DE4310866A1 - Measuring arrangement having an optical measuring probe - Google Patents

Measuring arrangement having an optical measuring probe

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Jochen Dr Buerck
Bernd Zimmermann
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Kernforschungszentrum Karlsruhe GmbH
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Abstract

The invention relates to a measuring arrangement having an optical measuring probe, consisting of a radiation source which emits infrared light, an optical waveguide having a refractive index nL, which receives the infrared light emitted by the radiation source, a sensitive layer of silicon having a refractive index nS, nS being smaller than nL, which layer at least partly covers the optical waveguide and which is in contact with a measuring medium, and a photodetector which registers the intensity of the infrared light channelled in the optical waveguide. The object of the invention is, in the case of such a measuring arrangement, to make possible the use of quartz glass optical waveguides and to avoid the self-absorption of silicon in the measuring region. The object is achieved, according to the invention, in that the optical waveguide receives infrared light in the near infrared region and the sensitive layer consists of completely deuterised silicon.

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung mit einer opti­ schen Meßsonde, bestehend ausThe invention relates to a measuring arrangement with an opti measuring probe consisting of

  • a) einer Infrarotlicht emittierenden Strahlungsquellea) an infrared light-emitting radiation source
  • b) einem Lichtleiter mit einem Brechungsindex nL, der das von der Strahlungsquelle emittierte Infrarotlicht aufnimmt,b) a light guide with a refractive index n L , which receives the infrared light emitted by the radiation source,
  • c) einer sensitiven Schicht aus einem Silicon mit einem Bre­ chungsindex nS, wobei nS kleiner ist als nL, die den Licht­ leiter zumindest teilweise abdeckt und die mit einem Meßme­ dium in Kontakt steht,c) a sensitive layer made of a silicone with a refractive index n S , where n S is smaller than n L , which at least partially covers the light guide and which is in contact with a measuring medium,
  • d) einem Photodetektor, der die Intensität des im Lichtleiter geführten Infrarotlichts registriert.d) a photodetector that measures the intensity of the light guide led infrared light registered.

Eine solche Meßanordnung beruht auf dem Prinzip des evaneszen­ ten Feldes. Licht, das in einem Lichtleiter mit dem Brechungs­ index nL transportiert wird, wird im Idealfall an der inneren Phasengrenze vielfach totalreflektiert. Ist der Lichtleiter ganz oder teilweise mit einem optisch transparenten Mantel mit einem kleineren Brechungsindex nS überzogen, beispielsweise mit einer molekülspezifischen sensitiven Schicht abgedeckt, findet die Totalreflexion nicht an der Phasengrenze zwischen Lichtleiter und sensitiver Schicht statt, sondern das Licht dringt eine kurze Strecke in die sensitive Schicht ein und wird hier reflektiert. Der Brechungsindex der sensitiven Schicht beeinflußt daher die Lichtleitung. Deren Brechungsin­ dex verändert sich, wenn die sensitive Schicht in Kontakt mit einem Meßmedium gebracht wird, aus dem ein oder mehrere In­ haltsstoffe des Meßmediums in die sensitive Schicht hinein­ diffundieren. Die veränderten Eigenschaften des geführten Lichts aufgrund von Brechungsindexänderungen oder der Absorp­ tion durch eindiffundierende Stoffe sind ein Maß für die Kon­ zentration der Inhaltsstoffe im Mantel und damit im Meßmedium.Such a measuring arrangement is based on the principle of the evaneszen field. Ideally, light that is transported in a light guide with the refractive index n L is totally totally reflected at the inner phase boundary. If the light guide is completely or partially covered with an optically transparent sheath with a smaller refractive index n S , for example covered with a molecule-specific sensitive layer, the total reflection does not take place at the phase boundary between the light guide and the sensitive layer, but the light penetrates a short distance into it sensitive layer and is reflected here. The refractive index of the sensitive layer therefore influences the light conduction. Their refractive index changes when the sensitive layer is brought into contact with a measuring medium from which one or more substances in the measuring medium diffuse into the sensitive layer. The changed properties of the guided light due to changes in the refractive index or absorption by diffusing substances are a measure of the concentration of the constituents in the cladding and thus in the measuring medium.

Besteht die sensitive Schicht aus einem hydrophoben Stoff wie Silicon, gelangen aus einem Meßmedium lediglich unpolare Be­ standteile in die sensitive Schicht. Wasser oder andere polare Bestandteile des Meßmediums, die die Messung stören würden, können in die sensitive Schicht nicht eindringen. Die unpola­ ren Bestandteile des Meßmediums werden in der sensitiven Schicht angereichert und können durch Messung der Intensitäts­ änderung des im Lichtleiter geführten Lichts detektiert wer­ den.The sensitive layer consists of a hydrophobic substance such as Silicon, only non-polar Be get from a measuring medium  components in the sensitive layer. Water or other polar Components of the measuring medium that would interfere with the measurement cannot penetrate the sensitive layer. The unpola Ren components of the measuring medium are in the sensitive Layer enriched and can by measuring the intensity Any change in the light guided in the light guide is detected the.

Eine solche Meßanordnung ist aus der EP 0 144 713 B1 bekannt. Als Lichtquelle dient eine Infrarotlicht emittierende Strah­ lenquelle, aus der Infrarotlicht in einen Lichtleiter einge­ koppelt wird. Der Lichtleiter kann einen runden oder einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Er kann in Form üblicher Lichtleiterfasern oder in Form einer Platte vorliegen. Als Werkstoff für den Lichtleiter werden eine Reihe von anorgani­ schen Salzen, Silicium oder Germanium vorgeschlagen.Such a measuring arrangement is known from EP 0 144 713 B1. An infrared light-emitting beam is used as the light source lenquelle, from which infrared light is inserted into a light guide is coupled. The light guide can be round or one have a rectangular cross section. It can be in the more common form Optical fibers or in the form of a plate. When A number of inorganic materials are used for the light guide salt, silicon or germanium.

Der Lichtleiter ist zumindest teilweise mit einer sensitiven Schicht abgedeckt. Die sensitive Schicht steht in Kontakt mit einem Meßmedium, etwa einer wäßrigen Lösung, in der die Kon­ zentration einzelner Bestandteile gemessen werden soll. Be­ steht der Lichtleiter aus einer Lichtleiterfaser, kann die sensitive Schicht den gesamten Umfang der Lichtleiterfaser um­ geben. Besteht der Lichtleiter aus einer Platte, reicht es aus, wenn lediglich eine Plattenseite durch die sensitive Schicht abgedeckt wird. Als Werkstoff für die sensitive Schicht wird unter anderem Silicon genannt. Das den Lichtlei­ ter verlassende Licht wird in einen Photodetektor eingekop­ pelt.The light guide is at least partially sensitive Layer covered. The sensitive layer is in contact with a measuring medium, such as an aqueous solution in which the Kon concentration of individual components is to be measured. Be If the light guide is made of an optical fiber, the sensitive layer around the entire circumference of the optical fiber give. If the light guide consists of a plate, it is enough off, if only one side of the record by the sensitive Layer is covered. As a material for the sensitive Layer is called silicone among other things. That the Lichtlei The light leaving is injected into a photodetector pelt.

Eine weitere, auf dem Prinzip des evaneszenten Feldes beru­ hende Meßanordnung ist aus der DE 40 37 431 C2 bekannt. Bei dieser Meßanordnung ist auf einem Substrat ein Wellenleiter in Streifenform aus einem nicht näher spezifizierten Material vorgesehen. In den Wellenleiter wird über lichtleitende Fasern Licht eingekoppelt. Der Wellenleiter wird auf dem Substrat in zwei Zweige aufgeteilt, die vor dem Austrittsende wieder zu­ sammengeführt werden. Das Austrittsende ist mit einem Photode­ tektor verbunden. Zwischen dem Substrat und dem verzweigten Wellenleiter befindet sich eine dielektrische Schicht, die an einer Stelle im Bereich eines der beiden Zweige unterbrochen ist und hier einen Fensterbereich bildet. Zumindest im Fen­ sterbereich ist ein Zweig des Wellenleiters mit einer sensiti­ ven Schicht abgedeckt, die mit einem Meßmedium, z. B. mit Luft, in Kontakt steht.Another, based on the principle of the evanescent field Measuring arrangement is known from DE 40 37 431 C2. At this measuring arrangement is a waveguide in on a substrate Strip shape made of an unspecified material intended. In the waveguide is over light-guiding fibers Light coupled in. The waveguide is in on the substrate  split two branches before the end of the exit again be brought together. The exit end is with a photode tector connected. Between the substrate and the branched There is a dielectric layer attached to the waveguide interrupted at a point in the area of one of the two branches and forms a window area here. At least in the fen is a branch of the waveguide with a sensiti ven layer covered with a measuring medium, for. B. with Air in contact.

Die sensitive Schicht nimmt z. B. aus der Luft einzelne Be­ standteile wie CO2 auf; dadurch ergibt sich in diesem Zweig des Wellenleiters relativ zu dem anderen, unbeeinflußten Zweig eine Phasenänderung des geführten Lichts, die durch Messung der Interferenz nach Zusammenführung der beiden Zweige am Aus­ trittsende des Wellenleiters nachgewiesen werden kann. Die In­ terferenzerscheinungen sind ein Maß für die Konzentration der in die sensitive Schicht aufgenommenen Bestandteile des Meßme­ diums, z. B. von CO2. Als Material für die sensitive Schicht werden Verbindungen der Substanzklasse der Heteropolysiloxane vorgeschlagen. Eine Infrarotlicht emittierende Strahlungs­ quelle wird nicht erwähnt.The sensitive layer takes z. B. from the air Be individual components such as CO 2 ; this results in a phase change in the guided light in this branch of the waveguide relative to the other, unaffected branch, which can be detected by measuring the interference after merging the two branches at the exit end of the waveguide. In the interference phenomena are a measure of the concentration of the components of the measuring medium, z. B. of CO 2 . Compounds of the heteropolysiloxane class of substances are proposed as the material for the sensitive layer. An infrared light-emitting radiation source is not mentioned.

Eine andere Meßanordnung, die ebenfalls auf dem Prinzip des evaneszenten Feldes beruht, ist aus der US 4,399,099 bekannt. Die hier beschriebene Meßanordnung entspricht im wesentlichen der Meßanordnung gemäß der eingangs genannten EP 0 144 713 B1; für sie ist jedoch eine UV- oder sichtbares Licht emittierende Lichtquelle vorgesehen. Als optische Meßsonde werden eine Reihe von verschiedenen Ausführungsformen vorgeschlagen. Der Lichtleiter kann aus Quarzglas oder anderen Materialien beste­ hen. Als Material für die sensitive Schicht werden Silicon­ gummi und weitere Stoffe genannt.Another measuring arrangement, which is also based on the principle of evanescent field is known from US 4,399,099. The measuring arrangement described here corresponds essentially the measuring arrangement according to EP 0 144 713 B1 mentioned at the beginning; for them, however, is a UV or visible light emitter Light source provided. As an optical measuring probe Proposed a number of different embodiments. Of the Light guides can be made of quartz glass or other best materials hen. Silicon is used as the material for the sensitive layer called rubber and other fabrics.

In der Meßanordnung der eingangs genannten Art werden als Ma­ terial für den Lichtleiter anorganische Salze, Silicium oder Germanium vorgeschlagen, nicht dagegen Quarzglas. Quarzglas weist für die klassische Infrarotstrahlung eine wesentlich ge­ ringere Transmission auf als für Licht mit kürzeren Wellenlän­ gen. Deshalb werden in der US-Patentschrift, in der unter an­ derem Lichtleiter aus Quarzglas vorgeschlagen werden, UV- oder sichtbares Licht emittierende Strahlungsquellen vorgesehen. Lichtleiter aus Quarzglas sind wegen ihrer chemischen und me­ chanischen Beständigkeit und aus Kostengründen Lichtleitern aus den genannten Stoffen vorzuziehen.In the measuring arrangement of the type mentioned at the outset, Ma material for the light guide inorganic salts, silicon or  Germanium proposed, but not quartz glass. Quartz glass has a significant ge for the classic infrared radiation lower transmission than for light with shorter wavelengths gen. Therefore, in the US patent in the under whose light guide made of quartz glass are proposed, UV or Visible light emitting radiation sources are provided. Quartz glass light guides are because of their chemical and me mechanical resistance and fiber optics for cost reasons preferred from the substances mentioned.

In den eingangs beschriebenen Druckschriften wird als Material für die sensitive Schicht unter anderem Silicon vorgeschlagen. Silicone weisen bessere Anreicherungseigenschaften für unpo­ lare Substanzen auf als andere bekannte Polymere; sie werden daher für Meßanordnungen der eingangs genannten Art als sensi­ tive Schicht bevorzugt.In the publications described at the beginning is used as material proposed silicone for the sensitive layer. Silicones have better enrichment properties for unpo lare substances on polymers known as other; you will be therefore for measuring arrangements of the type mentioned as sensi tive layer preferred.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß die unpolaren Stoffe, die durch eine sensitive Schicht aus hydrophobem Silicon selektiv aufgenommen und angereichert werden, im Bereich des UV- oder des sichtbaren Lichts nur wenige Absorptionsbanden aufweisen. Dies gilt insbesondere für den Fall, daß die eingangs be­ schriebene Meßanordnung zur Detektion und Konzentrationsmes­ sung von chlorierten Kohlenwasserstoffen oder Aromaten verwen­ det werden soll.However, it has been shown that the non-polar substances that selective through a sensitive layer of hydrophobic silicone be included and enriched in the UV or of visible light have only a few absorption bands. This is especially true in the event that the initially be Written measurement arrangement for detection and concentration measurement solution of chlorinated hydrocarbons or aromatics should be det.

Eine erste Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, bei ei­ ner Meßanordnung der eingangs genannten Art einen Wellenlän­ genbereich für das durch den Lichtleiter geführte Licht aufzu­ finden, in dem Quarzglas eine höhere Transmission aufweist als im klassischen Infrarotbereich, so daß Lichtleiter aus Quarz­ glas einsetzbar sind, und in dem zugleich unpolare, sich in einer aus Silicon bestehenden sensitiven Schicht anreichernde Substanzen, insbesondere Kohlenwasserstoffe und chlorierte Kohlenwasserstoffe, eine Vielzahl von Absorptionsbanden auf­ weisen. A first object of the invention is therefore in egg ner measuring arrangement of the type mentioned a wavelength area for the light guided through the light guide find in which quartz glass has a higher transmission than in the classic infrared range, so that light guides made of quartz glass can be used, and in which at the same time non-polar, in a sensitive layer consisting of silicone Substances, especially hydrocarbons and chlorinated Hydrocarbons, a variety of absorption bands point.  

Ein solcher Wellenlängenbereich wurde mit dem nahen Infrarot­ bereich, vorzugsweise im Wellenbereich zwischen ca. 1600 und 1800 nm gefunden.Such a wavelength range was with the near infrared range, preferably in the wave range between approx. 1600 and 1800 nm found.

Sieht man bei einer Meßanordnung der eingangs genannten Art Strahlungsquellen vor, die im nahen Infrarotbereich emittie­ ren, lassen sich zwar Lichtleiter aus Quarzglas einsetzen; in diesem Bereich sind zudem eine Vielzahl von Absorptionsbanden unpolarer Stoffe zu erwarten.If you look at a measuring arrangement of the type mentioned Radiation sources that emit in the near infrared range quartz glass light guides can be used; in In this area there are also a large number of absorption bands expected of non-polar substances.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß in diesem Bereich eine sensi­ tive Schicht, die - wie herkömmliches Silicon - aus einer Koh­ lenstoff und Wasserstoff in Form von Protonen enthaltenden Verbindung besteht, Störungen hervorruft. Durch diese Störun­ gen verschlechtern sich die erreichbaren Nachweisgrenzen der Meßanordnung. Diese Störungen beruhen zum einen auf dem photo­ metrischen Rauschen im Wellenlängenbereich der C-H-Oberton-Ab­ sorptionsbanden hauptsächlich zwischen 1600 und 1800 nm, das durch die starke Lichtabsorption von C-H-Bindungen im polyme­ ren Silicon verursacht wird. Sowohl herkömmliches Silicon als auch die meisten der unpolaren Substanzen, die sich in Silicon anreichern lassen, enthalten C-H-Bindungen, deren Absorptions­ banden gegeneinander oftmals nur unwesentlich verschoben sind; die entsprechenden Absorptionsbanden überlagern sich daher. Hierdurch ergibt sich ein verschlechtertes Signal/Rausch-ver­ hältnis und damit eine verminderte Nachweisgrenze.However, it has been shown that a sensi in this area tive layer, which - like conventional silicone - from a Koh lenstoff and hydrogen in the form of protons containing Connection exists, causes interference. Through this disturbance the achievable detection limits of the Measuring arrangement. These disturbances are based on the one hand on the photo metric noise in the wavelength range of the C-H overtone Ab sorption bands mainly between 1600 and 1800 nm, the due to the strong light absorption of C-H bonds in the polyme ren silicone is caused. Both conventional silicone and also most of the non-polar substances found in silicone let enrich, contain C-H bonds, their absorption bands against each other are often only slightly shifted; the corresponding absorption bands therefore overlap. This results in a deteriorated signal / noise ver ratio and thus a reduced detection limit.

Ein weiterer Störeinfluß ergibt sich dadurch, daß im Bereich der Absorptionsbanden von herkömmlichem Silicon eine sehr starke Abhängigkeit der Basislinie von Brechungsindex- und Dichteschwankungen, etwa durch Quellung, im Silicon auftritt. Diese Schwankungen können einerseits durch Temperaturschwan­ kungen und die hierdurch bewirkten Änderungen des Brechungsin­ dex, andererseits durch den sich bei der Anreicherung von po­ laren Stoffen im Silicon neu einstellenden Misch-Brechungsin­ dex hervorgerufen werden. Hierdurch wird die Eindringtiefe des evaneszenten Lichtfeldes im Silicon vergrößert oder ver­ kleinert; das Lichtfeld kann daher mit mehr oder mit weniger C-H-Bindungen im Silicon wechselwirken. Die Basislinie er­ scheint dadurch strukturiert. Die Absorptionsbanden angerei­ cherter polarer Stoffe werden durch eine strukturierte Basis­ linie stark gestört und verzerrt, so daß sich bei der spek­ troskopischen Auswertung Fehler ergeben. Der Temperatureinfluß kann zwar durch Thermostatisierung beseitigt werden; dies er­ fordert insbesondere bei Feldmessungen einen hohen Aufwand.Another disruptive effect results from the fact that in the area the absorption bands of conventional silicone a very strong dependence of the baseline on refractive index and Density fluctuations, such as swelling, occur in the silicone. On the one hand, these fluctuations can be caused by temperature fluctuations and the changes in the refractive index caused thereby dex, on the other hand through the accumulation of po materials in the silicone newly setting mixed refractive index  dex are caused. As a result, the depth of penetration of the evanescent light field in silicone enlarged or ver shrinks; the light field can therefore do more or less C-H bonds interact in silicone. The baseline he seems structured by it. Tied up the absorption bands polarized substances are formed by a structured basis line strongly disturbed and distorted, so that the spec Microscopic evaluation result in errors. The influence of temperature can be eliminated by thermostatting; this he requires a lot of effort, especially for field measurements.

Eine zweite Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein solches Silicon als sensitive Schicht vorzuschlagen, bei dem solche Störungen im nahen Infrarotbereich (NIR-Bereich), ins­ besondere im Wellenlängenbereich zwischen 1600 und 1800 nm, in der Praxis ausgeschlossen werden können.A second object of the invention is therefore a to propose such silicone as a sensitive layer in which such disturbances in the near infrared range (NIR range), ins especially in the wavelength range between 1600 and 1800 nm, in practice can be excluded.

Die zweite Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine sensitive Schicht aus einem vollständig deuterierten Si­ licon vorgesehen wird.The second object is achieved in that a sensitive layer made of a fully deuterated Si licon is provided.

An sich ist es zwar aus der DE 36 07 301 A1 bekannt, Lichtlei­ terfasern mit einem optisch transparenten Mantel von geringe­ rem Brechungsindex zu umgeben, wobei der Mantel aus einem teilweise oder vollständig deuterierten, siliciumfreien Poly­ mer besteht. Die auf diese Weise ummantelten Lichtleiterfasern bewirken bei der Datenübertragung eine geringere Dämpfung. Transparente polymere, teilweise oder vollständig deuterierte Materialien, die kein Silicium enthalten, und ihre Verwendung zur dämpfungsarmen Lichtleitung sind weiterhin aus der DE 36 39 117 A1 bekannt. Diese ummantelten Lichtleiterfasern und Fa­ sern werden jedoch nicht in einer Meßanordnung der eingangs genannten Art eingesetzt. Es ist nicht bekannt, ob solche Po­ lymere Inhaltsstoffe von Meßmedien aufnehmen können. It is known per se from DE 36 07 301 A1, Lichtlei ter fibers with an optically transparent sheath of low to surround the refractive index, the cladding consisting of a partially or fully deuterated, silicon-free poly always exists. The optical fibers coated in this way cause less attenuation during data transmission. Transparent polymeric, partially or fully deuterated Non-silicon materials and their use for low-loss light conduction are still from DE 36 39 117 A1 known. These coated optical fibers and Fa However, sern are not in a measuring arrangement of the beginning mentioned type used. It is not known whether such buttocks can absorb polymeric ingredients from measuring media.  

Mit der erfindungsgemäßen Meßanordnung werden die guten Anrei­ cherungseigenschaften von Silicon für unpolare Substanzen ge­ nutzt und deren Nachteile beseitigt. Durch die vollständige Deuterierung werden die chemischen Eigenschaften des Silicons nicht verändert. Das Anreicherungsverhalten für Inhaltsstoffe eines Meßmediums wird nicht verändert. Es kann Licht des nahen Infrarotbereichs, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 1600 und 1800 nm eingesetzt werden, bei dem Lichtleiter aus Quarzglas einsetzbar sind. Die Nachweisgrenzen für polare Sub­ stanzen werden erniedrigt und die Absorptionsmessungen sind nicht gestört. Die unerwünschte Eigenabsorption im herkömmli­ chen Silicon durch C-H-Oberschwingungen wird bei vollständig deuterierten Siliconen um den Faktor 1,36 nach längeren Wel­ lenlängen verschoben, wo sie die Absorptionsbanden von C-H- Bindungen enthaltenden Substanzen nicht stört.With the measuring arrangement according to the invention, the good anrei securing properties of silicone for non-polar substances uses and eliminates their disadvantages. Through the full Deuteration is the chemical properties of silicone not changed. The enrichment behavior for ingredients of a measuring medium is not changed. It can light the near Infrared range, especially in the wavelength range between 1600 and 1800 nm can be used with the light guide Quartz glass can be used. The detection limits for polar sub punches are lowered and the absorption measurements are not bothered. The unwanted self-absorption in conventional Chen silicone by C-H harmonics is at complete deuterated silicones by a factor of 1.36 after longer Wel length where they move the absorption bands of C-H Substances containing bonds do not interfere.

Wegen der Verschiebung der Silicon-Eigenabsorptionsbanden zu längeren Wellenlängenbereichen erscheint die Basislinie nicht strukturiert; Temperatur- und Brechungsindexänderungen äußern sich lediglich als kleine Verschiebungen der Basislinie, wel­ che z. B. durch eine Zweiwellenlängen-Auswertung in einfacher Weise korrigiert werden können.Because of the shift in the silicon self-absorption bands the baseline does not appear in longer wavelength ranges structured; Express temperature and refractive index changes just as small shifts in the baseline, wel che z. B. by a two-wavelength evaluation in simple Way can be corrected.

Die Erfindung kann prinzipiell mit allen bekannten Meßanord­ nungen realisiert werden. Besonders bevorzugt ist eine Ausfüh­ rungsform, bei der die Meßsonde aus einem Lichtleiter aus Quarzglas besteht, der mit dem vollständig deuterierten Sili­ con vollständig ummantelt ist. Bezüglich der Dimensionierung von Lichtleiter und Siliconummantelung wird auf die US-Patent­ schrift verwiesen.The invention can in principle with all known measuring arrangement can be realized. An embodiment is particularly preferred Form in which the measuring probe consists of an optical fiber There is quartz glass with the fully deuterated sili con is completely covered. Regarding the dimensioning of light guide and silicone cladding is referred to the US patent scripture referenced.

Als Strahlungsquelle eignen sich beispielsweise Laserdioden und Wolframhalogenlampen. Der Strahlungsanteil im nahen Infra­ rotbereich vor allem zwischen 1600 und 1800 nm kann gegebenen­ falls durch Bandpaßfilter selektiert werden. Der Lichtleiter kann z. B. aus einem 400 µm dicken Quarzglasstab bestehen, der 50 µm dick mit Silicon ummantelt und beispielsweise U- oder schleifenförmig gebogen ist, so daß er leicht mit einem Meßme­ dium, z. B. einer wäßrigen Lösung von chlorierten Kohlenwas­ serstoffen in einer Küvette, in Kontakt gebracht werden kann. Als Photodetektor können alle kommerziellen Detektoren verwen­ det werden, mit denen die resultierenden Intensitätsänderungen im nahen Infrarotbereich nachgewiesen werden können, z. B. solche mit einem PbS-Halbleiterkristall.Laser diodes, for example, are suitable as the radiation source and tungsten halogen lamps. The radiation component in the near infra red range especially between 1600 and 1800 nm can exist if selected by bandpass filters. The light guide can e.g. B. consist of a 400 micron thick quartz glass rod, the  50 µm thick coated with silicone and for example U or is loop-shaped so that it can easily be measured with a measuring dium, e.g. B. an aqueous solution of chlorinated coal water in a cuvette that can be brought into contact. All commercial detectors can be used as photodetectors with which the resulting changes in intensity can be detected in the near infrared range, e.g. B. those with a PbS semiconductor crystal.

Als sensitive Schicht eignen sich insbesondere Silicone der allgemeinen Formel -[OSiR′R′′)n, wobei R′ und R′′ geradkettige oder verzweigte, teilweise mit Halogen- oder Pseudohalogen­ gruppen substituierte oder unsubstituierte Alkylreste oder teilweise mit Halogen- oder Pseudohalogengruppen substituierte oder unsubstituierte Arylreste repräsentieren. Die Substituen­ ten R′ und R′′ müssen nicht identisch sein; besonders bevor­ zugte Substituenten sind CD3-, CF3-CD2-CD2- und C6D5-Gruppen, wobei mit D das Wasserstoffisotop Deuterium bezeichnet wird.Particularly suitable as a sensitive layer are silicones of the general formula - [OSiR′R ′ ′) n , where R ′ and R ′ ′ are straight-chain or branched, alkyl radicals partially substituted or unsubstituted by halogen or pseudohalogen groups or partially substituted by halogen or pseudohalogen groups or represent unsubstituted aryl residues. The substituents ten R 'and R''do not have to be identical; especially before preferred substituents are CD 3 -, CF 3 -CD 2 -CD 2 - and C 6 D 5 groups, with D being the hydrogen isotope deuterium.

Die Herstellung solcher Silicone kann gemäß der Deutschen Pa­ tentschrift 895 650 durchgeführt werden, wobei anstelle der üblichen Ausgangsstoffe vorzugsweise die entsprechenden, voll­ ständig deuterierten Verbindungen einzusetzen sind.According to German Pa tentschrift 895 650 are carried out, instead of usual starting materials preferably the corresponding, full continuously deuterated connections are to be used.

Entsprechend dem hierin beschriebenen Verfahren werden zuerst die deuterierten Dihydroxypolysiloxane hergestellt, etwa das Dihydroxypolydimethylsiloxan:According to the method described herein, first the deuterated dihydroxypolysiloxanes, such as that Dihydroxypolydimethylsiloxane:

x (CD₃)₂SiCl₂ + (x + 1) CD₃COOD + (x + 1) CD₃OD → DO - [CD₃)₂SiO]x - D + 2x HCl + (x + 1) CD₃COOCD₃x (CD₃) ₂SiCl₂ + (x + 1) CD₃COOD + (x + 1) CD₃OD → DO - [CD₃) ₂SiO] x - D + 2x HCl + (x + 1) CD₃COOCD₃

Entstandene cyclische Siloxane werden durch Destillation ent­ fernt. Anschließend erfolgt die Aushärtung zu festen Polymeren (nur die endständigen Siliciumgruppen sind ausgeschrieben):Cyclic siloxanes formed are removed by distillation distant. Then the curing takes place to solid polymers (only the terminal silicon groups are advertised):

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher er­ läutert.The invention is explained in more detail below with reference to figures purifies.

Dargestellt sind inAre shown in

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Meßanordnung; Fig. 1 a first embodiment of the measuring arrangement;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Meßanordnung; Fig. 2 shows a second embodiment of the measuring arrangement;

Fig. 3 Absorptionsspektren von CHCl=CCl2, CH2=CCl2 und CH3-C6H5 in Gegenwart von protonenhaltigem Silicon als sensitiver Schicht; Fig. 3 absorption spectra of CHCl = CCl 2 , CH 2 = CCl 2 and CH 3 -C 6 H 5 in the presence of proton-containing silicone as a sensitive layer;

Fig. 4 Absorptionsspektren in reinem Wasser bei 14, 17, 20 und 23°C in Gegenwart von protonenhaltigem Silicon als sensitiver Schicht; Fig. 4 absorption spectra in pure water at 14, 17, 20 and 23 ° C in the presence of proton-containing silicone as a sensitive layer;

Fig. 5 Absorptionsspektren von CHCl=CCl2 bei einer Einkanalmessung mit Referenzmessung in Wasser und Probemessung in Trichlorethylen-Lösung und unterschiedlichen Temperaturen in Gegenwart von protonenhaltigem Silicon als sensitiver Schicht; FIG. 5 shows absorption spectra of CHCl = CCl 2 with a Single Point with reference measurement and sample measurement in water in trichlorethylene solution, and different temperatures in the presence of protonenhaltigem silicone as a sensitive layer;

Fig. 6 Intensitätsspektren von protoniertem Polydimethyl­ siloxan und vollständig deuteriertem Polydimethylsilo­ xan für eine optische Schichtdicke von 5 mm; Fig. 6 intensity spectra of protonated polydimethyl siloxane and fully deuterated polydimethylsiloxane for an optical layer thickness of 5 mm;

Fig. 7 Absorptionsspektren von CHCl=CCl2 in protoniertem und deuteriertem Polydimethylsiloxan. Fig. 7 absorption spectra of CHCl = CCl 2 in protonated and deuterated polydimethylsiloxane.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der Meßanordnung darge­ stellt. Das Licht einer Laserdiode 1 wird in einen Gradienten­ indexlichtleiter 2 aus Quarzglas eingekoppelt. Das Ende der Lichtleiterfaser 2 ist über ein Faser/Chip-Koppelstück an den Oberflächenwellenleiter 4 des IO-Bauelementes 5 adaptiert. Der schleifenförmige Oberflächenwellenleiter 4 verläuft planar in dem IO-Bauelement 5 aus BGG 31-Spezialglas. Das Meßlicht wird über ein zweites Faser/Chip-Koppelstück und einen zweiten Gra­ dientenindexlichtleiter 2 zu einem PbS-Detektor 3 geführt und dort gemessen. Die Oberflächenwellenleiterschleife 4 ist ein­ seitig mit einer Membran aus deuteriertem Polydimethylsiloxan 6 abgedeckt, die durch "Spin-Coating" aufgebracht und vernetzt wurde. Die Membran steht mit einem Meßmedium (nicht darge­ stellt) in Kontakt.In Fig. 1, an embodiment of the measuring arrangement is Darge provides. The light from a laser diode 1 is coupled into a gradient index light guide 2 made of quartz glass. The end of the optical fiber 2 is adapted to the surface waveguide 4 of the IO component 5 via a fiber / chip coupling piece. The loop-shaped surface waveguide 4 runs planar in the IO component 5 made of BGG 31 special glass. The measuring light is guided via a second fiber / chip coupling piece and a second Gra dient index light guide 2 to a PbS detector 3 and measured there. The surface waveguide loop 4 is covered on one side with a membrane made of deuterated polydimethylsiloxane 6 , which was applied and crosslinked by "spin coating". The membrane is in contact with a measuring medium (not shown).

In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Meßanordnung dargestellt. Das Licht einer 20 W-Wolframhalogenlampe 7 wird mit Hilfe von zwei Linsen 10 gebündelt. Es wird über einen Adapter 9 in einen 12 m langen Lichtleiter 11 eingekoppelt, dessen Mittelteil 12 schraubenlinienförmig gewendelt ist. Die­ ser Bereich wird durch eine Teflonplatte 13 abgestützt. Der Lichtleiter, der einen Kerndurchmesser von 400 µm aufweist, ist mit einer 50 µm dicken Schicht eines herkömmlichen Sili­ cons ummantelt. Das Ende des Lichtleiters mündet in einen zweiten Adapter 14 und gelangt danach in einen Zerhacker 15. An einem schrittmotorgesteuerten halographischen Gitter 16 mit 300 Linien/mm wird es spektral zerlegt und in Richtung auf zwei Detektoren 17, einer Germanium-Photodiode und einem PbS- Detektor fokussiert.In Fig. 2 shows another embodiment of the measurement arrangement is shown. The light from a 20 W tungsten halogen lamp 7 is focused using two lenses 10 . It is coupled via an adapter 9 into a 12 m long light guide 11 , the central part 12 of which is helically wound. The water area is supported by a Teflon plate 13 . The light guide, which has a core diameter of 400 µm, is covered with a 50 µm thick layer of a conventional sili cons. The end of the light guide opens into a second adapter 14 and then reaches a chopper 15 . It is spectrally broken down on a stepper motor-controlled halographic grating 16 with 300 lines / mm and focused in the direction of two detectors 17 , a germanium photodiode and a PbS detector.

Mit der in Fig. 2 dargestellten Meßanordnung wurden Absorpti­ onsspektren von Trichlorethylen, 1,1-Dichlorethylen und Toluol aufgenommen (siehe Fig. 3). Die Kohlenwasserstoffe wurden in reinem Wasser gelöst. Der Mittelteil 12 des mit herkömmlichem Silicon ummantelten Lichtleiters wurde zunächst in reines Was­ ser eingetaucht und eine Referenz (Intensitätsspektrum) aufge­ nommen und digital abgespeichert. Anschließend wurde der Mit­ telteil 12 des Lichtleiters in ein ca. 2 l fassendes Gefäß ge­ taucht, das die wäßrige Lösung der Kohlenwasserstoffe enthielt und die Probemessung durchgeführt. Die Konzentrationen der Kohlenwasserstoffe in Wasser betrugen (in der genannten Rei­ henfolge) 5,9 ppm, 8,6 ppm und 7,7 ppm. Das Gefäß war mit ei­ nem gasdichten Deckel versehen. Aus Fig. 3 ist deutlich zu er­ kennen, daß bei herkömmlichen, protonierten Siliconen die Ab­ sorptionsspektren der Kohlenwasserstoffen durch ein Rauschen im Bereich der Siliconabsorptionslinien stark gestört werden.With the measuring arrangement shown in FIG. 2, absorption spectra of trichlorethylene, 1,1- dichlorethylene and toluene were recorded (see FIG. 3). The hydrocarbons were dissolved in pure water. The middle part 12 of the light guide coated with conventional silicone was first immersed in pure water and a reference (intensity spectrum) was recorded and stored digitally. Subsequently, the middle part 12 of the light guide was immersed in an approximately 2-liter vessel which contained the aqueous solution of the hydrocarbons and carried out the test measurement. The concentrations of the hydrocarbons in water were (in the order mentioned) 5.9 ppm, 8.6 ppm and 7.7 ppm. The container was fitted with a gas-tight lid. From Fig. 3 it can be clearly seen that in conventional, protonated silicones, the absorption spectra of the hydrocarbons are strongly disturbed by a noise in the area of the silicon absorption lines.

Fig. 4 zeigt die Temperaturabhängigkeit der spektralen Basis­ linie von protoniertem Silicon. Der Probenlichtleiter wurde mit reinem Wasser in Kontakt gebracht. Die Meßanordnung ent­ spricht im Prinzip der in Fig. 2 dargestellten Anordnung. Es wurden Temperaturdifferenzen zwischen Referenz- und Probemes­ sungen eingestellt. Hierzu wurde das Wasser auf verschiedene Werte temperiert. Die Referenzmessung wurde immer bei 11°C durchgeführt, während die Probemessung bei 14, 17, 20 und 23°C erfolgte. Die spektrale Charakteristik der Basislinie wird durch die Silicon-Absorptionsbanden bewirkt. Durch Tempera­ turänderungen dehnt sich das Silicon aus, wodurch der Bre­ chungsindex verkleinert und die Eindringtiefe des Meßlichts im evaneszenten Feld verringert wird. Brechungsindexänderungen durch eindringende Moleküle führen zu ähnlichen Basislinien- Charakteristiken. Fig. 4 shows the temperature dependence of the spectral base line of protonated silicone. The sample light guide was brought into contact with pure water. The measuring arrangement speaks in principle of the arrangement shown in Fig. 2. Temperature differences between reference and sample measurements were set. For this purpose, the water was tempered to different values. The reference measurement was always carried out at 11 ° C, while the test measurement was carried out at 14, 17, 20 and 23 ° C. The spectral characteristic of the baseline is caused by the silicone absorption bands. Temperature changes cause the silicone to expand, reducing the refractive index and reducing the penetration depth of the measuring light in the evanescent field. Refractive index changes due to penetrating molecules lead to similar baseline characteristics.

In Fig. 5 ist die Absorptionsbande von Trichlorethylen (vgl. Fig. 3) dargestellt. Die Messungen wurden an der in Fig. 2 dargestellten Meßanordnung mit herkömmlichem Silicon als sen­ sitive Schicht durchgeführt. Die Auswirkung von Temperaturän­ derungen auf die Basislinie zeigt sich durch Verzerrungen und Unsymmetrien der Absorptionsbande.In FIG. 5, the absorption band of trichlorethylene (see. Fig. 3) is shown. The measurements were carried out on the measuring arrangement shown in FIG. 2 with conventional silicone as a sensitive layer. The effect of temperature changes on the baseline is shown by distortions and asymmetries in the absorption band.

Fig. 6 zeigt die Messung von protoniertem (Kurve (b)) und deu­ teriertem (Kurve (a)) Polydimethoxysiloxan in Transmissionskü­ vetten. Die Silicone wurden hierbei in Küvettensegmenten (beidseitig offen, erhalten durch Abschneiden von normalen Kü­ vetten) in einer optischen Schichtdicke von 5 mm eingegossen und vernetzt. Die so erhaltenen Siliconproben mit definierter Schichtdicke wurden anschließend in eine Küvettenhalterung eingespannt und über zwei Transmissionssonden an ein NIR-Spek­ trometer (vgl. Fig. 2) angeschlossen und vermessen. Die Eigen­ absorption von protoniertem Polysiloxan ist deutlich erkenn­ bar. Wegen der Abwesenheit von Silicon-Eigenabsorptionsbanden ist bei vollständig deuteriertem Polydimethoxysiloxan die Grundlinie nicht strukturiert. Temperatur- und Brechungsin­ dexänderungen äußern sich lediglich als kleine Grundlinienver­ schiebung, welche durch eine Zweiwellenlängen-Auswertung kor­ rigiert werden können. Fig. 6 shows the measurement of protonated (curve (b)) and deu tered (curve (a)) polydimethoxysiloxane in transmission cuvettes. The silicones were poured and cured in cuvette segments (open on both sides, obtained by cutting off normal cuvettes) in an optical layer thickness of 5 mm. The silicone samples thus obtained with a defined layer thickness were then clamped in a cuvette holder and connected to a NIR spectrometer (cf. FIG. 2) and measured via two transmission probes. The inherent absorption of protonated polysiloxane is clearly visible. Because of the absence of silicone self-absorption bands, the baseline is not structured for fully deuterated polydimethoxysiloxane. Changes in temperature and refractive index only manifest themselves as small baseline shifts, which can be corrected by a two-wavelength evaluation.

Fig. 7 zeigt NIR-Spektren von Trichlorethylen, welches jeweils in einem Siliconblock einer optischen Dicke von 5 mm aus her­ kömmlichem, protoniertem Silicon [Kurve (b)) und deuteriertem Silicon (Kurve (b)) aus wäßriger Lösung angereichert wurde, wobei die Einstellung des Extraktionsgleichgewichts NIR-spek­ troskopisch verfolgt wurde. Während beim herkömmlichen Silicon negative Absorptionslinien und ein erhöhtes spektrales Rau­ schen im Bereich der Silicon-Absorptionslinien deutlich her­ vortreten, ist die Basislinie beim deuterierten Silicon unge­ stört und glatt. Das spektrale Rauschen ist durch die höhere Meßlichtintensität stark verringert. Daher ist hier im Gegen­ satz zur protonierten Siliconmatrix die kleinere Absorptions­ linie des Trichlorethylens bei 1700 nm ungestört zu erkennen. Fig. 7 shows NIR spectra of trichlorethylene, which was enriched in a silicone block with an optical thickness of 5 mm from conventional protonated silicone [curve (b)) and deuterated silicone (curve (b)) from aqueous solution, the Adjustment of the extraction equilibrium was followed by NIR spectroscopy. While with conventional silicone negative absorption lines and an increased spectral noise in the area of the silicone absorption lines clearly appear, the baseline with deuterated silicone is undisturbed and smooth. The spectral noise is greatly reduced by the higher measurement light intensity. Therefore, in contrast to the protonated silicone matrix, the smaller absorption line of trichlorethylene at 1700 nm can be seen undisturbed.

Claims (4)

1. Meßanordnung mit einer optischen Meßsonde, bestehend aus
  • a) einer Infrarotlicht emittierenden Strahlungsquelle
  • b) einem Lichtleiter mit einem Brechungsindex nL, der das von der Strahlungsquelle emittierte Infrarotlicht auf­ nimmt,
  • c) einer sensitiven Schicht aus einem Silicon mit einem Brechungsindex nS, wobei nS kleiner ist als nL, die den Lichtleiter zumindest teilweise abdeckt und die mit ei­ nem Meßmedium in Kontakt steht,
  • d) einem Photodetektor, der die Intensität des im Lichtlei­ ter geführten Infrarotlichts registriert,
    dadurch gekennzeichnet, daß
  • e) der Lichtleiter Infrarotlicht des nahen Infrarotbe­ reiches aufnimmt und
  • f) die sensitive Schicht aus einem vollständig deuterierten Silicon besteht.
1. Measuring arrangement with an optical measuring probe, consisting of
  • a) an infrared light-emitting radiation source
  • b) a light guide with a refractive index n L , which receives the infrared light emitted by the radiation source,
  • c) a sensitive layer made of a silicone with a refractive index n S , where n S is smaller than n L , which at least partially covers the light guide and which is in contact with a measuring medium,
  • d) a photodetector that registers the intensity of the infrared light guided in the light guide,
    characterized in that
  • e) the light guide receives infrared light from the near infrared region and
  • f) the sensitive layer consists of a fully deuterated silicone.
2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Infrarotlicht des nahen Infrarotbereichs eine Wellen­ länge zwischen ca. 1600 und 1800 nm aufweist.2. Measuring arrangement according to claim 1, characterized in that the infrared light of the near infrared range waves has a length between approx. 1600 and 1800 nm. 3. Meßanordnung nach Anspruch l oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das vollständig deuterierte Silicon eine Verbindung der Formel -[OSiR′R′′)ndarstellt, wobei R′ und R′′ geradkettige oder verzweigte, teilweise mit Halogen- oder Pseudohalogengruppen substitu­ ierte oder unsubstituierte Alkylreste oder teilweise mit Halogen- oder Pseudohalogengruppen substituierte oder un­ substituierte Arylreste repräsentieren.3. Measuring arrangement according to claim l or 2, characterized in that the fully deuterated silicone is a compound of the formula - [OSiR'R '') n , where R 'and R''straight-chain or branched, partially with halogen or pseudohalogen groups represent substituted or unsubstituted alkyl radicals or aryl radicals which are partially substituted or unsubstituted by halogen or pseudohalogen groups. 4. Meßanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeich­ net, daß der Lichtleiter aus Quarzglas besteht.4. Measuring arrangement according to claim 1, 2 or 3 characterized net that the light guide consists of quartz glass.
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