenzgeräten des Standes der Technik verbundene Einschränkungen bestehen, einschließlich der Unwirtschaftlichkeit im Hinblick auf die Kosten und der die Verwendung betreffenden Einschränkungen. Solche Fluoreszenzgeräte sind zudem komplex und weisen viele einzelne Teile auf und sind unhandlich.
Diese Erfindung überwindet diese mit den bekannten Fluoreszenzgeräten verbundenen Probleme und stellt ein hinsichtlich der Kosten und der Komplexität erheblich reduziertes und hinsichtlich der Effizienz erheblich verbessertes Fluoreszenzgerät zur Verfügung. Diese Erfindung stellt eine neue Plattform zur Verfügung, die die Verwendung von fluoreszierenden Indikatormolekülen als Sensor weit reichend ausdehnt und die zuvor nicht zur Verfügung stehende Verwendung, Empfindlichkeit und Kostenanalysen ermöglicht. Die Erfindung weist auch zugenommene Anwendungen auf und ist in der Anwendung einfacher sowie zuverlässiger als im Stand der Technik bekannte Fluoreszenzgeräte.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Fluoreszenzgeräte und insbesondere Fluoreszenzsensoren.
Folglich ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Fluoreszenzsensor bereit zu stellen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der hoch effizient ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor mit verbesserter optischer Effizienz bereitzustellen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der eine gesteigerte Empfindlichkeit aufweist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der wenige Einzelteile aufweist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der leicht herzustellen ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der erheblich reduzierte Herstellungskosten aufweist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der mit Standard-Herstellungstechniken herzustellen ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der leicht zusammenzubauen ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der geringe Kosten aufwirft.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der eine vergrößerte Anzahl von Anwendungen aufweist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der in rauen Umgebungen verwendet werden kann.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der gesteigerte thermische Widerstandsfähigkeit aufweist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der miniaturisiert ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor mit reduziertem Volumen bereitzustellen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der bei reduziertem Volumen eine gesteigerte Funktionalität bereitstellt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor mit gesteigerter Funktionsdichte bereitzustellen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der sich gut für die Verwendung an Stellen eignet, an denen das zur Verfügung stehende Volumen beschränkt ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der sich gut für eine Verwendung in einer Vielzahl von schwierigen Situationen eignet.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der ein emittierendes Element beinhaltet, das in ein chemisch aktives Element eingebettet ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der ein emittierendes Element beinhaltet, das in ein Polymer (organisch oder anorganisch) eingebettet ist, in das ein Indikatormolekül immobilisiert wurde.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der als eine Plattform für Fluoreszenz-, Lumineszenz-, Phosphoreszenz-, Absorption- oder Brechungsdifferenz-Indikatormoleküle, die auf oder im Polymer, in das der Emitter eingebettet ist, immobilisiert wurden, dienen kann.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor mit einem eingebetteten Emitter bereitzustellen, wobei die Technik der Abfrage des Indikatormoleküls die direkte Anregung/Emission, abklingende Anregung oder Oberflächenplasmonresonanzanregung oder indirekte Anregung mittels eines sekundären Fluoreszenzmoleküls ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, wo in das emittierende Element, das eingebettet ist, optische Tief- und Hochpassfiltern eingebaut sind.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der ein eingebautes, optisches Detektionselement oder eine Diode hat.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der aus einer einstückigen Einheit auf im Wesentlichen einem einzelnen Chip oder einer integrierten Baugruppe aufgebaut ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, bei dem alle optische Verarbeitung im integrierten Bestandteil beinhaltet ist und lediglich Versorgungs- und Signalleitungen zur aktiven Vorrichtung oder Einheit zu- und abgeführt werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, wobei der Emitter ein lichtemittierendes Dioden- (LED)-Bauelement einschließt, um eine optimale radiale Emission der Anregungsstrahlung von der Quelle zu erreichen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, wobei die Primärachse der Anregungsstrahlung aus einer lichtemittierenden Diode rechtwinklig zur Primärachse der Photodetektion der Emission des Photodetektors ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der das Bedürfnis nach optischen Fasern eliminiert.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor mit einer einheitlichen Struktur bereitzustellen, wobei die die gesamte Strahlung der Lichtquelle anfänglich freigesetzt wird und sich durch die Indikatorschicht fortpflanzt, entweder innerhalb der Schicht oder auf die Oberfläche der Schicht begrenzt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der in der Analyse von gasförmigen oder flüssigen Zuständen verwendet werden kann.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der mit seiner signalverarbeitenden Elektronik eingebaut oder als ein Ferngerät verwendet werden kann.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, wo die Membran- oder Indikatorschichtdicke durch Ausgießen des formulierten Inhalts mittels Schwerkraft oder Druck um das Emitterbauteil herum eingestellt wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, wobei die Dicke der Indikatorschicht nur durch die Dicke des radial emittierenden P/N-Übergangs optisch beschränkt ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der einen Tiefpassfilter aufweist, der eine Beschichtung oder ein Film ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der einen Hochpassfilter aufweist, der eine Beschichtung, ein Film oder eine Scheibe ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der für eine Vielzahl von Analyten verwendet werden kann, indem ein spezifisches Indikatormolekül auf oder innerhalb der Indikatorschicht des Sensors immobilisiert wird und die Signalverarbeitungselektronik kalibriert wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, dessen Signalverarbeitungselektronik Phasenmodulations-, Lebensdauer-, Intensitäts- oder relative Intensitätsdateninterpretationsverfahren beinhalten kann.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der jegliche Emissionswellenlängen und jegliche Detektionswellenlängen aufweisen kann.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, wobei die Tief- und Hochpassfilter aus jeglichem geeigneten Ausschluss/Zulassungsprofil ausgewählt sind, das für die Indikatormoleküle geeignet ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, wobei der Sensor ein Festkörpersensor ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Fluoreszenzsensor bereitzustellen, der für extreme Temperatur, Druck und Umgebungsbedingungen ausgelegt ist. Gemäß einer Ausführung schafft die vorliegende Erfindung einen Fluoreszenzsensor zum Nachweis eines Analyts, wobei der Sensor eine Photodetektorschicht zur Erzeugung eines elektrischen Signals als eine Reaktion auf eine Bestrahlung mit einfallendem Licht, eine Indikatorschicht zur Schaffung eines Fluoreszenzemission als eine Reaktion auf ein Anregungslicht und ein lichtemittierendes Mittel zur Emission von Anregungslicht umfasst, wobei die Indikatorschicht ein Material aufweist, welches die Eindiffusion des Analyts gestattet und welches lichtemittierende, auf das Analyt angepasste Indikatormoleküle hat, so dass die Indikatormoleküle mit dem Analyt wechselwirken, um die Menge an, auf die Photodetektorschicht einfallendem Licht von dem Licht, das von den Indikatormolekülen emittiert wird, zu verändern, der dadurch gekennzeichnet ist, dass

(i) die Photodetektorschicht, die Indikatorschicht und das lichtemittierende Mittel alle in einer miniaturisierten, einheitlichen Struktur angeordnet sind;
(ii) wenigstens ein Teil des lichtemittierenden Mittels innerhalb der Indikatorschicht angeordnet ist, und wobei die Lichtanregung von den lichtemittierenden Mitteln anfänglich durch die Indikatorschicht freigesetzt wird und sich darin ausbreitet; und
(iii) die Photodetektorschicht und das lichtemittierende Mittel jeweils eine Primärachse der Lichtdetektion oder beziehungsweise Emission aufweisen, die Photodetektorschicht und das lichtemittierende Mittel so angeordnet sind, dass die Primärachse der Lichtemission von dem lichtemittierenden Mittel im Wesentlichen rechtwinklig zur Primärachse der Lichtdetektion der Photodetektorschicht verläuft.

Gemäß einer anderen Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung einen Fluoreszenzsensor zum Nachweis eines Analyts, wobei der Sensor eine Photodetektorschicht zur Erzeugung eines elektrischen Signals als eine Reaktion auf eine Bestrahlung mit einfallendem Licht, eine Indikatorschicht zur Schaffung eines Fluoreszenzemission als eine Reaktion auf ein Anregungslicht und ein lichtemittierendes Mittel zur Emission von Anregungslicht umfasst, wobei die Indikatorschicht ein Material aufweist, welches die Eindiffusion des Analyts gestattet und welches lichtemittierende, auf das Analyt angepasste Indikatormoleküle hat, so dass die Indikatormoleküle mit dem Analyt wechselwirken, um die Menge an, auf die Photodetektorschicht einfallendem Licht von dem Licht, das von den Indikatormolekülen emittiert wird, zu verändern, der dadurch gekennzeichnet ist, dass

(i) die Photodetektorschicht, die Indikatorschicht, eine Wellenleiterschicht und das lichtemittierende Mittel alle in einer miniaturisierten, einheitlichen Struktur angeordnet sind;
(ii) die Wellenleiterschicht angrenzend zur Indikatorschicht angeordnet ist und wenigstens ein Teil des lichtemittierenden Mittels von der Wellenleiterschicht umgeben ist, und wobei die Lichtanregung von dem lichtemittierenden Mittel anfänglich durch die Wellenleiterschicht freigesetzt wird und sich darin ausbreitet; und
(iii) die Photodetektorschicht und das lichtemittierende Mittel jeweils eine Primärachse der Lichtdetektion oder beziehungsweise Emission aufweisen, die Photodetektorschicht und das lichtemittierende Mittel so angeordnet sind, dass die Primärachse der Lichtemission von dem lichtemittierenden Mittel (C) im Wesentlichen rechtwinklig zur Primärachse der Lichtdetektion der Photodetektorschicht (D) verläuft.

Kurzbeschreibung der Figuren
Die Erfindung wird hierin nachfolgend detaillierter anhand der begleitenden Figuren beschrieben, die Folgendes darstellen:
1 ist eine perspektivische, Teilexplosionsdarstellung des erfindungsgemäßen Fluoreszenzsensor, die dessen Einzelteile zeigt und zeigt, wie dieser hergestellt wird;
2 ist eine Aufsicht auf den erfindungsgemäßen Fluoreszenzsensor, wie in 1 vorgegeben;
3 ist eine vergrößerte Teilansicht des erfindungsgemäßen Fluoreszenzsensors, wie in den 1 und 2 vorgegeben und im Wesentlichen entlang der Schnittlinie 3 – 3 der 2 dargestellt;
4 ist eine Aufsicht auf eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fluoreszenzsensors;
5 ist eine vergrößerte Teilansicht des erfindungsgemäßen Fluoreszenzsensors, wie in 4 vorgegeben und im Wesentlichen entlang der Schnittlinie 5-5 der 4 dargestellt; und
6 ist eine perspektivische Darstellung der Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Fluoreszenzsensors bei Verwendung mit einem Indikator.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Zuerst wird anhand der 1, 2 und 3 der erfindungsgemäße Fluoreszenzsensor dargestellt, und dieser ist im Ganzen mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Der Sensor 10 umfasst Photodetektormittel für die Lichtdetektion, die einen im Wesentlichen flachen Photodetektor oder eine Scheibe 12 umfassen, Filtermittel zur Lichtfilterung, die eine dünne, im Wesentlichen flache Hochpassfilterschicht 14 umfassen, die einen im Ganzen kreisförmigen Umfang hat und welche angrenzend an die, die Photodetektorscheibe 12 aufweisenden Photodetektormitteln angeordnet ist und welche mit diesen optisch verbunden ist und eine dünne im Wesentlichen flache Glasscheibe 16, die einen im Allgemeinen kreisförmigen Umfang hat und welche angrenzend an die die Hochpassfilterschicht 14 aufweisenden Filtermittel angeordnet ist und welche mit diesen optisch verbunden. Der Sensor 10 umfasst ferner Indikatormittel zur Bereitstellung einer Fluoreszenzemission, die durch ein Anregungslicht hervorgerufen wird, die eine im Wesentlichen flache, dünne Indikatormembranschicht 18 umfassen, die einen im Ganzen kreisförmigen Umfang aufweist und welche angrenzend an die Glasschicht angeordnet ist und mit dieser optisch verbunden ist, lichtemittierende Mittel für die Emission des Anregungslichtes, die eine lichtemittierende Diode 20 (LED) umfassen, die im Zentrumsbereich der Indikatorschicht 18 angeordnet ist und eine dünne, elektrisch leitende, reflektierende Metallscheibe 22, die zwischen der lichtemittierenden Diode 20 und der Glasscheibe 16 angeordnet ist, zuzüglich Filtermittel zur Lichtfilterung, die eine, den oberen Bereich der lichtemittierenden Diode 20 umgebende Tiefpassfilterbeschichtung 24 umfassen. Wie in 1 angedeutet ist, wird die Indikatorschicht 18 an Ort und Stelle eingegossen.
Details des Aufbaus des Sensors 10 kann sowohl anhand der 3 als auch anhand der 1 verstanden werden. Wie in den 1 und 3 illustriert ist, ist die Photodetektorschicht 12 mit einem positiven Pfosten 26 und einem negativen Pfosten 28, deren betreffenden oberen Endabschnitte 30 und 32 elektrisch mit der Photodetektorschicht 12 verbunden sind. Ein Ende einer Leitung 40 ist am oberen Endabschnitt 30 des Pfosten 26 angelötet oder mit leitfähigem Kleber daran befestigt, und das andere Ende ist auf herkömmliche Art und Weise an der oberen Fläche 38 der Photodetektorschicht 12 angebracht oder befestigt. Auf ähnliche Art und Weise ist ein Ende einer Leitung 36 am oberen Endabschnitt 32 des Pfostens 28 durch Löten oder einen leitfähigen Kleber befestigt, und das andere Ende ist an der Unterseite 34 des Photodetektors 12 auf eine herkömmliche Art und Weise angebracht oder befestigt.
Die Unterseite 42 der Hochpassfilterschicht 14 ist an der Oberseite oder Oberfläche 38 der Photodetektorschicht 12 durch eine sehr dünne Schicht aus optischem Kleber 44 befestigt, und die obere Fläche 46 der Hochpassfilterschicht 14 ist an der unteren Fläche 48 der Glasschicht 16 durch eine weitere, sehr dünne Schicht aus optischem Kleber 50 befestigt. Die reflektierende Folie 22 ist an der oberen Fläche 52 der Glasschicht 16 durch einen geeigneten, aus dem Stand der Technik bekannten Kleber 53 befestigt, und die lichtemittierende Diode 20 ist an der oberen Fläche der reflektierenden Folie 22 durch eine elektrisch leitfähige Klebschicht 54 angebracht. Die Tiefpassfilterbeschichtung 24 ist am oberen, äußeren Abschnitt der lichtemittierenden Diode 20 durch einen lichtleitfähigen Kleber 56 befestigt.
Elektrische Leitungen 58 und 60 sind für die lichtemittierende Diode 20 vorgesehen und erstrecken sich jeweils von der lichtemittierenden Diode 20 und der elektrisch angeschlossenen, leitfähigen Folienscheibe 22 zu den betreffenden oberen Endabschnitten 66 und 68 der Pfosten 62 und 64, deren betreffende oberen Endabschnitte 66 und 68 unter dem äußeren Abschnitt der unteren Fläche 42 der Filterschicht 14 angeordnet sind. Die Indikatormembranschicht 18 enthält Indikatormoleküle, die mit dem Bezugszeichen 71 versehen sind und ist auf die obere Fläche 52 der Glasschicht 16 sowie um die lichtemittierende Diode 20 und ihre Tiefpassfilterbeschichtung 24 und ihre Leitungsabschnitte 58 und 60 gegossen.
Ferner ist ein kreisringförmiges, maschinell bearbeitetes Metallgehäuse 70 vorgesehen, das die äußeren Kanten der Photodetektorschicht 12, der Filterschicht 14, der Glasschicht 16 und der Membranschicht 18 umwindet. Der untere Abschnitt des maschinell bearbeiteten Gehäuses 70 ist verschlossen oder mit Gusskeramik oder anderer, aus dem Stand der Technik bekannter Vergussmasse 72, die ebenso die Pfosten 26, 28, 62 und 64 an Ort und Stelle hält, abgedichtet. Folglich weist der Sensor 10 eine einheitliche Struktur auf, wobei alle betriebsnotwendigen Bestandteile im Gehäuse 70 angeordnet sind und nur die positiven und negativen Signalleitungspfosten 26 und 28 und die elektrischen Stromversorgungspfosten 62 und 64 sich aus der einheitlichen Struktur, die vom Gehäuse 70 umgeben und darin enthalten ist, herausstrecken. Es ist wichtig anzumerken, dass, wie in 3 angedeutet ist, dass die lichtemittierende Diode 20 und der Photodetektor 12 auf solche Art und Weise angeordnet sind, dass die Primär- oder Hauptachse der Lichtemission aus der lichtemittierenden Diode 20, die mit dem Buchstaben A bezeichnet ist, sich im Wesentlichen senkrecht zur Primär- oder Hauptachse, die mir dem Buchstaben B bezeichnet ist, der Lichtdetektion des Photodetektors 12 erstreckt. Dies ist sehr wichtig für den Fluoreszenzsensor 10, da dies zu hoher Effizienz und hoher Empfindlichkeit führt.
Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fluoreszenzsensors ist in den 4 und 5 angegeben und ist im Ganzen mit dem Bezugszeichen 74 bezeichnet. Der Sensor 74 umfasst Photodetektormittel zur Lichtdetektion, die eine dünne Photodetektorschicht 76 umfassen, die im Wesentlichen identisch mit der zuvor beschriebenen Photodetektorscheibe oder -Schicht 12 ist, Filtermittel für die Lichtfilterung, die eine Hochpassfilterschicht 78 umfassen, die im Wesentlichen identisch mit der zuvor beschriebenen Hochpassfilterschicht 14 ist und eine Glasschicht 80, die im Wesentlichen identisch mit der zuvor beschriebenen Glasschicht 16 ist. Die Hochpassfilterschicht 78 ist angrenzend an die die Photodetektorschicht oder -Scheibe 76 umfassenden Photodetektormittel angeordnet und ist mit diesen optisch verbunden. Die Glasschicht 80 ist angrenzend an die die Filterschicht 78 umfassenden Filtermittel angeordnet und ist mit diesen optisch verbunden. Der Sensor 74 weist jedoch ferner Wellenleitermittel auf, die als Wellenleiter fungieren und die eine dünne, im Wesentlichen flache Wellenleiterschicht 82 umfassen, deren unter Fläche 84 angrenzend an und in optischem Kontakt mit der oberen Fläche 86 der Glasschicht 80 aufgrund eines optischen Klebers 88 angeordnet ist. Die obere Fläche 90 der Wellenleiterschicht 82 ist angrenzend an und in optischem Kontakt mit der unteren Fläche 92 einer Indikatorschicht 94 angeordnet. Diese Indikatormembranschicht 94 weist Indikatormoleküle auf, die mit dem Bezugszeichen 95 versehen sind und kann auf die obere Fläche 90 der Wellenleiterschicht 82 gegossen werden. Der Sensor 74 hat ferner lichtemittierende Mittel zur Emission von Anregungslicht, die eine lichtemittierende Diode 96 umfassen, die ähnlich der zuvor beschriebenen Diode 20 ist, Filtermittel für die Lichtfilterung, die eine Tiefpassfilterbeschichtung 98, die den oberen Abschnitt der Diode 96 umgibt und die ähnlich der zuvor beschriebenen Tiefpassfilterbeschichtung 24 ist, umfassen, und die untere Fläche der lichtemittierenden Diode 96 steht in Kontakt mit einer dünnen, elektrisch leitenden, reflektierenden Metallfolienscheibe 100, die ähnlich der zuvor beschriebenen, reflektierenden Metallfolienscheibe 22 ist.
Wie in 5 dargestellt ist, weist der Sensor 74 jeweils positive und negative Pfosten 102 und 104 auf, die ähnlich den zuvor beschriebenen Pfosten 26 und 28 sind, und diese sind jeweils elektrisch mit der betreffenden Oberseite 105 und Unterseite 106 der Photodetektorschicht 76 auf eine herkömmliche Art und Weise mittels zugehöriger elektrischer Leitungen 107 und 109 verbunden. Die untere Fläche 114 der Hochpassfilterschicht 78 ist an der oberen Fläche 112 der Photodetektorschicht 76 durch eine sehr dünne Schicht aus optischem Kleber 116, ähnlich dem zuvor beschriebenen Kleber 44, verbunden. Die obere Fläche 118 des Hochpassfilters 78 ist ebenso an der unteren Fläche 120 der Glasschicht 80 durch eine dünne Schicht 122 aus optischem Kleber, der ähnlich dem zuvor beschriebenen Kleber 50 ist, befestigt. Die reflektierende Folienscheibe 100 ist mit der oberen Fläche 86 der Glasschicht 80 durch einen geeigneten, aus dem Stand der Technik bekannten Kleber verbunden, und die lichtemittierende Diode 96 ist an der oberen Fläche der reflektierenden Folie 100 mittels einer elektrisch leitfähigen Klebschicht 124 befestigt, und die Tiefpassfilterschicht 98 ist an der Diode 96 mittels einer lichtleitfähigen, klebrigen Beschichtung (nicht dargestellt) befestigt.
Die lichtemittierende Diode 96 weist zugehörige elektrische Leitungen 128 und 130 auf, die sich jeweils von der Diode 96 und der Metallfolie 100, die unter und in elektrischem Kontakt mit der Diode 96 angeordnet ist, zu den betreffenden Pfosten 132 und 134 erstrecken, die unter der äußeren Unterseite 114 der Hochpassfilterschicht 78 in einer Art und Weise angeordnet ist, die ähnlich der der Leitungen 58 und 60 und der betreffenden Pfosten 62 und 64 der in den 1 bis 3 vorgegebenen Ausführungsform ist. Es wird angemerkt, dass die lichtemittierende Diode 96 und ihre Tiefpassfilterbeschichtung oder -Schicht 98 von der Wellenleiterschicht 82 umgeben sind, die um die lichtemittierende Diode 96 und ihre Tiefpassfilterbeschichtung 98 die zentral über dem zentralen Abschnitt der Glasschicht 78 angeordnet ist, gegossen ist.
Ebenso ist ein kreisringförmiges, maschinell bearbeitetes Metallgehäuse 139, das im Wesentlichen identisch mit dem Metallgehäuse 70 der Ausführungsform 10 ist, vorgesehen, und welches die äußeren Kanten der Photodetektorschicht 74, der Filterschicht 78, der Glasschicht 80, der Wellenleiterschicht 82 und der Indikatorschicht 94 umwindet. Der untere Abschnitt des maschinell bearbeiteten Gehäuses 70 ist verschlossen oder mit Gusskeramik oder anderer, aus dem Stand der Technik bekanntem Vergussmasse 141, das identisch mit dem Material 72 der Ausführungsform 10 ist, versiegelt. Diese Masse 141 befestigt ebenso die Pfosten 102, 104, 132 und 134 an Ort und Stelle. Folglich weist der Sensor 74 einen einheitlichen Aufbau auf, der derselbe ist, wie der der Sensorausführungsform 10, wobei all seine betriebsnotwendigen Bestandteile innerhalb des Gehäuses 139 angeordnet sind und lediglich die positiven und negativen Signalleitungspfosten 102 und 104 und die elektrischen Versorgungspfosten 132 und 134 sich aus dem einheitlichen Aufbau, der von dem Gehäuse 139 umgeben und darin enthalten ist, erstrecken. Es ist wichtig anzumerken, dass, wie in 5 angedeutet ist, dass die lichtemittierende Diode 96 und der Photodetektor 76 auf solche Art und Weise angeordnet sind, dass die Primär- oder Hauptachse der Lichtemission aus der lichtemittierenden Diode 96, die mit dem Buchstaben C bezeichnet ist, im Wesentlichen rechtwinklig zur Primär- oder Hauptachse, die mit dem Buchstaben D bezeichnet ist, der Lichtdetektion des Photodetektors 76 ist. Dies ist sehr wichtig für den Fluoreszenzsensor 74, da dies zur hoher Effizienz und hoher Empfindlichkeit führt.
Wie in 6 dargestellt ist, ist der positive Pfosten 26 des Sensors 10 elektrisch mit dem positiven Eingang 140 eines Lichtintensitätsindikators 142 mittels des Leiters 144, des Schalters 146 und des Leiters 148 verbunden. Auf ähnliche Art und Weise ist der negative Pfosten 28 elektrisch mit dem negativen Eingang 150 des Lichtintensitätsindikators 142 mittels des Leiters 152, des Schalters 154 und des Leiters 156 verbunden. Abwechselnd kann der Sensor 74 elektrisch mit dem Lichtintensitätsindikator 142 verbunden sein, indem der positive Pfosten 102 des Sensors 74 mit dem positiven Eingang 140 des Lichtintensitätsindikators 142 mittels des Leiters 158, des Schalters 146 und des Leiters 148 verbunden ist. Auf ähnliche Art und Weise ist der negative Pfosten 104 mit dem negativen Eingang 150 des Lichtintensitätsindikators 142 mittels des Leiters 160, des Schalters 154 und des Leiters 156 verbunden. Im Ergebnis dieser Anordnung kann die Lichtintensitätsausgangsgröße entweder vom Sensor 10 oder 74 auf der Anzeige 162 des Lichtintensitätsindikators 142 durch die Verwendung der Schalter 146 und 154 abgelesen werden.
In den bevorzugten Ausführungsformen werden beide Fluoreszenzsensorausgestaltungen 10 und 74 unter Verwendung von Standardkomponenten und aus dem Stand der Technik bekannten Techniken auf die folgende Art und Weise hergestellt. Mit Bezug auf die Fluoreszenzsensor-Ausführungsform 10 wird das äußere Gehäuse von einem optischen Standarddiodendetektor, wie ein UDT020, der von United Detector Technology aus Hawthorne, Kalifornien erhältlich ist, entfernt, um die Oberfläche der Siliziumphotodiode 12 freizulegen. Auf die obere Fläche 38 der Diode 12 wird ein kleiner Tropfen eines optischen Klebers 44, wie er von Norland Products aus New Brunswick, New Jersey hergestellt wird oder eines anderen ähnlichen Klebers aufgebracht. Ein Dünnfolien-Hochpassfarbfilter 14 wird aus einer Standardfolie in kreisförmiger Scheibenform ausgestanzt und auf die Oberfläche 38 der Diode 12 aufgebracht und dadurch der aktive Diodenbereich mit dem wellenlängenspezifischen Filter bedeckt, der auf der Oberfläche 38 der Diode 12 durch den optischen Kleber 44 befestigt ist. Ein geeigneter Folienfilter 14 kann von irgendeinem photographischen Beleuchtungszulieferer wie R & R Lighting Company, Inc. aus Silver Spring, Maryland erhalten werden. Auf die obere Fläche 46 der optischen Folienfilterscheibe 14 wird ein zweiter kleiner Tropfen eines optischen Klebers 50 (Norland-Typ) aufgebracht. Auf diese Oberfläche wird eine kreisförmige Glasscheibe 16 mit einem Durchmesser, der den des Farbfilters 14 übersteigt und mit den Maßen des Photodiodendetektors 12 aufgebracht. Die Glasscheibe 16 ist an der oberen Fläche der farbigen Filterscheibe 14 mittels des optischen Klebers 50 angebracht.
Auf die obere Fläche 52 der Glasscheibe 16 wird ein kleiner Tropfen 53 mit Hochtemperaturepoxid, wie der, der von Epoxy Technology, Billercia, Massachusetts hergestellt wird, etwa im Zentrum (die Platzierung ist nicht kritisch, aber das Zentrum wird bevorzugt) auf die Scheibe 16 aufgebracht. Eine im Durchmesser viel kleinere (etwa 300+ μm), elektrisch leitende, metallische Scheibe 22 wird am Glas mittels des Hochtemperaturepoxids 53 fixiert und eine Drahtleitung 60 (oder Linie aus leitender Farbe oder leitendem Kleber) wird dann auf die Oberfläche 52 der Glasschicht zwischen die metallische Scheibe 22 und einen leitfähigen Pin oder Pfosten 64 gelegt, der unter dem oder angrenzend an den Photodetektor, der eine Photodiode 12 ist, fixiert ist, wodurch eine elektrische Übertragung zwischen dem Pfosten 64 und der zentral angeordneten metallischen Scheibe 22 erreicht wird. Auf die obere Fläche der metallischen Scheibe 22 wird ein kleiner Tropfen aus elektrisch leitfähigem Kleber 54, wie der, der von Circuit Works, Inc. aus Santa Cruz, Kalifornien und anderen hergestellt wird, aufgebracht. Auf den leitfähigen Kleber 54 und die zugehörige metallische Scheibe 22 wird ein LED-Chip-Emitter-Bauteil 20, wie es von Cree Research, Durham, North Carolina und anderen hergestellt wird, platziert, wodurch ein elektrischer Durchgang zwischen dem Pfosten 64, wie zuvor beschrieben und der Kathode (oder alternativ der Anode) des LED-Bauteils 20 erzeugt wird. Auf die obere Fläche (Anode oder Kathode) des LED-Bauteils 20 wird ein Ende einer zweiten elektrischen Leitung aus feinem Draht 58 drahtgebondet und der Draht 58 wird über die Oberfläche 52 der Glasscheibe 16 vom LED-Bauteil 20 zu einem zweiten Pin oder Pfosten 62 geführt, der angrenzend an oder unter der Photodiode 12 angeordnet ist. Dies vervollständigt das Schaltkreissegment, über das eine Stromversorgung über die zwei Pfosten 62 und 64 angelegt werden und somit das LED-Bauteil 20 mit Energie versorgt werden kann, um Licht über die Oberfläche und in radialer Nähe zur oberen Fläche der Glasscheibe 16 abzustrahlen.
Diese gestapelte und verklebte Anordnung, die den Photodetektor 12, den Filter 14, die Glasschicht 16, die Metallscheibe 22 und die lichtemittierende Diode 20 und die Hochpassfilterbeschichtung 24 umfasst, wird dann in das Rundgehäuse 70, das so maschinell auf eine Bemaßung bearbeitet wurde, dass es die Seiten der Anordnung abdeckt und schützt und mit dem Randbereich der Glasscheibe 16 zusammenpasst, mit Epoxid (Epoxy Technology) einzementiert, wodurch die Frontseite und diese Bestandteile unter der Glasscheibe 16 vor den Umgebungsbedingungen versiegelt werden. In eine Ausnehmung, die durch die obere Fläche 52 der Glasscheibe 16 und der Seitenwand, die maschinell in das Gehäuse 70 eingearbeitet wurde, geschaffen wurde, wird eine Membranindikatorformulierung 18 (1) eingegossen, die die Oberfläche 52 der Glasschicht 16 bedeckt, das LED-Bauteil 20 und dessen Leitungsdrähte 58 und 60 einbettet und die auf ein Füllstand eingefüllt werden kann, der der Dicke entspricht, die ins Gehäuse 70 maschinell eingearbeitet wurde. Die LED 20 wird minimal überflutet. Aufgrund der Formulierung der Membranindikatormischung 18 verteilt sich die Flüssigkeit selbst über die Oberfläche und polymerisiert und härtet, wodurch die Indikatormoleküle 71 immobilisiert werden und eine aktive poröse Membran als äußere Oberfläche auf der Oberseite des Sensors 10 ausgebildet wird. Die Membrandicke kann dadurch eingestellt werden, dass volumetrisch genau auf die Oberfläche 52 der Glasschicht 16 verteilt wird.
Die Membran-/Indikator-Formulierung kann abgewandelt werden, um verschiedene, für verschiedenen Analyten spezifische Sensoren zu bilden. In einer beispielhaften Ausführung, wird die Membran wie folgt formuliert und aufgebracht, um einen für Sauerstoff spezifischen Sensor zu schaffen. Zu Beginn werden 1 ml Silikon (kommerziell erhältlich als Dow Coming, Midland, Michigan, RTV Sealant) in 2 mls Naptha (EE Zimmerman Company, Pittsburgh, Pennsylvania) gelöst durch Verwirbelung in einer abgedichteten Glasteströhre vermischt (Volumen: 13+ cc). Dazugegeben wurden 200 μl aus 6 mg/ml fluoreszierendem Indikatormolekül Rutheniumkomplex gelöst in Chloroform. Durch Verwirbelung bis zur Homogenität vermischt, 250 μl dieser Lösung wurden auf die Oberfläche des Glases pipettiert, wie es in der obigen Vorrichtung beschrieben wurde. Bei Zimmertemperatur über Nacht oder bei reduzierter Zeit bei höheren Temperaturen (nicht 60 Grad Celsius überschreitend) wurde die Aushärtung ermöglicht. Die Bodenausnehmung unter der Unterseite 34 des Photodetektors 12, die durch das Gehäuse 70 gebildet wird, wird dann mit der Vergussmasse 72 gefüllt, die das Gehäuse 70 abdichtet und auch die verschiedenen Pfosten 26, 28, 62 und 64 an Ort und Stelle fixiert.
Dieses Beispiel ist zur Verwendung als ein Sauerstoffsensor bereit, wenn es mit geeigneter Elektronik zusammengebracht wird. Andere Beispiele würden von der obigen Beschreibung nur insofern abweichen, dass die Art des Indikatormoleküls 71 und die Formulierung der Membran 18 abweichen würde.
Wie in 5 angedeutet, verwendet die Ausführungsform 74 eine Wellenleiterschicht 82, aber ist auf identische Art und Weise wie die Ausführungsform 10 mit der Ausnahme aufgebaut, dass eine nicht-poröse Wellenleiterschicht 82 anstatt der porösen Membran der Ausführungsform 10 auf die Oberfläche 86 der Glasschicht 80 gegossen wird. Es ist kein Indikatormolekül in der Wellenleiterschicht 80 vorhanden. Die Indikatormoleküle 95 sind stattdessen in einer Indikatorschicht 94, die auf der oberen Fläche 90 der Wellenleiterschicht 80 angeordnet ist, immobilisiert.
Als Beispiel der Ausführungsform 74 wird ein klares Polymer (organisch oder anorganisch) auf die Oberfläche 86 der Glasschicht 80 geschüttet und dessen Verteilung und Aushärtung ermöglicht. Der Polymerwellenleiter wird für geeignete Klarheit und Brechungsindexeigenschaften gewählt, um so Licht der gewünschten Wellenlänge optimal durch dessen Volumen zu leiten. Die Indikatormolekülschicht 94 ist an der oberen Fläche 86 der Wellenleiterschicht 82 mit den Indikatormolekülen, die mit dem Bezugszeichen 95 bezeichnet sind, befestigt, wobei die Indikatormoleküle auf der oberen Fläche 86 der Wellenleiterschicht 82 unter Verwendung eines aus dutzenden von gewöhnlichen, im Stand der Technik bekannte Techniken immobilisiert sind, und dadurch der Vorrichtungsaufbau vervollständigt wird. Die Spezifität des Sensors 10 oder 74 für ein besonderes Analyt wird durch die Wahl des immobilisierten Indikatormoleküls 71 oder 95 erreicht. Dann werden die optischen Eigenschaften des Wellenleiters 82 so ausgewählt, um ihn hinsichtlich seiner Wellenlänge zu optimieren.
Die Sensor-Ausführungsformen 10 und 74 dieser Erfindung werden auf die folgende Art und Weise verwendet. Die Sensoren 10 und 74 können in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen Umgebungen verwendet werden. Die Analyt-Spezifität des Sensors wird durch das Indikatormolekül 71 oder 95 erreicht, welches sowohl von denen, die kommerziell erhältlich sind (SIGMA und andere) als auch von denen die in der wissenschaftlichen Literatur gelistet sind, ausgewählt wird.
Zum Beispiel kann der Sensor 10 oder 74 Sauerstoff registrieren, indem viele verschiedene Moleküle verwendet werden, wie sie in wissenschaftlicher Literatur gelistet sind und wie sie kommerziell erhältlich sind und dem Fachmann bekannt sind. Als ein Sauerstoffsensor kann die Vorrichtung dazu verwendet werden die Konzentration von gelöstem Sauerstoff in einer Flüssigkeit oder Schlämmung, d.h. Wasser, Chemikalien, Prozessströmen, Fermenterbrühen, Abfallbehandlungsströmen, usw. zu analysieren oder um die Sauerstoffkonzentration in gasförmigen Mischungen, wie Luft, verschiedenste Gasgemische, die Sauerstoff enthalten, zu analysieren, wie es bei der Verbrennung, bei Umgebungsbedingungen in geschlossenen Räumen oder Reaktoren oder Lebenserhaltungssystemen nützlich ist. In einem Beispiel von vielen ist bzw. sind die beschriebenen Sensoren 10 und/oder 74 mit Elektronik verbunden, die einen Signalverstärker (nicht dargestellt) für den Photodiodendetektor umfasst, die einen Teil der Messmittel für die Messung des elektrischen Signals aus dem Photodetektormittel bilden kann, wie der Lichtintensitätsindikator 142 und eine Energieversorgung (nicht dargestellt), um die LED 20 oder 96 zu betreiben. Ist der Sensor 10 oder 74 in der zu analysierenden Umgebung platziert, diffundiert Sauerstoff in die Membran der Indikatorschicht 18 oder 94, wobei Sauerstoff mit den Indikatormolekülen 71 oder 95 auf molekularem Level wechselwirkt, was zu einer Abnahme der Fluoreszenzintensität führt, wie sie vom Photodetektor 12 oder 76 detektiert oder registriert wird, wodurch das elektronische Signal an die verarbeitende Elektronik verringert wird, die die Messmittel 142 zur Messung des elektrischen Stromes aus den Photodetektormitteln 12 oder 76 bildet, wobei die Messmittel so kalibriert sind, dass sie Sauerstoff in geeigneten, aus dem Stand der Technik bekannten Messeinheiten registrieren.

Claims

Ein Fluoreszenzsensor (10) zum Nachweis eines Analyts, wobei der Sensor eine Photodetektorschicht (12) zur Erzeugung eines elektrischen Signals als eine Reaktion auf eine Bestrahlung mit einfallendem Licht, eine Indikatorschicht (18) zur Schaffung eines Fluoreszenzemission als eine Reaktion auf ein Anregungslicht und ein lichtemittierendes Mittel (20) zur Emission von Anregungslicht umfasst, wobei die Indikatorschicht (18) ein Material aufweist, welches die Eindiffusion des Analyts gestattet und lichtemittierende, auf das Analyt angepasste Indikatormoleküle hat, so dass die Indikatormoleküle mit dem Analyt wechselwirken, um die Menge an, auf die Photodetektorschicht (12) einfallendem Licht von dem Licht, das von den Indikatormolekülen emittiert wird, zu verändern, der dadurch gekennzeichnet ist, dass (i) die Photodetektorschicht (12), die Indikatorschicht (18) und das lichtemittierende Mittel (20) alle in einer miniaturisierten, einheitlichen Struktur angeordnet sind; (ii) wenigstens ein Teil des lichtemittierenden Mittels (20) innerhalb der Indikatorschicht (18) angeordnet ist, und wobei die Lichtanregung von den lichtemittierenden Mitteln (20) anfänglich durch die Indikatorschicht (18) freigesetzt wird und sich darin ausbreitet; und (iii) die Photodetektorschicht (12) und das lichtemittierende Mittel (20) jeweils eine Primärachse der Lichtdetektion oder beziehungsweise Emission aufweisen, die Photodetektorschicht und das lichtemittierende Mittel so angeordnet sind, dass die Primärachse der Lichtemission von dem lichtemittierenden Mittel (A) im Wesentlichen rechtwinklig zur Primärachse der Lichtdetektion der Photodetektorschicht (B) ist.
Ein Fluoreszenzsensor (74) zum Nachweis eines Analyts, wobei der Sensor eine Photodetektorschicht (76) zur Erzeugung eines elektrischen Signals als eine Reaktion auf eine Bestrahlung mit einfallendem Licht, eine indikatorschicht (94) zur Schaffung eines Fluoreszenzemission als eine Reaktion auf ein Anregungslicht und ein lichtemittierendes Mittel (96) zur Emission von Anregungslicht umfasst, wobei die Indikatorschicht (94) ein Material aufweist, welches die Eindiffusion des Analyts gestattet und lichtemittierende, auf das Analyt angepasste Indikatormoleküle hat, so dass die Indikatormoleküle mit dem Analyt wechselwirken, um die Menge an, auf die Photodetektorschicht (76) einfallendem Licht von dem Licht, das von den Indikatormolekülen emittiert wird, zu verändern, der dadurch gekennzeichnet ist, dass (i) die Photodetektorschicht (76), die Indikatorschicht (94), eine Wellenleiterschicht (82) und das lichtemittierende Mittel (96) alle in einer miniaturisierten, einheitlichen Struktur angeordnet sind; (ii) die Wellenleiterschicht (82) angrenzend zur Indikatorschicht (94) angeordnet ist und wenigstens ein Teil des lichtemittierenden Mittels (96) von der Wellenleiterschicht (82) umgeben ist, und wobei die Lichtanregung von dem lichtemittierenden Mittel anfänglich durch die Wellenleiterschicht (82) freigesetzt wird und sich darin ausbreitet; und (iii) die Photodetektorschicht (76) und das lichtemittierende Mittel (96) jeweils eine Primärachse der Lichtdetektion oder beziehungsweise Emission aufweisen, die Photodetektorschicht und das lichtemittierende Mittel so angeordnet sind, dass die Primärachse der Lichtemission von dem lichtemittierenden Mittel (C) im Wesentlichen rechtwinklig zur Primärachse der Lichtdetektion der Photodetektorschicht (D) ist.
Fluoreszenzsensor gemäß Anspruch 1 oder 2, der ferner ein Filtermittel zur Lichtfilterung umfasst, das zwischen der Indikatorschicht oder, falls vorhanden, der Wellenleiterschicht und der Photodetektorschicht angeordnet ist.
Fluoreszenzsensor gemäß Anspruch 3, wobei das Filtermittel Licht über oder unterhalb einer bestimmten Wellenlänge ausfiltert.
Fluoreszenzsensor gemäß Anspruch 3, wobei das Filtermittel einen Hochpassfilter (14, 78) umfasst.
Fluoreszenzsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, der ferner Filtermittel (24, 98) zur Filterung von Licht umfasst, die einen Teil des genannten lichtemittierenden Mittels umgeben.
Fluoreszenzsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das lichtemittierende Mittel eine lichtemittierende Diode umfasst.
Fluoreszenzsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Photodetektorschicht einen elektrischen Signalausgang hat und der Sensor ferner ein Messmittel umfasst, das mit der Photodetektorschicht zur Messung des elektrischen Signalsausgangs von der Photodetektorschicht verbunden ist.
Fluoreszenzsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, der ferner ein Gehäuse (70) umfasst, das wenigstens einen Teil der Photodetektorschicht, der Indikatorschicht und des lichtemittierenden Mittels und, falls vorhanden, der Wellenleiterschicht umgibt.
Fluoreszenzsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, der ferner eine Glasschicht (16, 80) umfasst, die angrenzend zur Indikatorschicht oder, falls vorhanden, zur Wellenleiterschicht angeordnet ist.
Fluoreszenzsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Indikatorschicht eine im Wesentlichen flache Indikatormembran umfasst.
Fluoreszenzsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die lichtemittierenden Indikatormoleküle der Indikatorschicht mit Sauerstoff wechselwirken.