光化学传感器单元和用其确定测量介质中的分析物的方法与流程

本发明涉及光化学传感器单元和用前述传感器单元定性和/或定量确定测量介质中的分析物的方法。

背景技术：

已知在测量介质中使用磁性微球。在此，存在的问题是为了从测量介质中吸引微球要求相对强的磁场。

技术实现要素：

基于该初步考虑，本发明的目的是提供一种用于使用磁性微球的传感器单元，其可以以低能耗运行。

本发明通过权利要求1的主题以及通过具有权利要求15的特征的方法解决了此任务。本发明的有利的构造是从属权利要求的主题。

根据本发明的光化学传感器单元包括：光波导、用于发出用于激发发光体的第一发送信号的发送单元和用于接收包括由受激发的发光体发出的信号分量的接收信号的接收单元。

光化学传感器单元用于定性和/或定量获知测量介质中的分析物。分析物可以事先被转化为传感器活性物质。这可以优选地以催化方式或酶促方式进行。传感器活性物质可以然后作为淬灭剂积聚到发光体上，并且降低发光，特别是降低荧光。

通常，光波导可以构造为纤维束。特别地，光波导被设置为用于对发送信号和接收信号进行信号传输。发送信号特别地是可以由信号源、特别是光源、例如led发出的光信号。

接收单元可以是光电二极管。荧光熄灭的原理可以优选用作传感器的测量原理，当然荧光激发仅是测量原理的一个变型。所接收的光信号包括一定分量的激发辐射，例如荧光辐射。

传感器单元具有用于容纳流体的测量室，其中，流体包括磁性微球。流体可以例如是具有微球的溶剂，例如水。测量室优选是相对于测量介质封闭的空间。

测量室具有膜，膜布置在测量室与测量介质之间，并且膜被设置为用于在测量介质与测量室中的流体之间交换分析物。膜因此是分析物可渗透的。

膜不允许磁性微球通过。膜是微球不可渗透的。

本发明区分了前述膜和传感器膜。传感器膜(如果存在的话)不是碰触介质的膜，因此不与测量介质接触，而是碰触流体的膜。因此，传感器膜与测量室内的流体接触。但是因为传感器单元也可以以带有未填充的测量室的方式来销售或者储存，因此无论是否有流体布置在测量室中，该传感器单元都在本发明的范围内受到保护。

当然，作为传感器膜的替代，也可以设置有透明或半透明的壁而无需另外的层，或直接设置有光波导。在这种情况中，前述壁可以类似于传感器膜的未覆层的基底层地，例如作为玻璃窗或石英玻璃窗，来构造。

作为传感器膜的一部分的壁或基底层可以优选构造为透明或半透明的并且能传导的由氧化硅、氧化铟锡、石墨烯纤维、氧化钛、氧化钨、氧化锌、氧化锡、氧化钒和/或氧化镓构成的层，或可以具有这样的层。

传感器单元具有电磁体，电磁体被设置为用于朝向前述的具有碰触流体的表面的传感器膜或壁和/或朝向具有碰触流体的表面的光波导吸引磁性微球。

通过测量室提供了限定空间，在限定空间内微球可以与分析物接触。然后，微球可以通过具有低强度的磁场来吸引。通过微球沿着表面的聚集，此外可以在测量中实现更高的强度。

本发明的有利构造是从属权利要求的主题。

有利的是，光化学传感器单元包括用于控制电磁体的控制单元，其中，该控制单元被构造为用于在激活状态和取消激活状态之间控制电磁体，使得微球在激活状态中被吸引而在取消激活状态中不被吸引。

取消激活状态应被理解为电磁体例如通过极性转换也导致对微球的排斥。当然，在此难以在测量室内在流体中实现微球的最优的均匀性。因此，特别有利的是在测量室中暂时不存在磁场。

当然，在传感器单元的测量运行中，有利的是微球被电磁体吸引。

电磁体可以有利地布置在光波导周围或布置在光波导中，特别是布置在光波导的纤维束中。在第一变型中，电磁体可以被构造为呈围绕光波导布置的、特别是缠绕的线圈的形式。替代地，电磁体也可以被构造为一个或多个磁纤维。磁纤维可以是可磁化的纤维。如果存在多个磁纤维，则这些磁纤维可以包括可磁化的纤维。这些纤维可以布置在光导的纤维束的传导光的纤维之间。

电磁体可以替代地或补充地布置在传感器膜中或上。优选地，电磁体可以布置为扁平线圈，扁平线圈可以单片层式地构造，例如构造为印刷到传感器膜的基底上的线圈。

传感器膜可以构造为基底层，优选构造为由氧化硅、氧化钛、氧化钨、氧化锌、氧化锡、氧化钒和/或氧化镓构成的层。基底优选地对于发送信号和/或接收信号是能透光的。

传感器膜可以包括另外的层，例如对分析物敏感的层，该层在流体侧布置在基底层上。对分析物敏感的层包括发光体。

另外的可选的层是反射层，扩散阻挡层和/或光学隔离层，碰触流体的覆盖层，以及必要时的一个或多个增附剂层。

电磁体可以被构造为扁平线圈，扁平线圈优选地具有矩形或螺旋形结构。扁平线圈可以是前述传感器膜的一部分，特别是它的层。

测量室可以优选地具有用于更换测量室中的流体的入口和出口，使得可以更换那些其中存储或积聚的酶或其中存储或积聚的发光体已被消耗了的微球。

传感器单元可以具有用于使磁性微球在测量室内在流体中均匀化的搅拌设备。搅拌设备的如可以由搅拌器运行的部分(例如永磁体)可以有利地布置在测量室中。如果要与磁性微球发生不希望的相互作用，则也可以使用纯机械搅拌器作为搅拌设备。

传感器单元此外可以具有配量和/或注入设备，以用于将流体配量加入到测量室中和/或用于调节测量室内流体中的微球的浓度。因此，也可以配量多种不同的微球，例如分别具有对酶和分析物敏感的媒介。通过导入线路可以例如仅供给用于流体的溶剂，而通过配量设备配量添加微粒。

微球可以具有铁磁性材料作为磁性物质，铁磁性材料优选地选自包括如下项的组：元素铁、钴和/或镍，镍盐、钴盐和/或铁盐，稀土磁体，特别是钕铁硼、钐钴、钐铁氮合金，锶铁氧体和/或铁素体材料。

可以将磁性物质布置为微球的芯，而可以在芯的覆层中设置有发光体或催化剂或酶。

微球优选具有至少一个用于将分析物转化为传感器活性物质的媒介，优选是酶和/或催化剂，特别是铂。

微球可以包括用于检测分析物的对分析物敏感的材料，或包括用于检测由分析物转化所得的传感器活性物质的、对分析物敏感的材料。在此，材料可以优选地是含发光体的材料，特别优选地是包括荧光剂的材料。

微球可以此外具有由天然材料或合成聚合物构成的囊壳层。

此外，根据本发明提供了一种使用根据本发明的传感器单元定性和/或定量确定测量介质中的分析物的方法，所述方法包括以下步骤：

引入包括磁性微球的流体，磁性微球具有至少一个用于将分析物转化为传感器活性物质的媒介，并且/或者具有用于在测量室内检测分析物或从分析物转化来的物质的对分析物敏感的材料；

将传感器单元至少局部地引入到测量介质中，所述传感器单元至少具有膜的碰触介质的表面；

激活电磁体，使得微球在具有碰触流体的表面的传感器膜上聚集和/或朝向光波导的碰触流体的表面聚集；

在微球已聚集在碰触流体的表面上期间获知测量信号。

在完成上述步骤一次或多次之后，可以在将光化学传感器单元引入附件(armatur)中的情况下或在暂时封上封闭了测量室的分析物可渗透而微球不可渗透的膜的情况下来进行校准。此校准可以优选地作为管道中的现场(in-situ)校准来进行。

在下文中，将更详细地解释本发明的另外的实施变体。

控制单元可以是测量变换器的一部分、控制电子器件的一部分和/或能量供应部的一部分。前述元件可以是传感器单元的一部分或者可以是具有传感器单元的测量器件的一部分。

测量器件的其余部件和传感器单元可以通过电气隔离的连接，特别是通过感应式插接连接耦合和/或无线电连接而相互耦联。

用于供应传感器单元的能量优选地可以通过电气隔离的连接从上级单元的另一部分单向地传输到传感器单元。上级单元和传感器单元由此形成根据本发明的测量设施。

微球可以特别地从天然产物和/或生物聚合物获得。

微球可以包含从天然材料获得的填料。此填料可以包含促进反应的物质，即用于转化分析物的媒介，例如酶。

如果嵌入有用于转化分析物的媒介，微球的粒度可以优选在1μm至1000μm的范围内。

如果嵌入有因传感器而异的染料或发光体，微球的粒径大小可以优选在1μm至100μm的范围内。

微球可以包含用于进行包覆的添加剂，例如生育酚或来自动植物成分中的胆固醇。添加剂优选是根据fda和/或grass而言安全的，并且优选地不包括挥发性成分。

前述传感器膜可以包括聚合物基质、发光体和基底。可选地，可以在传感器膜中设置有另外的层、例如具有光学隔离器的层，反射层，确定扩散的层或卫生层。

在微球中酶可以单独地被包覆，并且包含磁性颗粒，并且可以在测量室内自由运动。

其中一个或多个微球可以在芯内设有磁性物质并且在表面上设有酶和/或指示剂染料。概念“发光体”和“指示剂染料”在本发明的范围中应理解为是同义的。

电磁体和发光体可以分别被嵌入在聚合物中。该聚合物也称为嵌入基质。嵌入基质可以优选是具有反应功能的基团的聚合物。在本发明的范围内，对于氧传感器来说，具有此类基团的优选的聚合物类别是硅酮。对于具有含酶层的传感器，优选的是允许水通过的聚合物，例如优选聚氨酯、丙烯酰胺、丙烯酸酯和/或甲基丙烯酸酯。

作为传感器膜的替代，传感器可以例如具有透明或半透明的器壁。此器壁具有面对测量室的表面，该表面可以与包括微球的流体接触。

但是，优选地使用具有上述透明或半透明的壁的传感器膜，其是基底层并且设有对分析物敏感的层和/或另外的层，其中，这些层具有可以与包括微球的流体接触的表面。

如上所述，也可以仅存在透明和/或半透明的器壁，但是可选地，也可以在器壁上布置另外的层，特别是上述的对分析物敏感的层。

此外，在流体中可能存在因传感器而异的微球，这些微球包括具有磁性材料和对分析物敏感的试剂(特别是发光体)的包封材料，其中，至少在测量间隔期间，磁性包封材料通过磁吸力保持在光波导和/或传感器膜的区域中。

替代地，例如在光学ph值测量的情况中，除指示剂染料、例如荧光体之外，参考染料、例如磷光体包含在传感器膜中。

因此，因传感器而异的成分不必包含在传感器膜中或不必全部包含在传感器膜中，而是可以优选包含在装载有磁性颗粒的微球中。

这些因传感器而异的成分特别是具有至少一个呈发光体形式的分析物指示剂和/或至少一个活化剂，例如酶，以用于将分析物转化为可借助传感器测量的物质或者说传感器活性物质。

此外，微球可以包括至少一个用于因传感器而异的指示剂染料的保护材料。但是也可以设置有保护材料来保护酶。

保护材料可以被构造为布置在微球的囊壳材料周围的保护层。包围着的保护材料可以是弹性体或热塑性弹性体。热塑性塑料也可以用作微球的填充或包裹材料。

为提供微球，可以通过内部组成部分的水解而释放天然产物，例如孢子。所得到的空心体用作微球的囊壳材料。例如，可以将磁性材料存储在囊壳材料的内部中，并且可以沿外表面布置酶或发光体。当然也可以考虑用于积聚的另外的变体。

可以通过流量计监测流体流入或流出测量室的情况。

通过关闭传感器单元的测量室，可以在过程中通过旁路实现现场校准。

根据本发明的测量设施包括根据本发明的光化学传感器单元和与光化学传感器单元连接的上级单元，特别是测量变换器或控制电子器件和/或能量供应部，其中，光化学传感器单元和上级单元通过特别是能松开的连接、优选地是感应耦联的插接连接耦合和/或无线电连接相互耦联，并且其中，能量通过该连接从上级单元向光化学传感器单元单相传输。

该连接可以有利地是电气隔离的连接。

上级单元可以有利地包括数据处理单元，并且其中，附加地在光化学传感器单元与上级数据处理单元之间通过连接双向传输数据，特别是测量量。

附图说明

本发明的其他优点、特征和细节从如下描述中将变得显见，在如下的描述中，将参考附图更详细地解释本发明的实施例。本领域技术人员将合适地单独考虑在附图、说明书和权利要求中组合地公开的特征，并将其联合为进一步有意义地组合。其中：

图1示出根据本发明的光化学传感器的示意性图示；

图2a示出图1的光化学传感器的一种变型的示意性图示；

图2b示出图1的光化学传感器的示意性图示；

图3a示出传感器膜的第一变体的示意性图示；

图3b示出传感器膜的第二变体的示意性图示；

图3c示出传感器膜的第三变体的示意性图示；

图3d示出传感器膜的第四变体的示意性图示；

图4a示出所使用的微球的第一变体的示意性图示；

图4b示出所使用的微球的第二变体的示意性图示；

图5a～5c示出微球内的磁性材料分布的示意性图示；

图6a～c示出根据本发明的传感器的不同的修改变体的图示；和

图7示出在位置a、b和c中的图1的传感器的校准的示意性图示。

具体实施方式

在下文中将参考可能的实施例以示例的方式描述本发明的光学传感器1。与此相关的特征、技术效果和优点也可以转移到其他光学或光化学传感器上。

图1示出了光化学传感器单元1，其也可以称为光学传感器或光学传感器单元。

光化学传感器单元1的测量原理基于荧光熄灭原理，并且下文中将根据获知测量介质中溶解氧的浓度来进行详细说明。

传感器膜中的氧分子的浓度，也即氧分压，与测量介质中的氧浓度或氧分压处于平衡状态。在测量过程中，首先通过光源发出具有至少一个对应的第一波长的第一光信号，以用于激发发光体分子。

如果光信号到达发光体分子，则发光体分子将被激发并发射发光辐射，该发光辐射以第二光信号的形式被传感器单元1采集。

如果有氧分子存在于传感器膜中，则氧分子与发光体分子交互作用并影响第二光信号的发射(例如，另外的强度，另外的相角，或另外的衰减时间)。因此，例如能量由第二光信号传输到氧分子上。由此第二光信号的强度降低。这种效应也称为淬灭，并且氧分子在此是所谓的淬灭剂。

第二光信号的强度、相角或衰减时间依赖于淬灭剂分子的浓度。当然，取决于所使用的发光体地，以此方式不仅可以获知氧分子，而且可以获知其他分子。

特别地可以将荧光剂用作发光体，当然也可以以类似的方式使用磷光剂，从而在此通过淬灭进行磷光熄灭。

在图1所示的光化学传感器单元具有传感器壳体2。传感器壳体2通过信号线路3与评估单元4连接，评估单元优选地被构造为测量变换器。

评估单元4与控制单元5连接。当然评估单元和控制单元也可以实现为一个单元。光化学传感器单元1沿信号线路3可以具有用于耦接到评估单元4上的耦联部位。

光化学传感器单元1具有发送单元6。该发送单元6具有光源7用于发出光学信号，光源例如可以包括led。此外，光学传感器具有接收单元8(其例如可以包括光电二极管)，用于接收改变的光学信号(例如由发光染料(指示剂染料)发射的且受发光淬灭影响的第二光学信号)并且用于将光学信号转换为电流和/或电压等效的测量值。在图1中，接收单元8以紧凑的结构形式与发送单元6组合为发送和接收单元。

光学传感器1具有套筒状的壳体部分9，壳体部分接到接收和发送单元6上。在壳体部分9中引导有光导10或光波导。光导10将光学信号从光源7传递到传感器膜11或从传感器膜11传递到接收单元8。此外，可以在壳体部分9中布置有用于调节电磁体的调节单元12，调节单元优选地为调控单元。

调节单元12和接收和发送单元6都可以直接或间接地，例如通过传感器耦联器27，与评估单元4连接。

光学传感器1优选在端侧具有磁体，优选地为电磁体14。电磁体14通过调节单元12通电运行，其中，通过调节单元12能调节电流配给。特别优选地，电磁体14在第一运行状态中被激活并且在第二运行状态中被取消激活。

传感器膜11在端侧布置在壳体部分9上，并且同时形成测量室15的器壁部分。壳体部分9是传感器壳体2的能从导入线路16和导出线路17松开的结构单元。测量室15被设置成用于容纳流体50，流体优选地是包括分析物和磁性微球和/或可磁化的微球30的液体，微球在下文也称为“珠”。这些磁性微球30特别是铁磁性的。在本发明的意义上，磁性微球也应理解为可磁化的微球。

流体此外可以包括至少一种指示剂和/或至少一种催化剂。催化剂和/或指示剂可以分别自由地存在于溶液中，或必要时也存储在磁性微球30中。在图4a和4b中示意性地图示出磁性微球30的两个实施变体。在图4a中，微球30具有由磁性材料制成的芯35，例如氧化铁制成的芯35，芯通过囊壳材料36被包裹。囊壳材料36呈现出微球，并且被覆层有多个功能层31～34。外层被构造为包括用于转化分析物的酶的酶层31。中间层形成为反射层34。

图4b示出了具有由磁性材料，例如氧化铁，制成的芯35的替代的微球30，该磁性材料被包裹在囊壳材料中。外层被构造为覆盖层33，以例如用于保护位于下方的层免受机械和/或化学作用(例如水解)的影响。与之相邻的层被设计为酶层31，酶层包括用于转化分析物的酶。与之相邻地布置有包括至少一个发光体的指示剂层32。然后在反射器层34与微球30的包裹芯35的囊壳材料之间布置有反射器层34。

微球30的指示剂层32和传感器膜的对分析物敏感的层101可以优选地由相同的材料构成。

在囊壳材料36，优选地为天然囊壳材料，例如是外壁中，优选地仅包入磁性组成部分。反射层或反射器层34优选地布置在囊壳材料36外，其中，囊壳材料与反射层相邻。在反射层34上布置有指示剂层32，并且必要时布置有含有酶的层或酶层31。含有酶的层或酶层可以包含铂颗粒。作为酶层的替代，也可以设置具有用于转化分析物的铂颗粒的层。当然，可以附加地还有中间层和覆盖层，例如覆盖层33。

微球30中的磁性物质可以以不同的方式分布。这在图5a至图5c中示意性地图示。图5a示出了磁性材料集中在芯35中。此外，微球具有微球的包覆磁性芯的囊壳材料36。

在图5b的变体中，在囊壳材料36内磁性颗粒38分布地布置。

在图5c中，磁性颗粒38围绕聚合物芯37布置为覆层。经覆层的聚合物芯37以囊壳材料36包覆为微球。

囊壳材料36可以被覆层以另外的层，例如层31至34。

测量室15相对于壳体部分9是介质密封的，并且可以通过导入线路16和导出线路17填充和/或排空。沿导入线路16和导出线路17分别可以布置至少一个阀。在图1的特定实施例中，分别有阀18设置在导入线路16和导出线路17上，并且此外沿两个线路中的每一个线路分别设置有开关13，特别是多通开关，以用于最优的循环。

特别地，可以通过导入线路供给溶剂25，必要时溶剂25也可以已经包含指示剂和/或催化剂。沿导入线路16布置有配量单元19，借助配量单元可以配量微球，并且必要时可以配量催化剂和指示剂(如果它们不存在于溶剂中)。在测量室15内优选地进行混匀。为此目的，传感器可以具有混匀设备，混匀设备在本情况下可以是永磁体26，也通称为搅拌棒，混匀设备可以通过搅拌装置，例如通过电磁体14来运行。当然也可考虑将搅拌装置布置在测量室15外，其中，微球自身用作磁体并且能够实现混匀。

在与传感器膜11相反的一侧上，测量室15通过分析物可渗透的膜20来限界。在正常使用期间，膜20以碰触介质的方式相对于实际的测量介质21布置。除去分析物外，膜优选地不允许测量室内存在的成分，特别是微球、指示剂和催化剂透过。

传感器膜11自身也是可磁化的。为此，传感器膜11可以具有扁平线圈22。扁平线圈可以具有多种形式，例如可以形成为螺旋形或矩形线圈。

在图3a至图3d中将更详细地论述传感器膜11的结构，其中，图3a和图3b表示传感器膜的初步阶段，而图3d才示出了制成的传感器膜。

传感器膜优选多层地构建成具有多个叠置的层。这些层限定了堆叠方向。传感器膜可以牢固地安装或以能更换的方式布置在测量室15中。

传感器膜11可以具有透明或半透明的壁作为基底层或基底100。基底可以是例如由氧化硅构成，或可以替代地由氧化钛、氧化钨、氧化锌、氧化锡、氧化钒和/或氧化镓构成。

在朝向介质的堆叠方向上，在基底100上可以布置有对分析物敏感的层101，对分析物敏感的层特别地包括发光体。

在对分析物敏感的层101上，传感器膜可以具有用于与测量室15内的流体50接触的碰触流体的层102。根据应用领域，此碰触流体的层102可以具有极性，例如层102可以被构造为是超疏水的、亲水的或全面疏液的。

也可以存在另外的未示出的层。这涉及例如至少一个反射层、扩散层和/或光学隔离层，这些层可以布置在碰触流体的层102与对分析物敏感的层101之间。

在上述层之间分别布置有增附剂层。此层103例如在图3c中布置在基底100与对分析物敏感的层之间。

在传感器膜中，在对分析物敏感层的101与碰触流体的层102之间布置有第二磁体，特别是电磁体104。电磁体104可以优选地被构造为扁平线圈，特别优选地被设计为平面线圈，并且因此是传感器膜11的一部分。

在图1的根据本发明的传感器1的测量原理中，微球可以通过磁场的激活，特别地通过磁场的感应而与传感器膜11的表面接触。在此，磁性微球被电磁体104吸引，使得沿传感器膜11出现微球的局部集中。因此，仅在磁场建立后，即使在低功耗下也可以进行可重复的无干扰测量。

能在光学测量方法中使用的所有可能的测量方式，例如对于衰减时间、相角移动、强度变化、吸收率变化的确定，均适合作为用于评估的测量量。

待由传感器1确定的参数优选是为了测量而需要酶以便转化为能由传感器采集的物质(如氧)的参数，诸如葡萄糖、乳糖和/或酒精。能由传感器采集的物质也被称为传感器活性物质。在长时间在高温下暴露于含水环境中时，酶通常会经历老化，这会导致特别是蛋白质结构的降解(水解)。

通过在微球中存储所使用的酶，可以实现酶的更高的水解稳定性。存储可以在传感器中使用微球之前的准备步骤中就已经进行。

因此有利的是，要么敏感的酶可以储存在主装载区之外，要么将敏感的酶重新供给到过程中，要么再生且又供给敏感的酶，这能够通过本发明的传感器实现。

在根据图3c的具有传感器膜的传感器1的实施方案变体中，可以将扁平线圈施装在传感器膜11内，或者替代地将扁平线圈以表面方式施装在传感器膜的或者透明或半透明的壁的表面上。因此，例如可以将相应的扁平线圈作为螺旋结构或矩形结构施装。因为所施装的结构不是透明的，因此在该实施例中应注意要有充分活性的测量面可以用于信号传导。

因此理想地，该结构可以施装在传感器膜的边缘区域内，并且尽可能仅覆盖传感器膜11的对分析物敏感的区域的实际测量区域中的很小面积。

线圈材料可以以直接布置在基底上的方式引入到传感器膜内，或施装在膜表面上。理想地，线圈的构造结构不影响光响应信号。

所谓的扁平线圈可以特别优选地是平面螺旋线圈、平面曲折形线圈、三维曲折形线圈和/或螺线形线圈。

线圈可以特别地直接位于传感器的光波导之前，或者位于传感器膜的基底的背对介质的一侧上，或者位于传感器膜的基底的面对介质的一侧上，或者位于传感器膜的另一个中间层内，或者位于传感器膜的向着测量室15的碰触介质的表面上。

如果基底是导电的，例如在基底上或基底内存在铟锡氧化物层或印刷导体时，在图3c中具有扁平线圈的形式的电磁体104可以此外与基底接触。这些层可以例如被溅射上。

替代地或补充地，电磁体104也可以通过例如也是线圈14的第二线圈的感应电流来运行。

作为对于图1中所示的传感器1的替代，也作为传感器膜11的替代可以仅设置有：具有末端的碰触介质的、特别是端侧的表面的光波导；或是具有基底100的光波导(图3a的变体)，其具有碰触介质的表面；或是具有基底100和对分析物敏感的层101的光波导(图3b的变体)，其具有碰触介质的表面；或具有基底100、对分析物敏感的层101和碰触流体的层102的光波导(图3c的变体)，其具有碰触介质的表面。然而，光波导的碰触介质的表面或对分析物敏感的层在传感器的运行中并不碰触测量介质21，而是碰触测量室15中的流体50。

在前述替代变体中，例如具有线圈形式的电磁设备或电磁体可以布置在光导中或周围。在此，可以特别地使用可磁化的纤维或丝，优选地是一个或多个铁磁纤维，其可以布置在光导的纤维之间或围绕光导缠绕布置。

优选地，沿光波导10，例如由光导纤维形成的束，在光波导10的面对介质的端部上布置有线圈。如上所述，并非强制地使用传感器膜11，而是光波导也可以具备碰触流体的表面，沿该表面可以布置电磁体。

当然，在传感器膜11内不仅可以设置电磁体104也可以设置附加的电磁体14，以用于吸引微球，或者也可以始终仅设置有两个前述电磁体中的一个电磁体。

将测量室15设计为使得可以实现通过所阐述的能透过分析物但不能透过微球的膜20来交换分析物。更换系统允许更换老化的微球。

最优地，测量室15具有搅拌设备，搅拌装置优选地在电磁体104取消激活时用于使测量室中的溶液均匀化。在此，作为磁搅拌器的一部分的永磁体仅是用于实现搅拌设备的一种实施变体。此外也还可以使用其他搅拌设备，例如机械搅拌设备。

作为用于混匀的设备也可以使用离心搅拌单元或悬浮机。测量设备可以例如通过流量计设备监测搅拌速度。

关于微球可构思传感器1的多种变体，其中，构造细节可以随微球的类型而变化。

在传感器1的第一实施变体中，具有至少一个基底100和对分析物敏感的层101的传感器膜11可以与光波导10直接接触，使得可以测量例如是氧的分析物。但是分析物在此仅是间接地检测实际待确定的分析物的化学反应的反应物或产物。例如，可以设置有在化学反应中释放或消耗氧的酶。葡萄糖氧化酶(gox或god)将葡萄糖氧化为葡萄糖酸内酯，从而降低系统中的氧含量。葡萄糖的测量可以作为氧参考测量而进行。氧损失随葡萄糖浓度变化而发生。该酶在化学上不太稳定，在此情况下仅在微球中包含该酶。在此第一实施变体中，仅将该酶布置在整合于传感器中的测量空间中的磁性微球内。

图2b以穿过传感器膜11的层的截面的布置示出了对应变体。在此情况中，设置有用于产生用来吸引微球体的磁场的电磁体14，并且金属栅格105用于沿传感器膜11的层传导磁场。例如，可以将此金属栅格105布置在传感器膜11的碰触介质的层102中。

在第二实施变体中，传感器1仅具有基底100作为传感器膜11。在此情况中微球包含指示剂，例如发光体，其在第一实施变体中位于对分析物敏感的层101中，并且其在第二实施变体中已经在测量室15中的流体中检测分析物。

在第三实施变体中，传感器1仅具有基底100作为传感器膜11。在这种情况下，微球包含指示剂和酶，指示剂和酶可以被共同或各自分别包覆在微球中，使得可以使用具有被包覆的酶的微球和具有被包覆的指示剂的微球，并且在此情况中可以间接如根据第一实施变体所描述那样获知分析物含量。“间接”在此意味着酶将实际的分析物降解并且然后仅通过降解产物的改变，例如氧含量的改变，来检测分析物。对于参考测量，也可构思两个测量子单元或两个传感器，例如，一次针对无分析物时的氧，一次针对分析物，例如针对葡萄糖，通过获知氧含量的差异来检测。

所有在此处描述的变体中使用的微颗粒或微球的共同点是它们具有磁性物质(在微球内部)，并且在磁性物质之上具有：a)酶，b)指示剂染料，c)酶和染料。通过在传感器中的电磁体上施加电压可以吸引并光学测定微球。

参考测量可以通过参考传感器进行。参考传感器也可以是简单的光学的氧传感器或do传感器(溶解氧传感器)。在两种单独的微球类型的情况中，具有指示剂层的微球和具有酶层的微球之间的比例可以选择成使得具有酶层的微球明显更多，其中，这些微球的数量比具有指示剂层的微球的数量至少高50％，优选有两倍那么高。因此，得到针对微球的三种优选的变体：

a)具备带有指示剂的膜+流体中的带有酶层的微球的传感器；

b)具备透明或半透明的壁+流体中的带有在磁性微球内或其上的指示剂层的微球的传感器；

c)具备透明或半透明的壁+流体中的带有酶层和指示剂层的微球的传感器。

前述的用于吸引磁性微球的电磁体14或电磁体104可以被构造为线圈。此线圈可以由抗磁性、顺磁性和/或超顺磁性材料构成，例如由铁、钴、镍构成。

光波导纤维束也可以与磁性组成部分交错。光波导也可以包括铁电材料，例如不溶性的镍盐、钴盐和/或铁盐，稀土磁体，例如钕铁硼、钐钴、钐铁氮合金，锶铁氧体，或其他铁素体材料，例如作为薄的空心管或纤维。

图2a示出了金属栅格105在光导10内的布置，使得磁场在光导10的横截面上延伸。在此未图示是磁线圈，其可以布置在光导10外。

因此，前述材料的布置可以在光波导中或沿光波导进行。理想地，此布置应使得光波导的光学特性不会受到不利影响。

为此，例如可以将这些物质染成黑色，或将光学纤维束用黑色粘合剂粘接。在使用由光波导和磁性纤维材料制成纤维束的情况下，尽管减少了光波导的光学活性面积，但这增加了对于溶液中传感器磁珠的磁影响。

所示实施变体中的传感器膜11可以是普通的光学氧传感器的膜，其具有包括发光染料、特别是荧光染料的层，并且可以具有光学隔离器。该光学隔离器可以例如设置在另外的层中。

磁性微球可以是基于如下天然材料的囊壳，该天然材料例如是源自藻类、例如矽藻类的细胞壁，或花粉的外壁，或可以由孢子，例如菌类孢子获得。替代地，磁性微球也可以是基于合成聚合物的囊壳，例如聚苯乙烯-二乙烯基苯及其衍生物。然后可以在这些囊壳中装载氧化铁。

在上述第二或第三实施变体中，作为传感器膜11的替代，可以使用由诸如石英玻璃或硼硅酸盐玻璃的透明材料制成的、由蓝宝石制成的或由塑料制成的基底。

如前文所述，微球可以是基于天然材料或合成聚合物的囊壳。

在第二实施变体的情况中，微球包含例如呈氧化铁的形式的磁性组成部分和例如荧光剂的发光体，并且例如如果微球自身不起到光学隔离器的作用，可选地包括光学隔离器。

微球也可以可选地具有酶，例如具有葡萄糖氧化酶，酶可以优选设置在腔的外部区域中。酶在微球上的一种布置的可能性是覆层。如果需要，此酶层还可以覆层有能透过水的聚合物，例如至少一个聚乙烯咔唑、交联的或未交联的聚丙烯酰胺、聚甲基丙烯酸酯、羟乙基纤维素、聚乙二醇和/或聚乙烯吡咯烷酮或上述化合物的衍生物。此外部聚合物层可以用于在微球表面上建立膜，并且可以优选地以能透过葡萄糖的方式构造。

所使用的磁性微球可以被不同地构造。

微球的各种描绘在图4a～4b和5a～5c中图示。为制造用于微球的囊壳，可以使用包括溶剂中的溶胀和沉淀的方法，以及蒸发溶剂、喷雾干燥、液体包覆或芯-壳(英语：core-shell)包覆的方法。

制造不同微球的例子在下文中列出：

为制造微囊壳，例如用于将磁性物质封入的外壁，必须将不稳定的荧光物质，例如蛋白质，脂质，核酸和碳水化合物从例如孢子的原材料中取出。为此，将石松(lycopodiumclavatum)孢子(250g)悬浮在丙酮中，并在回流下煮沸4h。将分散系离心，并倾析出上清液。将脱脂的孢子在4％氢氧化钾溶液中在回流下搅拌过夜(碱性水解)，然后过滤，用热水洗涤至中性，然后用乙醇洗涤直至无色。然后将碱性水解的孢粉在五氧化二磷干燥器中干燥过夜。将由此获得的150g产物悬浮在正磷酸盐溶液(85％，600ml)中，并在回流下搅拌一周(酸性水解)。将脱脂的、经碱性和酸性水解的孢粉过滤、用水洗涤至中性，且再用盐酸(200ml)、丙酮(200ml)和乙醇洗涤并且在回流下煮沸1小时、重新过滤并在干燥器中用五氧化二磷干燥。接着用次氯酸钠处理获得的外壁，以便得到用于光学应用的浅色微球。将经预处理的外壁(5g)在10％的次氯酸钠溶液(250ml)中在60℃下搅拌2h，并且冷却后过滤，并用去离子水(约1l)洗涤至中性。然后用丙酮(3×200ml)和乙醇(3×200ml)洗涤外壁，并使之在干燥器中干燥。

然后以氧化铁和/或酶和/或例如荧光体那样的指示剂染料或例如磷光体那样的参考染料装载微球。

将10克氯化铁(iii)和20克氯化铁(ii)四水合物和5ml盐酸(3m)添加至水-乙醇溶液(9:1，50ml)中，然后添加0.4克外壁。将分散系在45℃下剧烈搅拌约30分钟，过滤并用去离子水洗涤，然后掺和25ml的1m氨溶液。2小时后，将溶液滤除并用去离子水洗涤。在干燥皿中干燥后，将装有磁性颗粒的囊壳在1％的戊二醛水溶液中滴加到10％的葡萄糖氧化酶和牛血清白蛋白水溶液(比例为1:2体积比)中，并且在此溶液中添加外壁。将分散系在室温下搅拌约1小时，然后过滤并冷冻干燥。

可选地，微球也可以装载以发光体，例如指示剂或参考染料，优选地具有荧光体或磷光体。

为了获知分析物浓度，在本发明的范围内可以考虑不同的光学测量方法，因此例如测量相角移动、衰减时间和/或强度变化。使用荧光体可以通过强度变化确定浓度。另外两种方法可以优选在低功率传感器中使用磷光体。对于离子物质的确定的测量，通常将荧光体用作指示剂，并且将磷光体用作参考染料，以例如用于获知ph值或离子浓度。

在下文中根据示例详细解释发光体的包覆：

将三氯化三(4,7-二苯基-1,10-菲咯啉)钌(10mg)添加到二氯甲烷(2ml)和正己烷(1g)中，并在磁搅拌器上搅拌约2至3分钟。然后将分散系缓慢滴加到水中，并且再搅拌2至3分钟。然后将外壁过滤并干燥。包封效率可以通过重量的增加来确定，或可以通过萃取和高效液相色谱法(hplc)来确定。将由此产生的中空体在干燥皿中干燥，并且然后用乙醇/thf/水(80:10:10)和氧化铁分散，并且通过在预热的烧杯中用喷枪喷雾进行包覆和吸附。

前述示例只是包覆的一种可能性。也可实现明显更复杂的微球。对于此类更复杂的微球，可以通过逐次包覆将传感器组成部分引入微球。通过不同的层，可以从传感器采集尽可能大的强度。

同时，微球可以被电磁体任意吸引，使得可以实现快速的、可重复的测量。

在制造期间，首先可以提供磁性微球，然后可以逐一施装另外的层。

微球的多样性在下文中更详细地解释。首先，提供未被装载的囊壳。然后可以执行以下步骤：

a)例如根据上述示例装载磁性组成部分；

b)可选地：施装优选包括tio2、zro2或baso4的反射层；

c)可选地：施装分离层用作防止在对分析物敏感的层(d)上的颗粒物向下方层中进行颗粒物迁移的层；

d)施装荧光染料或带有荧光染料的对分析物敏感的层；

e)可选地：施装扩散屏障和/或卫生层，

例如，通过喷涂和/或浸渍，例如在稀释的有机硅聚合物溶液中。

上述的分离层的构造方案可以例如如下这样进行：乙醇钛(英语：titaniumethoxide)可以用作先导物，因为tio2基本不溶。为进行覆层可以使用乳液聚合。加水引发交联。然后，所形成的tio2形成微囊壳的囊壳材料上的不溶的子层。zro2可以以类似的方式施装。为涂敷硫酸钡可以使用沉淀反应。在此，可以使bacl2和h2so4反应。

有机硅、特氟龙af、hyflon和/或聚氨酯，特别是用于离子分析物的聚氨酯，可用作扩散阻挡层。

为了纳入酶可以使用极性物质，例如聚丙烯酸酯、聚乙二醇(peg)和/或聚乙烯醇(pva)。

作为卫生层可以使用rtv硅树脂和/或聚氨酯(pur)等。

在下文中，将描述用于生产装载的微球的另一变体。首先，提供未装载的囊壳。然后可以执行以下步骤：

a)装载例如根据上述示例的磁性组成部分；

b)施装反射层，例如含有tio2、zro2和/或baso4的层，其中包含发光体，例如荧光染料。替代地可以涂敷对分析物敏感的层；

c)可选地：施装扩散阻挡层或卫生层，例如通过浸入到稀释的有机硅溶液(己烷作为溶剂)或氟代烷基硅氧烷中。

在下文中，将更详细地解释膜20的设计方案的各种变型。

膜20例如由能透过分析物的聚合物膜形成。在此示例中，膜20与其余的传感器壳体连接。然而，各种替代实施例是可能的。但是膜20也可以构造为传感器壳体的多孔的器壁，例如通过封闭了测量室15的、具有一个或多个通孔、例如纳米孔的器壁区域构成。替代地，膜20也可以通过封闭了测量室15的器壁或通过由多孔和/或传导离子的物质构成的层形成，多孔和/或传导离子的物质例如是分子筛、沸石材料、陶瓷、离子交换剂、质子导体、mof(金属有机骨架)和/或zif(沸石咪唑酯骨架)。膜20可以与传感器壳体2一体地构造或者与传感器壳体牢固地连接。

图6a至图6c示出了传感器1的不同变体。传感器可以经根据图6a所示一体式地构建，如也在图1中图示。

当然膜20也可以是能以能松开的方式与壳体主体连接的膜盖40的组成部分，如图6b示意性所示。在此实施中，壳体主体39和膜盖40共同形成传感器壳体2和测量室15，并且膜盖40朝向测量介质封闭传感器壳体2和其中形成的测量室15。膜盖40在此套装到其余的传感器壳体2上。

如图6c所图示，如果膜20由多孔材料形成，例如由多孔陶瓷或沸石形成，则膜可以呈部分地或完全地由多孔材料制成的盖41的形式形成，该盖41例如通过插接或螺钉连接以能松开的方式与其余的壳体主体39连接，使得盖在测量介质那一侧封闭测量室15。

在此设计方案中，可以在测量流体与包括在测量室内的指示剂之间进行快速的分析物交换。在此有利的是，必要时包含在指示剂溶液中的辅助物质不能向测量介质方向通过膜20。多孔陶瓷可以在外侧设有选择分析物的聚合物覆层，和/或在内侧设有防沉积覆层。

陶瓷可选地包含起选择分析物作用的聚合物，例如特定的丙烯酰胺和/或羟基纤维素。分离通常通过尺寸排除进行。

通常，应当保护膜20以防干扰物质，例如蛋白质或染料分子。但是在优选的可能设计方案中，碰触介质的膜20因此也可以是选择分析物的。但是这在本发明的意义上并非是必需的。

在最简单的情况中，几乎全部存在于测量室中的东西也存在于测量介质中，除了大的磨蚀材料或易于阻塞膜20并且/或者会导致测量失真的材料等。膜20的主要目的是防止磁性微球/珠从测量室15中漏出。术语“选择分析物的”应理解为粗颗粒过滤器和/或粗物质过滤器的附加功能。

在下文中，将更详细地解释测量室15的设计方案的不同的变体。

光学传感器单元1可以包括至少一个光波导，以用于将由发送单元或辐射源发射的辐射传导到测量室15中并且以用于将发光辐射从测量室15传导到接收单元。

测量室15可以通过第一流体线路，即导入线路16与布置在测量室15外部的至少一个储存器流体连接，该储存器包含装载有指示剂和/或酶的磁性微球。储存器可以被设置为配量单元19的一部分。测量室15可以与第二流体线路，即导出线路17流体连接。第二导出线路17可以与未图示的收集容器连接，用于捕获用过的微球。在此设计方案中，存在于测量室15中的微球可以以规则的时间间隔、在需要时或连续地更换为来自配量装置19的储存器的微球。为此，传感器单元1可以包括用于将流体从储存器输送到测量室内并且用于将流体从测量室15输送到导出线路17的机构。此机构可以包括阀、泵、下降的流体线路，或用于产生使得流体沿其被输送的压力梯度的其他机构。配量单元19的至少一个储存器和/或收集容器可以布置在传感器壳体2内。替代地，储存器和/或收集容器可以布置在传感器壳体2外。在此情况中，将导入线路16和导出线路17从传感器壳体2引出，以便将配量单元19的储存器和/或收集容器与测量室15流体连接。

有利地，布置在测量室15内的储存器可以与一个或多个、例如两个或三个未图示的布置在测量室15外的储存器流体连接。其中每个储存器可以包括结合在、优选地被包覆在磁性微球中的指示剂和/或酶。各自的储存器的各自的微球在指示剂和/或酶方面可以彼此不同。例如，在第一储存器内可以包含装载有一种指示剂和/或酶的适合于确定第一分析物的浓度的微球类型，而在第二储存器中可以包含装载有第二指示剂和/或酶的适合于确定不同于第一分析物的第二分析物的浓度的微球类型。然后可以在传感器单元1的运行期间有选择地将第一或第二指示剂和/或催化剂导入测量室15内，以便根据选择或交替地确定第一或第二分析物的浓度。在此情况中，膜20被设计成使得第一和第二分析物都能通过膜20而进入到测量室15内。此外，在此设计方案中，测量室15与至少一个用于捕获用过的指示剂和/或催化剂的收集容器连接，指示剂和/或催化剂可以从测量室15中被导出到该收集容器中。

当允许分析物通过的膜20被设计为例如能以机械方式关闭时，空间受限的测量室此外可以用于校准微球，例如在图7中所图示。为此，从测量位置a开始，例如通过将传感器单元1回引到处于附件200内部的位置c中，使传感器单元1从膜20例如处于容器中的测量位置a运动出来，或通过使传感器单元1从附件200中运动出来，使传感器单元1运动直至膜抵靠在容器的对置侧的平的器壁上(位置b)。容器可以是例如管道或者反应器皿、例如发酵罐。在图7中示出的位置b和c中，暂时相对于容器中存在的测量介质封上膜20。在这个暂时将膜20封上的期间，可以将含有分析物的标准品添加到测量室中，进行校准和洗涤，并且添加新的标准品，再次校准并洗涤。在洗涤期间，电磁体104可以固定微球，使得仅校准溶液被更换。以这种方式使得可以进行多次校准。可选地，可以设置有单独的氧参考传感器，该氧参考传感器也可以布置在测量室中并且探测溶液的氧含量作为参考值。

附图标记列表

1光学传感器单元

2传感器壳体

3信号线路

4评估单元

5控制单元

6发送单元(在智能传感器的情况中+测量值处理单元)

7光源

8接收单元

9壳体部分

10光波导

11传感器膜

12调节单元

13开关

14电磁体

15测量室

16导入线路

17导出线路

18阀

19配量单元

20膜

21测量介质

22扁平线圈

25溶剂

26永磁体(搅拌设备)

27传感器耦联器

30微球

31含有酶的层

32含有发光体的层

33覆盖层

34反射层

35磁性芯

36囊壳材料/囊壳层

37聚合物芯

38磁性颗粒

39壳体主体

40膜盖

41盖

100基底

101对分析物敏感的层

102碰触介质的层

103增附剂层

104电磁体，例如扁平线圈

105金属栅格

200附件

300测量容积