光学传感器元件、光学pH传感器和用于监测光学pH传感器的功能的方法技术

本发明专利技术涉及光学传感器元件、光学pH传感器和用于监测光学pH传感器的功能的方法。该光化学传感器元件包含：

【技术实现步骤摘要】
光学传感器元件、光学pH传感器和用于监测光学pH传感器的功能的方法


[0001]本专利技术涉及一种光学传感器元件、光学pH传感器和用于监测光学pH传感器的功能的方法。

技术介绍

[0002]在工业如在食品技术、生物技术和制药中的环境分析的分析测量技术、尤其是水管理领域中以及对于最多变的实验室应用，被测变量如pH值、电导率或者甚至分析物如气态或液态测量介质中的离子或溶解气体的浓度非常重要。例如，通过电化学传感器如光学、电位、电流、伏安或库仑传感器或者甚至电导率传感器，能够获得和/或监测这些被测变量。
[0003]光学pH传感器是基于与测量介质的光化学反应的传感器。通常，这些传感器包含适合在材料受到光源刺激时发光的发光材料。所述发光材料同时对pH敏感，使得发光材料所发射的光受测量介质的pH值的影响。
[0004]先前的光学pH传感器的已知问题是离子强度依赖性大、温度依赖性大且漂移(drift)稳定性低。离子强度依赖性和温度依赖性是由所述测量介质造成的，由此如果所述pH传感器仅用于特定应用范围、例如低于80℃，则能够进行控制。所述pH传感器的漂移导致所述pH传感器的测量结果失真。目前使用的pH传感器通常具有不稳定的荧光团或荧光素衍生物，它们在短时间后就已经开始漂移。其原因是所述指示剂染料的光漂白和浸出。所述指示剂染料的所述光漂白是因氧化而发生的；所述指示剂染料的所述浸出是因所述指示剂染料的洗出而发生的。随着时间的推移，在大学的研究中已经发现了越来越多稳定的荧光团，所述荧光团由于极性基团的数量更少而浸出得更少。尽管如此，由于光漂白而引起的漂移稳定性问题仍然存在。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术的目的是实现能够可靠且简单地实现的光学pH测量。
[0006]根据本专利技术，该目的通过根据项1的用于光化学pH传感器的光化学传感器元件来实现。
[0007]根据本专利技术的光化学传感器元件包含：
[0008]‑
基材层，所述基材层具有面向测量介质的第一基材侧和与所述第一基材侧相反的第二基材侧；
[0009]‑
功能层，所述功能层布置在所述第一基材侧上并具有第一参比(reference)染料、指示剂染料以及与所述第一参比染料不同的第二参比染料，
[0010]其中所述第一参比染料包含无机材料并且对pH不敏感，并且适于在用第一刺激信号刺激时发射第一发光信号，
[0011]其中所述指示剂染料包含有机材料并且对pH敏感，并且适于在用所述第一刺激信号刺激时发射第三发光信号，
[0012]其中所述第二参比染料包含有机材料并且对pH不敏感，并且具有钝化官能团(passivated functional group)，并且适于在用所述第一刺激信号刺激时发射第二发光信号，
[0013]其中所述基材层对所述刺激信号和所述发光信号是透明的。
[0014]使用根据本专利技术的所述光化学传感器元件，使得可以识别并量化所述传感器的漂移，以便相对于所确定的漂移来补偿由所述传感器确定的测量值。因为所述光化学传感器元件具有两种不同的参比染料并且一种参比染料包含与所述指示剂染料相同的漂移特性，所以通过识别所述参比染料的漂移能够间接确定所述指示剂染料的漂移。为此，只需将所述两种参比染料相互比较。借助根据本专利技术的所述光化学传感器元件，可以在持续运行期间检查光化学pH传感器的漂移并且根据所确定的漂移来补偿当前的测量值。由此，不必将所述光化学pH传感器从测量点移开，以在具有已知pH值的介质中确定所述pH传感器的漂移。由此最大限度地减少了操作所述pH传感器的工作量，并最大限度地提高了所述测量结果的质量。
[0015]根据本专利技术的一个实施方式，将所述功能层细分为至少两个功能区段，
[0016]其中第一功能区段具有所述第一参比染料、所述指示剂染料和所述第二参比染料，
[0017]其中第二功能区段具有所述第一参比染料和所述指示剂染料，
[0018]或所述第一参比染料和所述第二参比染料，
[0019]或所述指示剂染料和所述第二参比染料。
[0020]根据本专利技术的一个实施方式，具有第一比较区段的比较层布置在所述基材的所述第二基材侧上，其中所述第一比较区段具有所述第一参比染料、所述第二参比染料或所述指示剂染料。
[0021]根据本专利技术的一个实施方式，所述比较层具有多个比较区段，其中各比较区段具有所述第一参比染料、所述第二参比染料或所述指示剂染料。
[0022]根据本专利技术的一个实施方式，所述功能层细分为至少三个功能区段，其中第一功能区段具有所述第一参比染料，第二功能区段具有所述指示剂染料，并且第三功能区段具有与所述第一参比染料不同并且具有钝化官能团的所述第二参比染料。
[0023]根据本专利技术的一个实施方式，所述功能层具有多于三个的功能区段并且各功能区段具有不同的染料或不同的染料组合。
[0024]根据本专利技术的一个实施方式，所述功能层呈圆形并且所述功能区段由所述功能层的放射状子部(radial subdivision)来形成，或者其中所述功能层呈矩形并且所述区段由所述功能层的矩形子部来形成。
[0025]根据本专利技术的一个实施方式，所述功能层具有质子传导基质，并且所述第一无机参比染料和/或所述有机指示剂染料和/或所述第二无机参比染料均匀地布置在所述质子传导基质中。
[0026]根据本专利技术的一个实施方式，所述光化学传感器元件还具有选择层，所述选择层布置在所述功能层的与所述基材层相反的一侧上、并且可透过质子。
[0027]根据本专利技术的一个实施方式，所述功能区段各自以第一侧表面与所述基材层或另外的层接触，并且以与所述第一侧表面相反的第二侧表面与所述选择层或另外的层或测量
介质接触。
[0028]根据本专利技术的一个实施方式，所述第一参比染料具有选自如下中的材料：钛酸盐、氮化物、没食子酸盐、硫化物、硫酸盐、铝酸盐、硅酸盐，优选HAN蓝、HAN紫、埃及蓝、宝石红、铝硼酸盐、铬化钇铝硼酸盐(chromated yttrium aluminum borate)、钆铝硼酸盐、锰(IV)(掺杂的)活化的钛酸镁、锰(IV)活化的氟锗酸镁、红宝石、翠绿宝石和/或铕(III)活化的氧化钇。
[0029]根据本专利技术的一个实施方式，所述指示剂染料具有选自如下中的材料或混合物：BODIPY、氮杂
‑
BODIPY、卟啉(porphyrine)、酞菁、位阻香豆素、苝二酰亚胺、部花青、二酮吡咯并吡咯(DPP)、喹吖啶酮(QD)、7
‑
[2
‑
(癸氧羰基)
‑
苯基]‑
10
‑
二乙基氨基
‑3‑
羟基
‑
苯并[c]呫吨高氯酸盐(XP)、氮杂二氧杂三角烯(azadioxatriangulenium，ADOTA)、二氮杂氧杂三角烯(DAOTA)、羟基芘磺酸(pyranine，HPTS)、6,8
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.用于光化学pH传感器(1)的光化学传感器元件(10)，包含：
‑
基材层(20)，所述基材层(20)具有面向测量介质的第一基材侧(21)和与所述第一基材侧(21)相反的第二基材侧(22)；
‑
功能层(30)，所述功能层(30)布置在所述第一基材侧(21)上并具有第一参比染料(RF1)、指示剂染料(IF)以及与所述第一参比染料(RF1)不同的第二参比染料(RF2)，其中所述第一参比染料(RF1)包含无机材料并且对pH不敏感，并且适于在用第一刺激信号(S1)刺激时发射第一发光信号(L1)，其中所述指示剂染料(IF)包含有机材料并且对pH敏感，并且适于在用所述第一刺激信号(S1)刺激时发射第三发光信号(L3)，其中所述第二参比染料(RF2)包含有机材料并且对pH不敏感，并且具有钝化官能团，并且适于在用所述第一刺激信号(S1)刺激时发射第二发光信号(L2)，其中所述基材层(20)对所述刺激信号(S1)和所述发光信号(L1、L2、L3)是透明的。2.根据权利要求1所述的光化学传感器元件(10)，其中所述功能层(30)细分为至少两个功能区段(31、32)，其中第一功能区段(31)具有所述第一参比染料(RF1)、所述指示剂染料(IF)和所述第二参比染料(RF2)，其中第二功能区段(32)具有所述第一参比染料(RF1)和所述指示剂染料(IF)，或所述第一参比染料(RF1)和所述第二参比染料(RF2)，或所述指示剂染料(IF)和所述第二参比染料(RF2)。3.根据权利要求1或2所述的光化学传感器元件(10)，其中具有第一比较区段(61)的比较层(60)布置在所述基材(20)的所述第二基材侧(21)上，其中所述第一比较区段(61)具有所述第一参比染料(RF1)、所述第二参比染料(RF2)或所述指示剂染料(IF)。4.根据权利要求3所述的光化学传感器元件(10)，其中所述比较层(60)具有多个比较区段，其中各比较区段具有所述第一参比染料(RF1)、所述第二参比染料(RF2)或所述指示剂染料(IF)。5.根据前述权利要求中任一项所述的光化学传感器元件(10)，其中所述功能层(30)细分为至少三个功能区段(31、32、33)，其中第一功能区段(31)具有所述第一参比染料(RF1)，第二功能区段(32)具有所述指示剂染料(IF)，并且第三功能区段(33)具有与所述第一参比染料(RF1)不同并具有钝化官能团的所述第二参比染料(RF2)。6.根据前述权利要求中任一项所述的光化学传感器元件(10)，其中所述功能层(30)具有多于三个的功能区段并且各功能区段具有不同的染料(RF1、RF2、IF)或不同的染料组合(RF1、RF2、IF)。7.根据前述权利要求中任一项所述的光化学传感器元件(10)，其中所述功能层(30)呈圆形并且所述功能区段(31、32、33、34)由所述功能层(30)的放射状子部来形成，或者其中所述功能层(30)呈矩形并且所述区段(31、32、33、34)由所述功能层(30)的矩形子部来形成。8.根据前述权利要求中任一项所述的光化学传感器元件(10)，其中所述功能层(30)具有质子传导基质并且所述第一无机参比染料(RF1)和/或所述有机指示剂染料(IF)和/或所述第二无机参比染料(RF2)均匀布置在所述质子传导基质中。
9.根据前述权利要求中任一项所述的光化学传感器元件(10)，其中所述光化学传感器元件(10)还具有选择层(40)，所述选择层(40)布置在所述功能层(30)的与所述基材层(20)相反的一侧上、并且可透过质子。10.根据权利要求9所述的光化学传感器元件(10)，其中所述功能区段分别地，以第一侧表面与所述基材层(20)或另外的层接触，并且以与所述第一侧表面相反的第二侧表面与所述选择层(40)或另外的层或测量介质接触。11.根据前述权利要求中任一项所述的光化学传感器元件(10)，其中所述第一参比染料(RF1)具有选自如下中的材料：钛酸盐、氮化物、没食子酸盐、硫化物、硫酸盐、铝酸盐、硅酸盐，优选HAN蓝、HAN紫、埃及蓝、宝石红、铝硼酸盐、铬化钇铝硼酸盐、钆铝硼酸盐、锰(IV)(掺杂的)活化的钛酸镁、锰(IV)活化的氟锗酸镁、红宝石、翠绿宝石和/或铕(III)活化的氧化钇。12.根据前述权利要求中任一项所述的光化学传感器元件(10)，其中所述指示剂染料(IF)具有选自如下中的材料或混合物：BODIPY、氮杂
‑
BODIPY、卟啉、酞菁、位阻香豆素、苝二酰亚胺、部花青、二酮吡咯并吡咯(DPP)、喹吖啶酮(QD)、7
‑
[2
‑
(癸氧羰基)
‑
苯基]
‑
10
‑
二乙基氨基
‑3‑
羟基
‑
苯并[...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德烈亚斯，
申请(专利权)人：恩德莱斯和豪瑟尔分析仪表两合公司，
类型：发明
国别省市：