DE102014203254A1

DE102014203254A1 - FRET pressure sensor for non-contact measurement of pressures

Info

Publication number: DE102014203254A1
Application number: DE102014203254.7A
Authority: DE
Inventors: Frank Morgner; André Geßner; Mark Bennemann
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2014-02-24
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2015-08-27

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen FRET-Drucksensor, welcher eine berührungsfreie Messung von Drücken ermöglicht und dessen Verwendung, sowie ein Verfahren zur berührungsfreien Messung von Drücken.The present invention relates to a FRET pressure sensor, which allows a non-contact measurement of pressures and its use, as well as a method for non-contact measurement of pressures.

Description

Drucksensoren werden zur Kontrolle und Überwachung in verschiedensten Bereichen von Industrie, Forschung und Alltag eingesetzt. Dazu gehören beispielsweise die Druckmessung in Wetterstationen oder industriellen Prozessen, die Höhen bzw. Tiefenmessung in Flugzeugen, Wetterballons oder beim Tauchen, die Messung von Durchflussraten oder auch die Erfassung auftretender Leckagen bei Transport oder Lagerung von Gasen oder Flüssigkeiten oder auch die in-vivo bzw. in-vitro-Kontrolle verschiedenster biologischer Vorgänge. In vielen dieser Anwendungen ist es aufgrund schwierig zu erreichender Messorte oder erschwerter Messbedingungen vorteilhaft, die Messwerte berührungslos auslesen zu können.Pressure sensors are used to control and monitor a wide range of industries, research and everyday life. These include, for example, the pressure measurement in weather stations or industrial processes, the height or depth measurement in airplanes, weather balloons or diving, the measurement of flow rates or the detection of leaks occurring during transport or storage of gases or liquids or in-vivo or in vitro control of various biological processes. In many of these applications, it is advantageous to be able to read out the measured values without contact because of difficult-to-reach measuring locations or difficult measuring conditions.

Die berührungsfreie Bestimmung von Drücken erfolgte bisher stets in der Art und Weise, dass ein Sensorsignal, bei welchem es sich meist um eine Spannungs- oder Kapazitätsänderung handelt, in elektromagnetische Impulse umgewandelt und an die Auswerteeinheit gesandt wird, die in räumlicher Nähe (< 100 m) zum Sensor steht ( K. Prabakar, Usharani Ravi und J. Jayapandian, „Wireless Pressure Sensor Using Non-contact Differential Variable Reluctance Transducer“, Sensors& Transducers Journal, 2008, Vol. 99, Ausgabe 12, 102–108 ).The non-contact determination of pressures has always been in the way that a sensor signal, which is usually a change in voltage or capacitance, converted into electromagnetic pulses and sent to the evaluation that in spatial proximity (<100 m ) to the sensor ( K. Prabakar, Usharani Ravi and J. Jayapandian, "Wireless Pressure Sensor Using Non-contact Differential Variable Reluctance Transducers", Sensors & Transducers Journal, 2008, Vol. 99, Issue 12, 102-108 ).

Neben dieser Möglichkeit einer berührungsfreien Druckmessung, die in verschiedensten Anwendungsbereichen einsetzbar ist, sind auch optische Drucksensoren in Gebrauch. Zu nennen ist hier zum einen die druckabhängige Änderung des Fluoreszenzmaximums von Rubin, aber auch Samarium. Diese Materialien kommen allerdings vorwiegend in Diamantstempelzellen und bei Drücken im GPa-Bereich zum Einsatz ( P. Comodi, P. Francesco, „Improved calibration curve for the Sm2 + BaFCl pressure sensor.“, J. Appl. Cryst., 1993, Vol. 26, 843–845 ).In addition to this possibility of non-contact pressure measurement, which can be used in a wide variety of applications, optical pressure sensors are also in use. To mention is on the one hand the pressure-dependent change of the fluorescence maximum of ruby, in addition, samarium. However, these materials are mainly used in diamond die cells and at pressures in the GPa range ( P. Comodi, P. Francesco, "Improved calibration curve for Sm2 + BaFCl pressure sensor.", J. Appl. Cryst., 1993, Vol. 26, 843-845 ).

Zum anderen ist es möglich, den Druck optisch über die druckabhängige Löschung der Fluoreszenz von Farbstoffen zu messen. Dabei spielt vor allem die Fluoreszenzlöschung infolge des zunehmenden Partialdrucks von Sauerstoff eine Rolle. Der Einsatz dieser Messsensoren ist auf die Messung von Drücken in Luft bzw. sauerstoffhaltigen Gasgemischen beschränkt und vor allem bei Windkanaltests gebräuchlich ( M.J. Morris, J.F. Donovan, J.T. Kegelmann, S.D. Schwab, R.L. Levy, „Aerodynamic Applications of Pressure Sensitive Paint“, AIAA Journal, 1993, Vol. 31, Ausgabe 3, 419–425 ).On the other hand, it is possible to measure the pressure optically via the pressure-dependent quenching of the fluorescence of dyes. In particular, fluorescence quenching due to the increasing partial pressure of oxygen plays a role. The use of these measuring sensors is limited to the measurement of pressures in air or oxygen-containing gas mixtures and is used in particular in wind tunnel tests ( MJ Morris, JF Donovan, JT Kegelmann, SD Schwab, RL Levy, "Aerodynamic Applications of Pressure Sensitive Paint", AIAA Journal, 1993, Vol. 31, Issue 3, 419-425 ).

Neben diesen speziellen Anwendungen werden in der wissenschaftlichen Literatur und als Patentschriften nur vereinzelt weitere Lösungen berührungsfreier Druckmessung genannt. Lediglich zwei Patente konnten diesbezüglich identifiziert werden: US 2006/0274813 A9 beschreibt die optische Erfassung des Drucks mit Hilfe der Lumineszenz von Nanopartikeln und basiert somit auf dem Energietransfer von Nanopartikeln auf Nanopartikel, wobei der Sensor mit der Probe verbunden ist. Die Erfindung basiert auf der Temperatur- und Druckabhängigkeit des Energietransfers bei konstantem Abstand.In addition to these special applications, only a few other solutions of non-contact pressure measurement are mentioned in the scientific literature and patents. Only two patents could be identified in this regard: US 2006/0274813 A9 describes the optical detection of the pressure with the help of the luminescence of nanoparticles and is thus based on the energy transfer from nanoparticles to nanoparticles, whereby the sensor is connected to the sample. The invention is based on the temperature and pressure dependence of the energy transfer at a constant distance.

KR 20090090096379 A beschreibt eine aus weichen, transparenten Materialien hergestellte konkave Adsorptionsplatte, die innen mit einer druckempfindlichen Farbe beschichtet und derart an die Messstelle angebracht ist, dass die Platte konkav geformt auf der Messstelle aufliegt. Da die druckempfindliche Farbe sauerstoffsensitiv ist, ist es erforderlich, dass die konkave Adsorptionsplatte einen luftgefüllen Innenraum besitzt. Die druckabhängige Farbänderung kann aus einer gewissen Entfernung bestimmt werden. KR 20090090096379 A describes a concave adsorption plate made of soft, transparent materials, which is internally coated with a pressure-sensitive ink and attached to the measuring point such that the plate rests concave on the measuring point. Since the pressure-sensitive ink is oxygen-sensitive, it is required that the concave adsorption plate has an air-filled internal space. The pressure-dependent color change can be determined from a certain distance.

Es besteht also nach wie vor der Bedarf für eine Vorrichtung zur berührungsfreien Messung von Drücken, welche die Einschränkungen der aus dem Stand der Technik bekannten Methoden nicht aufweist und es ermöglicht, den Sensoraufbau variabel zu gestalten und situationsbezogen anpassen zu können, um eine breite Anwendbarkeit zu erreichen.Thus, there is still the need for a device for non-contact measurement of pressures, which does not have the limitations of the methods known from the prior art and makes it possible to make the sensor structure variable and adapt situation-dependent, to a broad applicability to reach.

Demnach ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die berührungsfreie Messung von Drücken ermöglicht und einen variabel gestalteten Sensoraufbau aufweist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur berührungsfreien Messung von Drücken bereitzustellen.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a device which enables the non-contact measurement of pressures and has a variably designed sensor structure. Another object of the present invention is to provide a method for the non-contact measurement of pressures.

Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die erforderliche Sensorvariabilität durch die Einbettung eines FRET-Paares aus Luminophoren in eine elastische und transparente Membran ermöglicht wird. FRET (Förster-Resonanzenergietransfer) stellt einen strahlungslosen Energietransfer von einem angeregten Donor auf einen Akzeptor dar. Die Druckmessung erfolgt optisch durch Bestimmung der Lumineszenzintensität in Abhängigkeit von der druckabhängigen Verformung der Membran.The finding of the present invention is that the required sensor variability is made possible by the embedding of a FRET pair of luminophores in an elastic and transparent membrane becomes. FRET (Förster resonance energy transfer) represents a nonradiative energy transfer from an excited donor to an acceptor. The pressure is measured optically by determining the luminescence intensity as a function of the pressure-dependent deformation of the membrane.

Demnach stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Bestimmung von Drücken, insbesondere zur berührungsfreien Bestimmung von Drücken bereit, umfassend ein FRET-Paar, wobei das besagte FRET-Paar

(i) einen Donor und einen Akzeptor umfasst und
(ii) in eine transparente, elastische Membran eingebettet ist.

Accordingly, the present invention provides a device for determining pressures, in particular for the non-contact determination of pressures, comprising a FRET pair, said FRET pair

(i) comprises a donor and an acceptor and
(ii) embedded in a transparent elastic membrane.

Desweiteren stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur berührungsfreien Messung von Drücken bereit, umfassend die folgenden Schritte:

(i) Bereitstellung der besagten Vorrichtung, umfassend ein FRET-Paar,
(ii) Messung der Intensität der durch druckabhängige Verformung der transparenten, elastischen Membran induzierten Lumineszenzänderung des FRET-Paares.

Furthermore, the present invention provides a method for the non-contact measurement of pressures, comprising the following steps:

(i) providing said device comprising a FRET pair,
(ii) Measurement of the intensity of the luminescence change of the FRET pair induced by pressure-dependent deformation of the transparent, elastic membrane.

Außerdem bezieht sich die vorliegende Erfindung auf die Verwendung der besagten Vorrichtung, umfassend ein FRET-Paar, welches in eine transparente, elastische Membran eingebettet ist, zur berührungsfreien Druckmessung in Gas-, Öl- und Benzintanks, Wetterforschungsflugzeugen, Arbeitsräumen mit Spezialatmosphäre, zur Bestimmung von Wettergrenzen, Blutdruckmessung, Muskelkontraktionsmessung, Überwachung chemischer Reaktionen sowie für Füllstandsmessungen, Leckagenmessungen in Flüssigkeits- bzw. Gasleitungen, in Schalldrucksensoren und/oder in der Urologie, Kardiologie oder Gastro-Enterologie.In addition, the present invention relates to the use of said device comprising a FRET pair embedded in a transparent elastic membrane for non-contact pressure measurement in gas, oil and gasoline tanks, weather forecast aircraft, special atmosphere workplaces for the determination of Weather limits, blood pressure measurement, muscle contraction measurement, monitoring of chemical reactions as well as for level measurements, leakage measurements in fluid or gas lines, in sound pressure sensors and / or in urology, cardiology or gastro-enterology.

Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich durch Kombination mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.Advantageous embodiments of the present invention will become apparent by combination with the features of the dependent claims.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „berührungsfreie Messung von Drücken“ insbesondere auf eine Vorrichtung, welche die Messung von Drücken ohne physischen Kontakt des Sensors zur Probe ermöglicht.In the context of the present invention, the term "non-contact measurement of pressures" refers in particular to a device which allows the measurement of pressures without physical contact of the sensor to the sample.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „FRET“ in seiner üblichen, dem Fachmann geläufigen Bedeutung verstanden und bezieht sich auf den strahlungsfreien Energieaustausch zwischen einem angeregten Donor und einem Akzeptor, wobei die Intensität unter anderem vom Abstand zwischen Donor und Akzeptor abhängt. Der angeregte Donor induziert dabei eine Oszillation im Akzeptor. In the context of the present invention, the term "FRET" is understood in its usual meaning known to those skilled in the art and refers to the radiation-free energy exchange between an excited donor and an acceptor, wherein the intensity depends inter alia on the distance between donor and acceptor. The excited donor induces an oscillation in the acceptor.

Die FRET-Effizienz E ist das Verhältnis aus der Anzahl an Energietransfers und der Anzahl der Donoranregungen. Sie spiegelt sich auch in der Energietransferrate k_ET im Verhältnis zur Summe der Raten für Strahlungsemission des Donorfarbstoffs k_f, Energietransfer k_ET und der Formen strahlungsfreien Abbaus Σk_i wieder:

The FRET efficiency E is the ratio of the number of energy transfers and the number of donor excitations. It is also reflected in the energy transfer rate k _ET in relation to the sum of the rates for radiation emission of the donor dye k _f , energy transfer k _ET and the forms of radiation-free degradation Σk _i again:

Das Emissionsspektrum des Donors muss mit dem Absorptionsspektrum des Akzeptors überlappen, damit FRET möglich ist. Die Effizienz des Energietransfers ist dabei sowohl vom Überlappungsintegral als auch von der sechsten Potenz der Entfernung von Donor und Akzeptor zueinander abhängig und reagiert daher extrem sensitiv auf Abstandsänderungen. Die Transferrate k_ET ist dabei von der Strahlungsemissionsrate des Donors k_D oder dessen Verweildauer im angeregten Zustand τ_D und in besonderer Weise vom Abstand r zwischen Donor und Akzeptor abhängig. Die Transferrate wird zudem vom Förster-Radius R₀ des FRET-Paars bestimmt. R₀ entspricht dem Abstand zwischen Donor und Akzeptor, bei dem die Energieübertragung zu 50% erfolgt:

The emission spectrum of the donor must overlap with the absorption spectrum of the acceptor for FRET to be possible. The efficiency of the energy transfer depends on both the overlap integral and on the sixth power of the donor and acceptor removal, and therefore reacts extremely sensitively to changes in the distance. The transfer rate k _ET is dependent on the radiation emission rate of the donor k _D or its residence time in the excited state τ _D and in a special way on the distance r between donor and acceptor. The transfer rate is also determined by the Förster radius R _{0 of} the FRET pair. R ₀ corresponds to the distance between donor and acceptor, at which the energy transfer occurs to 50%:

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Donor“ in seiner üblichen, dem Fachmann geläufigen Bedeutung verstanden und bezieht sich auf einen Stoff, welcher in der Lage ist, Energie abzugeben. In the context of the present invention, the term "donor" is understood in its usual meaning familiar to the person skilled in the art and refers to a substance which is capable of giving off energy.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Akzeptor“ in seiner üblichen, dem Fachmann geläufigen Bedeutung verstanden und bezieht sich auf einen Stoff, welcher in der Lage ist, Energie aufzunehmen.In the context of the present invention, the term "acceptor" is understood in its usual meaning familiar to the person skilled in the art and refers to a substance which is capable of absorbing energy.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „FRET-Paar“ in seiner üblichen, dem Fachmann geläufigen Bedeutung verstanden und bezieht sich auf einen Donor und einen Akzeptor, zwischen denen FRET möglich ist.In the context of the present invention, the term "FRET pair" is understood in its usual meaning familiar to the person skilled in the art and refers to a donor and an acceptor between which FRET is possible.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Luminophor“ in seiner üblichen, dem Fachmann geläufigen Bedeutung verstanden und bezieht sich auf einen Stoff, welcher Lumineszenz zeigt. In the context of the present invention, the term "luminophore" is understood in its usual meaning familiar to the person skilled in the art and refers to a substance which exhibits luminescence.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Lumineszenz“ in seiner üblichen, dem Fachmann geläufigen Bedeutung verstanden und bezieht sich auf die optische Strahlung eines physikalischen Systems, welche beim Übergang von einem angeregten Zustand in den Grundzustand entsteht.In the context of the present invention, the term "luminescence" is understood in its usual meaning familiar to the person skilled in the art and refers to the optical radiation of a physical system which arises during the transition from an excited state into the ground state.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „transparente, elastische Membran“ auf eine Membran, deren optische Durchlässigkeit im Wellenlängenbereich der Absorption und Emission eines in die besagte Membran eingebetteten FRET-Paares liegt und deren mechanische Eigenschaften eine Verformung der besagten Membran durch Druckänderungen im Bereich von weniger als 100 Pa zulassen. Bevorzugt verformt sich die besagte Membran bereits bei Druckänderungen ab 80 Pa, mehr bevorzugt bei Druckänderungen ab 50 Pa.In the context of the present invention, the term "transparent, elastic membrane" refers to a membrane whose optical transmission lies in the wavelength range of absorption and emission of a FRET pair embedded in said membrane and whose mechanical properties are a deformation of said membrane by pressure changes in the membrane Allow range of less than 100 Pa. Preferably, said membrane already deforms at pressure changes from 80 Pa, more preferably at pressure changes from 50 Pa.

In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Donor ein Luminophor, welches vorzugsweise mindestens einen Lanthanoidkomplex umfasst. In an exemplary embodiment of the present invention, the donor is a luminophore, which preferably comprises at least one lanthanide complex.

In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei mindestens einem Lanthanoidkomplex um einen Komplex von Tb, Eu oder Gemische aus diesen.In an exemplary embodiment of the present invention, at least one lanthanide complex is a complex of Tb, Eu or mixtures thereof.

Als geeignete Lanthanoidkomplexe haben sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere die Lanthanoidkomplexe als geeignet herausgestellt, welche aus der Gruppe der Tb- und Eu-Komplexe ausgewählt sind, bespielsweise Lumi4Tb, Lanthascreen-Tb, Europium-Kryptate sowie Gemischen aus diesen. Formel (I) zeigt den N-Hydrosuccinimid-Ester des Lumi4Tb-Komplexes.

In the context of the present invention, the lanthanide complexes which have been selected as suitable lanthanoid complexes and which are selected from the group of Tb and Eu complexes, for example Lumi4Tb, lanthascreen Tb, europium cryptates and mixtures thereof, have proven suitable. Formula (I) shows the N-hydrosuccinimide ester of the Lumi4Tb complex.

Als Akzeptor können alle Luminophore eingesetzt werden, deren Absorptionsspektrum mit dem Emissionsspektrum des als Donor verwendeten Luminophors überlappt.As acceptor, all luminophores can be used whose absorption spectrum overlaps with the emission spectrum of the luminophore used as donor.

In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Akzeptor ein Luminophor, welches vorzugsweise mindestens einen Quantenpunkt und/oder ein organisches Fluorophor umfasst. In an exemplary embodiment of the present invention, the acceptor is a luminophore, which preferably comprises at least one quantum dot and / or one organic fluorophore.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „Quantenpunkt“ in seiner üblichen, dem Fachmann geläufigen Bedeutung verstanden und bezieht sich auf einen Kern aus kolloidalen Halbleiter-Partikeln, auf welchen mindestens eine Schale epitaktisch aufgeschichtet wird.In the context of the present invention, the term "quantum dot" is understood in its usual meaning familiar to the person skilled in the art and refers to a core of colloidal semiconductor particles on which at least one shell is epitaxially coated.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „Kern“ auf Partikel, welche Halbleiter-Materialien umfassen. In the context of the present invention, the term "core" refers to particles comprising semiconductor materials.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „Schalen“ auf Schichten umfassend Halbleiter-Materialien oder passivierende Materialien, welche den Kern umgeben.In the context of the present invention, the term "shells" refers to layers comprising semiconductor materials or passivating materials surrounding the core.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff „epitaktisch“ auf das Aufbringen der einzelnen Schalen auf das Substrat, wobei die erste Schale auf den Kern aufgewachsen und die weiteren Schalen auf die jeweils äußerste Schale aufgewachsen werden.In the context of the present invention, the term "epitaxial" refers to the application of the individual shells to the substrate, wherein the first shell is grown on the core and the other shells are grown on the respective outermost shell.

In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mindestens ein Quantenpunkt, welcher als Akzeptor einsetzbar ist, ein halbleitendes Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus InAs, InP, GaAs, GaP, GaN, InGaAs, GaInP/InP, CdO, CdSe, CdS, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, PbS, PbSe, PbTe, HgS, HgSe, HgTe sowie Gemische aus diesen.In an exemplary embodiment of the present invention, at least one quantum dot employable as an acceptor is a semiconductive material selected from the group consisting of InAs, InP, GaAs, GaP, GaN, InGaAs, GaInP / InP, CdO, CdSe, CdS, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, PbS, PbSe, PbTe, HgS, HgSe, HgTe and mixtures thereof.

Bevorzugt handelt es sich bei mindestens einem Quantenpunkt um einen Kern-Schale-Quantenpunkt aus einem CdSe-Kern und einer ZnS-Schale.Preferably, at least one quantum dot is a core-shell quantum dot of a CdSe core and a ZnS shell.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der Begriff „organisches Fluorophor“ in seiner üblichen, dem Fachmann geläufigen Bedeutung verstanden und bezieht sich auf organische Stoffe, welche nach dem Übergang in den angeregten Zustand spontan Licht emittieren. Dabei ist das emittierte Licht energieärmer als das vorher absorbierte.In the context of the present invention, the term "organic fluorophore" is understood in its usual meaning known to the person skilled in the art and refers to organic substances which spontaneously emit light after the transition to the excited state. The emitted light is less energy than the previously absorbed.

In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei mindestens einem organischen Fluorophor um einen Fluoreszenzfarbstoff, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Xanthenen, Rhodaminen, Alexa-Farbstoffen, Cyaninen, Cumarinen, Oxazinen, Perylenen, Naphthylimiden, Naphthyldiimiden, Stilbenen, Styrylen, Pyrromethenen sowie Gemischen aus diesen.In an exemplary embodiment of the present invention, at least one organic fluorophore is a fluorescent dye selected from the group consisting of xanthenes, rhodamines, Alexa dyes, cyanines, coumarins, oxazines, perylenes, naphthylimides, naphthyldiimides, stilbenes, styryls, pyrromethenes as well as mixtures of these.

Bevorzugt werden Rhodamine, Alexa-Farbstoffe, Cyanine sowie Gemische aus diesen als organische Fluorophore eingesetzt.Rhodamines, Alexa dyes, cyanines and mixtures of these are preferably used as organic fluorophores.

In einer beispielhaften Ausführungsform handelt es sich beim Akzeptor um einen Quantenpunkt.In an exemplary embodiment, the acceptor is a quantum dot.

In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die transparente, elastische Membran ein polymerbasiertes Material. Bevorzugt handelt es sich bei dem besagten polymerbasierten Material um SEBS (Styren-Ethylen/Buthylen-Styren).In an exemplary embodiment of the present invention, the transparent elastic membrane comprises a polymer-based material. Preferably, said polymer-based material is SEBS (styrene-ethylene / butylene-styrene).

Bevorzugt umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung von Drücken, insbesondere zur berührungsfreien Bestimmung von Drücken ein FRET-Paar, umfassend einen Komplex von Tb, Eu oder Gemische aus diesen als Donor und einen CdSe/ZnS-Quantenpunkt als Aktzeptor, wobei das besagte FRET-Paar in eine transparente, elastische Membran, umfassend SEBS, eingebettet ist.Preferably, the device according to the invention for the determination of pressures, in particular for the non-contact determination of pressures, comprises a FRET pair comprising a complex of Tb, Eu or mixtures thereof as donor and a CdSe / ZnS quantum dot as an acceptor, said FRET pair embedded in a transparent elastic membrane comprising SEBS.

In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Konzentration von Donor und Akzeptor innerhalb der transparenten, elastischen Membran so gewählt, dass sich Donor und Akzeptor bei Atmosphärendruck in einem Abstand von 1–20 nm zueinander befinden, bevorzugt befinden sich Donor und Akzeptor in einem Abstand von 1–15 nm zueinander, mehr bevorzugt in einem Abstand von 1–10 nm.In an exemplary embodiment of the present invention, the concentration of donor and acceptor within the transparent elastic membrane is selected so that the donor and acceptor are at a distance of 1-20 nm from each other at atmospheric pressure, preferably the donor and acceptor are at a distance from 1-15 nm to each other, more preferably at a distance of 1-10 nm.

Bevorzugt liegt der Anteil an FRET-Paaren innerhalb der transparenten, elastischen Membran in einem Bereich von 0.001–0.015 Gew.-%, mehr bevorzugt in einem Bereich von 0.001–0.012 Gew.-%, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0.001–0.01 Gew.-%, bezogen auf die gesamte transparente, elastische Membran.Preferably, the proportion of FRET pairs within the transparent elastic membrane is in a range of 0.001-0.015% by weight, more preferably in a range of 0.001-0.012% by weight, particularly preferably in a range of 0.001-0.01% by weight .-%, based on the entire transparent elastic membrane.

In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die besagte Vorrichtung mindestens zwei transparente, elastische Membranschichten, welche polymerbasierte Materialien und/oder Metallfolien umfassen. In an exemplary embodiment of the present invention, said device comprises at least two transparent elastic membrane layers comprising polymer-based materials and / or metal foils.

Das Verfahren zur berührungsfreien Bestimmung von Drücken gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst in einem Schritt (i) die Bereitstellung einer Vorrichtung, umfassend ein FRET-Paar, wobei das besagte FRET-Paar einen Donor und einen Akzeptor umfasst und in eine transparente, elastische Membran eingebettet ist.The method for non-contact determination of pressures according to the present invention comprises in step (i) the provision of a device comprising a FRET pair, said FRET pair comprising a donor and an acceptor embedded in a transparent elastic membrane ,

Bevorzugt umfasst die transparente, elastische Membran ein polymerbasiertes Material.Preferably, the transparent elastic membrane comprises a polymer-based material.

Zur Herstellung der besagten Vorrichtung, umfassend ein FRET-Paar, werden beispielsweise ein polymerbasiertes Material, Donor und Akzeptor in (einem) geeigneten Lösungsmittel(n) gelöst und mittels Air-Brush oder Gießtechniken auf einen Träger aufgebracht. Die (das) Lösungsmittel werden (wird) anschließend ausgetrieben. To produce the said device comprising a FRET pair, for example, a polymer-based material, donor and acceptor are dissolved in suitable solvent (s) and applied to a support by air-brushing or casting techniques. The solvent (s) are subsequently expelled.

Für die besagte Vorrichtung, umfassend ein FRET-Paar, ist auch ein mehrlagiger Aufbau denkbar. Hierzu wird beispielsweise ein polymerbasiertes Material in (einem) geeigneten Lösungsmittel(n) gelöst und mittels Air-Brush oder Gießtechniken auf einen Träger aufgebracht. Die (das) Lösungsmittel werden (wird) anschließend ausgetrieben. Auf die erhaltene Schicht aus polymerbasiertem Material wird eine Lösung aufgebracht, umfassend besagte(s) Lösungsmittel, besagtes polymerbasiertes Material sowie Donor und Akzeptor. Nach erneutem Austreiben der (des) Lösungsmittel(s) wird auf die gleiche Weise eine weitere Schicht, umfassend besagtes polymerbasiertes Material, aufgetragen, so dass ein dreilagiger Drucksensor entsteht.For the said device, comprising a FRET pair, a multilayer structure is also conceivable. For this purpose, for example, a polymer-based material in (a) suitable solvent (s) is dissolved and applied by means of air brush or casting techniques on a support. The solvent (s) are subsequently expelled. Onto the resulting layer of polymer-based material is applied a solution comprising said solvent (s), said polymer-based material, and donor and acceptor. After renewed expulsion of the solvent (s), a further layer comprising said polymer-based material is applied in the same manner to form a three-layered pressure sensor.

Geeignet ist jedes Lösungsmittel, in welchem sowohl das polymerbasierte Material als auch Donor und Akzeptor löslich sind. Bevorzugt wird Toluol als Lösungsmittel verwendet.Any solvent in which both the polymer-based material and donor and acceptor are soluble is suitable. Preferably, toluene is used as the solvent.

Bevorzugt wird die Dicke der transparenten, elastischen Membran so gewählt, dass die optische Durchlässigkeit im Wellenlängenbereich der Absorption und Emission eines in die besagte Membran eingebetteten FRET-Paares liegt. Bevorzugt liegt die Dicke der transparenten, elastischen Membran in einem Bereich von 0,0001–10 cm, mehr bevorzugt in einem Bereich von 0,0001–5 cm, besonders bevorzugt in einem Bereich von von 0,0001–2 cm.Preferably, the thickness of the transparent elastic membrane is selected so that the optical transmission is in the wavelength range of absorption and emission of a FRET pair embedded in said membrane. Preferably, the thickness of the transparent elastic membrane is in a range of 0.0001-10 cm, more preferably in a range of 0.0001-5 cm, particularly preferably in a range of 0.0001-2 cm.

Bevorzugt liegt die optische Durchlässigkeit der transparenten, elastischen Membran in einem Wellenlängenbereich von 300–1200 nm, mehr bevorzugt 250–1100 nm, besonders bevorzugt 200–1000 nm.The optical transmissivity of the transparent, elastic membrane is preferably in the wavelength range of 300-1200 nm, more preferably 250-1100 nm, particularly preferably 200-1000 nm.

Das Verfahren zur berührungsfreien Bestimmung von Drücken gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst in einem Schritt (ii) die Messung der Intensität der durch druckabhängige Verformung der transparenten, elastischen Membran induzierten Lumineszenzänderung des FRET-Paares.The method for the non-contact determination of pressures according to the present invention comprises, in a step (ii), the measurement of the intensity of the luminescence change of the FRET pair induced by pressure-dependent deformation of the transparent elastic membrane.

Wird die transparente, elastische Membran aus Schritt (i) einem Druck ausgesetzt, kommt es zu einer Verformung der Membran. Die Verformung ist umso stärker, je größer der Druck ist. Infolge der druckabhängigen Verformung vergrößert sich der mittlere Abstand der in die transparente, elastische Membran eingebetteten FRET-Paare zueinander, wodurch die Effizienz des Energietransfers sinkt. Mit sinkender Effizienz erhöhen sich die Lumineszenzintensität und die Lumineszenzabklingzeit des Donors, während sich die FRET-induzierte Signalintensität und die Signalabklingzeit der Akzeptorlumineszenz verringern, da weniger Energie transferiert wird. 1a bis 2b zeigen die druckabhängige Lumineszenzintensität von Donor und Akzeptor.When the transparent elastic membrane of step (i) is subjected to pressure, the membrane is deformed. The deformation is stronger, the greater the pressure. As a result of the pressure-dependent deformation, the mean distance between the FRET pairs embedded in the transparent, elastic membrane increases, which reduces the efficiency of the energy transfer. With decreasing efficiency, the luminescence intensity and the luminescence decay time of the donor increase, while the FRET-induced signal intensity and signal decay time of acceptor luminescence decrease as less energy is transferred. 1a to 2 B show the pressure-dependent luminescence intensity of donor and acceptor.

In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Ablauf der Druckmessung mit dem beschriebenen Verfahren für alle Messungen folgender:
Der Drucksensor wird an der Stelle, an der der Druck bestimmt werden soll, angebracht. Aufbau und Größe sind frei wählbar und werden für die jeweilige Anwendung angepasst. Anschließend kann die Messung der Lumineszenz der FRET-Partner erfolgen. Dazu wird der Donor im spektralen Bereich seiner Absorption mit einer gepulsten Anregungslichtquelle bestrahlt, sofern die Messung zeitaufgelöst und/oder stationär erfolgen soll. Als geeignete Anregungslichtquelle für die besagte zeitaufgelöste und/oder stationäre Messung werden bevorzugt Laser, Blitzlichtlampen, LED- und/oder LD-Lampen verwendet. Falls die Messung nur stationär erfolgt, sind auch kontinuierliche Anregungslichtquellen einsetzbar. In diesem Fall werden bevorzugt Xe- und/oder LED-Lampen verwendet.In an exemplary embodiment of the present invention, the flow of the pressure measurement using the method described is the following for all measurements:
The pressure sensor is attached at the point where the pressure is to be determined. Construction and size are freely selectable and adapted for the respective application. Subsequently, the measurement of the luminescence of the FRET partners can take place. For this purpose, the donor is irradiated in the spectral region of its absorption with a pulsed excitation light source, if the measurement is to be time-resolved and / or stationary. As a suitable excitation light source for the said time-resolved and / or stationary measurement laser, flash lamps, LED and / or LD lamps are preferably used. If the measurement is only stationary, continuous excitation light sources can also be used. In this case, Xe and / or LED lamps are preferably used.

Die Messung der Lumineszenzintensitäten erfolgt im Bereich eines oder aller Emissionsmaxima der FRET-Paare. Da die Lumineszenz von Donor und Akzeptor von deren Abstand zueinander und damit vom Druck auf die transparente, elastische Membran abhängig ist, kann die Intensität bzw. die Abklingzeit derselben mit einer Kalibrierfunktion verglichen und so der herrschende Druck bestimmt werden. Die Kalibrierfunktion wird durch die vorherige Aufnahme der Lumineszensintensitäten bzw. Lumineszenzabklingkurven der verwendeten FRET-Paare im jeweils angepassten Drucksensor in Abhängigkeit vom Druck für das jeweils zur Messung benutzte Messgerät erstellt. The measurement of the luminescence intensities takes place in the region of one or all emission maxima of the FRET pairs. Since the luminescence of donor and acceptor depends on their distance from each other and thus on the pressure on the transparent, elastic membrane, the intensity or the decay time of the same can be compared with a calibration function and thus the prevailing pressure can be determined. The calibration function is created by the previous recording of the luminescence intensities or luminescence decay curves of the FRET pairs used in the respectively adapted pressure sensor as a function of the pressure for the respective measuring device used for the measurement.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungsfreien Messung von Drücken kann durch Anpassungen im Aufbau für einen breiten Anwendungsbereich eingesetzt werden. Vorteilhaft ist der Einsatz insbesondere bei Druckmessungen, die berührungsfrei erfolgen müssen sowie solchen, in denen der Einsatz elektrisch basierter Drucksensoren aufgrund von Explosionsgefahr oder ähnlichen Gefahren mit einem zu hohen Risiko verbunden wäre.The inventive device for non-contact measurement of pressures can be used by adjustments in the structure for a wide range of applications. The use is particularly advantageous in pressure measurements that must be made without contact and those in which the use of electrically based pressure sensors would be associated with too high a risk due to risk of explosion or similar hazards.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungsfreien Messung von Drücken kann aufgrund ihrer vorteilhaften Eigenschaften insbesondere zur berührungsfreien Druckmessung in Gas-, Öl- und Benzintanks, Wetterforschungsflugzeugen, Arbeitsräumen mit Spezialatmosphäre, zur Bestimmung von Wettergrenzen, Blutdruckmessung, Muskelkontraktionsmessung, Überwachung chemischer Reaktionen sowie für Füllstandsmessungen, Leckagenmessungen in Flüssigkeits- bzw. Gasleitungen, in Schalldrucksensoren und/oder in der Urologie, Kardiologie oder Gastro-Enterologie eingesetzt werden.The inventive device for non-contact measurement of pressures can, due to their advantageous properties in particular for non-contact pressure measurement in gas, oil and gasoline tanks, weather research aircraft, working rooms with special atmosphere, for determining weather limits, blood pressure measurement, muscle contraction measurement, monitoring of chemical reactions and for level measurements, leakage measurements in Liquid or gas lines, used in sound pressure sensors and / or in urology, cardiology or gastro-enterology.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

1a zeigt die Druckabhängigkeit der gemessenen Lumineszenzintensität eines Terbiumkomplex-Donors in einer SEBS-Membran. 1a Figure 12 shows the pressure dependence of the measured luminescence intensity of a terbium complex donor in a SEBS membrane.

1b zeigt die Druckabhängigkeit der gemessenen FRET-induzierten Lumineszenzintensität von CdSe/ZnS-Quantenpunkten in einer SEBS-Membran. 1b shows the pressure dependence of the measured FRET-induced luminescence intensity of CdSe / ZnS quantum dots in a SEBS membrane.

2a zeigt die Druckabhängigkeit der gemessenen Lumineszensabklingzeit eines Terbiumkomplex-Donors in einer SEBS-Membran. 2a Figure 12 shows the pressure dependence of the measured luminescence decay time of a terbium complex donor in a SEBS membrane.

2b zeigt die Druckabhängigkeit der gemessenen FRET-induzierten Lumineszenzabklingzeit von CdSe/ZnS-Quantenpunkten. 2 B Figure 12 shows the pressure dependence of the measured FRET-induced luminescence decay time of CdSe / ZnS quantum dots.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2006/0274813 A9 [0006]
KR 20090090096379 A [0007]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

K. Prabakar, Usharani Ravi and J. Jayapandian, "Wireless Pressure Sensor Using Non-contact Differential Variable Reluctance Transducers", Sensors & Transducers Journal, 2008, Vol. 99, Issue 12, 102-108 [0003]
P. Comodi, P. Francesco, "Improved calibration curve for Sm2 + BaFCl pressure sensor.", J. Appl. Cryst., 1993, Vol. 26, 843-845 [0004]
MJ Morris, JF Donovan, JT Kegelmann, SD Schwab, RL Levy, "Aerodynamic Applications of Pressure Sensitive Paint", AIAA Journal, 1993, Vol. 31, Issue 3, 419-425 [0005]

Claims

A device for non-contact determination of pressures comprising a FRET pair, said FRET pair (i) comprises a donor and an acceptor and (ii) embedded in a transparent elastic membrane.

The device of claim 1, wherein the donor is a luminophore, which preferably comprises at least one lanthanide complex.

The device of claim 2, wherein at least one lanthanide complex is a complex of Tb, Eu or mixtures thereof.

A device according to any one of the preceding claims, wherein the acceptor is a luminophore which is at least (i) a quantum dot and / or (ii) an organic fluorophore includes.

Apparatus according to claim 4, wherein (i) at least one quantum dot around a semiconductive material selected from the group consisting of InAs, InP, GaAs, GaP, GaN, InGaAs, GaInP / InP, CdO, CdSe, CdS, CdTe, ZnO, ZnS, ZnSe, ZnTe, PbS , PbSe, PbTe, HgS, HgSe, HgTe and mixtures of these and (ii) at least one organic fluorophore around a fluorescent dye selected from the group consisting of xanthenes, rhodamines, Alexa dyes, cyanines, coumarins, oxazines, perylenes, naphthylimides, naphthyldiimides, stilbenes, styryls, pyrromethenes and mixtures thereof is.

Device according to one of the preceding claims, wherein the acceptor is a quantum dot.

A device according to any one of the preceding claims, wherein the transparent elastic membrane comprises a polymer-based material.

The device of any one of the preceding claims, wherein the concentration of donor and acceptor within the transparent elastic membrane is selected such that the donor and acceptor are at a distance of 1-20 nm from one another.

Device according to one of the preceding claims, wherein said device comprises at least two transparent elastic membrane layers and said membrane layers comprise polymer-based materials and / or metal foils.

Method for the non-contact determination of pressures, comprising the following steps: (i) providing a device according to one of the preceding claims 1-9, (ii) Measurement of the intensity of the luminescence change of the FRET pair induced by pressure-dependent deformation of the transparent, elastic membrane.

Method according to claim 10, wherein the measurement of the intensity of the pressure change induced luminescence of the FRET pair according to step (ii) (a) time-resolved and / or stationary with the aid of a pulsed excitation light source and or (b) stationary by means of a continuous light source he follows.

Use of the device according to one of the preceding claims 1-9 for non-contact pressure measurement in gas, oil and gas tanks, weather research aircraft, working spaces with special atmosphere, for determining weather limits, blood pressure measurement, muscle contraction measurement, monitoring chemical reactions as well as for level measurements, leak measurements in liquid or gas lines, in sound pressure sensors and / or in urology, cardiology or gastro-enterology.