FREITAG, Hans-Joachim (Schildgasse 9, Erfurt, 99084, DE)
ZIRK, Kai-Uwe (Reichsmarkstrasse 157, Dortmund, 44265, DE)
FREITAG, Hans-Joachim (Schildgasse 9, Erfurt, 99084, DE)
Patentansprüche
1. Sensor zum Bestimmen einer Konzentration eines in einer flüssigkeitshaltigen oder flüssigen Matrix befindlichen Stoffes, mit - einer Meßkammer (5), einem Sender (3) zur Abgabe optischer Strahlung (6) in die Meßkammer (5) und einem Empfänger (4) zum Empfang von durch die Meßkammer gelaufener optischer Strahlung (6), dadurch gekennzeichnet, daß
Sender (3) und Empfänger (4) Teil der Wandung der Meßkammer (5) sind, so daß die derart gebildete Einheit zum Einbringen in die Matrix ausgebildet ist, die Meßkammer (5) mit einem Meßmedium befüllt und ihre Wandung zumindest abschnittsweise für den Stoff besser diffusionsdurchlässig ist als für Substanzen der
Matrix, um Konzentrationsunterschiede des Stoffes zwischen Meßmedium und der
Matrix auszugleichen und so die Substanz von restlichen Matrixsubstanzen abzu- trennen, und eine Steuer- und Auswerteschaltung (7) vorgesehen ist, die mit dem Sender (3) zu dessen Ansteuerung und dem Empfänger (4) zum Auslesen von Empfängersignalen verbunden ist und die aus dem Empfängersignal ein Maß für die Konzentration des Stoffes in der Matrix ermittelt.
2. Sensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (5) durch ein längliches Gehäuse (2) gebildet ist, an dessen einer Stirnseite der Sender (3) und dessen gegenüberliegender Stirnseite der Empfänger (4) angebracht ist.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) rohrförmig mit einem Durchmesser unter 3 mm ist.
4. Sensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (3) und Empfänger (4) in und/oder an den Stirnseiten mit dem Gehäuse (2) dicht fixiert, insbesondere verklebt sind.
5. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Gehäuseaußenseite Leiterbahnen (15) vorgesehen sind, über die die Steuer- und Auswerteschaltung (7) mit dem Sender (3) und/oder dem Empfänger (4) verbunden sind.
6. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) mindestens zwei zwischen der Stirnseiten verlaufende Nuten (14) aufweist, in die je eine, vorzugsweise als Dickschichtleiter ausgebildete, Leiterbahn (15) eingebracht ist.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) als Einstichsonde ausgebildet ist, insbesondere an einem Ende eine
Spitze (19) aufweist.
8. Sensor nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender eine Strahlungsquelle (3) sowie ein Abbildungssystem (9) und/oder ein optisches Filtersystem (10) aufweist.
9. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (3) eine Leuchtdiode, Laserdiode oder Leuchtdiodenarray umfaßt.
10. Sensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbildungssystem (9) eine Kollimatoroptik umfaßt.
11. Sensor nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (4) zwei photoempfindliche Elemente (4a, 4b) und mindestens ein optisches Filtersystem (11a, 11b) aufweist.
12. Sensor nach Anspruch 8, 9, 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, daß das Filtersystem (10, 11a, 11b) ein Polarisationsfilter und/oder Interferenzfilter und/oder Kantenfilter umfaßt.
13. Sensor nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßmedium eine physiologische Kochsalzlösung oder Glukoselösung und die Matrix ein biologisches Gewebe ist.
14. Sensor nach einem der obigen Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 8 und 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (7) eine Polarisationsdrehung und/oder Intensitätsänderung der Strahlung (6) beim Durchgang durch die mit dem Meßmedium (5) gefüllte Meßkammer ermittelt und daraus die Konzentration des Stoffes ableitet.
15. Sensor nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (12, 13) eine Größen- und/oder Formselektion bewirkt, so daß eine bessere Diffusionsdurchlässigkeit für Stoffe bestimmter Größe bzw. Molekülform gegeben ist.
16. Sensor nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung zumindest in den diffusionsdurchlässigen Abschnitten ein poröses Material (12), insbesondere eine Keramik, Silizium, Kunststoff, Glas oder Metall, aufweist, das innen und/oder außen mit einer Beschichtung (13) versehen ist, welche der Wandung bestimmte Diffusionseigenschaften für den Stoff verleiht.
17. Sensor nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung der Meßkammer (5) für mindestens zwei Stoffe diffusionsdurchlässig ist und die Messkammer (5) eine weitere geschlossene Kammer (25) beinhaltet, deren sie zur Meßkammer (5) abgrenzende Trennwandung(en) (26) nur für einen Teil der Stoffe diffusionsdurchlässig ist, für die die Wandung (12, 13) der Meßkammer (5) diffusionsdurchlässig ist, wobei zur Abgabe optischer Strahlung (6) in die weitere Kammer (25) ein eigenständiger Sender (3b) oder derselbe Sender (3), wie für die Meßkammer (5), und zum Empfang von durch die weitere Kammer (25) gelaufener optischer Strahlung (6) ein eigenständiger Empfänger (4b) oder derselbe Empfänger (4), wie für die Meßkammer (5), vorgesehen ist.
18. Herstellverfahren für einen Sensor nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein längliches Gehäuse (2) aus porösem Material (12), insbesondere Keramik, Silizium, Kunststoff, Glas oder Metall, innen und/oder außen mit einer Beschichtung (13) versehen wird, welche der Wandung bestimmte Diffusionseigenschaften für den Stoff verleiht.
19. Herstellverfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Be- schichtung (13) in einem Sol-Gel-Verfahren, einem Bedampfungsverfahren oder einem Abscheideverfahren aufgebracht wird.
20. Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß zwei die Stirnseiten verbindende Nuten (14) an der Gehäuseaußenseite bereitgestellt werden und in den Nuten (14) in Dickschichttechnik Leiterstreifen (15) ausgebildet werden.
21. Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß Sender (3) und Empfänger (4) mit dem länglichen Gehäuse (2) an dessen Stirnseiten befestigt werden dann die so erhaltene Einheit in eine evakuierte Kammer gebracht wird und in diese das Meßmedium (5) eingelassen wird, um den Sensor (1) damit zu befüllen. |
Stoffkonzentrations-Sensor und Herstellverfahren dafür Gegenstand der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zum Bestimmen einer Konzentration eines in einer flüssigen oder flüssigkeitshaltigen Matrix befindlichen Stoffes, mit einer Meßkammer, einem Sender zur Abgabe optischer Strahlung in die Meßkammer und einem Empfänger zum Empfang von durch die Meßkammer ge- laufener optischer Strahlung, sowie auf ein Herstellverfahren für einen solchen Sensor. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Sensor aus einem als Einheit vorliegenden System mit in der Meßkammer integriertem Sender und Empfänger, sowie bevorzugte Ausgestaltungen hiervon.
Stand der Technik
Die Messung von Stoffkonzentrationen ist eine häufig zu findende technische Aufgabe. Sie begegnet dann besonderen Schwierigkeiten, wenn der zu messende Stoff in einem Gemisch anderer Stoffe vorliegt. Eine solche Matrix führt dazu, daß für eine genaue Konzentrationsmessung nicht nur eine möglichst hohe Empfindlichkeit, sondern auch eine möglichst hohe Selektivität des Meßverfahrens benötigt wird. Oftmals kommt man deshalb mit einer einzigen Messung nicht aus oder muß sehr aufwendige Selektionsmechanismen, wie beispielsweise Gaschromatographie etc. einsetzen. Dabei steigt die Schwierigkeit der Meßaufgabe mit der Komplexität der Matrix. Sehr komplexe Stoffgemische findet man naturgemäß in biologischen Systemen. Die Messung einer Stoffkonzentration in einer biologischen Matrix ist deshalb eine der aufwendigsten Aufgaben.
Grundsätzlich läuft der Meßaufwand den Möglichkeiten zur Miniaturisierung eines Meßsystems zuwider. Miniaturisierte Stoffsensoren sind jedoch besonders für biolo- gische Anwendungen von hohem Interesse. Bekanntermaßen ist es lebensnotwendig, daß beim Menschen einige Stoffe, wie z. B. Glukose, Kochsalz, Harnsäure, Aminosäuren etc., in einer geregelten Konzentration vorliegen. Im Falle einer Erkrankung kann es jedoch zu einer Entgleisung des biologischen Regelkreises kommen,
so daß die Stoffkonzentration eines oder auch mehrerer lebensnotwendiger Stoffe außerhalb des physiologisch unbedenklichen Bereiches liegt. Um solch einer Entgleisung durch therapeutische Maßnahmen entgegenzuwirken, muß der Wert der aktuellen Konzentration des (der) entsprechenden Stoffes (Stoffe) dem behandeln- den Arzt bekannt sein; die Konzentration muß also gemessen werden, und das mitunter kontinuierlich.
So nimmt beispielsweise beim Diabetes mellitus, hervorgerufen durch eine gestörte Regulation der Verstoffwechslung der Glukose im Körper, der Glukosespiegel zu hohe (überzuckerung) oder zu niedrige (Unterzuckerung) Werte an. Dies führt längerfristig zu irreversiblem Absterben von Nervenzellen und ruft eine Reihe krankhafter Veränderungen vor allem an den Blutgefäßen hervor. Folgeerkrankungen, wie Erblindung, Verlust der Nierenfunktion, Herzinfarkt, Bluthochdruck sowie ein Absterben von Gliedmaßen können die Folge sein. Die Diabetes-Therapie erfordert deshalb, daß der Glukosespiegel möglichst präzise und anhaltend auf Werte in einem medizinisch akzeptablen Bereich eingestellt wird, z. B. durch Gabe von Insulin oder Traubenzucker. Zeitpunkt und Menge des zu injizierenden Insulins, oder die Notwendigkeit, Nahrung zu sich zu nehmen, sind dabei von der aktuellen Konzentration der Glukose, wie auch von dem Konzentrationsverlauf während des Tages abhängig. Die Glukosekonzentration ist somit ein Beispiel für eine Stoffkonzentration in einer komplexen Matrix, die man möglichst kontinuierlich, ohne zeitliche Unterbrechung sowie ohne aufwendig wiederkehrende Anpassungsmaßnahmen kontrollieren möchte. Ausnahmslos alle zur Zeit durchgeführten Therapien widmen sich der Beeinflussung des Blutglukosespiegels, weshalb die meisten Glukosekonzentrationsmeßeinrichtungen auch den Glukosegehalt im Blut bestimmen. Es ist jedoch auch bekannt, die interstitielle Flüssigkeit zu verwenden, da deren Glukosegehalt dem des Blutes mit nur geringer zeitlicher Verzögerung proportional folgt.
In der DE 37 36 092 A1 wird hierzu eine Meßvorrichtung zur polarimetrischen kontinuierlichen Glukosebestimmung offenbart, wobei eine Meß- und eine Ver- gleichsküvette zum Einsatz kommen, die teilweise mit einer Membran für eine Ultra- filtration ausgestattet sind. Die technisch sehr aufwendige Ankopplung der Membran an die Küvette wird jedoch nicht offenbart. Aus der Intensitätsdifferenz des Meß- und des Vergleichsstrahls wird die jeweilige Konzentration des Ultrafiltrats erhalten. In der DE 19911265 C2 wird eine Vorrichtung zur Messung der Glukosekonzentration proteinhaltiger wäßriger Lösungen, insbesondere in interstitiellen Gewebeflüssig-
keiten beschrieben, bei der ein Dialysat gleichzeitig polarimetrisch und spektrome- trisch analysiert wird. Jedoch ist bei dieser Vorrichtung der technische Aufwand, hier durch den parallelen Einsatz von zwei Meßmethoden enorm groß. Die beschriebene Vorrichtung läßt auch eine große Baugröße erwarten. Des Weiteren wird eine aus Kunststoff bestehende Dialysemembran für die Durchführung einer Stofftrennung genannt, jedoch wird deren technisch sehr aufwendige Ankopplung an das optische Meßsystem nicht näher offenbart.
Schließlich offenbart die gattungsbildende DE 10321356 A1 ein Verfahren, bei dem die Bestimmung der Stoffkonzentrationen optisch aktiver Bestandteile in Medien erfolgt, indem ein Meßstrahl von einer Strahlungsquelle zu einer Koppeleinheit geleitet wird, dort in einen Meßraum eingekoppelt wird, nach dem Durchdringen des Meßraumes an einer Reflexionseinheit eine Richtungsumkehrung erfährt, erneut den Meßraum durchquert und wieder an der Koppeleinheit auftritt. Bei diesem Verfahren ist der technische Aufwand für den Einsatz von Reflexions- und Strahlteilereinheiten sehr groß. Offen bleibt auch, wie mit diesem Verfahren die Bestimmung eines Stoffes in einer Matrix anderer Stoffe ablaufen soll.
Möchte man die Stoffkonzentration in einem biologischen Gewebe erfassen, stellt das Gewebe bzw. die Zwischengewebeflüssigkeit die Matrix dar. Hier wäre natürlich ein Sensor besonders vorteilhaft, der direkt in das Gewebe eingebracht werden kann, da dann eine kontinuierliche Konzentrationsüberwachung des gewählten Stoffes möglich ist. Mit den bekannten gattungsgemäßen Vorrichtungen ist dies nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Meßvorrichtung als Sensor zur spezifischen, vorzugsweise kontinuierlichen und absoluten Bestimmung der Konzentration eines Stoffes in einer flüssigen oder flüssigkeitshal- tigen Matrix, vorzugsweise im biologischen Gewebe, zu schaffen, wobei der Sensor möglichst kompakt ausgebildet und vorzugsweise miniaturisiert sein soll.
Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Sensor zum Bestimmen einer Konzentration eines in einer flüssigen oder flüssigkeitshaltigen Matrix befindlichen Stoffes, mit einer Meßkammer, einem Sender zur Abgabe optischer Strahlung in die
Meßkammer und einem Empfänger zum Empfang von durch die Meßkammer gelaufener optischer Strahlung, wobei Sender und Empfänger als Teil der Wandung der Meßkammer eingesetzt sind, um eine Einheit zu schaffen, welche zum Einbringen in die Matrix ausgebildet ist, die Meßkammer mit einem Meßmedium befüllt und ihre Wandung zumindest abschnittsweise für den Stoff besser diffusionsdurchlässig ist als für Matrixbestandteile, um Konzentrationsunterschiede des Stoffes zwischen der Meßkammer und der Matrix auszugleichen, und eine Steuer- und Auswerteschaltung vorgesehen ist, die mit dem Sender zu dessen Ansteuerung und dem Empfänger zum Auslesen von Empfängersignalen verbunden ist und die aus dem Empfängersignal ein Maß für die Konzentration des Stoffes in der Matrix ermittelt.
Nähere Erläuterung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Sensor setzt also auf dem Meßprinzip der DE 10321356 A1 auf und erweitert dies dadurch wesentlich, daß eine Abtrennung des in der Matrix befindlichen Stoffes durch selektive Diffusion erfolgt. Der Sensor realisiert also eine definierte Konzentrationsangleichung des Stoffes in Matrix und dem Meßmedium im Inneren der Meßkammer sowie gleichzeitig eine optische Messung in der Meßkammer, was insgesamt zu einer kompakten Einheit führt. Weiter arbeitet der Sensor ohne bewegliche Teile und kann einfach als Einstichsonde ausgebildet werden. Insofern umfasst die Erfindung insbesondere einen Sensor
Durch die beim erfindungsgemäßen Sensor auftretende, selektive diffusionsbedingte Abtrennung des Stoffes aus der Matrix löst der Sensor das im Stand der Technik bestehende Problem der geringen Spezifizität, mit dem eine rein physikalische Meßmethode meist behaftet ist. Durch die diffusionsbedingte Abtrennung des Stoffes aus der Matrix kommt der Sensor mit einem einfachen optischen Meßaufbau aus und kann somit sehr kompakt gehalten werden. Die Wandung selektiert also durch ihre Diffusionseigenschaften (Stofftrenneigenschaften) den Stoff aus der Matrix, indem er von anderen Matrixbestandteilen getrennt wird. Die Stofftrennung kann dabei durch eine Größen- und/oder eine Formselektion erfolgen, d. h. die Wandung läßt nur Stoffe in einem bestimmten Größenbereich oder einem bestimmten Formbereich ihrer Moleküle passieren.
Erfindungsgemäß erlaubt der Sensor durch eine definierte Stofftrennung eine einfache optische Messung, weil der Sensor eine vorzugsweise mechanisch stabile, auf
jeden Fall aber stoffdiffusionsdurchlässige Wandung besitzt, die eine dynamische Angleichung der Konzentration des Stoffes im Meßmedium an die in der Matrix (z. B. Interzellularflüssigkeit) bewirkt. Bevorzugt ist ein längliches Gehäuse zum Aufbau der Meßkammer, das auch gleichzeitig die für die optische Messung notwendigen Sen- der und Empfänger aufnimmt. Durch die stoffabtrennende Funktionalität des Sensors wird das optische Meßverfahren wesentlich vereinfacht, was eine kompakte, miniaturisierbare und kostengünstige Umsetzung ermöglicht. Insbesondere kann durch die diffusive Stoffabtrennung verhindert werden, daß Substanzen, die auf das verwendete optische Maßverfahren ebenfalls und möglicherweise in einem viel stärkeren Maß als der nachzuweisende Stoff wirken, in die Meßkammer gelangen.
Die Diffusionseigenschaften der Meßkammerwandung sind vorzugsweise so gewählt, daß eine gute Diffusion und damit ein guter Durchtritt nur für den zu messenden Stoff, nicht jedoch für andere Substanzen der zu messenden Matrix gegeben ist. Es ist also durchaus im Rahmen der Erfindung auch möglich, bei der Auslegung des Sensors die Diffusionseigenschaften der Wandung passend zur Matrix und dem Stoff vorzugeben bzw. einzustellen.
Die Diffusionseigenschaften der Wandung sorgen für die gewünschte Selektivität des Sensors, so daß die in der Meßkammer stattfindende optische Messung eine hohe Spezifität für den Stoff erreicht, ohne daß aufwendige optische Aufbauten nötig sind. Der vom Sender erzeugte elektromagnetische, optische Meßstrahl (z. B. mit Wellenlängen zwischen 0,3 und 1 ,5 μm) durchstrahlt das Meßmedium, also die Meßkammer. über vom Sender vorgebbare Polarisationszustände (un-, teil-, linear-, elliptisch- oder zirkulär polarisiert) und/oder Wellenlängenverteilung des Meßstrahls ist es möglich, für den Sensor die Art des Meßverfahrens (Polarimetrie oder Absorptions- oder Streulichtmessung) vorzugeben und somit den Sensor auf einen oder mehrere Stoffe anzupassen. Der Meßstrahl trifft nach Durchlauf durch das Meßmedium auf den Empfänger, der aus einer oder vorzugsweise aus mindestens zwei voneinander unabhängigen Einheiten besteht. Dadurch ist eine umfangreiche Meßstrahlanalyse möglich. Liegt der Empfänger dem Sender bezogen auf die Meß- kammer direkt gegenüber, wird nur ein Durchgang durch die Flüssigkeit benötigt, was zu einem schlanken Aufbau führt.
Auch mindert/verhindert die Diffusionsselektion Quereinflüsse von Substanzen der Matrix, wodurch der Aufbau kompakt gehalten werden kann. Insbesondere ist es nicht mehr zwingend erforderlich, den Meßstrahl in der Meßkammer zu reflektieren,
wie dies noch in der DE 10321356 A1 zur Meßstreckenverlängerung geschildert ist. Für einen kurzen Aufbau ist das natürlich dennoch möglich.
Die Meßkammer kann vorzugsweise durch ein längliches Gehäuse, z. B. ein Röhrchen, gebildet werden, an dessen einer Stirnseite der Sender und an dessen gegen- überliegenden Stirnseite der Empfänger angebracht ist. Der Querschnitt des länglichen Gehäuses beeinflußt den Diffusionsausgleich (Diffusionszeit) und sollte deshalb vorteilhafterweise möglichst klein gewählt werden, wodurch ein schmales Gehäuse realisierbar ist, vorzugsweise mit einem Durchmesser unter 3 mm. Ein derart ausgebildeter Sensor kann dann durch geeignete Ausbildung des Gehäuses als Einstich- sonde realisiert werden und weist kurze Diffusionszeiten (Einstellzeiten) auf.
Das in der Meßkammer vorgehaltene Meßmedium ist natürlich für die Diffusionseigenschaften des Stoffes durch die Wandung von Bedeutung. Auch muß die Meßkammer selbstverständlich für eine langanhaltende Meßfähigkeit für das Meßmedium dicht sein. Dies ist mit besonders geringem Aufwand realisierbar, wenn der Sender und der Empfänger in und/oder an den Stirnseiten mit dem Gehäuse dicht verklebt sind. Dann kann mit wenigen Bauteilen das Innere des Sensors für das Meßmedium dicht gestaltet werden.
Für eine ordnungsgemäße Messung sollte die Meßkammer blasenfrei mit dem Messmedium befüllt sein, um störende Reflektionen und Streuungen der optischen Strahlung zu vermeiden und/oder die Wegstrecke der Strahlung zwischen Sender um Empfänger möglichst optimal auszunutzen. Eine derartige Befüllung kann einfach dadurch realisiert werden, daß der unbefüllte Sensor in eine evakuierte Kammer verbracht wird, in die das Messmedium eingelassen wird. So wird automatisch auch der Sensor mit einer geeigneten Flüssigkeit befüllt. Die Steuer- und Auswerteschaltung sollte im Sinne einer möglichst kompakten Bauweise möglichst nahe am Sensor sein. Aus signaltechnischen Gründen ist eine Anbringung der Schaltung nahe dem Empfänger vorteilhaft, da dann auch schwache Empfängersignale gut ausgelesen werden können. Die Kontaktierung zum dann beabstandet liegenden Sender kann auf der Gehäuseaußenseite erfolgen, wenn entsprechende Leiterbahnen vorgesehen sind. Natürlich kann die Elektronik oder ein Teil davon auch senderseitig angeordnet werden.
Eine besonders einfache Verlegung dieser Leiterbahnen erreicht man, wenn das Gehäuse mindestens zwei zwischen den Stirnseiten verlaufende Nuten aufweist, in die je eine, vorzugsweise als Dickschichtleiter ausgebildete, Leiterbahn eingebracht
ist. Die Dickschichttechnik für die Herstellung der Leiterbahnen bietet sich insbesondere an, wenn die Wandung zumindest in den diffusionsdurchlässigen Abschnitten, insbesondere aber das ganze Gehäuse, ein poröses Material aufweist, insbesondere eine Keramik, Silizium, Kunststoff, Glas oder Metall. Zur Einstellung der Diffusionseigenschaften ist zweckmäßigerweise in den diffusionsdurchlässigen Abschnitten ein an und für sich nicht selektiv diffusionsdurchlässiges Trägermaterial innen und/oder außen mit einer Beschichtung zu versehen, welche der Wandung bestimmte Diffusionseigenschaften für den Stoff verleiht. Diese Beschichtung kann beispielsweise in einem Sol-Gel-Verfahren oder einem Bedam- pfungsverfahren oder einem Abscheideverfahren aufgebracht werden. Dieser Ansatz erlaubt eine Vorbereitung mehrerer Gehäuseteile in einem langen Strang, aus dem die einzelnen Gehäuse, z. B. Röhrchen dann nur noch abgelängt werden müssen.
Meß- und Anwendungsausführungen Die optische Messung in der Meßkammer wird natürlich passend zum nachzuweisenden Stoff sowie dem Meßmedium in der Kammer gewählt. Eine mögliche optische Messung ist ein photometrisches Verfahren. Photometrische Methoden zeichnen sich gegenüber anderen analytischen Verfahren durch hohe Empfindlichkeit, Einfachheit und die Möglichkeit von großen Reihenversuchen unter standardi- sierten Bedingungen aus. Für eine quantitative Analyse durch Absorptionsphoto- metrie benutzt man z. B. ultraviolette oder sichtbare Strahlung. Dieser Spektralbereich entspricht änderungen in der Energie der Valenzelektronen. Möglich ist auch die Nutzung des infraroten Spektralbereiches, bei dem in Molekülen des nachzuweisenden Stoffes Veränderungen der Kernschwingungsenergie erfolgen. Allerdings zeigt nur ein geringer Teil der zu untersuchenden Substanzen Absorptionsbanden im Licht (Farbe) oder im ultravioletten Bereich. In den meisten Fällen ist es aber möglich, den Stoff durch geeignete chemische Reaktionen in eine charakteristisch absorbierende Verbindung zu überführen und somit deren Konzentration zu bestimmen. Seit Einführung photometrischer Meßverfahren sind weit über 1000 Analysemethoden beschrieben worden, die prinzipiell alle hier eingesetzt werden können. Die chemische Reaktion kann dadurch eingeleitet werden, daß der Stoff in die Flüssigkeit der Kammer eindiffundiert. Beispielsweise kann nach entsprechender Aufarbeitung folgendes nachgewiesen werden: Ketonkörper, Bilirubin, Cholesterin,
Eisen, Gallensäure, Hämoglobin, Harnsäure, Kohlenmonoxid, Reststickstoff im Blut, etc..
Eine weitere mögliche optische Messung beruht auf einem polarimetrischen Verfahren, wobei dabei der nachzuweisende Stoff optisch aktiv sein muß, was beispiels- weise auf Glukose zutrifft.
Das optische Meßverfahren im erfindungsgemäßen Sensor kann natürlich nicht nur eine Polarisationsdrehung, wie im Beispiel von Glukose, auswerten, sondern auch, wie oben beschrieben, eine Absorption, also eine Transmissionsschwächung, wie es z. B. im Fall von Laktose oder Harnsäure in Frage kommt. Auch kann eine Transmissionsschwächung durch Streuung ausgewertet werden.
Das Meßmedium in der Kammer, also z. B. die Flüssigkeit, ist somit mitunter abhängig vom Meßverfahren, vom Stoff und/oder von der Matrix zu wählen. Insbesondere kann es so gewählt sein, daß es den zu messenden Stoff in einer Normkonzentration enthält. Das Empfängersignal zeigt dann z. B. Abweichungen von der Normkonzen- tration an. Bei einem biologischen Gewebe bietet sich als Flüssigkeit eine physiologische Kochsalzlösung oder eine Glukoselösung an. Natürlich kann das Meßmedium auch ein Gas oder Gel sein.
Als durch den optischen Meßaufbau erfaßte Meßgröße kommt die Intensitätsänderung oder Drehung der Schwingungsebene des Meßstrahls beim Durchgang durch das Meßmedium in Frage, was durch eine weilenlängen- oder polarisationsselektive Auswertung erfolgen kann. Auch können mehrere Strahlen bei verschiedenen Wellenlängen ausgewertet werden. Es ist dazu bevorzugt, daß der Sender mindestens eine Strahlungsquelle und ein optisches Filtersystem oder ein Abbildungssystem oder beides aufweist. Das Abbildungssystem sorgt für möglichst optimalen Durchtritt der Strahlung durch die Meßkammer und paßt insbesondere die optische Strahlung, die von der Strahlungsquelle emittiert wird, an den Querschnitt und die Länge der Meßkammer an. Es kann dazu beispielsweise eine Kollimatoroptik umfassen. Die Strahlungsquelle kann als Leuchtdiode, Laserdiode oder Leuchtdio- denarray ausgebildet sein. Das Filtersystem ist auf den auszuwertenden optischen Effekt abgestimmt, der beispielsweise Breitbandabsorption, wellenlängenselektive Absorption, polarisationsabhängige Absorption oder Polarisationsdrehung umfassen kann. Es ist deshalb zweckmäßig, daß das Filtersystem ein Polarisationsfilter und/oder ein Interferenzfilter und/oder ein Kantenfilter umfaßt.
Die Empfängerseite umfaßt im einfachsten Fall ein photoempfindliches Element für eine Meßmethode. Eine besonders hohe Meßgenauigkeit erreicht man, wenn em- pfängerseitig eine Quotienten- und/oder Differenzanalyse erfolgt. Es ist deshalb bevorzugt, daß der Empfänger mindestens zwei photoempfindliche Elemente und mindestens ein optisches Filtersystem aufweist, das zum senderseitigen Filtersystem paßt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, zwei unterschiedliche optische Effekte mit zwei photoempfindlichen Elementen zu nutzen. Die Auswerteschaltung ermittelt aus der Signaländerung, die durch die beim Durchgang des Messmediums hervorgerufene Strahlungsänderung verursacht wird, die Konzentration des Stoffes. Der erfindungsgemäße Ansatz kann noch weiter verfeinert werden, wenn die Meßkammer noch mindestens eine weitere geschlossene Kammer beinhaltet, deren Trennwandung nur für einen Teil der Stoffe diffusionsdurchlässig ist, für die die Wandung der Meßkammer nach außen diffusionsdurchlässig ist. Sieht man dann für diese weitere Meßkammer ebenfalls einen Sender und einen Empfänger vor, kann eine verbesserte Messung erfolgen.
Herstellung des erfindungsgemäßen Sensors
Der erfindungsgemäße Sensor läßt sich sehr einfach herstellen, wie bereits zuvor ausgeführt. Es ist deshalb im Rahmen der Erfindung auch ein Herstellverfahren für einen Sensor der genannten Art vorgesehen, bei dem ein längliches Gehäuse aus porösem Material, insbesondere Keramik, Silizium, Kunststoff, Glas oder Metall, innen und/oder außen mit einer Beschichtung, hergestellt beispielsweise in einem Sol-Gel-Verfahren oder einem Bedampfungsverfahren oder einem Abscheideverfahren, versehen wird, welche der Wandung bestimmte Diffusionseigenschaften für einen gewählten Stoff verleiht.
Der Sensor kann als Einstichsonde ausgebildet sein, z. B. für Messung des Glukose- , Harnstoff- oder Lactosegehaltes bei Säugetieren, insbesondere beim Menschen.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen oder Ausführungsformen, sondern auch in anderen Kombinationen, mit Merkmalen anderer Ausführungsformen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Beschreibung der Abbildungen der Fig. 1- 11
Die in den Zeichnungen abgebildeten Fig. 1 -11 zeigen:
Fig. 1 eine Schemadarstellung eines Sensors zur Messung einer Stoffkonzentration in einer Flüssigkeit, Fig. 2 eine Durchlässigkeitskurve für eine Wandung des Sensors der Fig. 1 ,
Fig. 3 einen abgewandelten Sensor ähnlich dem der Fig. 1 ,
Fig. 4 und 5 Sensoren ähnlich dem der Fig. 1 zur Messung der Stoffkonzentration in der Zwischenzell- oder Gewebsflüssigkeit,
Fig. 6 eine Schnittdarstellung durch die Wandung des Sensors der Fig. 4, Fig. 7 eine Schemazeichnung betreffend die Lagerung des Sensors der Fig. 1 und 3 bis 5,
Fig. 8 und 9 den Sensor der Fig. 1 und 3 bis 5 mit einem Gehäuse,
Fig. 10 eine weitere Sensorvariante und
Fig. 11 eine weitere Sensorvariante mit zwei Meßkammern.
Beispielhafte Erläuterung der Erfindung anhand der Fig. 1 - 11 Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Sensor 1 zur spezifischen, kontinuierlichen und absoluten Bestimmung der Konzentration eines Stoffes in einer Matrix, z. B. der Glukosekonzentration in einem biologischen Gewebe. Der Sensor 1 nutzt dabei ein optisches Meßprinzip, wie noch erläutert werden wird. Er weist ein mechanisch stabiles Gehäuse 2 auf, das im Ausführungsbeispiel als Röhrchen ausgebildet ist. An den Stirnseiten des Gehäuses 2 befinden sich ein Sender 3 und ein Empfänger 4. Das Gehäuse 2 ist dadurch an seinen Stirnseiten flüssigkeitsdicht abgeschlossen, da der Sender 3 und der Empfänger 4 mit den Stirnseiten ent- sprechend verbunden, z. B. verklebt sind. In der Schemadarstellung der Fig. 1 ist zu sehen, daß in der hier gewählten Ausführungsform die beiden Bauteile auf die Stirnflächen geklebt sind. Natürlich ist es, wie an anderer Stelle noch erläutert wird, auch möglich, die Bauteile an den stirnseitigen Enden in das Röhrchen einzukleben. Es ist so im Gehäuse eine Meßkammer 5 gebildet. Die derart abgeschlossene Meßkammer 5 ist mit einer bekannten Flüssigkeit (Meßmedium) befüllt. Die Wandung des Gehäuses 2 ermöglicht einen diffusiven Stoffausgleich zwischen der umgebenden Matrix und dem Meßmedium in der Meßkammer 5, bidirektional und stoffselektiv. Die Selektion ist dabei so gewählt, daß möglichst nur der nachzuweisende Stoff durch die Wandung des Gehäuses 2 diffundieren kann,
oder zumindest einen um eine Größenordnung höheren Diffusionskoeffizienten hat, als die restlichen Substanzen der Matrix, soweit diese Substanzen auf den noch zu erläuternden Meßeffekt wirken. Die Diffusionsstrecke ist in Fig. 1 sowie den weiteren Fig. 3 bis 5 durch einen Doppelpfeil veranschaulicht. Ein vom Sender 3 ausgesandter optischer Strahl 6 kann nach Durchqueren des Meßmediums und etwaiger Wechselwirkung mit darin enthaltenen Stoffen direkt vom Empfänger 4 erfaßt werden. In der Ausführungsform der Fig. 1 hängt die Schwächung der Intensität des optischen Strahls 6 von dem Absorptionsverhalten des Stoffes in der Flüssigkeit ab. Die Absorption ist auf bekannte Art und Weise mit der Stoffkonzentration verknüpft, so daß aus der Intensität des optischen Strahls am Empfänger 4 und damit aus der Größe des Empfängersignals direkt ein Rückschluß auf die Stoffkonzentration möglich ist. Die Bauweise der Fig. 1 eignet sich also besonders für Stoffe, welche die Absorption beeinflussen. Sender 3 und Empfänger 4 sind beide mit einer Steuerelektronik 7 verbunden, welche einerseits den Sender 3 ansteuert und andererseits den Empfänger 4 ausliest. Für eine absolute Bestimmung der Stoffkonzentration mit dem Sensor ist beispielsweise eine einfache Zweipunkt-Kalibrierung möglich. Dazu liest man jeweils den Wert des Empfängers 4 bei zwei bekannten Stoffkonzentrationen aus. Vorzugsweise wird als Konzentration Null und die Normallösung gewählt. Aus diesen beiden Meßwerten ergibt sich in guter Näherung eine lineare Sensorkennlinie für die absolute Messung der Stoff konzentration. Bevor der Sensor 1 in die Matrix eingesetzt wird, beispielsweise bevor er in biologisches Gewebe eingebracht wird, ist bei gleichzeitiger Kenntnis der Wechselwirkung der Strahlung mit der Flüssigkeit vor dem Erstgebrauchen auf einfache Weise auch eine Nachkalibrierung möglich, so daß die nachfolgende Messung als Absolutmessung erfolgt, da die Abweichung zur vorherigen Kalibrierung erfaßt wird.
Fig. 2 veranschaulicht die Wirkung der Diffusion. Dort ist die Durchlässigkeit D als Funktion der Größe g einer Substanz aufgetragen. Die Wandung des Gehäuses 2 läßt Substanzen mit einer Größe kleiner der Größe gl in das Innere der Meßkammer 5, d. h. des Gehäuses 2, wohingegen Substanzen die größer sind, nicht durchgelassen werden. Ein beispielhafter Wert für die Größe gl ist z. B. 30 kDalton. Bei einem derart durch Behandlung und Ausbildung der Wandung erzeugten Größenselektionswert kann beispielsweise Glukose in die Flüssigkeit 5 diffundieren, größere
Substanzen wie z. B. Eiweiße, die beispielsweise hinsichtlich des noch zu erläuternden Meßeffektes einen größeren Effekt zeigen würden, können hingegen nicht in das Meßmedium eindringen. Neben der derart bewirkten dynamischen und definierten Stoffselektion dient das Gehäuse 2 hier auch als mechanisches Bindeglied zwischen den für die optische Messung vorgesehenen Sender 3 und Empfänger 4, die an den Enden des Gehäuses befestigt sind und so Teil der Wandung der Meßkammer 5 sind.
Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Bauweise der Fig. 1. Nur ist zur Miniaturisierung die Elektronik 7 in Verlängerung des länglichen Gehäuses 2 auf die Stirnseite aufgesetzt. In der dargestellten Bauweise befindet sich die Elektronik 7 an der sendersei- tigen Stirnseite. Die Elektronik 7 setzt dabei vorzugsweise die Umrißlinie des Gehäuses 2 fort oder steht nur wenig über. Es ist allerdings nun eine elektrische Kontak- tierung zur anderen Stirnseite erforderlich, an der in der Bauweise der Fig. 3 der Empfänger 4 sitzt. Es sind dazu mindestens zwei Leiterbahnen 8 längs des Gehäuses 2 gelegt, die auf der Außenwand, in der Wandung oder längs der Innenwand verläuft.
Fig. 4 zeigt eine Bauweise, die der der Fig. 3 ähnelt, jedoch befindet sich die Elektronik 7 nun auf der Empfängerseite. Weiter sind Sender 3 und Empfänger 4 nun nicht mehr auf die Stirnflächen des Röhrchens aufgeklebt, sondern stirnseitig in das längliche Gehäuse 2 eingeklebt. Im übrigen ist der Sensor 1 hier als Einstichsonde ausgebildet, indem er eine Spitze 19 an der Stirnseite aufweist. Weiter ist auch zu sehen, daß dem Sender 3 zusätzlich noch ein Abbildungssystem 9 sowie ein Filtersystem 10 ergänzt, die der Strahlungsquelle vorgeordnet sind. Das Abbildungssystem 9 kann beispielsweise als Kollimatoroptik ausgestaltet sein und sorgt dafür, daß die optische Strahlung 6 möglichst homogen verteilt und gerichtet zum Empfänger 4 emittiert wird. Das Filtersystem 10 kann beispielsweise ein Polarisationsfilter, ein Interferenzfilter oder ein Kantenfilter sein. Die Ausgestaltung des optischen Filtersystems 10 legt die Art des Meßverfahrens fest. Beispielsweise wird bei einem polarimetrischen Meßverfahren das Filtersystem 10 ein Polarisationsfilter aufweisen. Ein zum senderseitigen optischen Filtersystem 10 passendes optisches Empfänger-Filtersystem 11 ist im Empfänger 4 angeordnet. Natürlich können beide
Filtersysteme nicht nur einen einzigen Filtertyp, sondern auch eine Kombination verschiedener Filter aufweisen.
Fig. 5 zeigt eine Weiterbildung des Sensors 1 der Fig. 4. Hier sind nun zwei voneinander unabhängige Empfängereinheiten 4a und 4b vorgesehen, die eine voneinander unabhängige Auswertung des optischen Meßstrahls nach zwei Kriterien ermöglichen. Beispielsweise kann eine polarimetrische Drehung oder auch wellenlängenabhängige Absorption oder beide gleichzeitig ausgewertet werden. Die den Empfängern 4a, 4b vorgeordneten Filtersysteme 11a, 11b sind natürlich auf das oder die jeweiligen Meßverfahren abgestimmt. Der Aufbau der Fig. 5 ermöglicht z. B. eine polarimetrische Differenzmessung, wenn beispielsweise zwei Polarisationsfilter verwendet werden, deren Polarisationsrichtung um 90° zueinander und um jeweils 45° zum Senderpolarisationsfilter 10 gedreht ist.
Ein Beispiel zur elektrischen Kontaktierung mittels Leiterbahnen 8 längs des Gehäuses 2, wie sie in den Fig. 3 bis 5 dargestellt ist, veranschaulicht Fig. 6, welche einen Querschnitt durch das längliche Gehäuse 2 zeigt. Wie zu sehen ist, weist das längliche Gehäuse 2 und damit die Meßkammer 5 einen rechteckigen Querschnitt auf. An der Außenfläche sind zwei Nuten 14 eingebracht, die längs der Gehäuselängsachse und damit im wesentlichen parallel zur Richtung des optischen Strahls 6 verlaufen (in Fig. 6 senkrecht zur Zeichenebene). In die Nuten 14 sind Dickschichtleiter 15 eingebracht (in der unteren Nut ist zur besseren übersichtlichkeit kein Dickschichtleiter gezeichnet). Die Nut 14 erleichtert das Herstellen des Dickschichtleiters 15, da die Leitpaste einfach eingerakelt werden kann; zudem schützt sie den Leiter 15 vor mechanischer Beschädigung.
Weiter zeigt die Querschnittdarstellung der Fig. 6 einen zweiteiligen Aufbau des Gehäuses 2 aus einem Trägerkörper 12 und einer (hier innen liegenden) Beschich- tung 13. Die Beschichtung 13 (z. B. aus Titanoxidmaterialien) stellt die gewünschten Diffusionseigenschaften der Wandung des Gehäuses 2 ein. Der Trägerkörper ist vorzugsweise aus einem porösen Material, das keine für den nachzuweisenden Stoff selektive Diffusionseigenschaften hat, sondern hinsichtlich seiner Diffusionseigenschaften möglichst neutral ist. Als Material kommen poröses Keramik, Silizium, Kunststoff, Glas oder Metall in Frage. Die Innenwand des quadratischen Querschnittes natürlich sind auch andere Querschnitte wie rechteckig, polygonal, rund
etc. möglich) ist in einem Sol-Gel-Verfahren (möglich sind auch andere Beschich- tungsverfahren) mit einer Beschichtung 13 versehen (z. B. einer Kohlenstoff- oder Keramikbeschichtung), die nur wenige Nano- oder Mikrometer dick ist. Die Beschichtung 13 ist diffusionsselektiv eingestellt, d. h. weist einen stoffabhängigen Diffusions- koeffizienten auf, der die nachzuweisende Substanz bei der Diffusion erheblich begünstigt. Die Beschichtung stellt ein engmaschiges Filter dar, das alle größeren Stoffe als den nachzuweisenden Stoff (z. B. Glukose) abblockt. Der nachzuweisende Stoff kann also sehr viel besser durch den Verbundaufbau der Wandung des Meßkammer 5 diffundieren, als solche andere Stoffe. Somit diffundiert lediglich der nachzuweisende Stoff in die und aus der Flüssigkeit, so daß eine änderung in der Zusammensetzung direkt und nur durch den nachzuweisenden Stoff erfolgt.
Gemäß Fig. 7 hängt der Sensor 1 an einem Deckel 17 eines Lagergehäuses 16. Von einiger Bedeutung für den Sensor 1 ist natürlich, daß die Befüllung mit dem Meß- medium 5 vollständig, also blasenfrei, und möglichst dauerhaft ist. So ist es natürlich zu vermeiden, daß bei einer Flüssigkeit als Meßmedium diese aus dem Inneren des Gehäuses läuft oder verdunstet. Hierfür ist deshalb ein Lagergehäuse 16 vorgesehen, in das der Sensor 1 eingelegt wird und gemäß Fig. 7 an einem Deckel hängt. Das Lagergehäuse 16 ist vollständig mit Flüssigkeit 18 befüllt, wobei es sich vorzugs- weise um genau die Flüssigkeit handelt, die sich auch im Inneren des Sensors 1 befindet. Im Lagergehäuse 16 kann zugleich eine Kalibrierung des Sensors 1 erfolgen.
Fig. 8 und 9 zeigen in einer bevorzugten Weiterbildung, dass der Deckel 17 so aus- gestaltet sein kann, daß er als Gehäusekappe an der entsprechenden Stirnseite des Sensors 1 dient und auch beim Einsatz des Sensors daran verbleibt. Der Deckel 17 ist hier als halbrunde Kappe ausgebildet, die über elastische Verbindungsstege oder -membranen 20 mit dem Sensor 1 verbunden sind. Die Kappe weist darüber hinaus ein Signalübertragungsmittel 22, z. B. in Form eines Funksenders oder eines Steckers auf, der über ein Kabel 23 durch die Kappe hindurch mit der Elektronik 7 verbunden ist, so daß der Deckel 17 auch das Anschlußmittel für den Sensor 1 bereitstellt. Die elastische Anbindung über die Membranen 20 bewirkt, daß der als Einstichsonde ausgebildete Sensor 1 auch schräg eingestochen werden kann, so daß die Längsachse des Sensors 1 gegenüber dem Deckel 17 verschwenkt werden
kann, ohne störende Kräfte auf den Sensor 1 zu übertragen. Der Deckel 17 kann natürlich auch schräg gestaltet sein. Eine derartige mechanische Entkopplung zwischen Deckel 17 und Gehäuse 2 steigert deutlich die mechanische Stabilität beim Einsatz des Sensors als Einstichsonde. Der Sensor 1 ist durch die an der Stirnseite vorgesehene Spitze 19 als Einstichsonde ausgebildet und kann in geeignetes Gewebe (z. B. Unterhautfettgewebe) eingestochen werden. Dort kann er über einen längeren Zeitraum (einige Tage) verbleiben und kontinuierlich messen.
Fig. 10 zeigt eine alternative Bauweise des Sensors 1 , bei dem in der Meßkammer an der Stirnseite des Gehäuses 2 eine Reflektionsschicht 24 angeordnet ist und
Sender 3 sowie Empfänger 4 an der gegenüberliegenden Stirnseite des Gehäuses 2 liegen. Die optische Strahlung 6 wird somit an der Reflexionsschicht 24 reflektiert.
Diese Bauweise führt bei gleichbleibender optische Weglänge zu einem kürzeren
Sensor 1 und zugleich ist die Kontaktierung von Sender 3 und Empfänger 4 durch die Elektronik 7 einfach möglich, da beide zu kontaktierende Elemente auf derselben
Seite des Gehäuses 2 liegen.
Wie beispielhaft in Fig. 11 dargestellt, kann das geschilderte Sensorprinzip natürlich auch mit zwei Sensoren 1 zur Quotienten- und/oder Differenzbildung oder einem Doppelkammersensor, dessen Kammerwandungen unterschiedliche Diffusionseigenschaften haben, ausgeführt werde. Hier ist in der Meßkammer 5 mindestens eine weitere zusätzliche Kammer 25 vorgesehen, die gegenüber der Meßkammer 5 durch eine oder mehrere Innenwände 26 abgegrenzt ist. Die Diffusionseigenschaften dieser Innenwände unterscheiden sich von den Diffusionseigenschaften der (Außen- )Wand der Meßkammer 5. Die Innenwand 26 läßt nur einen Teil derjenigen Stoffe durch, die durch die (Außen-)Wand des Gehäuses 2 diffundieren können. Fig. 11 veranschaulicht dieses unterschiedliche Diffusionsverhalten mit 2 Doppelpfeilen für die Wandung des Gehäuses 2 und nur einem Doppelpfeil für die Wandung 26. Dieser Aufbau bewirkt, das nur ein Teil der Stoffe, die in der Meßkammer 5 sind, auch in die innere, weitere Meßkammer 25 eindiffunidieren können. Eine weiter verfeinerte Messmethodik ist das Ergebnis.
Selbstverständlich ist sowohl für die (äußere) Meßkammer 5 als auch für die (innere) Meßkammer 25 ein Sender 3a beziehungsweise 3b vorgesehen, und ein Empfänger 4a beziehungsweise 4b detektiert die durch die jeweilige Kammer gelaufene
Strahlung. Die Anordnung der Kammern kann im Rahmen des technisch Möglichen beliebig gewählt werden, solange dafür gesorgt ist, daß in die (innere) weitere Kammer 25 nur ein Teil derjenigen Stoffe diffudieren kann, die in die (äußere) Meßkammer 5 diffundieren können. Beispielshalber kann die Meßkammer 5 eine Innenkammer 25 kleineren Querschnitts enthalten die in der Meßkammer 5 geeignet abgestützt ist (z. B. an den Stirnseiten). Auch ist es möglich, in der Meßkammer 5 zwei Trennwände dicht anzubringen, die die weitere Kammer 25 abgrenzen. In einer vereinfachten Bauweise kann für beide Kammern ein gemeinsamer Sender 3 verwendet werden, der sich dann beispielsweise über die Stirnseiten beider Kam- mern erstreckt. Verwendet man beispielsweise einen ortsauflösenden Empfänger, kann dieses Konzept auch empfängerseitig verfolgt werden. Die Darstellung der Fig. 11 ist in dieser Hinsicht lediglich exemplarisch zu verstehen und soll nicht einschränkend aufgefaßt werden. Auch sind in Fig. 11 der Einfachheit halber die elektrischen Kontaktierungen vom Steuergerät 7 zu dem Sender beziehungsweise zu den Sendern nicht gezeigt. Diese können an der Außenwand und/oder an der Trennwand verlaufen.
Insofern betrifft die Erfindung insbesondere einen Sensor zum Bestimmen der Konzentration eines in einer flüssigkeitshaltigen oder flüssigen Matrix befindlichen Stoffes, mit einer Meßkammer 5, einem Sender 3 zur Abgabe optischer Strahlung 6 in die Meßkammer 5 und einem Empfänger 4 zum Empfang von durch die Meßkammer gelaufener optischer Strahlung 6, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass Sender 3 und Empfänger 4 jeweils einen Teil der Stirnseite bzw. der gegenüberliegenden Seite der Meßkammer 5 bilden und diese zumindest abschnittsweise für den zu messenden Stoff im wesentlichen selektiv diffusionsdurchlässig ist, wobei diese aus 3, 4 und 5 gebildete Einheit zumindest in den diffusionsdurchlässigen Abschnitten aus einem porösen Material 12, ausgewählt aus Silizium, Glas, Keramik, Kunststoff, Metall, insbesondere Keramik gebildet ist, und der Sensor weiterhin eine Steuer- und Auswerteschaltung 7 umfasst, die mit dem Sender 3 zu dessen An- Steuerung und dem Empfänger 4 zum Auslesen von Empfängersignalen verbunden ist und die aus dem Empfängersignal ein Maß für die Konzentration des Stoffes in der Matrix ermittelt.
Vorzugsweise weist das poröse Material 12 der Einheit 3, 4 und 5 eine diffusions- gewährende Beschichtung 13, insbesondere aus Titandioxidmaterialien, innen und/oder außen auf.
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