DE19545414C2 - Optisches Sensorelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Sensorelement zum Nachweis von organischen Verbindungen, insbesondere Kohlenwasserstoffen, welches z. B. im Umwelt- und Gesundheitsschutz eingesetzt werden kann.

Kohlenwasserstoffe können die Umwelt belasten und die Gesundheit des Menschen gefährden. Die Messung von Kohlenwasserstoffen ist deshalb eine wichtige Aufgabe.

Übliche Verfahren zur Detektion von Kohlenwasserstoffen sind die Chromatographie, IR-Absorptionsverfahren, optoakustische Meßver­ fahren, Wärmeleitfähigkeitsmessungen, Wärmetönungsmessungen bei katalytischer Zersetzung der Kohlenwasserstoffe oder elektrolytische Leitfähigkeitsmessungen.

Die drei erstgenannten Meßverfahren sind apparativ aufwendig und sind praktisch nur in Laboratorien ausführbar. Die übrigen Verfahren sind geeignet für die Ausgestaltung von Meßsonden, die an verschiedenen Orten der Umwelt oder industrieller Prozeßabläufe einsetzbar sind. Unter korrosiven Umgebungsbedingungen ist ihre Lebensdauer gering. Weil ihre Funktionsweise auf elektrischen Prinzipien beruht, sind sie in explosiven Umgebungen nur mit Explosionsschutzvorkehrungen einsetz­ bar und die Meß- bzw. Verstärkungselektronik muß in unmittelbarer Nähe der Meßsonden angeordnet sein. Dagegen erfordern faseroptische Sensoren im allgemeinen keine zusätzlichen Explosionsschutzvor­ kehrungen und es können auf Grund der extrem dämpfungsarmen und störsicheren Meßsignalübertragung über Lichtwellenleiter größere Entfernungen bis in den Kilometerbereich zwischen Meßort und elektro­ nischer Signalauswertung realisiert werden ("remote sensing"). Damit eröffnen sich gegenüber elektronischen Sensoren Einsatzmöglichkeiten auch unter widrigen Umgebungsbedingungen bzw. an schwer zugäng­ lichen Meßstellen. Bisher sind einige Vorschläge von faseroptischen Sensoren zur Detektion von Kohlenwasserstoffen bekannt geworden.

So wurde zum Beispiel vorgeschlagen, Lichtleitfasern aus porösem Glas herzustellen, anschließend eine chemische Reagenzie, die sensibel auf die zu detektierenden Substanzen reagiert, fest an die Glasoberfläche zu binden [M. Tabacco, et al: "Chemical Sensors for Environmental Monitoring"; SPIE Vol 1587 Chemical, Biochemical and Environmental Fiber Sensors III (1991) 271]. Für den praktischen Einsatz als Sensor ist eine derartig präparierte poröse Faser allerdings wenig geeignet, weil sie sehr zerbrechlich ist. Außerdem sind die bei diesem Sensorprinzip ver­ wendeten Intensitätsmessungen an Lichtleitfasern ein wenig geeignetes Mittel, um eine stabile und quantitativ zuverlässige Bestimmung der nachzuweisenden Stoffkonzentration zu gewährleisten, da jegliche Ände­ rungen der Lichtintensität der Lichtquelle oder der Faserzuleitungen zum Sensor das Meßsignal verfälschen. Weiterhin ist in SPIE Vol. 1587 (1991), S. 271-277 ist beschichtete poröse Lichtleitfaser, bei der eine vollständige Ausfüllung von in der Lichtleitfaser erzeugten Poren bzw. die allseitige Umhüllung der Lichtleitfaser mit Materialien, die bspw. einen Farbumschlag liefern, vorgenommen wird, beschrieben. In Sensors and Actuators B, 11 (1993), S. 375-381 werden Organosilanverbindungen zur Faserbeschichtung in vorstehend genanntem Sinn eingesetzt.

In anderen Beispielen wird eine Lichtleitfaser benutzt, die einen Kern aus Quarzglas und einen optischen Mantel aus Silikon aufweist [J. P. Conzen, et al: Characterization of a Fiber-Optic Evanescent Wave Absorbance Sensor for Nonpolar Organic Compounds"; Applied Spektroscopy Vol. 47, 6 (1993) 753 oder C. Ronot, et al: "Detection of chemical vapours with a specifically coated optical fibre sensors; Sensors and Actuators B, 11 (1993) 375-381]. Der Silikonmantel schützt den Faserkern vor Wasser und anderen polaren Substanzen. Hingegen können aber organische Verbindungen, wie zum Beispiel Kohlenwasserstoffverbindungen, in den Silikonmantel eindiffundieren. Brechzahländerungen, Quellung und opti­ sche Absorptionsänderungen können die Folge sein. Diese Änderungen beeinflussen die Transmission der Lichtleitfaser, weil ein bestimmter Teil des im Lichtwellenleiter geführten Lichtes als sogenannte evaneszente Welle auch in den optischen Mantel eindringt und dort von den Ände­ rungen beeinflußt wird. Sensoren, die auf diesen Effekten beruhen, benötigen meist mehrere Meter lange Lichtleitfasern, um ausreichende Sensorempfindlichkeit zu gewährleisten und daher auch einigen Platz, weil der evaneszente Lichtanteil nur einen kleinen Teil des gesamten geleiteten Lichtes ausmacht. Außerdem gilt auch hier, daß das Prinzip der Transmissionsmessung an Lichtleitfasersensoren sehr nachteilig in bezug auf Stabilität und Reproduzierbarkeit der Sensoren ist. Derartige Nach­ teile können die grundlegenden Vorteile von Lichtleitfasersensoren wie Explosionssicherheit, Immunität gegenüber elektromagnetischen Stör­ feldern, optimale elektrische Potentialtrennung oder Überbrückbarkeit großer Entfernungen zwischen Meßstelle und dem Ort der elektronischen Signalauswertung beeinträchtigen und eine praktische Anwendung ver­ hindern.

Weiterhin ist bekannt, daß eine sichere unverfälschte Übertragung opti­ scher Sensorsignale auch über größere Entfernungen über Lichtleitfasern möglich ist, wenn die Meßinformation als spektralkodiertes optisches Signal übertragen wird, wobei Änderungen der Meßinformation als spektrale Verschiebungen von Maxima oder Minima der Lichtintensität meßbar gemacht werden. Ein Beispiel eines solchen Prinzips ist ein faseroptischer Feuchtesensor [EP 0536 656 A1] und ein zugehöriges Ver­ fahren zur Signalauswertung [EP 0538 664 A2]. Das eigentliche feuchteempfindliche Element genannten faseroptischen Feuchtesensors ist ein optisches Schmalbandfilter, bestehend aus einem Stapel überein­ ander liegender optischer Schichten aus anorganischen dielektrischen Substanzen mit abwechselnd hoher und niedriger optischer Brechzahl. Die optischen Schichtdicken entsprechen immer Vielfachen eines Viertels bzw. Halben einer festzusetzenden mittleren Arbeitswellenlänge des Meßlichtes. Es ist seit längerem bekannt, daß solche Schichten, wenn sie im Vakuum durch Aufdampfen hergestellt werden, porös sind und bei Vorhandensein von Wasserdampf in der Umgebung Wasser aufnehmen können [H. Koch: Optische Untersuchungen zur Wasserdampfsorption in Aufdampfschichten" phys. stat. sol. 12 (1965) 533-543]. Durch die Auf­ nahme von Wasser ändern sich die optischen Brechzahlen der einzelnen Schichten und das Filterspektrum des Schichtstapels verschiebt sich zu längeren Wellenlängen. Eine vergleichbare Lösung ist u. a. WO 83/02327 zu entnehmen.

Die spektralen Verschiebungen der Filterspektren sind selbst über große Lichtleitfaserstrecken hinweg sehr genau meßbar und faseroptische Feuchtesensoren, die mit solchen Schichtpaketen ausgestattet sind, können sehr zuverlässig ausgewertet werden.

Allerdings sind solche Schichten beim bisherigen Stand der Technik nur sensorisch wirksam gegenüber Wasserdampf, wobei kleinere uner­ wünschte Querempfindlichkeiten gegenüber anderen Dämpfen, wie z. B. Alkoholdampf oder Ammoniak, auftreten können.

Ferner ist aus Spektrum der Wissenschaft, Jan. 1994, S. 92-97 die allgemeine Mitteilung bekannt, daß sich in Polydimethylsiloxanen organische Stoffe einlagern können.

Ohne einen Bezug zu faseroptischen Bauelementen sind aus Spektrum der Wissenschaft, Jan. 1994, S. 97-105 Polymer-Sensoren zur Messung von Dämpfen organischer Substanzen bekannt, bei denen die polymere Schicht Käfigstrukturem aufweist.

Obwohl abseits vorliegender Erfindung soll DE 42 00 088 A1 erwähnt werden. Dort ist auf einem Träger, der in weiterer Ausbildung ein handelsübliches Interferenzfilter sein kann, eine durchgängig aus einem Polysiloxanfilm gebildete Schicht aufgebracht. Lediglich an dieser Schicht lagern sich die zu detektierenden Substanzen lediglich an und führen so zu einer Änderung der geometrischen Schichtdicke der Trägerschicht (ggf durch Quellung) im Nanometer-Bereich, was zu einer Änderung der Interferenzerscheinungen führt. Dabei liegt nach DE 42 00 088 A1 ein breites Spektrum, bestehend aus mehreren schwach kontrastierenden Interferenzmaxima und -minima, dem Meßverfahren zugrunde, wobei deutlich wird, daß der Detektions- und Meßaufwand erheblich ist und die mit vorliegender Erfindung angestrebte Meßempfindlichkeit nicht erreichbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Sensorelement zum Nachweis von organischen Verbindungen, insbesondere Kohlen­ wasserstoffen, anzugeben, das deren selektive Detektion unter Anwen­ dung Spektralverschiebungen erzeugender Baugruppen ermöglicht. Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst. Das Wesen der Erfindung besteht in der Schaffung wenigstens einer optischen Schicht, die Bestandteil eines Spektralbandfilters aus mehreren λ/4 bzw. λ/2-Schichten ist und der definierte Eigenschaften in bezug auf die Affinität zu ein oder mehreren nachzuweisenden Substanzen gegeben sind, die sich dahingehend aus­ wirken, das die optische Dicke genannter Schicht bzw. eines Pakets solcher Schichten eine Variation erfährt.

Die Erfindung soll nachstehend anhand dreier Ausführungsbeispiele und schematischer Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1a und Fig. 1b stellen mögliche Oberflächenbelegungen und ihre Ausbildung auf porösen Schichten gemäß der Erfindung dar,

Fig. 2 eine Verwendungsmöglichkeit eines erfindungsgemäßen Schichtpaktes als Sensorkopf eines faseroptischen Detektors, der im Reflexionsbetrieb arbeitet,

Fig. 2a eine detailliertere schematische Darstellung des Schicht­ paketes gemäß Fig. 2 und

Fig. 3 eine Verwendungsmöglichkeit eines ausgedehnten erfin­ dungsgemäßen Schichtpaketes, welches in Transmission von bspw. von einer CCD-Kamera ausgelesen wird.

Ausgangspunkt aller weiteren Betrachtungen ist ein Spektralbandfilter mit mehreren optischen Dünnschichten einer Dicke von λ/4 bzw. λ/2 oder einem Vielfachen davon, die abwechselnd hoch- (n_h) und nieder­ brechend (n_n) in bezug auf die zum Einsatz gelangende mittlere Arbeits­ wellenlänge des Meßlichtes angeordnet sind. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung unwesentlich, ob der Spektralbandfilter als Transmissions- oder Reflexionsfilter, Kantenfilter, Schmalbandfilter usw. ausgebildet ist. Wesentlich ist, daß er wenigstens eine Schicht mit einer veränderbaren optischen Dicke (worunter das Produkt aus Brechzahl und geometrischer Dicke zu verstehen ist) von λ/4 bzw. λ/2 oder einem Vielfachen davon beinhaltet, welche hydrophobe Eigenschaften aufweist und organische Affinitätsgruppen beinhaltet, deren Auswahl der zu detektierenden Ver­ bindung anpaßbar ist, bzw. ausschließlich aus derartigen Schichten auf­ gebaut ist.

In einem ersten Ausführungsbeispiel, wie in Fig. 2 dargestellt, soll genannte erfindungsgemäße Schicht 31 aus einem dielektrischen anorga­ nischen Material, z. B. aus einem oder mehreren Metalloxiden, bestehen, welches herstellungsbedingt mit Poren P einer Maximalgröße von bis zu einigen 10 nm versehen ist. Diese Porengrößen gewährleisten, daß die Schicht optisch homogen erscheint und im wesentlichen keine Lichtstreuung auftritt. Diese Schicht ist beidseitig von abwechselnd hoch n_h und niederbrechenden n_n Dünnschichten in Form eines Reflexionsfilters erfaßt. Dabei weisen die Reflexionsfilterschichten auf der detektierenden Seite (in Fig. 2a rechts) ebenfalls Poren auf, die mit den Poren der Schicht 31 in Verbindung stehen und den Eintritt der zu detektierenden Substanz ermöglichen. Erfindungsgemäß sind wenigstens die Poren der Schicht 31, deren Porenoberflächen und auch Schichtoberfläche von Natur aus sehr hydrophil sind, mit Molekülen belegt, die den Charakter der Oberfläche stark hydrophob machen. Diese Belegung wird z. B. durch eine Silanisierung erreicht. Geeignet sind hierfür z. B. Organosilanverbindungen mit der allgemeinen chemischen Formel R_zSiX_(4-z) mit (1 ≦ z ≦ 4). X steht als Bezeichnung für eine hydrolysierbare Gruppe z. B. eine Alkoxy-Gruppe oder ein Halogen z. B. Chlor und R steht für ein nicht hydrolysierbares organisches Radikal, welches der Porenoberfläche eine spezielle funktionelle Eigenschaft, im Sinne der Erfindung, insbesondere eine hydrophobe Eigenschaft, verleihen soll. Beispiele für Alkoxy-Gruppen sind die Methoxy-(-O CH₃) und die Ethoxy-(OCH₂CH₃)-Gruppe.

Durch chemische Reaktion einer solchen Organosilanverbindung mit einer hydratisierten Metalloxidoberfläche werden die hydrolysierbaren Gruppen X mit dem Wasserstoff der Hydroxylgruppen an der Metalloxid­ oberfläche chemisch reagieren und abgespalten, woraufhin das Silizium mit seiner funktionellen Gruppe R chemisch mit der Metalloxidoberfläche verbunden wird. Mögliche Oberflächenausbildungen genannter Art sind in den Fig. 1a und 1b angedeutet.

In einem einfachen Beispiel wird als Organosilanverbindung Methylchlorsilan, z. B. (CH₃)₂SiCl₂ eingesetzt. Da Methylchlorsilane zwischen 57°C und 70°C sieden, arbeitet man vorzugsweise leicht oberhalb dieser Temperaturen und läßt den Dampf mit den Porenober­ flächen reagieren. Dabei scheidet sich ein dünner Methylpolysiloxanfilm im Inneren der Poren ab, während der freiwerdende Chlorwasserstoff sich verflüchtigt.

Eine so hergestellte Oberflächenbelegung besitzt eine ausgeprägte Affinität gegenüber unpolaren bzw. niederpolaren Molekülen, wodurch eine Benetzung mit solchen Verbindungen auftritt, Wasser hingegen abgestoßen wird. Da die gemäß der Erfindung bekleideten Porenober­ flächen stark konkav gekrümmt sind, kommt es zu Dampfdruckerniedri­ gungen in der benetzenden Flüssigkeit, die um so größer sind, je ausge­ prägter die Benetzbarkeit ist und je kleiner die Poren sind. Aus einem Gasgemisch, welches beispielsweise unter anderem kondensierbare un­ polare Dämpfe, wie z. B. organische Lösungsmitteldämpfe, oder andere kondensierbare Kohlenwasserstoffverbindungen enthält, führt die Dampfdruckerniedrigung dazu, daß diese Dämpfe in den Poren konden­ sieren können. Der Hohlraum verschiedener Poren, der ursprünglich mit Gas bzw. Dampf gefüllt war, ist nun mit Flüssigkeit gefüllt. Damit erhöht sich die optische Brechzahl der porösen Schicht und somit ihre optische Dicke.

Um diese Änderung der optischen Dicke der Schicht meßbar zu machen, wird die optische Dicke der Schicht bei der Schichtherstellung so einge­ stellt, daß sie gleich einem Viertel oder einem Halben einer mittleren Arbeitswellenlänge eines ausgewählten Lichtspektrums oder ein ganz­ zahliges Vielfaches davon beträgt. Gemäß optischer Zusammenhänge, die dem Fachmann geläufig sind, zeigen optische Schichten bei diesen Wellenlängen Transmissions- oder Reflexionsmaxima. Bei erfindungs­ gemäßer Änderung der optischen Dicke durch Kondensation von un­ polaren Dämpfen in den Poren verschiebt sich die ursprüngliche mittlere Arbeitswellenlänge proportional zur optischen Dickenänderung. Diese spektralen Verschiebungen können unter Anwendung spektraler Meßtechniken, wie sie in EP 0538 664 A2 beschrieben sind, mit großer Genauigkeit und Zuverlässigkeit ausgewertet werden.

Um die für eine Auswertung günstigen Transmissionsmaxima oder -minima kontrastreicher zu machen, ist es sinnvoll, die poröse Schicht bzw. das Schichtsystem beidseitig durch halbdurchlässige Spiegel­ schichten zu begrenzen. Im Sinne der Erfindung sind diese Schichten so auszuführen, daß wenigstens die Spiegelschichten einer Seite ebenfalls porös sind und alle Poren der mittleren porösen und die Arbeitswellen­ länge wesentlich bestimmenden sensitiven Schicht einen Zugang nach außen haben, durch den die Dampfmoleküle von der Umgebung in die Poren und auch wieder zurück gelangen können. Diese Spiegelschichten können aus dielektrischen Substanzen mit einer optischen Dicke entspre­ chend einem Viertel der Lichtwellenlänge oder aus optisch teildurch­ lässigen metallischen Substanzen ausgeführt sein.

In einer weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen Sensorelements kann das spektral filternde Schichtsystem 3 am Detektorkopf 2 mit den Endflächen von Lichtleitfasern 1 fest verbunden oder auf diese unmittel­ bar aufgebracht sein, wobei die Lichtleitfasern 1 der Beleuchtung I[λ] des Schichtsystems 3 und der Zurückleitung des gefilterten Lichtes I[λ(C)], wobei C für die Konzentration des zu detektierenden Stoffes steht, zu einer optischen Auswerteeinheit, die in Fig. 2 strichliniert umrandet dargestellt ist, dienen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfin­ dung, das spektral filternde Schichtsystem 3, 31 als eine ausgedehnte räumliche Platte, die auf einem transparenten Träger 4 aufgebracht ist (wie in Fig. 3 dargestellt), auszubilden und die spektrale Auswertung räumlich entfernt bspw. über eine CCD-Kamera 5 zu bewerkstelligen. Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung auch andere als die beschriebenen Organosilanverbindungen verwendet werden, um ent­ weder die Temperaturbeständigkeit der Siloxanfilme zu erhöhen, oder um den polaren Charakter zu verändern oder um die Selektivität der Wechselwirkung mit speziellen Molekülen zu erhöhen.

Insbesondere können anstelle der dielektrischen anorganischen Grundsubstanz für die poröse Schicht auch organische Substanzen verwendet werden, deren Moleküle käfigförmige Hohlräume bilden, wie z. B. Cyclodextrine, wobei die Selektivität gegenüber bestimmten Molekülen durch die Übereinstimmung der Größe dieser Moleküle mit den Größen der molekularen Käfige erreichbar ist.

Da es sich im beschriebenen Beispiel um Belegung der Oberflächen von Mikroporen mit hydrophoben Molekülen handelt, ist die Anwendung der solcherart modifizierten mikroporösen Schichten für die Detektion von Substanzen mit unpolaren Molekülen nicht auf gasförmige Umgebungen beschränkt, sondern es können auch in Wasser gelöste unpolare Kohlen­ wasserstoffe detektiert werden, soweit von ihnen eine kondensierbare Phase existiert.

Wesentlich im Sinne der Erfindung ist, daß durch die Belegung der Porenoberfläche mit einer dünnen Schicht, diese Porenoberfläche eine Eigenschaft bekommt, die die Anlagerungsfähigkeit von Stoffen in Abhängigkeit von deren polarem oder unpolarem Molekülcharakter, also ihre Benetzbarkeit, entscheidend bestimmt. So können z. B. anstelle der im obigen Beispiel benutzten Methylgruppen natürlich auch andere, vorzugsweise an Silizium gebundene Gruppen benutzt werden, z. B. Phenyl-, oder Aminogruppen, um die Selektivität der Sensoren gegen­ über bestimmten Kohlenwasserstoffen, Aminen u. a. zu modifizieren. Beispielsweise erhöht eine Phenylgruppe ganz wesentlich die gewünschte hydrophobe Wirkung und ist selbst bis zu Temperaturen von ca. 300°C noch stabil. Belegungen der Porenoberfläche bspw. mit Molekülgruppen wie C₃H₇NH₂ führen zu einer deutlich bevorzugten Affinität zu Substan­ zen aus der Klasse der Amine. Außerdem bringen derartige Oberflächen­ belegungen den zusätzlichen Vorteil, daß auf gesonderte Filter­ membranen, wie sie bei vergleichbaren Sensorelementen nach dem Stand der Technik erforderlich sind, verzichtet werden kann.

In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist für die Schicht mit veränder­ barer optischer Dicke eine poröse, dielektrische organische Schicht eingesetzt, die von Haus aus einen unpolaren Oberflächencharakter auf­ weist. Eine solche poröse Polymerschicht kann zum Beispiel hergestellt werden aus einer Mixtur von polymerisierbaren Monomeren und einem inerten organischen Lösungsmittel, welche auf ein Substrat aufgebracht wird. Durch Polymerisation und anschließendes Entfernen des inerten Lösungsmittels entsteht eine poröse Schicht. Wegen ihrer ausgezeich­ neten optischen Transmissionseigenschaften können z. B. Methyl- Metacrylat (MMA) oder Triethylen-Glykol-Di-Methcrylat (TGMA) als monomere Ausgangsstoffe benutzt werden, als inertes Lösungsmittel kann Oktan verwendet werden. Als Polymerisationsinitiator kann Benzoylperoxid dienen. Nach vollständiger Polymerisation und nach Entfernen des inerten Lösungsmittels Oktan durch Auswaschen mit Azeton entsteht eine poröse polymere Schicht mit der gewünschten un­ polaren und hydrophoben Oberfläche, so daß dampfförmige Stoffe mit unpolaren Molekülen in Abhängigkeit von ihrem Dampfdruck in den Poren entsprechender Größe kondensieren können. Die Größe und Anzahl der Poren kann gezielt durch das Mischungsverhältnis der Mixtur und die Polymerisierungsbedingungen beeinflußt werden. Die Dicke der Schicht kann in vorgebbarer Weise gewählt werden, um verwendungs­ gemäße optische Wirkungen zu erzielen. Ebenfalls kann sie zu diesem Zweck mit anderen Schichten zu Schichtsystemen kombiniert werden.

Die Poren können natürlich, insbesondere wenn sie größer sein sollen, auch durch einen in der Mikrolithographie üblichen "Belichtungsvorgang" (z. B. mit Elektronenstrahlen) und nachfolgender Entwicklung hergestellt werden. In der Elektronenstrahl-Lithographie übliche PMMA-Schichten sind hierfür geeignet.

In einem dritten Ausführungsbeispiel, was wahlweise bei den bisher beschriebenen Anwendung finden kann, ist für die Schicht 31 mit ver­ änderbarer optischer Dicke eine dielektrische Schicht eingesetzt, die explizit keine erkennbaren Porenstrukturen besitzt, die aber in der Lage ist, bspw. unpolare Kohlenwasserstoff-Verbindungen oder solche mit kleinem molekularen Dipolmoment zu lösen und damit aufzunehmen, wobei als Folge Änderungen der optischen Brechzahl und/oder der Dicke der Schicht 31 auftreten. Wasser hingegen ist in diesen Schichten nicht in nennenswerter Konzentration lösbar. Die Schicht oder die Schichten soll in ein optisches Filterschicht-System integrierbar sein oder aus ihnen soll ein optisches Filterschicht-System aufbaubar sein.

In einem typischen Beispiel bestehen solche Schichten aus Siloxanen z. B. Dimethypolysiloxan (DMPS) und aus Polytetrafluorethylen (z. B. Teflon AF). In beiden Substanzen sind Kohlenwasserstoffverbindungen insbe­ sondere chlorierte Kohlenwasserstoffe leicht löslich, Wasser hingegen kaum. DMPS mit optischen Brechzahlen von 1,4 und leicht darüber kann die Rolle einer optisch hochbrechenden Schicht ausführen und Teflon AF mit einer Brechzahl von etwa 1,3 die einer optisch niedrig brechenden Schicht, so daß mit alternierenden Folgen dieser Schichten mit festzu­ legenden optischen Dicken, die einem Viertel bzw. einem Halben einer optischen Arbeitswellenlänge entsprechen, optische Filterschichtsysteme aufgebaut werden können. Da sich bei Lösung von Kohlenwasserstoff- Molekülen in diesen Schichten aufgrund von damit verbundenen Brech­ zahl- und Dickenänderungen die optisch wirksamen Dicken ändern, kommt es zu Verschiebungen der optischen Arbeitswellenlängen der Filter, bei denen maximale Transmission oder Reflexion stattfindet. Diese spektralen Verschiebungen können mit großer Genauigkeit und Zuver­ lässigkeit meßtechnisch ausgewertet werden. 1 Lichtleitfaser
2 Detektorkopf
3 spektral filterndes Schichtsystem
31 erfindungsgemäßes Schichtsystem
4 transparenter Träger
5 CCD-Kamera
n_h hochbrechende Schicht
n_n niederbrechende Schicht
P Poren

Claims (6)

1. Optisches Sensorelement zum Nachweis von organischen Verbin­ dungen, insbesondere Kohlenwasserstoffen, bestehend aus einem Spektralbandfilter, mit mehreren optischen Dünnschichten einer optischen Dicke von λ/4 bzw. λ/2 oder einem Vielfachen davon in bezug auf die zum Einsatz gelangende mittlere Arbeitswellenlänge λ des Meßlichtes und die abwechselnd hoch- und niederbrechend angeordnet sind, das aus drei Teilschichtsystemen aufgebaut ist, wobei zwischen zwei Reflexionsfilterschichten eine Schicht (31) vorgesehen ist, der eine veränderbare optische Dicke von λ/4 bzw. λ/2 oder einem Vielfachen davon dadurch gegeben ist, daß sie porös ausgebildet ist, wobei die Poren (P) mit einer Maximalgröße von bis zu einigen 10 nm organische Affinitätsgruppen beinhalten, deren Auswahl der zu detektierenden Substanz anpaßbar ist, und welche hydrophobe Eigenschaften aufweisen, wobei wenigstens eine der Reflexionsfilterschichten ebenfalls mit Poren versehen ist, die mit den Poren (P) der Schicht (31) in Verbindung stehen.

2. Optisches Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (31) veränderbarer optischer Dicke durch eine anorga­ nische, dielektrische poröse Schicht gebildet ist, bei der zumindest die Poren mit einer molekularen Organosiliziumverbindung ausgekleidet sind.

3. Optisches Sensorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (31) veränderbarer optischer Dicke durch eine organische, dielektrische, poröse polymere Schicht gebildet ist.

4. Optisches Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse polymere Schicht durch Polymerisation und anschlie­ ßender Entfernung eines inerten Lösungsmittels gebildet ist.

5. Optisches Sensorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Poren der polymeren Schicht durch molekulare Käfigstrukturen mit einer vorgebbaren Formaffinität gebildet sind.

6. Optisches Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht veränderbarer optischer Dicke Belegungen beinhaltet, die aus einer Organosilanverbindung der allgemeinen chemischen Formel R_zSiX_(4-z), mit 1 ≦ z ≦ 4 abgeleitet sind, wobei X für eine hydrolysierbare Gruppe, z. B. eine Alkoxy- Gruppe oder ein Halogen und R für ein nicht hydrolysierbares Radikal steht, oder genannte Schicht vollständig aus einer Organo­ siliziumverbindung gebildet ist.