Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Bestimmung einer Messgröße eines Messmediums, wobei das Messmedium mit einem Indikator oder einem indikatorgemisch in Kontakt gebracht wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Solche Verfahren sind für die optische, insbesondere fotometrische, Bestimmung eines pH-Werts oder einer Konzentration eines Analyten im Messmedium bekannt. Häufig wird dabei ein Indikator verwendet, dessen Absorptionsspektrum bzw. dessen Emissionsspektrum bei Anregung mit einer bestimmten Wellenlänge sich in Abhängigkeit von der zu bestimmenden Messgröße verändert.

Bei der fotometrischen Bestimmung solcher Messgrößen kann eine Reihe von Störfaktoren die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Zur Gewährleistung einer hohen Messgenauigkeit ist daher die Referenzierung der Messsignale von großer Bedeutung. Aus DE 103 16 685 A1 ist beispielsweise eine Messvorrichtung zur fotometrischen Messung der Konzentration einer chemischen Substanz in einer Messlösung bekannt, bei der eine Sendeeinheit in zumindest zwei Wellenlängenbereichen elektromagnetische Strahlung erzeugt und in eine Küvette mit der Messiösung abstrahlt, wobei die elektromagnetische Strahlung in einem ersten Wellenlängenbereich zu Messzwecken dient und die elektromagnetische Strahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich zu Referenzzwecken herangezogen wird. Dabei nimmt die elektromagnetische Strahlung in beiden

Wellenlängenbereichen denselben Weg durch die Küvette und die Messlösung. Dies wird mit einer dualen Leuchtdiode als Lichtquelle erreicht, welche derart angesteuert wird, dass sie abwechselnd die elektromagnetische Strahlung in den beiden Wellenlängenbereichen aussendet. Störeinflüsse wie eine Trübung der Messlösung oder in der Messlösung gelöste Fremdsubstanzen bzw. die Brechung und Reflexion an Grenzflächen z.B. an Fenstern innerhalb des Strahlengangs beider Strahlenwege sollen auf diese Weise eliminiert werden.

Aus EP 850 409 B1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein mit dem Messmedium in Kontakt gebrachter analytsensitiver Indikator gleichzeitig mit zwei modulierten Lichtsignalen verschiedener Wellenlänge angeregt wird. Die Wellenlängen der Lächtsignale sind aus zwei verschiedenen

Bereichen des Anregungsspektrums des Indikators ausgewählt, die von der Konzentration des zu detektierenden Analyten in unterschiediicher Weise beeänflusst werden. Die entsprechend vom Indikator emittierten Signale werden detektiert, demoduliert und aus dem Intensitätsverhältnis der demodulierten Emissionssignale die Konzentration des Analyten bestimmt.

Solche Verfahren, bei denen das Verhältnis der Intensität eines von der Messgröße beeinflussten Signals und der Intensität eines von der Messgröße nicht oder in unterschiedlichem Maße beeinflussten Signals gebildet wird, werden als ratiometrische Verfahren bezeichnet. Bei diesen Verfahren wirkt sich eine Verringerung der Indikatorkonzentration im Messpfad (sog. Auswaschen oder Jeaching") und Ausbleichen durch fotochemische Reaktionen (sog Fotobleichen oder „bleaching") aufgrund der Verhältnisbildung zwischen den Intensitäten der beiden Signale nicht auf das Messergebnis aus.

Da bei der herkömmlichen Ratiometrie die beiden Signale immer getrennt erfasst werden, erfordern die bekannten Verfahren zwei getrennte Signaipfade oder Mittel, die eine sequenzielle Erfassung der Signale eriauben. Alternativ kann, wie in EP 850 409 B1 beschrieben, die Trennung der beiden Signale auch erfolgen, indem die beiden eingestrahlten Signale moduliert und zur Auswertung wieder demoduliert werden. Dies ist mit einem entsprechenden apparativen Aufwand und/oder Piatzbedarf verbunden.

im Artikel "Dual wavelength referencing of optical fibre sensors" von G. Murtaza, J. M. Senior, Optics Communications 120 (1995), S. 348-357, wird die Anwendung von ratiometrischen Verfahren in Sensoren mit optischen Fasern betrachtet. !n dem Artikel wird darauf hingewiesen, dass die Messgenauigkeit des Verfahrens dadurch begrenzt wird, dass zwei Lichtsignale unterschiediicher Weilenlängen in unterschiedlicher Weise auf Umgebungseinflüsse reagieren, wobei insbesondere zwei Lichtsignale unterschiedlicher Wellenlängen in unterschiedlichem Maße von optischen Komponenten transmittiert werden. Eine Quantifizierung dieses Effekts oder Vorschläge zur Lösung dieses Problems werden nicht angegeben.

in EP 1000345 B1 und in dem Artikel „Dual Lifetime Referencing (DLR) - a New Scheme for Domain Information" in „New Trends in fluorescence spectroscopy: application to chemicai and iife science", B. Valeur, J.-C. Brochon (EcIs.), Springer Verlag Berlin Heidelberg 2001 , S. 257-274, wird ein fotometrisches Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße in einer Probe, insbesondere des pH- Werts oder einer Konzentration eines Analyten, angegeben. Dabei werden zwei Indikatoren mit einem Signal einer einzelnen Wellenlänge zur Lumineszenz angeregt, wobei die

Lumineszenzintensität des einen ändikators sich in Abhängigkeit von der Messgröße ändert, während die Lumineszenzintensität des anderen Indikators, der als Referenzindikator dient, von der Messgröße nicht beeinfiusst wird. Darüber hinaus werden die Indikatoren so ausgewählt, dass die Abkiingzeit der Lumineszenz des Referenzindikators erheblich länger ist als die des durch die Messgröße beeinflussten Indikators. Wird die Intensität des Anregungssignals periodisch moduliert, ergibt sich aufgrund der unterschiedlichen Abküngzeiten zwischen den beiden Lumineszenzsignalintensitäten des messgrößensensitiven Indikators und des Referenzindikators eine Phasendifferenz. Die Gesamtintensität, d.h. die Summe der Lumineszenzsignale weist gegenüber einer Referenz, beispielsweise dem periodischen Anregungssignai, eine Phasendifferenz auf, die vom intensitätsverhältnis der Lumineszenzsignaie der beiden Indikatoren abhängig ist, und somit als Maß für die zu bestimmende Messgröße dient.

Durch die Verwendung eines Referenzindikators können bei diesem Verfahren wiederum Störeinflüsse eliminiert werden. Allerdings ist dieses Verfahren nur für geeignete Kombinationen von Lumines?en7-Ind'katoren anwendbar, die mit ein und derselben Anrogungswellonlange angeregt werden können und zusätzlich auch ein passendes Verhältnis der Lumineszenz-Abklingzeiten besitzen, damit eine ausreichende Phasendifferenz der Lumineszenz-Signale gewährleistet ist. Zudem ist das gemessene Signal von der Konzentration des Mess- und des Referenz-Indikators bzw. von deren Konzentrations-Verhältnis abhängig. Falls einer der Indikatoren stärker von Leaching oder Bleaching betroffen ist, führt dies zu einer Beeinträchtigung der Messgenauigkeit.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein optisches Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße eines Messmediums sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, das bzw. die die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens angegeben werden, welches bzw. weiche universell sowohi basierend auf Absorptions- und Lumineszenz-Messungen sowie mit einer Vielzahl von Indikatoren anwendbar ist und auf kleinem Raum mit geringem apparativem Aufwand durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße eines

Messmediums, wobei das Messmedium mit einem Indikator oder einem Indikatorgemisch in Kontakt gebracht wird, dessen Absorptionsspektrum einen ersten und einen zweiten Wellenlängenbereich aufweist, welche sich im Wesentlichen nicht überlappen, wobei eine erste Lichtquelle zur Emission eines ersten Lichtsignals mit einer Wellenlänge aus dem ersten Wellenlängenbereich und eine zweite Lichtquelle zur Emission eines zweiten Lichtsignals mit einer Wellenlänge aus dem zweiten Wellenlängenbereich angeregt werden, wobei der Intensität des ersten Lichtsignals ein erstes und der Intensität des zweiten Lichtsignals ein zweites periodisches Signal aufmoduliert wird, wobei mindestens ein Teil des ersten und des zweiten Lichtsignals sich als erstes und zweites Messlichtsigna! jeweils entlang eines Messpfads ausbreiten und auf dem Messpfad durch optische Wechselwirkung mit dem Indikator oder dem Indikatorgemisch gewandelt werden, und wobei eine Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Lichtsignals erfasst wird, wobei das erste periodische Signal gegenüber dem zweiten periodischen Signa! eine erste Phasendifferenz aufweist, und eine zweite Phasendifferenz der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten

Messlichtsignals bezüglich dem ersten oder dem zweiten periodischen Signal ermittelt wird, und die Messgröße unter Verwendung der zweiten Phasendifferenz bestimmt wird.

Unter einem periodischen Signal wird ein Signal verstanden, das als periodische Funktion insbesondere der Zeit, beschreibbar ist. Das Aufmodulieren eines solchen Signals auf die Intensität eines Lichtsignals führt entsprechend zu einer periodischen Veränderung der Intensität des Lichtsignals. Wird der Intensität eines Lichtsignals beispielsweise ein mit einer Sinusfunktion beschreibbares Signal aufmoduüert, so ist die sich ergebende modulierte Intensität des Lichtsignals als Sinusfunktion darstellbar. Unter dem Aufmodulieren eines periodischen Signals auf die Intensität des ersten und des zweiten Lichtsignals wird insbesondere das Aufmoduiioren eines periodischen Signals verstanden, welches bei der Addition mindestens zweier dieser periodischen, auch phasenverschobenen Signale vorteilhafterweise wiederum ein periodisches Signal mit der gϊeichen Signalform ergibt. Hierzu zählen insbesondere trigonometrische periodische Signale wie beispielsweise ein Sinussignal.

Das Messmedium kann insbesondere eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. Es kann sowohl ein einzelner Indikator, z.B. Bromthymolblau, zur Bestimmung des pH-Werts als Messgröße, verwendet werden, als auch ein Indikatorgemisch, das mehrere Indikatoren umfasst.

Indem anstelle eines Intensätätsverhältnisses zweier Signale eine Phasendifferenz zweier periodischer Signale bestimmt wird, verringert sich der apparative Aufwand gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, wie weiter unten im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen ausgeführt wird. In Kenntnis der Indikatorkonzentration kann aus der Phasendifferenz der periodisch modulierten Gesamtintensität zur periodisch modulierten Intensität eines der Einzelsignale, z.B. des ersten oder zweiten Lichtsignais die zu bestimmende Messgröße, z.B. der pH-Wert, bestimmt werden. Für dieses Verfahren wird nur ein Detektor benötigt da die Intensitäten des gewandelten ersten und des gewandelten zweiten Messlächtsignals nicht getrennt voneinander bestimmt werden müssen, sondern nur die periodisch variierende Gesamtintensität dieser beiden Lichtsignale detektiert wird, um die Phasendifferenz zwischen dieser Gesamtintensität und dem ersten oder zweiten periodischen Signal zu bestimmen. Entsprechend müssen auch keine vollständig voneinander getrennten Signalpfade für das erste und das zweite Messlichtsignal vorgesehen werden bzw. müssen die Messlichtsignaie nicht durch Demoduϊationstechniken oder durch sequenzielle Erfassung voneinander getrennt werden. Von Vorteil ist weiterhin, dass das erfindungsgemäße Verfahren sowohl für Absorptions- als auch für Lumineszenz-Messungen geeignet ist. Dies ermöglicht die Verwendung einer gegenüber den herkömmlichen Verfahren deutlich erweiterten Auswahl von Indikatoren.

Die zweite Phasendifferenz, d.h. die Phasendifferenz zwischen der Gesamtäntensität des gewandelten ersten und zweiten Messiichtsignais bezüglich dem ersten bzw. dem zweiten der Intensität des ersten oder zweiten Lichtsignals aufmodulierten periodischen Signals, kann z.B. bestimmt werden, indem die Phasendifferenz zwischen der Intensität des ersten Messlächtsignals und der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals bzw. die Phasendifferenz zwischen der Intensität des zweiten Messlichtsignals und der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals bestimmt wird. Diese Phasendifferenz stimmt mit der zweiten Phasendifferenz überein.

Da sich die Modulationsfrequenz der Intensität der einzelnen Messlichtsignale aufgrund der Wechselwirkung mit dem Indikator oder Indikatorgemisch nicht ändert, ist die Phasendifferenz zwischen der Gesamtintensität der gewandelten Messlichtsignale und dem nicht gewandelten ersten oder zweiten Mosslichtsignal identisch mit der Phasendifferenz zwischen der Gesamtintonsität der gewandelten Messlϊchtsignale und dem gewandelten ersten oder zweiten Messlichtsignal. In einer Verfahrensvariante kann deshalb die zweite Phasendifferenz auch bestimmt werden, indem die Phasendifferenz zwischen der Intensität des ersten gewandelten Messlichtsignals und der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Messiichtsignais bzw. die Phasendifferenz zwischen der Intensität des gewandelten zweiten Messlichtsignals und der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals bestimmt wird. Dabei werden allerdings zusätzliche Mittel zur Detektion der Intensitäten der gewandelten Messlichtsignale benötigt, wie z.B. Demodulationstechniken oder zusätzliche Detektoren. Somit ist bei dieser Verfahrensvariante der apparative Aufwand zwar gegenüber der im vorstehenden Absatz beschriebenen Variante höher. Die übrigen hier und im Folgenden beschriebenen Vorteile des Verfahrens, insbesondere die universelle Einsetzbarkeit des Verfahrens, sowie die weiter unten beschriebene erhöhte Messgenauigkeit bei gleichem Aufwand gegenüber den herkömmlichen ratiometrischen Verfahren, bleiben auch bei dieser Verfahrensvariante erhalten.

In einer ersten Verfahrensausgestaltung wird das Absorptionsspektrum des Indikators oder des Indikatorgemisches im ersten Welienlängenbereich und im zweiten Wellenlängenbereich durch die zu bestimmende Messgröße beeinflusst, wobei insbesondere eine Änderung der Messgröße eine unterschiedliche Änderung des Absorptionsspektrums des Indikators oder des Indikatorgemisches im ersten und im zweiten Wellenlängenbereich bewirkt.

Unter einer Änderung im Absorptionsspektrum wird hier und im Folgenden eine Zu- oder Abnahme der Absorption oder Transmission mindestens innerhalb eines eingeschränkten Wellenlängenbereiches verstanden.

In einer zweiten Verfahrensausgestaltung wird das Emissionsspektrum des Indikators oder des Indikatorgemisches nach Anregung im ersten Wellenlängenbereich und im zweiten Wellenlängenbereich durch die zu bestimmende Messgröße beeinflusst, wobei insbesondere eine Änderung der Messgröße eine unterschiedliche Änderung des Emissionsspektrums des Indikators oder des Indikatorgemisches nach Anregung im ersten und im zweiten Wellenlängenbereich bewirkt.

Unter einer Änderung des Emissionsspektrums wird hier und im Folgenden die Zu- oder Abnahme der Emissionsintensität bei Anregung innerhalb eines eingeschränkten Wellenlängenbereichs verstanden.

In einer dritten Verfahrensausgestaltung wird das Absorptionsspektrum des Indikators oder des Indikatorgemisches im ersten Wellenlängenbereich durch die zu bestimmende Messgröße beeinflusst und im zweiten Wellenlängenbereich nicht durch die zu bestimmende Messgröße beeinflusst, wobei insbesondere eine Änderung der Messgröße im ersten Weilenlängenbereich eine Änderung des Absorptionsspektrums und im zweiten Wellenlängenbereich keine Änderung des Absorptionsspektrums bewirkt. In einer vierten Verfahrensausgestaltung wird das Emissionsspektrum des Indikators oder des Indikatorgemisches nach Anregung im ersten Wellenlängenbereich durch die zu bestimmende Messgröße beeinflusst und nach Anregung im zweiten Wellenlängenbereich nicht durch die zu bestimmende Messgröße beeinfiusst, wobei insbesondere eine Änderung der Messgröße eine Änderung des Emissionsspektrums nach Anregung im ersten Wellenlängenberetch und keine Änderung des Emissionsspektrums nach Anregung im zweiten Welleniängenbereich bewirkt.

In einer Weiterbildung der dritten oder vierten Verfahrensausgestaltung entspricht der zweite WeJienlängenbereich einem isosbestischen Punkt des Indikators oder des indikatorgemisches.

In einer Weiterbildung aller beschriebenen Verfahrensausgestaltungen wird die Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals mit einem einzigen Detektor erfasst. Dies reduziert den apparativen Aufwand gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.

In einer weiteren Ausgestaltung wird der Intensität des ersten und des zweiten Lichtsignals jeweils ein sinusartiges periodisches Signal aufmoduliert. Vorteilhafterweise weisen das erste und/oder das zweite sinusartige periodische Signal eine Frequenz von beispielsweise 500 Hz oder auch von bis zu mehreren Megahertz (MHz) auf. Im Gegensatz zu dem in EP 1000345 B1 beschriebenen Verfahren, bei dem ein analytsensitiver und ein analytinsensitver Referenzindikator mit einem einzigen modulierten Anregungssignal zur Lumineszenz angeregt, und aus der Phasenverschiebung der Lumineszenzantwort beider Indikatoren die Konzentration des Analyten bzw. der pH-Wert ermittelt werden, und bei dem die Modulationsfrequenz des Anregungssignals in Abhängigkeit der Lumineszenz-Abklingzeiten der Indikatoren gewählt werden muss, äst bei dem hier beschriebenen Verfahren die Frequenz des ersten und zweiten periodischen Signals frei wählbar. Dies hat den Vorteil, dass die Frequenzen so gewählt werden können, dass der apparative Aufwand zur Aufmodulation der periodischen Signale auf die Intensität des ersten und zweiten Lichtsignals so gering wie möglich gehalten werden kann.

Vorzugsweise weisen das der Intensität des ersten Lichtsignals aufmodulierte erste sinusartige periodische Signal und das der Intensität des zweiten Lichtsignals aufmodulierte zweite sänusartige periodische Signal eine gleiche Frequenz und eine feste Phasendifferenz, insbesondere von 90° oder 77/2, auf.

Das intensitätsverhältnäs des ersten und des zweiten Lichtsignals bzw. das Amplitudenverhältnis der entsprechend mit dem ersten und zweiten periodischen Signal modulierten Intensitäten der Lichtsignale ist frei wählbar, wird jedoch vorzugsweise konstant gehalten. Insbesondere können das Intensitätsverhältnis und/oder das Amplitudenverhältnrs den Wert 1 betragen. Unter einem sinusartigen Signal ist hier und im Folgenden eine Funktion der aligemeinen Funktionsgleichung

F(t)= A _m B ^' m{2πf _m t-φ)

zu verstehen, wobei f _m die Frequenz des sinusartigen Signals, A _m die Amplitude des sinusartigen Signals und φ die Phasenverschiebung des sinusartigen Signals bezeichnen.

In einer Ausgestaltung des Verfahrens wird, insbesondere wenn die Intensitäten des ersten und des zweiten Lichtsignals mit einer sinusartigen Funktion moduliert werden, aus der Phasendifferenz der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals bezüglich dem dem ersten bzw. dem zweiten Lichtsignal aufmoduüerten ersten bzw. zweiten periodischen Signal (zuvor als zweite Phasendifferenz bezeichnet) das Verhältnis der Ampiituden der intensitäten der gewandelten Messlichtsignale ermittelt.

In einer Weiterbildung des Verfahrens wird zusätzlich zur Phasendifferenz der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Messüchtsignals bezüglich dem dem ersten bzw. dem zweiten Lichtsignal aufmodulierten ersten bzw. zweiten periodischen Signal (zuvor als zweite Phasendifferenz bezeichnet) die Amplitude der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals bestimmt, und daraus ein Verhältnis von Absorptions- oder alternativ

Transmissionswerten oder von Lumineszenzwerten der gewandelten Messlichtsignale ermittelt. Dies hat den Vorteil, dass die Indikatorkonzentration bei der Bestimmung der Messgröße nicht relevant ist. Das Verfahren ist somit unabhängig von einer Änderung der Indikatorkonzentratioπ im Laufe des Verfahrens beispielsweise aufgrund von Leaching oder Bleaching.

In einer weiteren Ausgestaltung werden das erste und das zweite Messlichtsignal durch zusätzliche Einflüsse auf dem Messpfad gewandelt, insbesondere derart, dass die Intensität des ersten und des zweiten Messlichtsignals durch die zusätzlichen Einflüsse um einen unterschiedlichen Betrag gewandelt, d.h. beispielsweise in ihrer Intensität um einen unterschiedlichen Betrag verringert oder erhöht, werden, und wobei mindestens ein weiterer Teil des von der ersten Lichtquelle emittierten ersten Lichtsignals als erstes Referenzlichtsignal und ein weiterer Teil des von der zweiten Lichtquelle emittierten zweiten Lichtsägnals als zweites Referenzlichtsignal auf einem Referenzpfad denselben Einflüssen ausgesetzt wird, so dass die Intensität des ersten und des zweiten Referenzlichtsignals jeweils durch die zusätzlichen Einflüsse gewandelt wird, wobei auf dem Referenzpfad das erste und das zweite Referenzlichtsignal nicht mit dem Indikator oder dem

[ndikatorgemisch in Wechselwirkung gebracht werden. Dabei umfassen die zusätzlichen Einflüsse insbesondere Schwankungen der Lichtintensität der ersten und/oder zweiten Lichtquelle, Absorption und/oder Brechung der Lichtsignale durch Substanzen im Messpfad und/oder im Referenzpfad, Reflexion an Grenzflächen im Messpfad oder eine unterschiedliche Empfindlichkeit des Detektors für das gewandelte erste und das gewandelte zweite Messiichtsignal und/oder das gewandelte erste und das gewandelte zweite Referenzlichtsigna! oder den Einfall von Urngebungsücht.

In einer Verfahrens Variante wird die Gesamtintensität des ersten und zweiten gewandelten 5 Referenzlichtsignals mit einem Detektor, insbesondere mit einem zusätzlichen Detektor, erfasst, und die Phasendifferenz der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Referenzlichtsignals bezüglich dem ersten oder dem zweiten periodischen Signal ermittelt und zusammen mit der Phasendifferenz der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals bezüglich dem ersten oder zweiten periodischen Signal zur Bestimmung der Messgröße 10 herangezogen.

Wie zuvor für die Signale des Messpfades beschrieben, kann aus der ermittelten Phasendifferenz ein Amplitudenverhältnis der Intensitäten der gewandelten Referenzlichtsignale oder, wenn zusätzlich die Amplitude der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten 15 Referenzlichtsignals bestimmt wird, ein Verhältnis von Absorptionswerten oder von Lumineszenzwerten der gewandelten Referenzlichtsignaie ermittelt werden.

in einer alternativen Verfahrensvariante werden die Intensität des ersten Lichtsignals und die Intensität des zweiten Lichtsignals derart relativ zueinander gewählt, dass die Phasendifferenz der 20 Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Referenzlichtsignals bezüglich des ersten oder zweiten periodischen Signals konstant ist. Dies hat den Vorteil, dass bei der Bestimmung der Messgröße zusätzlich zu den Messlichtsignaien keine weiteren Signale einbezogen werden müssen.

Bei den beschriebenen Verfahrensausgestaltungen und Weiterbildungen kann die Messgröße der

25 pH-Wert des Messmediums oder die Konzentration eines im Messmedium enthaltenen Analyten, insbesondere eines Analyten aus der Gruppe bestehend aus Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff, Chlor, Wasserstoff, Ammoniak, Nitrat-, Ammonium-, Chlorid-, Fluorid-, Phosphat-, Sulfat-, Cyanid-, Aikali- und Erdalkali-ionen, schwermetallhaltige ionische Verbindungen und Biomolekülen, insbesondere Proteine oder Substanzen, die von Mikroorganismen produziert werden, sein.

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Die Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung des voranstehend beschriebenen Verfahrens, umfassend eine erste und eine zweite Lichtquelle zur Emission eines ersten und eines zweiten Lichtsignals, eine Matrix, welche den Indikator oder das Indikatorgemisch beinhaltet, und mindestens einen Detektor zur Erfassung der Gesamtintensität eines durch optische

35 Wechselwirkung mit dem Indikator oder Indikatorgemisch gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals. Das Vorsehen eines in einer Matrix eingebetteten Indikators erlaubt einen kompakten Aufbau der Vorrichtung, so dass beispielsweise die Lichtquellen und/oder von den Lichtquellen zur Matrix führende Lichtleiter, der Detektor und/oder von der Matrix zum Detektor führende Lichtleiter und die Matrix selbst Bestandteile einer in das Messmedium eintauchbaren

^■ U) Messsonde sein können. in einer Weiterbildung umfasst die Matrix neben einem ersten Bereich, weicher den Indikator oder das Indikatorgemisch beinhaltet, einen zweiten indikatorfreien Bereich. Dies erlaubt die Realisierung eines Mess- und eines Referenzpfads auf engem Raum.

In einer Weiterbildung sind jeweils ein Messpfad für das erste und das zweite Messlichtsignal und ein Referenzpfad für das erste und das zweite Referenziichtsignal vorgesehen, wobei der Messpfad den ersten Bereich der Matrix und den Detektor zur Erfassung der Intensität der durch optische Wechselwirkung mit dem Indikator oder Indikatorgemisch und durch zusätzliche Einflüsse gewandelten Messlichtsignale umfasst, und der Referenzpfad den zweiten indikatorfreien Bereich der Matrix und den besagten Detektor oder einen zusätzlichen Detektor zur Erfassung der Intensität des nur durch die zusätzlichen Einflüsse gewandelten Referenzlichtsignals umfasst.

In einer Weiterbildung sind die erste und die zweite Lichtquelle und der Detektor auf derselben Seite der Matrix angeordnet. Dies trägt ebenfalls dazu bei, die Vorrichtung kompakt aufzubauen, zum Beispiel um sie zumindest teilweise in einer in das Messmedäum eintauchbaren Sonde unterzubringen.

In einer Ausgestaltung, die insbesondere, aber nicht nur, für den Fall, dass die erste und die zweite Lichtquelle und der Detektor auf derselben Seite der Matrix angeordnet sind, von Vorteil ist, weist die Matrix reflexionsverstärkende Mitte!, insbesondere eine reflektierende Schicht und/oder in die Matrix integrierte Licht streuende Partikel auf.

In einer Ausgestaltung sind die erste und die zweite Lichtquelle in einer dualen Leuchtdiode integriert. Die Zusammenfassung beider Lichtquellen in einem Bauteil erlaubt einen noch kompakteren Aufbau der Vorrichtung.

In einer Weiterbildung umfasst die Vorrichtung weiterhin eine Vorrichtung zur Erzeugung der ersten Phasendifferenz, d.h. der Phasendäfferenz zwischen dem dem Lichtsignai der ersten Lichtquelle aufmodulierten ersten periodischen Signal und dem dem Lichtsignal der zweiten Lächtquelie aufmodulierten zweiten periodischen Signa!. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Vorrichtung zur Bestimmung der zweiten Phasendifferenz, d.h. der Phasendifferenz zwischen der Gesamtintensität des auf dem Messpfad gewandelten ersten und zweiten Messiichtsignals und dem ersten oder zweiten periodischen Signal, sowie der Phasendifferenz des Referenzsignals bezogen auf das erste oder das zweite periodische Signal. In einer Weiterbildung umfasst die Vorrichtung zusätzliche Mittel zur Bestimmung der Amplitude der Gesamtintensität des auf dem Messpfad gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals. Die Vorrichtung zur Bestimmung der zweiten Phasendifferenz kann beispielsweise so ausgestaltet sein, dass sie bei Durchführung des beschriebenen Verfahrens die Phasendifferenz zwischen der (modulierten) Intensität des ersten Messlichtsignals bzw. des zweiten Messlichtsignals und der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignais bestimmt. Die Vorrichtung zur Bestimmung der zweiten Phasendifferenz kann in einer Variante auch derart ausgestaltet sein, dass sie bei Durchführung des beschriebenen Verfahrens die Phasendifferenz zwischen der Intensität des ersten gewandelten Messlichtsignals bzw. des zweiten gewandelten Messlichtsignals und der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals bestimmt.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Prinzipskizze zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Bestimmung einer

Messgröße eines Messmediums;

Fig. 2 a) ein Diagramm der Intensitäten des von der ersten und zweiten Lichtquelle emittierten modulierten ersten und zweiten Messiichtsignals, sowie ihrer Gesamtintensität und b) ein Diagramm der modulierten Intensitäten des durch Wechselwirkung mit dem Indikator Bromthymolblau gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals, sowie ihrer Gesamtintensität;

Fig. 3 Diagramme der in einer Simulation ermittelten Gesamtintensität von durch

Wechselwirkung mit Bromthymolblau gewandelten ersten und zweiten Messlichtsägnalen bei verschiedenen pH-Werten;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Matrix mit einem ersten Bereich, der einen

Indikator umfasst und einem zweiten indikatorfreien Bereich;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine Messsonde mit einem Mess- und einem Referenzpfad;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch die in Fig. 5 dargestellte

Messsonde.

In Fig. 1 ist ein Verfahren zur Bestimmung einer Messgröße eines Messmediums, beispielsweise eines pH-Werts oder einer Konzentratton eines Analyten in dem Messmedium, schematisch veranschaulicht. Bei diesem Verfahren werden eine erste Lichtquelle 6 und eine zweite Lichtquelle 7 zur Emission eines ersten und eines zweiten Lichtsignals unterschiedlicher Wellenlänge angeregt. Die Lichtsignale breiten sich als Messlichtsignale auf einem Messpfad, beispielsweise über erste i ϊchtleiter 24 aus, wobei sio auf eine Matrix 10 treffen, welche mindestens einen Bereich 14 aufweist, der einen Indikator oder ein Indikatorgemisch beinhaltet. Im hier gezeigten Beispiel wird das gesamte, von der ersten bzw. zweiten Lichtquelle 6, 7 emittierte erste bzw. zweite Lichtsigna! als Messlichtsigna! verwendet.

Die Matrix 10 wird mit dem Messmedium in Kontakt gebracht, beispielsweise durch Eintauchen. Durch Wechselwirkung mit dem in der Matrix 10 im Bereich 14 vorliegenden Indikator werden das erste und das zweite Messlichtsigna! gewandelt, im Allgemeinen umfasst die Wandlung eines Lichtsignaäs durch einen Indikator insbesondere die Absorption eines Teils des Lichtsignals durch den Indikator. Das gewandelte Lichtsignal kann einerseits ein aufgrund der Absorption in seiner Intensität abgeschwächtes Transmisstonssigna! sein, andererseits aber auch ein Lichtsignal, das der Indikator aufgrund der Anregung durch das absorbierte Licht als Lumineszenzsignai emittiert. Welche Art von gewandeltem Lichtsignal detektiert wird, hängt beispielsweise von der Wahl des Indikators, von der Wahl des Detektors und von der Ausrichtung des Detektors 8 bezüglich des Signalpfads ab.

Die Wellenlänge des ersten und des zweiten Lichtsignals wird mit der Wahl des Indikators abgestimmt: Beispielsweise kann das Absorptionsspektrum des Indikators einen ersten und einen zweiten Wellenlängenbereich aufweisen, in denen die Messgröße, z.B. der pH-Wert, das Absorptionsspektrum in unterschiedlicher Weise beeinflusst. Dies ist beispielsweise bei einem sog. pH-Indikator der Fall, dessen protonierte und deprotonierte Form jeweils bei unterschiedlichen Wellenlängen ein Absorptionsmaximum aufweisen. Ein Beispiel für einen solchen Indikator ist Bromthymolblau, auf das weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 2 und 3 noch genauer eingegangen wird. In diesem Fall wird die Wellenlänge des einen Lichtsignals im ersten Weilenlängenbereich, z.B. im Bereich des Absorptionsmaximums der protonierten Form, und die Wellenlänge des anderen Lichtsignals im zweiten Wellenlängenbereich, z.B. im Bereich des Absorptionsmaximums der deprotonierten Form gewählt.

In einer Variante kann das Absorptionsspektrum des Indikators auch einen ersten Wellenlängenbereich aufweisen, in dem die Messgröße das Absorptionsspektrum beeinflusst, z.B. ein vom pH-Wert abhängiges Absorptionsmaximum, und einen zweiten Wellenlängenbereich, in dem die Messgröße das Absorptionsspektrum nicht beeinflusst, z.B. wenn ein isosbestischer Punkt vorliegt. Die Wellenlänge des ersten Lichtsignals kann dann im ersten Wellenlängenbereich und die Wellenlänge des zweiten Lichtstgnals im zweiten Wellenlängenbereich, z.B. beim isosbestischen Punkt, gewählt werden.

In der Regel müssen das erste und das zweite Lichtsignal nicht streng monochromatisch sein. Wird als zweites Lichtsigna! die Wellenlänge des isosbestischen Punktes gewählt, ist es jedoch von Vorteil, monochromatisches Licht zu verwenden. Das gewandeite erste und zweite Messüchtsignal gelangen auf dem Messpfad beispielsweise durch zweite Lichtleiter 22 auf den Detektor 8, der die Gesamtintensität des ersten und zweiten gewandelten Messlichtsignals, also die Summe der Intensitäten des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals, erfasst.

In der schematischen Darstellung in Fig. 1 befinden sich die Lichtquellen 6, 7 und der Detektor 8 auf derselben Seite der Matrix 10. im Fall, dass die Änderung der Intensität der Lichtsignale aufgrund von Absorption durch den Indikator am Detektor 8 erfasst werden soil, ist es vorteilhaft, in oder im Bereich der Matrix 10 zusätzliche Mitte! vorzusehen, die die Reflexion der Lichtsignale an der Matrix 10 verstärken. Beispielsweise kann die Matrix 10 an ihrer von den Lichtquellen 6, 7 und dem Detektor 8 abgewandten Seite mit einer reflektierenden Schicht, beispielsweise aus Aluminium, versehen sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Matrix 10 auch in die Matrix 10 integrierte Licht streuende Partikel, beispielsweise Silikagel oder Rutilpulver mit einem Partikeldurchmesser im μm- Bereich, enthalten. Falls vorgesehen ist, dass der Detektor 8 ein vom Indikator emittiertes Lumineszenzsignal empfängt, ist eine Verstärkung der Reflexion an der Matrix 10 nicht unbedingt notwendig, da Lumineszenzsignale in alle Raυmrichtungen gleichmäßig emittiert werden. Es ist jedoch auch in diesem Fall vorteilhaft, eine reflektierende Schicht vorzusehen, damit ein größerer Anteil des emittierten Lumineszenzsignals zum Detektor 28 gelangt,

Das hier und im Folgenden anhand einer Ausgestaltung erläuterte Verfahren, bei der der Indikator oder das Indikatorgemisch in einer Matrix 10 vorliegt, kann alternativ auch derart durchgeführt werden, dass das Messmedium zur Bestimmung der Messgröße mit dem Indikator oder dem Indikatorgemisch versetzt wird, z.B. indem der Indikator oder das Indikatorgemisch mindestens einer Probe des Messmediums zugegeben wird.

Der Intensität des ersten und des zweiten Lichtsignals werden jeweils ein erstes und ein zweites periodisches Signal aufmoduiiert. Die vom Detektor 8 erfasste Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Lichtsignals ist entsprechend ebenfalls periodisch moduliert, d.h, die Gesamtintensität variiert periodisch. Wird als erstes und zweites periodisches Signal beispielsweise ein sänusartiges Signal gewählt, so weist die vom Detektor 8 erfasste Gesamtintensität ebenfalls einen sinusartigen Verlauf auf. Die Gesamtintensität ist dabei gegenüber dem ersten und dem zweiten periodischen Signal phasenverschoben. Im Folgenden wird dies genauer anhand des bereits genannten Beispiels der Bestimmung des pH-Werts eines Messmediums mittels des Säure/Base-Indikators Bromthymolblau erläutert.

Es ist dem Fachmann bekannt, dass Bromthymolblau bei unterschiedlichen pH-Werten unterschiedliche Absorptionsspektren aufweist, da die deprotonierte und die protonierte Form von Bromthymolblau unterschiedliche Absorptionsmaxima besitzen. So weist das Absorptionsspektrum der deprotonierten Form von Bromthymolblau ein Absorptionsmaximum bei 620 nm auf, das sich deutlich vom Absorptionsmaximum der protoniorton Form bei 430 nm unterscheidet Je nach pH Wert ändert sich das Konzentrationsverhältnis, in dem die protonierte bzw. die deprotonierte Form vorliegen, und entsprechend auch das Intensitätsverhältnis der beiden Absorptionsmaxima. Das Absorptionsspektrum von Bromthymolblau weist zwei isosbestische Punkte bei 320 nm und bei 500 nm auf.

Als Wellenlänge des ersten Lichtsignals wird entsprechend die Wellenlänge des Absorptionsmaximums der protonierten Form, also 430 nm, und als Wellenlänge des zweiten Lichtsignals wird die Wellenlänge des Absorptionsmaximums der deprotonierten Form, 620 nm, gewählt. Der Intensität des ersten Lichtsignais und der Intensität des zweiten Lichtsignals werden jeweils ein erstes und ein zweites periodisches Signal, im gezeigten Beispie! ein stnusartiges Signal, aufmoduliert.

Fig. 2 a) zeigt ein Diagramm der modulierten Intensitäten des ersten Messlichtsignals (430 nm, Dreiecke) und des zweiten Messlichtsignals (620 nm, Rauten), sowie die Gesamtintensität des ersten und zweiten Messlichtsignals (durchgezogene Linie) als Funktion der Phase der modulierten Intensität des ersten Messlichtsignals. Im gezeigten Beispiel sind Frequenz und Amplitude der aufmodulierten sinusartigen Signale gleich, die Phasendifferenz der aufmodulierten sinusartigen Signale beträgt 90° bzw. ττ/2. Im gezeigten Beispiel wird weiterhin davon ausgegangen, dass den Intensitäten des ersten und zweiten Lichtsignals im Wesentlichen keine weiteren Signale aufmoduliert sind. Die modulierte Intensität des ersten Lichtsignals und die modulierte Intensität des zweiten Lichtsägnals besitzen also die gleiche Frequenz und Amplitude und eine Phasendifferenz von 90° bzw. π/2. Die modulierte Gesamtintensität zeigt entsprechend ebenfalls einen sinusartigen Verlauf.

In Fig. 2 b) sind beispielhaft die Intensitäten des nach Wechselwirkung mit einem Indikator gewandelten ersten Messlichtsignals und des gewandelten zweiten Messlichtsignals als Funktion der Phase des ersten modulierten Messlichtsignals dargestellt. Da den Intensitäten der eingestrahlten Messtichtsignale ein sinusartiges periodisches Signal aufmoduliert ist, zeigen die Intensitäten der gewandelten Messlichtsignale und entsprechend auch deren Gesamtintensität ebenfalls einen sinusartigen periodischen Verlauf. Im gezeigten Beispiel ändern sich die Intensitäten beider Messlächtsignale aufgrund der Absorption durch Bromthymolblau in unterschiedlicher weise, und zwar abhängig vom pH-Wert. Das erste Messlichtsignal mit der Wellenlänge von 430 nm wird beim vorliegenden pH-Wert deutlich weniger stark absorbiert als das zweite Messlächtsignal der Wellenlänge 620 nm, was sich in einer deutlich stärkeren Abnahme der Amplitude der Intensität des gewandelten zweiten Messlichtsignals gegenüber der Abnahme der Amplitude der Intensität des gewandelten ersten Messlichtsignals äußert. Die Gesamtäntensität weist eine Phasendifferenz gegenüber den Einzelintensitäten des gewandelten ersten bzw. des gewandelten zweiten Messlichtsignals auf. Diese Phasendifferenz ist identisch mit der Phasendifferenz der Gesamtintensität gegenüber den Einzelintensitäten des eingestrahlten ersten bzw. zweiten Messsignals und mit der Phasendifferenz der Gesamtintensität gegenüber dem der Intensität des von der ersten Lichtquelle emittierten ersten Lichtsignals aufmoduiierten ersten periodischen Signa!, bzw. dem der Intensität des von der zweiten Lichtquelle emittierten zweiten Lichtsignals aufmoduüerten zweiten periodischen Signal. Für die folgenden Betrachtungen wird rein beispielhaft davon ausgegangen, dass diese Phasendifferenz durch Ermittlung der Phasendifferenz zwischen der Gesamtintensität der gewandelten Messlichtsignale und einer einzelnen Intensität eines der gewandelten Messlichtsignale bestimmt wird.

Diese Phasendifferenz hängt vom Verhältnis der Intensitäten bzw. vom Amplitudenverhältnis der modulierten Intensitäten der einzelnen gewandelten Messiichtsignaie ab, wie im Folgenden gezeigt wird. Dabei wird vorausgesetzt, dass sich die Einzelsignaie additiv überlagern:

/\ _Me ss-sin(φ _Mess ) = A _λ γsin{φ _M ) + A _λ2 -s\n(φ _λ2 ), und (1 ) = A _λ γcos{φ _λ i) + A _h2 -cos{φ _λ2 ), (2)

wobei /Wss für die Amplitude der Gesamtintensität, φ _Mess für den Phasenwinkel der

Gesamtäntensität, Au für die Amplitude der Intensität des gewandelten ersten sänusartig modulierten Messlichtsignals, A _λ2 für die Amplitude der Intensität des gewandelten zweiten sinusartig modulierten Messlichtsignals, φ _M für den Phasenwinkel des gewandelten ersten Messlichtsignals und φ _λ2 für den Phasenwinke! des gewandelten zweiten Messlichtsignals steht.

Als Bezugsgröße wird hier der Phasenwinkel des gewandelten ersten Messlichtsägnals φ _M festgelegt, d.h. es gilt

0.

Selbstverständlich kann gleichermaßen auch als Bezugsgröße der Phasenwinkel des gewandelten zweiten Messlichtsignals φ _Λ2 festgelegt werden.

Damit ergibt sich aus den Gleichungen (1 ) und (2):

A _M ess sH<PMess) = A _λ2 -sm(φ _λ2 ), und (3)

A _Mess -cos(<p _Mess ) = A _M + A _λ2 -cos(φ _λ2 ). (4)

Division der Gleichung (4) durch Gleichung (3) ergibt:

Aus Gleichung (5) folgt, dass die Phasendifferenz zwischen dem gewandelten ersten Messlichtssgiial als Bezugspunkt und der am Detektor ef fassten Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals bei konstanter Phasendifferenz zwischen dem ersten und zweiten periodischen Signal ausschließlich vom Quotienten der Amplituden (und damit vom Intensitätsverhaltnis des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals) abhängt

5 Mittels der Gleichung (5) kann daher das Amplitudenverhältnis der modulierten Intensität des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals ermittelt werden. In Kenntnis der Indikatorkonzentration im Messmedium bzw. in der Matrix 10 kann daraus die die gesuchte Messgröße, im vorliegenden Beispiel der pH-Wert, bestimmt werden, beispielsweise indem das ermittelte Amplitudenverhaltnis mit Kahbrierdaten, die bei der vorliegenden Indikatorkonzentration

10 ermittelt wurden, verglichen wird

Bekanntermaßen gilt für das Amplitudenverhaltnis der modulierten Intensitäten des gewandelten ersten und zweiten MessNchtsignals:

wobei A _A ^Q die Amplitude der Intensität des eingestrahlten ersten Messlichtsignals vor Wechselwirkung mit dem Indikator, A% ό\e Amplitude der Intensität des eingestrahlten zweiten Messlichtsignals vor Wechselwirkung mit dem Indikator, T^ ^d die Transmission des Indikators für 0 Licht der Wellenlänge des ersten Messlichtsignals und T' ⁿ _z ^d die Transmission des Indikators für

Licht der Wellenlänge des zweiten Messiichtsignals bezeichnet. Die Transmission des Indikators für das erste bzw. das zweite Messlichtsignal hängt nach dem Lambert-Beerschen Gesetz exponentieil von der durchstrahlten Weglänge d und der absoluten Konzentration der absorbierenden

Indikatorform, d. h. im vorliegenden Fall der Konzentration c'" ^d der deprotonierten Form von 5 Bromthymolbiau bzw der Konzentration C^ der entsprechenden protonierten Form ab:

Die Größen ε _λ1 und ε _λ2 sind für die jeweilige Indikatorform charakteristische Konstanten, die als0 Extinktionskoeffizienten bezeichnet werden

Um den Einfluss einer nicht konstanten Indikator-Konzentration, beispielsweise durch Bleaching oder Leaching oder beim Austausch der Matrix 10, zu eliminieren, kann zusätzlich die Amplitude der Gesamtintensitat des gewandelten ersten und des gewandelten zweiten Messlichtsignals ermittelt5 werden Dabei wird davon ausgegangen, dass die vom Messlichtsignal durchlaufene Strecke d konstant bleibt und für das erste und das zweite Messlichtsignal zudem gleich groß ist. Mittels der Gleichungen (3) und (4) können aus den Werten A _Mess und <Pw _ess die Absolutwerte der Amplituden A^ und A _λ2 berechnet werden. Hieraus lassen sich die zugehörigen Absorptionswerte OD _A i und OD^ für die beiden indikatorformen berechnen:

Der Quotient bzw. das Verhältnis der Absorptionswerte stellt eine von der Konzentration des Indikators unabhängige Größe dar und reflektiert allein das Konzentrationsverhältnis der beiden Formen des Indikators:

OD F ■ c ^M ( ^Ju λ2 ^ε n ^G 2

Aus dem Quotienten der Absorptionswerte kann somit unabhängig von einer sich ändernden Indikatorkonzentratton, d.h. einer sich ändernden Gesamtkonzentration aller vorliegenden Indikatorformen, beispielsweise wiederum durch Vergleich mit entsprechenden Kalibrserdaten, die Messgröße, im hier diskutierten Beispiel der pH-Wert, ermittelt werden.

Die Messung der Amplitude /W _ess der Gesamtintensität des gewandelten ersten und des gewandelten zweiten Messlichtsignals kann mittels einer einfachen Messvorrichtung erfolgen, da Λw _ess bei einer ausreichenden Indikatorkonzentration innerhalb eines Intervalls

0,1 ^■ (^ ₁ + A%)< A _Mess < 0,9 ^• (^ ₁ + A%) (10)

liegt.

Bei herkömmlichen ratiometrischen Verfahren, wie sie eingangs beschrieben wurden, ist die Messung der Einzelintensitäten der gewandelten Lichtsignale notwendig. Dies erfordert eine wesentlich höhere Messgenauigkeit als die Bestimmung der Gesamtamplitude A _Mess , Dies gilt insbesondere bei Vorliegen eines pH-Werts oder einer Analytkonzentration, bei dem bzw. bei der der Indikator fast vollständig in einer Form vorliegt. Liegt der Indikator beispielsweise fast ausschließlich in der protonierten Form vor, so ist die Amplitude der Intensität des gewandelten ersten Messlichtsignals A _n nur minima! kleiner als die Amplitude der Intensität des ersten Messlichtsignals vor der Wechselwirkung mit dem Indikator A? _Λ , während die Intensität des gewandelten zweiten Messlichtsignals eine stark verringerte Amplitude A _n aufweist. Werden in diesem Fat! die Einzelintensitäten der gewandelten Messlichtsägnale gemessen, führt dies zu einem relativ großen Messfehler, während die Messung der Amplitude der Gesamtintensität der gewandelten Messlichtsignale bei gleichem apparativem Aufwand mit einem deutlich geringeren Messfehler behaftet ist. Da entgegen der herkömmlichen ratiometrischen Verfahren keine Messungen von Amplituden mit A « 0 bzw. A ~ /^.erfolgen müssen, kann die Bestimmung der GesamtampÜtude A _MeS s mit deutlich geringerem apparativem Aufwand erfolgen.

Die Bestimmung der Phasendifferenz ψ _Me∞ und der Amplitude der Gesamtintensität A _Mess kann zeitgleich erfolgen, so dass eine kontinuierliche Messung ohne räumliche oder zeitliche Auftrennung der Messkanäle des ersten und zweiten Messlichtsignals und ohne den Einsatz optischer Füter möglich wird. Auch dies ist ein Vorteil gegenüber den eingangs beschriebenen aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren.

Bei gleichem absolutem Fehler der Amplituden- bzw. Intensitätsmessung und einem typischen

Fehler von beispielsweise 0,025° bei der Bestimmung der Phasenverschiebung können zudem die Amplituden der Intensitäten des ersten und des zweiten Messlichtsignals deutlich gegenüber der Einzelbestimmung der Messlichtintensitäten bei den herkömmlichen ratiometrischen Verfahren reduziert werden, ohne dass der gesamte Messfehler sich vergrößert. Diese Verringerung der Messlichtintensität hat zur Folge, dass das Photobleichen (Bleaching) des Indikators reduziert wird. Die Lebensdauer eines nach dem beschriebenen Verfahren arbeitenden Sensors mit einer Indikator enthaltenden Matrix 10 würde auf diese Weise gegenüber der Lebensdauer eines nach der herkömmlichen ratiometrischen Methode arbeitenden Sensors verlängert.

In Fig. 3 sind mehrere Diagramme der in einer Simulation ermittelten Gesamtintensität

(durchgezogene Linie) eines durch Wechselwirkung mit Bromthymolblau gewandelten ersten Messlichtsignals der Wellenlänge 430 nm (Dreiecke) und eines ebenfalls gewandelten zweiten Messlichtsignals der Wellenlänge 620 nm (Rauten) bei pH-Werten 5, 7 und 9 gezeigt. Die Intensitäten der gewandelten Messlichtsignale sind jeweils mit einem sinusartigen Signal moduliert, wobei im vorliegenden Fall beide den eingestrahlten Messlichtsignalen aufmoduläerten sinusartigen Signale, und entsprechend die modulierten Intensitäten der gewandelten Messlichtsignale die gleiche Frequenz und die gleiche Amplitude aufweisen. Die Phasendifferenz zwischen den aufmodulierten sinusartigen Signalen, und entsprechend auch die Phasendifferenz zwischen den beiden modulierten gewandelten Messlichtsignalen beträgt im gezeigten Beispiel 90° bzw. π/2.

Als Bezugsgröße für die Bestimmung der Phasendifferenz der Gesamtintensität der gewandelten Lichtsignale wird der Phasenwinkel des gewandelten ersten Messlichtsignals (430 nm) gewählt. Entsprechend ist der Nulidurchgang der dem ersten Lichtsignal aufmodulierten Sinusfunktion als Ursprung des Koordinatensystems der hier dargestellten Diagramme gewählt. Die Phasenverschiebung der Gesamtintensität bezogen auf diesen Ursprung ist als gestrichelte Linie in allen Diagrammen dargestellt.

Es ist leicht ersichtlich, dass sich mit steigendem pH-Wert das Intensitätsverhältnis der gewandelten Signale ändert. Entsprechend ändern sich die Amplitudenverhältnisse der gewandelten modulierten Messlichtsignale und somit auch die Phasenverschiebung der Gesamtintensität bezogen auf den gewählten Ursprung.

Ein analoges Verfahren kann auch zur Bestimmung der Konzentration anderer Analyte, wie z.B. der Konzentration von im Messmedium gelöstem Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff, Chlor, Wasserstoff,

Ammoniak, Nitrat-, Ammonium-, Chlorid-, Fluorid-, Phosphat-, Sulfat, Cyanid-, Alkali- und Erdaikali- lonen, von schwermetallhaltigen ionischen Verbindungen, oder auch von Biomolekülen, insbesondere von Proteinen oder von Mikroorganismen produzierten Substanzen, verwendet werden. Hierzu können zahlreiche aus dem Stand der Technik bekannte Indikatoren, z. B. Chromoionophore oder aus der Biosensorik bekannte Marker, verwendet werden.

Als ein Beispiel wird im Folgenden die Bestimmung der Konzentration von Kalium-Ionen näher beschrieben. Hierzu wird die Matrix 10 als Membran ausgestaltet, die neben einem K ⁺ -selektiven neutralen Träger auch ein H ⁺ -selektives Membran-Chromo-Ionophor enthält. Enthält das Messmedium gelöste Kalium-Ionen, diffundieren diese in die Membran ein und werden dort vom Träger komplexiert. Da der Träger ungeladen ist, besitzt der Komplex entsprechend eine positive Ladung. Zum Ladungsausgleich der Membran werden H ⁺ -Ionen in das Messmedium abgegeben, was zu einer Änderung des pH-Werts in der Membran führt. Diese pH-Wertänderung äußert sich entsprechend als Änderung des Absorptionsspektrums des Membran-Chromo-Ionophors. Beispielsweise kann die Matrix 10 aus einer PVC-Membran mit Weichmacherzusätzen gebildet sein, die als K ⁺ -selektiven Träger einen Hexaester von Calix[6]aren und das H ⁺ -selektive Chromo- lonophor ETH 2439 enthält. Das Absorptionsspektrum dieses Chromo-Ionophors weist ein Absorptionsmaximum bei etwa 670 nm auf, dessen Intensität in der beschriebenen Weise von der vorliegenden K ⁺ -Konzentration abhängt. Bei 575 nm besitzt das System einen isosbestischen Punkt.

Zur Bestimmung der K ⁺ -Konzentration wird die Matrix 10 mit dem Messmedium in Kontakt gebracht und ein erstes Messlichtsignal mit einer Wellenlänge von 670 nm und einem seiner Intensität aufmodulierten ersten periodischen Signal und ein zweites Messlichtsignal mit einer Wellenlänge von 575 nm und einem seiner Intensität aufmodulierten zweiten periodischen Signal eingestrahlt. Die Gesamtintensität der durch Absorption durch den Indikator gewandelten Messlichtsignaie wird mittels eines Detektors, beispielsweise eines Breitband-Photodetektors erfasst. Die Intensität des ersten Messlichtsignals bei 670 nm wird von der K ⁺ -Konzentration im Messmedium beeinflusst, während die Intensität des zweiten Messlichtsignals bei 575 nm, dem isosbestischen Punkt, unabhängig von der vorliegenden K ⁺ ~Konzentration ist. Aus der Phasendifferenz der detektierten Gosamtintensität der gewandelten MessÜchtsignale bezüglich dem ersten oder zweiten periodischen Signal als Bezugspunkt wird die K ⁺ -Konzentratιon nach dem zuvor beschriebenen Verfahren, gegebenenfalls unter zusätzlicher Bestimmung der Amplitude der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignais, bestimmt.

In analoger Weise kann das Verfahren angewendet werden, indem statt einer Absorptionsantwort eines Indikators die Lumineszenzantwort eines Indikators auf die eingestrahlten Messlichtsignale detektiert wird In diesem Fall wird der Indikator mit zwei Messlichtsignalen zur Lumineszenz, insbesondere zur Fluoreszenz, angeregt. Wie zuvor beschrieben, wird den Intensitäten der Anregungssignale jeweils ein periodisches Signal aufmoduliert, wobei zwischen den beiden periodischen Signalen eine Phasendifferenz besteht Die Gesamtintensität der vom Indikator emittierten, d.h. gewandelten, Messlichtsignale wird detektiert und die Phasendifferenz der Gesamtintensität zum ersten oder zum zweiten periodischen Signal bestimmt. Diese Phasendifferenz ist wie bei den zuvor betrachteten Absorptionsmessungen ein Maß für das Amplitudenverhältnis der Intensität der Lumineszenzsignale bei der Anregung mit dem ersten und mit dem zweiten Messlichtsignai, und damit ein Maß für das Konzentrationsverhältnis, in dem zwei verschiedene Formen des Indikators vorliegen. Dieses Konzentrationsverhältnis ist wiederum ein Maß für den pH-Wert bzw. die Analytkonzentration

Bei der Auswertung von Lumineszenzmessungen kann bei geringen Indikatorkonzentrationen mit guter Näherung ein linearer Zusammenhang zwischen der Intensität des gewandelten

Messhchtsignais, also der Lumineszenzintensität, und der Konzentration der iumineszierenden Spezies angenommen werden, so dass auch Änderungen der Indikatorkonzentration wahrend der Lebenszeit eines nach diesem Verfahren arbeitenden Sensors die Messgenauigkeit nur unwesentlich beeinflussen. Um den Einfluss einer nicht konstanten Indikatorkonzentration vollständig zu eliminieren, kann wie für die Absorptions-Messungen zuvor beschrieben, zusätzlich die Amplitude der Gesamtintensität der gewandelten Messlächtsignale, d h. bei der Lumineszenz- Messung der Lumineszenzsignale, A _Mess ermittelt werden

Aus dem Zusammenhang zwischen der Amplitude der einzelnen gewandelten Messlichtsignale A _{/ X} bzw. A _{/ T} und der Konzentration der jeweils bei Anregung mit dem ersten Messlichtsignal

Iumineszierenden ersten indikatorform bzw der bei Anregung mit dem zweiten Messlichtsignal Iumineszierenden zweiten Indikatorform

/\ _/r = /\° ₁ .Θ ₁ - (i -10 ^" '" ^{cr d} ) bzw A, _v = 4° ₂ - Θ ₂ . (i --1<r-* ^{cr d} ) (11)

mit Θ, und Θ ₂ als Quantenausbeute lasst sich (bei Kenntnis bzw. Referenzmessung von A _Λ ° und

A% ) ein Absorptionswert OD _λ1 für die Anregung mit dem ersten Messlichtsignal bzw OD _λ2 für die Anregung mit dem zweiten Messlichtsignal ermitteln, der jeweils linear von der Konzentration der jeweiligen Indikatorform abhängt:

OD - In ( 1 A ^/2' λ - r - r' ^nd . d M2Ϊ

Der Quotient der Absorptionswerte stellt eine von der Konzentration des Indikators unabhängige Größe dar und reflektiert allein das Konzentrationsverhältnis der beiden lumineszierenden Formen des Indikators. Aus dem Quotienten der Absorptionswerte kann somit unabhängig von einer sich ändernden Indikatorkonzentration, d.h. einer sich ändernden Gesamtkonzentration aller vorliegenden lndikatorformen ₁ beispielsweise durch Vergleich mit entsprechenden Kalibrierdaten, die Messgröße, z.B. eine Analytkonzentration bzw. der pH-Wert im Messmedium ermittelt werden.

Beispielsweise kann zur Bestimmung des pH-Werts eines Messmediυms als Indikator in einer SoI- Gel-Maträx enthaltenes 1-Hydroxypyren-3,6,8-Trisulfonsäure N-Cetyl-N,N,N-trimethylammoniumsalz (HPTS-CTEA) verwendet werden. Dieser Indikator besitzt zwei Absorptionsmaxima, deren Intensität vom pH-Wert abhängt, wobei das erste bei 404 nm der deprotonierten Form und das zweite bei 455 nm der protonierten Form zugeordnet werden kann. Der Indikator wird, wie zuvor beschrieben, als Bestandteil einer Matrix 10 mit dem Messmedium in Kontakt gebracht. Bei Anregung des Indikators mit einem ersten periodisch modulierten Messlichtsignal mit einer Wellenlänge von 404 nm und bei Anregung mit einem zweiten phasenverschobenen periodisch modulierten Messlichtsignal mit einer Wellenlänge von 455 nm kann aus der Phasendifferenz der Gesamtintensität der emittierten Signale bei 510 nm der pH-Wert des Messmediums nach dem oben beschriebenen Verfahren bestimmt werden.

Statt eines einzelnen Indikators wie in den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen kann auch ein Gemisch aus mehreren Indikatoren verwendet werden. Beispielsweise kann ein Gemisch aus zwei Indikatoren verwendet werden, wobei nur einer der Indikatoren ein vom pH-Wert bzw. von der Analyt-Konzentration abhängiges Absorptionsspektrum aufweist, während das Absorptionsspektrum des zweiten Indikators vom pH-Wert bzw. von der Analyt-Konzentration unabhängig ist. Ein Beispiel für ein solches Indikatorgemisch ist eine Mischung aus N-Allyl-4-piperaziny!-1 ,8-naphthalimid (APN ₁ auch: Piperazinyl-1 ,8-naphthalimid) und N-(2-Methacryloxyethyl)benzo[k,l]thi-xanthen-3,4- dicarboximid (MBTD, auch: Benzothioxanthen). Diese Indikatoren werden mit Acrylamid, Hydroxymethyl-methacrylat und Triethylenglycol-dimethacrylat co-polymerisiert um eine Matrix 10 zu bilden,

Das Absorptionsspektrum von APN zeigt bei 393 nm ein Absorptionsmaximum, dessen Intensität vom pH-Wert abhängt Das Absorptionsspektrum von MBTD ist insgesamt vom pH-Wert unabhängig und zeigt ein Maximum bei 479 nm. Bei Anregung des Indikatorgemisches mit einem ersten Messlichtsignal mit einer Wellenlänge von 393 nm und einem zweiten MesslichtsignaJ mit einer Wellenlänge von 479 nm, wobei den Intensitäten beider Messlichtsignale jeweils ein periodisches Signal aufmoduliert ist und die beiden periodischen Signale zueinander phasenverschoben sind, kann aus der Phasendifferenz der bei 530 nm vom Indikatorgemisch emittierten Gesamtintensität gegenüber dem ersten oder zweiten periodischen Signal der pH-Wert des Messmediums nach dem beschriebenen Verfahren bestimmt werden.

Neben der Wechselwirkung mit dem Indikator können zusätzliche Einflüsse entlang des Messpfades die Intensität des ersten und des zweiten Messlichtsignals beeinflussen. Solche Einflüsse können beispielsweise Schwankungen der Lichtintensität der ersten oder der zweiten Lichtquelle sein, sowie die Absorption oder die Brechung der Messlichtsignale durch Substanzen im Messpfad, die Reflexion an Grenzflächen im Messpfad, beispielsweise an Küvettenfenstern, oder eine unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit des Detektors für das durch Wechselwirkung mit dem Indikator oder Indikatorgemisch gewandelte erste und zweite Messüchtsigna!. Häufig wirken sich diese zusätzlichen Einflüsse nicht in gleichem Maße auf die beiden Lichtsignale unterschiedlicher Wellenlänge aus. So sind Absorption, Brechung und Reflexion wellenlängenabhängig. Insbesondere ist die Empfindlichkeit eines Photodetektors im Allgemeinen wellenlängenabhängig. Auch können die beiden Lichtquellen unterschiedlichen Bauteilschwankungen unterworfen sein.

Somit wird zwar durch die Verwendung zweier Messlichtsignale und der Verwendung einer zum Intensitätsverhältnis der durch Wechselwirkung mit dem Indikator gewandelten Messlichtsignale proportionalen Phasendifferenz zur Bestimmung der Messgröße ein Teil der bereits eingangs genannten Störeinflüsse eliminiert. Diejenigen Störeinflüsse, die unterschiedlich stark auf die beiden Lichtsignale wirken, können jedoch auf diese Weise nicht kompensiert werden.

Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, neben dem bisher beschriebenen Signalpfad, der der Bestimmung der gesuchten Messgröße dient, dem so genannten Messpfad, einen zweiten Signalpfad als Referenzpfad vorzusehen. Dazu wird ein Teil der von der ersten und zweiten Lichtquelle emittierten und jeweils mit einem periodischen Signal modulierten Lichtsignale aus dem Messpfad ausgekoppelt und auf dem Referenzpfad denselben Einflüssen ausgesetzt, denen auch die Signale auf dem Messpfad ausgesetzt werden, jedoch werden die Signale des Referenzpfades nicht mit dem Indikator oder Indikatorgemisch in Wechselwirkung gebracht. Das Auskoppeln der Referenzlichtsignale aus dem Messpfad kann mittels herkömmlicher Methoden, beispielsweise mit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegels oder eines sonstigen Strahlteilers, erfolgen. Die auf dem Referenzpfad gewandelten Referenzlichtsignale können von einem separaten Detektor erfasst werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Referenzlichtsignale und die Messlichtsignale sequenziell mit demselben Detektor zu erfassen. Da die Intensität des ersten und des zweiten Referenzlichtsignals sich auf dem Referenzpfad in unterschiedlicher weise durch die zusätzlichen Einflüsse ändert, weist die Gesamtintensität der am Detektor erfassten Referenzlichtsägnale eine Phasendifferenz gegenüber den der Intensität des ersten und des zweiten Lichtsignais aufmodulierten periodischen Signalen auf. Diese Phasendäfferenz kann bestimmt werden und zusammen mit der auf dem Messpfad ermittelten Phasendifferenz der Gesamtintensität des gewandelten ersten und zweiten Messlichtsignals gegenüber den periodischen Signalen bei der Auswertung zur Bestimmung der Messgröße verwendet werden. Dabei ist es sinnvoll, die Phasendifferenz der auf dem Messpfad und der auf dem Referenzpfad erfassten Gesamtintensität auf dasselbe periodische Signai zu beziehen. Auf diese Weise können die zusätzlichen Einflüsse auf das Messergebnis eliminiert, und ein genauerer Messwert erhalten werden. Die Bestimmung der Messgröße kann mitteis einer Auswertungseinheit erfolgen, die insbesondere eine elektronische Datenverarbeitungseinheit, z.B. einen Mikrocontrolier oder einen Computer, umfassen kann.

Das Intensitätsverhäitnis der von den Lichtquellen emittierten Lichtsignale kann so eingesteilt werden, dass die auf dem Referenzpfad erfasste Phasendifferenz gegenüber einem der periodischen Signale einen konstanten Wert aufweist. Die auf dem Referenzpfad ermittelte Phasendifferenz ist dann ausschließlich von der unterschiedlichen Wandlung durch den Indikator bzw. durch das Indikatorgemisch bei den unterschiedlichen Weilenlängen der beiden eingestrahlten Lichtsignale verursacht.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst eine Matrix 10, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. In einem für die verwendeten Wellenlängen transparenten Träger 12 ist eine Membran befestigt, die zwei durch einen Trägersteg voneinander getrennte Bereiche 14, 16 aufweist. Der erste Bereich 14 beinhaltet den Indikator oder das Indikatorgemisch, während der zweite Bereich 16 keinen Indikator beinhaltet. Die Signalpfade der Vorrichtung können mittels optischer Mittel, insbesondere mittels optischer Elemente wie Spiegel, Linsen, Strahiteiler oder optischen Fasern, so gestaltet werden, dass die Lichtsignale des Messpfades im ersten Bereich 14 auf die Matrix 10 treffen und die Lichtsignale des Referenzpfades im zweiten Bereich 16 auf die Matrix 10 treffen.

Die Immobilisierung des Indikators in einer Matrix 10 und die Anordnung der Lichtquellen sowie des oder der Detektoren auf derselben Seite der Matrix 10, wie in Fig. 1 angedeutet, erlaubt es, die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens als Sensor mit einer in das Messmedium eintauchbaren Messsonde 20 auszugestalten. Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch eine solche Messsonde 20 mit einem Mess- und einem Referenzpfad. Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch die Messsonde 20.

Als Lichtquelien dienen zwei nebeneinander angeordnete Leuchtdioden 26, 27. Die Lichtquellen sind nicht notwendigerweise in der Messsonde PQ selbst angeordnet EE ist stattdessen auch möglich, dass die Lichtquellen in räumlicher Entfernung zur Messsonde 20 angeordnet sind und die Lichtsignale über Lichtleiter in die Messsonde 20 einkoppelbar sind. Es ist außerdem möglich, statt zweier Leuchtdioden 26, 27, die Lichtsignale unterschiedlicher Wellenlängen emittieren, eine duale Leuchtdiode zu verwenden, die die beiden Wellenlängen emittiert. Ein erster Lichtleiter 24 ist derart mit den Leuchtdioden 26, 27 gegebenenfalls über optische Elemente verbunden, dass Lichtsignale der Leuchtdioden 26, 27 in den Lichtleiter 24 eingekoppelt werden. Die Leuchtdioden 26, 27 werden von einer Stromquelle (nicht dargestellt) gespeist. Zur Aufmoduiierung eines periodischen Signals auf die Intensität der von den Leuchtdioden emittierten Signale wird die Stromquelle entsprechend gesteuert. Vorrichtungen hierzu sowie alternative Vorrichtungen zur Modulation der Leuchtdiodensignale sind dem Fachmann bekannt.

Der Lichtleiter 24 ist an seinem den Leuchtdioden 26, 27 entgegengesetzten Ende derart bezüglich des Trägers 12 der Matrix 10 angeordnet, dass beide Lichtsignale der Leuchtdioden 26, 27 sowohl auf den Indikator enthaltenden Bereich 14 als auch auf den indikatorfreien Bereich 16 der Matrix 10 treffen. Dazu kann die vorhandene Divergenz der Lichtsignale ausgenutzt werden, es können aber auch optische Elemente zur Strahlumlenkung wie Strahlteiler, Linsen oder Spiegel eingesetzt werden. Es ist auch möglich, dass der Lichtleiter 24 aus mehreren Fasern besteht, welche die Lichtsignale zum Teil auf den Indikator enthaltenden Bereich 14 und zum Teil auf den indikatorfreten Bereich 16 leiten.

Die beiden Bereiche 14 und 16 der Matrix 10 sind über Lichtleiter 22 und 23 mit zwei in der Messsonde 20 integrierten Photodetektoren 28 und 29 verbunden. Wie die Lichtquellen 26, 27 können die Photodetektoren 28, 29 auch in räumlichem Abstand von der Messsonde 20 angeordnet sein. Bei Lumineszenz-Messungen ist im Signalpfad zwischen der Matrix 10 und den Photodetektoren 28 und 29 ein optisches Filter (nicht gezeigt) angeordnet, das an der Matrix reflektiertes Licht aus dem Mess- bzw. Referenzpfad herausfiltert und nur die gewandelten Messbzw. Referenzlichtsignale passieren iässt.

Die Detektorsignale der Photodetektoren 28, 29 werden durch eine Auswertungseinheit (nicht dargestellt) ausgewertet, die insbesondere dazu ausgelegt ist, die Phasendifferenz zwischen der detektierten Gesamtintensität und dem der ersten oder zweiten Lichtsignalintensität aufmoduläerten periodischen Signal zu bestimmen. Solche Vorrichtungen zur Bestimmung der Phasendifferenz sind dem Fachmann bekannt. Die Auswertungseinheit ordnet die die Phasendifferenz einem pH-Wert bzw. einer Analytkonzentration zu. Diese Zuordnung kann mit Hilfe von gespeicherten Kalibrierdaten erfolgen. Hierzu umfasst die Auswertungseinheit insbesondere eine Datenverarbeitungseinheit, beispielsweise einen Mikrocontroller oder einen PC.